高速直接调制半导体激光器是大容量短距光纤通信系统的理想光源，具有体积小、低功耗、低成本等优点。相较于外调制方式，直接调制激光器在具有更低成本及功耗和更高功率的同时，也有利于降低系统的复杂度。提高光纤通信系统容量的一个方法是提高半导体激光器的调制带宽。一方面，InGaAlAs多量子阱材料是半导体激光器增益材料的一个理想的选择，其高微分增益及较大的阱/垒导带带隙差均有利于提高激光器性能。另一方面，减小器件的长度可以减小激光器反馈腔内的光子寿命，从而也可以提高激光器的调制带宽。但较小的腔长等效增加了激光器的腔面损耗，不利于提高激光器的发光效率。另外，腔长越短激光器的串联电阻越大，工作时电流产生的热越多，不利于器件在高温时的正常工作，对器件的可靠性也可能产生不利影响。

为研制高速直接调制DFB激光器，中科院半导体研究所光电子功能集成器件研究组首先对InGaAlAs多量子阱材料的设计及MOCVD生长进行了系统优化研究。获得了高质量的InGaAlAs量子阱材料，其包括9个4 nm厚压应变（+1.2×10^-2）InGaAlAs阱和10个10 nm厚张应变（-2×10^-3）InGaAlAs垒层。

图1 InGaAlAs/InP 多量子阱

多量子阱结构上下均为总厚度100 nm的InGaAlAs材料层，都包括一层50 nm厚的InGaAlAs折射率渐变层（GRIN-InGaAlAs）及一层50 nm厚的InAlAs材料层。图1（a）为量子阱有源材料的XRD双晶衍射曲线，清晰的高阶衍射峰说明量子阱具有较高的晶体质量。图1（b）为材料室温下的光致发光光谱，峰值波长为1300 nm，光谱半高全宽40 nm。

（a）截面结构示意图；（b）光学显微镜照片；（c）小信号响应

利用上述量子阱材料制作了1.3 μm波段高速直接调制激光器，包括一段长度为200 μm的DFB激光器区和一段长为130 μm的无源DBR光反馈区，如图2（a）、（b）所示。室温下70 mA注入电流时激光器的发光波长在1319 nm左右，位于DBR反射谱峰值波长的长波方向，DBR区光反馈光所产生的Detune -Loading 效应可以显著的提升器件的直接调制带宽。如图2（c）所示，器件3 dB小信号调制带宽在DFB区电流为94 mA时达到29 GHz以上。器件的无源DBR光反馈区还可带来其他好处。其将光入射到该区内的光反射回DFB区，起到了提高光输出功率的作用。此外，DBR区光反馈减小了解理端面相位不确定性的影响，可以有效的提升激光器的单模成品率。需指出的是，所研制器件的DFB区及DBR区采用了相同的量子阱材料，因此其工艺可得到有效简化。 

利用该芯片进一步开展了数据传输实验，调制信号为速率25.78 Gb/s的非归零（NRZ）伪随机码。如图3所示，在20及80摄氏度下经10 km单模光纤传输后获得10E-11的功率代价均小于1 dB。本文报道的直接调制激光器在有源区长度为200 μm时直接调制带宽即可超过29 GHz，较长的有源区长度有利于提高激光器的发光效率，并且有助于减小电流热效应对器件的不利影响。这些测试结果表明，所研制的器件是大容量短距光纤通信系统的理想光源，具有重要的应用前景。

未来工作中课题组计划将激光器的直接调制带宽提高至50 GHz以上，为此将开展以下几方面工作：首先，优化光栅耦合系数及器件工作波长以增强Detune -Loading 效应；其次，在器件中引入光光谐振效应；第三，制作掩埋结构高速直接调制激光器。

中科院半导体所光电子功能集成器件研究组创建了以数十项发明专利技术为核心技术的具有自主知识产权、在国内领先的InP基光电子功能材料集成技术平台和特性参数的测试分析平台，具备了一条完整的半导体光电子器件研发制作工艺线。近年来，课题组在高速直接调制DFB激光器及其阵列、电吸收调制DFB激光器及其阵列、高速宽可调谐DBR激光器及其阵列、大功率半导体激光器及微波光子半导体器件等方向取得了系列创新性研究成果。

梁松，中国科学院半导体研究所研究员，博士生导师，研究方向为半导体光电子材料的MOCVD生长及高性能光电子器件设计和制作。近年来在IEEE JSTQE，IEEE PTL，Optics Letters，Optics Express，Photonics Research及Science China等国内外期刊发表研究论文100余篇，获得授权发明专利40 余项。

编辑 | 沈雅捷

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