用于CPO应用的400mW级1.3μm 大功率半导体激光器

生成式人工智能和高性能计算需求的不断增长，提高了数据中心内高速、节能通信的重要性，这使得共封装光学（CPO）技术备受关注。作为CPO的组成部分，外置激光源（ELS）需要几百毫瓦的高光输出功率，以及超过20%的功率转换效率的低功耗。

本文讨论了一种将宽条纹波导半导体光放大器（SOA）集成到用于CPO的1.3μm大功率半导体激光器中的技术。通过采用各元件电隔离的结构，优化了功率分配，在45℃的温度下实现了超过400mW的输出功率和25%的功率转换效率。

1. 引言

随着近年来生成式人工智能和高性能计算的普及，短距离光纤通信（例如数据中心内1公里以下的通信）的需求显著增加。为了满足这种日益增长的需求，提高通信系统的速度并降低功耗尤为重要。业界正在推动引入共封装光学（CPO）技术，该技术将集成电路和光收发系统紧凑地封装在一起。

CPO技术可以缩短光收发系统与集成电路之间的电气布线，从而实现更快的通信并减少功率损耗。另一方面，在使用硅光子技术和激光器进行光收发系统内信号处理时，半导体激光器需要超过100mW的高光输出来补偿发生的光学损耗。为了保持整个系统的低功耗，即使在高光输出下运行，也需要保持超过20%的高功率转换效率（PCE）。

随着CPO被引入数据中心通信，作为外置激光源（ELS）的1.3μm波段大功率激光源的研究也日益活跃。已有研究报道了使用长激光腔结构以及集成分布式反馈激光二极管（DFB-LD）和半导体光放大器（SOA）的结构，并实现了超过100mW光输出的激光源。

在此趋势下，研究团队通过引入用于高输出LD（如加工用LD和光纤激光器激发用LD）的宽条纹结构，并利用电隔离技术优化各区域的输入功率以提高PCE，成功实现了在45℃的基板温度下，PCE为25%、光输出超过400mW的高效半导体激光源。

2. 器件结构

实现高激光输出，宽条纹波导结构非常有效。然而，宽条纹波导结构的激光腔难以实现单模振荡，因此不适用于需要高相干性的光通信等应用。如图1所示，通过形成一个集成了DFB-LD段和SOA段的器件结构，兼顾了高输出和相干性。DFB-LD段满足单模传播条件，而SOA段则在宽条纹波导中放大DFB-LD的光。

该器件SOA段的波导宽度设为7.2μm，器件总长度为2mm。SOA段较宽的波导宽度可以降低光子密度，从而抑制增益饱和。它还可以因电阻降低而减少热量产生，并通过扩大散热路径改善热阻，从而降低工作期间有源层的温度，进而增加光输出。

DFB-LD段和SOA段通过锥形波导结构在有源层上耦合。DFB-LD段容易达到光输出饱和，它作为种子光源，在低电流下工作以产生相干光。通过相应增加SOA电流，整个器件可以实现高PCE并保持相干性。

SOA段的输出端面进行了抗反射（AR）镀膜，DFB-LD段的端面进行了高反射（HR）镀膜。由于SOA位于该器件结构的出射侧，如果输出端面存在反射，则存在以SOA部分作为谐振腔发生激光振荡的风险。因此，通过采用与输出端面成一定角度的斜波导结构，可以抑制输出端面反射，并抑制边模抑制比（SMSR）的劣化。

3. 器件特性

●3-1 发射特性
在评估器件特性时，在将激光芯片安装在AlN散热片上的芯片-基板（CoS）组件上进行了测试。器件温度Tc定义为安装CoS的基板温度。图2显示了光输出的温度依赖性，其中PO表示SOA段的光输出，ISOA和IDFB分别表示SOA和DFB-LD段的注入电流。在此，DFB-LD段在25°C时阈值电流约为17mA，目标注入电流IDFB设为250mA。

在T_c为25℃、45℃和65℃时，获得的最大光输出分别为600mW、450mW和320mW，证实了使用宽条纹SOA段成功产生了高输出。设想实际工作条件，使用各最大输出时SOA电流值的0.7倍作为工作电流，在T_c为25℃、45℃和65℃时，分别实现了530mW（I_SOA=1.05A）、400mW（I_SOA=0.88A）和280mW（I_SOA=0.78A）的工作光输出，确保了作为CPO应用ELS的足够光输出。

我们的器件具有独立的SOA和DFB-LD段，其PCE由下式给出：

其中，V_SOA和V_DFB分别表示施加到SOA和DFB-LD段的电压。图3显示了PCE对光输出的温度依赖性。在Tc为25℃、45℃、65℃时，最大PCE分别为33%、28%和22%，在实际工作条件下分别为28%、25%和21%，证实了高效的发射特性。

