波长及工作模式现场可配置单片集成激光器研究

Booming configurable optical switching and optical access networks require a semiconductor laser not only with a wavelength tuning capability, but also ability to switch between the continuous-wave and pulsed wave modes. This project, based on the technology platform of DBR lasers, investigates the novel design of reconfigurable shared cavity, to achieve a common wavelength and mode field configurability. Taking into account the two operation modes, there are two difficulties: 1) quantum well layer design in gain region. Continuous-wave mode requires multi-layer design to improve the quantum conversion efficiency, while the pulse-wave mode needs few-layer design to ensure the impulse quality; 2) wavelength selector design. Continuous-wave needs narrow-band design to reduce the line-width, pulse-wave requires broadband design to reduce pulse width. This paper intends to adopt 1) the pulse-collision mode-locking shared cavity design to solve the quantum well layer design challenge; 2) shared common cavity design with dual-DBR-pair to solve design challenges of wavelength selectors. In addition, this project introduces the chip-package synchronous design concept, to use the relatively simple packaging technology for trimming the deviation induced by production process. This project intends to reveal the operation mechanism of the above design, and design and fabricate the integrated chip with a total opto-electronic-thermal package. Exploring such new lasers will result in, a complete shared cavity design theory established, and a package laser module demonstrated.

蓬勃发展的可配置光交换网及光接入网需要半导体激光器既能具有波长调谐能力，又能在连续波和脉冲波工作模式之间进行现场切换。本课题以DBR型激光器为基础技术平台，研究新颖的可配置共用腔体设计来实现波长及工作模式的现场可配置性。兼顾两种工作模式的设计存在两个难点：1）增益区量子阱层设计。连续波需要多层设计以提高量子转换效率，脉冲波需要少层设计以保证脉冲质量；2）波长选择单元设计。连续波需要窄带设计以降低线宽，脉冲波则需要宽度设计以降低脉宽。本课题拟采用1）脉冲碰撞锁模的共腔设计，解决量子阱层设计难点；2）DBR波长选择器对的共腔设计，解决波长选择单元设计难点。此外，本课题引入芯片-封装同步设计思想，采用封装技术解决制作工艺所致偏差。本课题拟揭示上述设计的运行机理，并基于之完成集成芯片设计、制作以及光电热综合封装，在探索该类新颖激光器的同时，构建共腔设计理论，演示封装激光器模块。

信息时代的迅猛发展对光交换网与光接入网中的半导体光电器件提出了新的要求，其中对半导体激光器需求为具备连续波和脉冲波等多种工作模式并满足波长可调谐，工作模式可配置。为此我们依据任务书，在InP材料体系上，研制了以DBR激光器为基础技术平台，通过可配置共用腔体设计，实现了波长与工作模式可配置的激光发射器件，并搭建双向传输网络进行了试验研究。围绕基于工作模式可现场配置的光发射器件的应用需求，重点开展了如下工作：1）完成了多段式结构设计，研究各功能单元的物理结构与特性。2）研究工作模式可配置的实现技术，设计各个功能单元的外部驱动。3）探究其在不同驱动下工作模式的性能，包括四种工作模式：连续波、脉冲波（被动锁模）、混合锁模、类直调发射与接收。3）研究其在双向通信平台上的试验性能，实现了对NRZ-OOK以及QPSK，OFDM-QPSK的调制解调。芯片结构以及器件的性能与应用场景都在这次项目中得到了充分的研究与证明，并且对器件性能的进一步优化也给出了指导方向，对波长与工作模式可配置的激光发射器件的实用化有很大意义。