國(guó)偉華教授團(tuán)隊(duì)在CLEO和OFC報(bào)道新型光電子器件重要研究進(jìn)展

  近期，華中科技大學(xué)武漢光電國(guó)家研究中心國(guó)偉華教授團(tuán)隊(duì)(III-V實(shí)驗(yàn)室)聯(lián)合寧波元芯光電子科技有限公司，在光通信領(lǐng)域的旗艦學(xué)術(shù)會(huì)議美國(guó)激光與光電子(CLEO 2022)以及美國(guó)光纖通訊博覽會(huì)及研討會(huì)(OFC 2022)上報(bào)道了新型光電子器件相關(guān)的研究進(jìn)展，成果包括基于新型國(guó)產(chǎn)化窄線寬大范圍可調(diào)諧半導(dǎo)體激光器的集成可調(diào)諧激光器模組(Nano-iTLA)、基于深紫外光刻可量產(chǎn)的高速薄膜鈮酸鋰調(diào)制器、面向調(diào)頻連續(xù)波FMCW激光雷達(dá)的線性掃頻光源以及新型大功率單模半導(dǎo)體激光器。

  具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的大范圍可調(diào)諧激光器

  基于新型國(guó)產(chǎn)化大范圍可調(diào)諧激光器的集成可調(diào)諧激光器模組(Nano-iTLA)，是面向長(zhǎng)距相干光通信以及數(shù)據(jù)中心間高速光互連的高端光電集成模組。其特點(diǎn)是調(diào)諧范圍大，覆蓋擴(kuò)展的光通信C波段(C++);光源線寬窄，可以用于高速相干光傳輸;模組體積小(最新的nano規(guī)格)以及功耗低等。目前商用的可調(diào)諧激光器技術(shù)主要由美國(guó)新飛通公司所壟斷，國(guó)內(nèi)仍然需要大量進(jìn)口。國(guó)偉華教授帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)專注研發(fā)8年，從創(chuàng)新的激光器概念入手，2017年實(shí)現(xiàn)新型國(guó)產(chǎn)化大范圍可調(diào)諧激光器芯片的設(shè)計(jì)和制作，2020年實(shí)現(xiàn)芯片的封裝和產(chǎn)業(yè)化，2021年實(shí)現(xiàn)外圍控制電路和算法的集成。目前激光器性能媲美國(guó)外同類產(chǎn)品指標(biāo)，為5G骨干網(wǎng)通信、數(shù)據(jù)中心間高速光互連提供低成本高可靠性的國(guó)產(chǎn)化解決方案[1]。

[1] Zifeng Chen et al, “Nano-iTLA Based on Multi-Channel Interference Widely Tunable Laser,” OFC 2022, Tu3D.6 (https://doi.org/10.1364/OFC.2022.Tu3D.6)

  基于深紫外光刻可量產(chǎn)的高速薄膜鈮酸鋰調(diào)制器

  基于新型薄膜鈮酸鋰 (TFLN)平臺(tái)的高速馬赫曾德(MZ)調(diào)制器，因其具有體積小、帶寬高、半波電壓低的優(yōu)點(diǎn)，在光纖通訊和光纖傳感等領(lǐng)域具有重要的潛在應(yīng)用價(jià)值，是近年來(lái)的研究熱點(diǎn)。雖然世界各地的不同團(tuán)隊(duì)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了高性能演示，但要真正使這種類型的調(diào)制器可廣泛部署，必須建立適合大規(guī)模生產(chǎn)的工藝流程，例如必須實(shí)現(xiàn)基于光刻的全晶圓加工。迄今為止，在工業(yè)產(chǎn)線上通過(guò)光刻技術(shù)制造基于全晶圓加工的高性能 MZ 調(diào)制器尚未見(jiàn)報(bào)道。國(guó)偉華教授團(tuán)隊(duì)經(jīng)過(guò)幾年的研發(fā)，基于深紫外光刻技術(shù)在4英寸 TFLN 晶圓上展示了低VπL (1.98 V×cm)，寬調(diào)制帶寬 (> 67 GHz)，低插入損耗 (2.5 dB)，可量產(chǎn)，從材料到加工全國(guó)產(chǎn)的高性能MZ 調(diào)制器，這是朝著大規(guī)模生產(chǎn)TFLN高速 MZ 調(diào)制器邁出的重要一步[2]。