● 3-2 振荡光谱
在CPO应用中，振荡光谱要求单模和高SMSR。特别是在集成的SOA器件结构中，已有报道指出，当DFB-LD的光输出强度不足时，SOA中发生的放大自发辐射（ASE）噪声或输出端面反射会导致SMSR劣化。因此，需要通过评估振荡光谱来确认是否可以用于光通信应用，并确认SOA是否以谐振方式工作。

首先确认了未集成SOA时，仅DFB-LD段的发射特性。图4显示了仅DFB-LD段结构的发射特性。此时，DFB-LD段的输出端面进行了AR镀膜。与3-1节类似，如果DFB-LD的工作电流为250mA，在T_c为25℃、45℃、65℃时获得的光输出分别为124mW、113mW和90mW。与3-1节的实际工作条件相比，在SOA集成结构中，SOA增益在T_c为25℃、45℃、65℃时分别为6.3dB、5.5dB和4.9dB，均显示出较低的放大率。

鉴于SOA的小信号增益通常为20dB或更高，饱和光输出约为10mW，根据其低放大率可以判断SOA工作在增益饱和状态。由于处于增益饱和状态，注入SOA的大部分载流子被受激发射消耗，从而创造了抑制ASE噪声产生的工作条件。在ISOA下测量的振荡光谱的温度依赖性如图5所示。在所有测量条件下均可确认单模振荡，证实了根据器件设计理念，只有DFB-LD的0阶模激光在SOA段被放大。

此外，获得了超过45dB的稳定SMSR，并且没有出现称为外腔模式的波峰，因此可以确认它不受SOA的ASE或SOA端面反射的影响，确保了用于光通信应用足够的相干性。此外，作为CPO的ELS，还需要振荡光谱的稳定性。已知高输出激光器和长腔激光器由于空间烧孔效应容易引起模式跳变。模式跳变是指振荡光谱跳到另一个相邻波长的现象，这也可能导致多模振荡。同时,还会在光输出中发生称为扭折的不连续变化，这在光通信系统中进行控制时会成为问题。

相反，由于器件结构主要使用SOA段来实现高输出，DFB-LD段的光密度相对较低，从而形成了一种不易引起空间烧孔效应的结构。模式跳变的发生可以通过在大范围电流扫描中观察振荡频率的连续变化来确认，因为它发生在注入电流变化导致激光器内部电场强度改变时。图6显示了在T_c为45℃时，当I_DFB从52.5mA扫描到350mA，I_SOA从0扫描到1500mA时，振荡光谱峰值的变化。每次电流扫描期间的振荡光谱都以规则的振荡间隔结束，确认没有发生模式跳变，可以获得稳定的振荡光谱。

●3-3 相对强度噪声（RIN）
除了振荡光谱外，相对强度噪声（RIN）是考虑光通信应用时另一个需要确认的重要参数。图7显示了在T_c为45℃时，RIN对I_SOA和I_DFB电流的依赖性。RIN主要取决于I_DFB，平均RIN随着I_DFB的增加而降低。随着I_SOA的增加，没有观察到变化趋势，通过将I_DFB工作在200mA或更高，可以获得低于-155 dB/Hz的低RIN。

●3-4 远场图案（FFP）
使用宽条纹波导时的一个问题是对远场图案（FFP）的影响。使用宽条纹波导的高输出LD可能由于多模振荡或称为灯丝效应的现象而导致光束形状异常，如双峰。图8显示了测得的FFP。在水平方向和垂直方向都获得了近似高斯形状的FFP，水平方向和垂直方向的半高全宽（FWHM）分别为12.7°和23.2°，证实了从单模传播条件获得的预期光束形状。

4. 结论

我们开发了一种用于CPO应用的1.3μm波段半导体激光器，该激光器采用宽条纹SOA集成DFB-LD结构，在45℃工作条件下实现了超过400mW的光输出和25%的高PCE。这种大功率激光器具有高稳定性的振荡光谱，SMSR超过45dB，RIN低于-155dB/Hz，证明其适用于CPO应用。

技术术语
● 分布式反馈激光二极管（DFB-LD）：通过在激光谐振腔内设置分布光栅，利用布拉格反射实现波长选择的半导体激光器
●  半导体光放大器（SOA）：由增益介质构成的半导体波导。通过在电子反转分布状态下注入电流和输入光，利用受激发射实现光放大
● 边模抑制比（SMSR）：主振荡光谱峰值与边带光谱峰值的强度比
● 放大自发辐射（ASE）：自发辐射光被放大后产生的非相干光
● 相对强度噪声（RIN）：单位频率的光功率噪声与载波光功率的强度比
● 远场图案（FFP）：从激光器输出端面发射的光功率的角度强度分布

作者：Konosuke AOYAMA（住友电工器件创新株式会社）

来源：荣格-《国际工业激光商情》

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