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为什么要将激光器与调制器集成在一起呢?

时间:2013-06-08 22:10:53  来源:  作者:

 项目名称:高速分布反馈半导体激光器及其与电吸收调制器单片集成光源

  项目完成人:罗毅 孙长征 熊兵 王任凡 柴广跃 阳红涛

  项目介绍:针对光纤通信网络对高速光源器件的战略需求,发明了光栅耦合强度易于调控的增益耦合分布反馈激光器结构、含有增益耦合机制的同一外延层集成光源结构、高性能低成本模块封装结构等,成功研制出2.5~10 Gb/s无制冷分布反馈激光器和2.5~40 Gb/s集成光源芯片,获得发明专利授权10项、计算机软件著作权1项,培养了博士11人、硕士20人,发表重要学术论文48篇、国际会议特邀报告18次。

  光纤通信领域的超级“手电筒”

  拨一通电话、发一条信息或者浏览一下网页、看一个电视节目……每天每时,我们都在消费信息。而大约20年前,一个公共电话的后面,可能排着长长的等待队伍;互联网对于专家、教授都是奢侈品。通信行业如此快速的发展,光纤通信技术发挥了支柱性的作用。光纤骨干网、城域网以及宽带光纤接入网已构成如今的信息网络的基石。

  光纤即光导纤维,是一种利用光在玻璃或塑料制成的纤维中的全反射原理而达成的光传导工具。简言之,光纤是传输光信号的工具,而光信号则来自于“光源”,这便是我校信息学院罗毅教授项目组研发的目标——“高速分布反馈半导体激光器及其与电吸收调制器单片集成光源”。

  这一“光源”分为两种情形。光信号比较慢时,不需要集成一个调制器,可以通过直接改变半导体激光器的驱动电流的强弱,实现强度随时间变化的光信号;当光信号的速度需要很快时,激光器的驱动电流不变,输出恒定强度的光,通过集成电吸收调制器去高速控制输出光信号的强度,此种光源又称为“集成光源”。在光纤通信的系统中,“光源”的角色只是沧海一粟,但它的地位却是核心的,没有光的信息源,光纤就是单纯的材料,毫无用处。“‘光源’的工作就像一个手电筒,不断地开关,光纤里才有了光和信号。”罗毅如此比喻。

  为什么要将激光器与调制器集成在一起呢?“如果单独封装这两样东西,成品大概是两个拇指节那么大,集成后封装就只有一个拇指节那么大。”罗毅说。同时,单独封装还需要光纤将两者连接起来,而集成则免除了这个麻烦,使运行更加可靠。与普通的做法相比,罗毅项目组采用了同一外延层的集成方法,即激光器与调制器共用同样的多量子阱外延层,使外延生长次数和工艺步骤减少了约50%,这就显著降低了集成器件的制作成本,是光电子集成器件制造领域的一个重要创新。

20年达成400亿次每秒的带宽高峰

  1983年,罗毅毕业于我校无线电电子学系电子物理与激光专业,分别于1987年、1990年在日本东京大学工学部电子工学科获工学硕士与博士学位。1992年4月归国,任我校电子工程系教授。他以高速、低成本的分布反馈激光器及其集成光源为研发目标,一晃已是20余年。目前推出的40Gb/s的集成光源模块,是同类结构集成光源模块中的最高水平,综合产业化成本及素材自身的物理限制考虑,实现带宽40Gb/s的速率已是一个极限。

  “做科研就像爬一座山,值得喜悦的并不仅仅是站在珠穆朗玛峰峰顶的那一刻,攀登的过程中会不断地有惊喜、失落等等。成功可能是‘千年等一回’,但这‘一千年’里已发生了太多有意思的事。”谈到科研中的甘苦,罗毅感慨地说。

  项目初期,分布反馈半导体激光器及集成光源均采用折射率耦合机理,在原理上,存在单模成品率低、结构复杂等缺陷,导致光源的成本和带宽成为光纤通信网络的主要瓶颈问题。“比如制作10个光源,也许只能成功1个,成品率就这么低。”罗毅说。而带宽的问题则更加关键,“光源”的发射速率直接影响着光纤传递的信息量,这也与我们日常生活的网速息息相关。

  对此,罗毅项目组在激光器中引入增益耦合反馈机理,并综合考虑激光器阈值电流、单模成品率、调制带宽等各性能参数,对包括光栅在内的激光器结构进行了全面的理论与实验优化。1997年,罗毅项目组率先在国内实现了2.5Gb/s的集成光源芯片,随后的15年间,这一数字不断被刷新,10Gb/s、40Gb/s,成品率也从10%提升到50%。

  “40Gb/s的速率就相当于一个手电筒每秒钟完成了400亿次的开与关。” 罗毅说。如此高的发射速率,光源模块的电信号能否低损耗馈送是一个非常重要的问题。项目组提出一种使用便利、可降低成本的微波信号馈送线路,自制了集成有匹配电阻封装热沉。这一器件热沉一体化的封装结构,有效地改善了器件芯片到封装管壳的光电耦合,保证了高速光源模块的工作稳定性和可靠性。

从依赖进口到拥有自主知识产权后出口

  1966年,英籍华裔学者高锟和霍克哈姆发表关于传输介质新概念的论文,奠定了光纤通信的基础。至今近50年的发展历程中,光纤通信技术的发展始终由欧美、日本等发达国家主导。

  随着我国光纤通信网络的普及和广范应用,大到国防、高端信息产业,小到每个老百姓的上网、通信消费,都对高速光源器件有着迫切的需求。而长期以来,我国的分布反馈半导体激光器及其集成光源等高端芯片和模块一直依赖进口,且价格非常昂贵,这严重制约了我国信息基础设施建设的发展。罗毅项目组与合作企业一起打破了这一困局。

  项目组在1994年率先提出增益耦合集成光源并发表研究论文后,美国、德国、韩国等国家的科研机构或电子公司相继开展了各种有关增益耦合集成光源的研究;项目组关于集成光源芯片的论文也被高速光(EA)调制器发明人、美国科学院和工程院两院院士、斯坦福大学教授米勒引用;2008年发表的论文被日本著名企业日本电信电话株式会社(NTT)研究小组多次引用等等。“在光电子器件制造领域,我们让国外同行听到了中国的‘好声音’。我们不仅拥有了自主知识产权,还提出了更简洁的解决方法。”罗毅欣慰地说。

  目前,罗毅项目组的“高速光源”已在合作企业实现产业化,成本较国外同类产品降低了50%以上。近三年已为社会提供了超过110万套高速光源,经济效益近8亿元。国内和数十个国家和地区的主流光网络系统都在运用他们的“高速光源”。业内专家对他们的产品给予了这样的评价:“性能稳定、综合指标优良,完全可以满足系统应用的各项要求,与国外同类产品相比具有价格优势。”

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