[2] Heng Li et al, “High Performance Thin-Film Lithium Niobate MZ Modulator Ready for Massive Production,” OFC 2022, M2D.5 (https://doi.org/10.1364/OFC.2022.M2D.5)

  面向調(diào)頻連續(xù)波(FMCW)激光雷達(dá)的線性掃頻光源

  調(diào)頻連續(xù)波(FMCW)激光雷達(dá)與飛行時(shí)間(ToF)激光雷達(dá)方案不同，F(xiàn)MCW方案可以實(shí)現(xiàn)速度和距離的同時(shí)測(cè)量，具有較高的空間分辨率。另外FMCW方案采用外差探測(cè)方式，可以避免環(huán)境光的影響。面向FMCW激光雷達(dá)的掃頻光源采用DBR激光器方案，和傳統(tǒng)的SG-DBR不同的是，該方案的前鏡(Front Mirror)采用均勻光柵來(lái)提高透過(guò)率，以便獲得大功率輸出;后鏡(Back Mirror)采用取樣光柵，以便獲得窄線寬性能。所研發(fā)的激光器芯片實(shí)現(xiàn)了大功率輸出(96 mW)、窄線寬(313 kHz)以及良好的單模(SMSR > 55 dB)特性。經(jīng)過(guò)線性預(yù)失真后，在24 GHz的調(diào)諧帶寬內(nèi)，上下半坡掃頻實(shí)現(xiàn) 0.021%和0.02%的非線性度。該激光器有望作為線性掃頻光源用在FMCW激光雷達(dá)系統(tǒng)中[3]。

[3] Gong Zhang et al, “High Output Power DBR Laser for FMCW LiDAR System,” OFC 2022, Th2A.10 (https://doi.org/10.1364/OFC.2022.Th2A.10)

  新型大功率單模半導(dǎo)體激光器

  1.55 μm波長(zhǎng)附近的大功率單模半導(dǎo)體激光器廣泛應(yīng)用于自由空間光通信、硅光(SiPh)光學(xué)共封(CPO)、相干光纖通信、激光雷達(dá)(LiDAR)系統(tǒng)等。國(guó)偉華教授團(tuán)隊(duì)提出一種雙波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的高功率單模半導(dǎo)體激光器，通過(guò)引入下波導(dǎo)結(jié)構(gòu)削弱了脊波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的橫向光學(xué)約束，從而保證在寬波導(dǎo)情況下高功率輸出的同時(shí)實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定單模運(yùn)轉(zhuǎn)。所制備具有8微米寬波導(dǎo)的激光器展示了良好的單模特性，邊模抑制比超過(guò)55 dB，輸出功率近180 mW，相對(duì)強(qiáng)度噪聲(RIN)低于-157 dB/Hz，線寬低達(dá)250 kHz。進(jìn)一步地，通過(guò)選擇性濕法蝕刻去除量子阱，并在激光器兩端集成無(wú)源波導(dǎo)，該激光器可望大幅度提升性能的同時(shí)避免高功率對(duì)激光器端面造成災(zāi)變損傷[4]。

[4] Yuanhao Zhang et al, “Demonstration of High-Power DFB Lasers with High Single Mode Yield and Low RIN,” CLEO 2022, JW3B.73.

  CLEO和OFC會(huì)議被公認(rèn)為光通信領(lǐng)域全球規(guī)格最高、規(guī)模最大、歷史最悠久、專業(yè)性最強(qiáng)、影響力最大的國(guó)際性盛會(huì)。國(guó)偉華教授團(tuán)隊(duì)博士研究生陳子楓、李珩、張功、張?jiān)?、向敏文參與了相關(guān)研究。

  供稿 / 國(guó)偉華

  編輯 / 茍冰冰