国伟华教授团队在CLEO和OFC报道新型光电子器件重要研究进展

  近期，华中科技大学武汉光电国家研究中心国伟华教授团队(III-V实验室)联合宁波元芯光电子科技有限公司，在光通信领域的旗舰学术会议美国激光与光电子(CLEO 2022)以及美国光纤通讯博览会及研讨会(OFC 2022)上报道了新型光电子器件相关的研究进展，成果包括基于新型国产化窄线宽大范围可调谐半导体激光器的集成可调谐激光器模组(Nano-iTLA)、基于深紫外光刻可量产的高速薄膜铌酸锂调制器、面向调频连续波FMCW激光雷达的线性扫频光源以及新型大功率单模半导体激光器。

  具有自主知识产权的大范围可调谐激光器

  基于新型国产化大范围可调谐激光器的集成可调谐激光器模组(Nano-iTLA)，是面向长距相干光通信以及数据中心间高速光互连的高端光电集成模组。其特点是调谐范围大，覆盖扩展的光通信C波段(C++);光源线宽窄，可以用于高速相干光传输;模组体积小(最新的nano规格)以及功耗低等。目前商用的可调谐激光器技术主要由美国新飞通公司所垄断，国内仍然需要大量进口。国伟华教授带领团队专注研发8年，从创新的激光器概念入手，2017年实现新型国产化大范围可调谐激光器芯片的设计和制作，2020年实现芯片的封装和产业化，2021年实现外围控制电路和算法的集成。目前激光器性能媲美国外同类产品指标，为5G骨干网通信、数据中心间高速光互连提供低成本高可靠性的国产化解决方案[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产的高速薄膜铌酸锂调制器

  基于新型薄膜铌酸锂 (TFLN)平台的高速马赫曾德(MZ)调制器，因其具有体积小、带宽高、半波电压低的优点，在光纤通讯和光纤传感等领域具有重要的潜在应用价值，是近年来的研究热点。虽然世界各地的不同团队已经实现了高性能演示，但要真正使这种类型的调制器可广泛部署，必须建立适合大规模生产的工艺流程，例如必须实现基于光刻的全晶圆加工。迄今为止，在工业产线上通过光刻技术制造基于全晶圆加工的高性能 MZ 调制器尚未见报道。国伟华教授团队经过几年的研发，基于深紫外光刻技术在4英寸 TFLN 晶圆上展示了低VπL (1.98 V×cm)，宽调制带宽 (> 67 GHz)，低插入损耗 (2.5 dB)，可量产，从材料到加工全国产的高性能MZ 调制器，这是朝着大规模生产TFLN高速 MZ 调制器迈出的重要一步[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)

  面向调频连续波(FMCW)激光雷达的线性扫频光源

  调频连续波(FMCW)激光雷达与飞行时间(ToF)激光雷达方案不同，FMCW方案可以实现速度和距离的同时测量，具有较高的空间分辨率。另外FMCW方案采用外差探测方式，可以避免环境光的影响。面向FMCW激光雷达的扫频光源采用DBR激光器方案，和传统的SG-DBR不同的是，该方案的前镜(Front Mirror)采用均匀光栅来提高透过率，以便获得大功率输出;后镜(Back Mirror)采用取样光栅，以便获得窄线宽性能。所研发的激光器芯片实现了大功率输出(96 mW)、窄线宽(313 kHz)以及良好的单模(SMSR > 55 dB)特性。经过线性预失真后，在24 GHz的调谐带宽内，上下半坡扫频实现 0.021%和0.02%的非线性度。该激光器有望作为线性扫频光源用在FMCW激光雷达系统中[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)

  新型大功率单模半导体激光器

  1.55 μm波长附近的大功率单模半导体激光器广泛应用于自由空间光通信、硅光(SiPh)光学共封(CPO)、相干光纤通信、激光雷达(LiDAR)系统等。国伟华教授团队提出一种双波导结构的高功率单模半导体激光器，通过引入下波导结构削弱了脊波导结构的横向光学约束，从而保证在宽波导情况下高功率输出的同时实现稳定单模运转。所制备具有8微米宽波导的激光器展示了良好的单模特性，边模抑制比超过55 dB，输出功率近180 mW，相对强度噪声(RIN)低于-157 dB/Hz，线宽低达250 kHz。进一步地，通过选择性湿法蚀刻去除量子阱，并在激光器两端集成无源波导，该激光器可望大幅度提升性能的同时避免高功率对激光器端面造成灾变损伤[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会议被公认为光通信领域全球规格最高、规模最大、历史最悠久、专业性最强、影响力最大的国际性盛会。国伟华教授团队博士研究生陈子枫、李珩、张功、张元昊、向敏文参与了相关研究。

  供稿 / 国伟华

  编辑 / 苟冰冰