2019年OFC的主题之一,“做25Gb/s的工业级温度的DFB激光器”。
20世纪70年代,在低于零下190℃时,一个P型和一个N型的砷化镓半导体组成一个PN结。
P型半导体,里边有空穴。
N型半导体,里边有自由电子。
P电极使劲儿抽取电子,N电极不断输送电子,温度越低则电子的动能越小。
所以,温度低到零下190℃时,电子动能足够小,也许空穴和电子就能键合态,电子的动能就被释放出来,这个能量叫“光子”。
一颗电子,释放的能量大的,那种光子,就是短波长的光。
一颗电子,释放的动能小的,那种光子,波长比较长。
再后来,P型用两种材料来做。
上头那层材料,就是挡一下电子的动能,增加电子和空穴的复合概率,让这种材料多释放光子。这叫“异质结”。
以前同质PN结,要想让电子动能降下来,就得温度不断地降低。
现在异质结了,材料本身可以帮助电子降低动能,那就有室温工作的可能性。
上下两层都用不同的材料体系,就叫双异质结,道理是一样的,两头堵住人家电子的动能。摁住,去和空穴复合。
20世纪70年代末,80年代初,制作工艺能力提高了,以前是液相外延,现在可以做气相外延,主要就是材料层能做到原子级别,很薄很薄,就叫量子阱。
量子阱的作用,是电子的动能降低很多,空穴的捕获能力也增强,这样就增加了电子和空穴的复合率。
从应用角度看,出光功率增加,阈值电流降低,激光器斜效率增加。
多量子阱,是半导体激光器的一个大里程碑点,激光器可以在室温工作了,电子空穴的复合效率高,光功率提高,阈值电流也降低,PN结电容的改善,RC常数降低,响应频率就提高了。
再接着,发现新问题,发光的横模有兔耳朵的现象。
那就改波导结构,就有了各种各样的波导结构,深脊型波导、浅脊型波导、掩埋型波导……总之就是让光的横向模式变得越来越好,传输距离也变长了。
横模变成单模,有了单横模,还要单纵模,纵模支持传输更远的距离,再就有了光栅,单纵模,传输距离更长。
这个时候,20世纪90年代,激光器可工作在室温,光模块用DFB激光器,还得加TEC呢。
怎么去掉TEC,让DFB能工作在高温,之前不能工作在高温的原因,是咱们要限制电子的动能,让它和空穴复合,可是温度越高,电子动能就是增加的。换句话说,到了70,85,95℃的时候,电子的动能就限制不住了。大约在20世纪90年代末,大家关注的就是怎么在高温下限制电子的动能。
这时候提出来的是,量子阱的材料体系,InGaAsP,InGaAlAs,传说中含铝的材料,它的量子阱结构,对电子动能限制得更狠一些。
总之,高温也不能动摇我们限制动能,把电子拦下去复合产生光子,这个终极目标。
2000—2005年,这个阶段,就是不断改善非制冷DFB的一个产业化阶段。
再之后,就是提高单模率,比如1/4相移光栅。
1/4相移光栅,可以提高单模率,但在更高速的应用里,1/4相移部分就会产生电子聚集,影响信号速率,影响激光器带宽。
在这两三年,2015年之后,数据中心的100G应用,需要大量的25G DFB激光器,大家发现1/4相移光栅,不好用了。
有了非对称相移光栅,相移依然可以提高单模率,但是相移的节距拉开了,这就不会在相移的那个点聚集大量的载流子,影响频率响应,也容易烧坏激光器,它的相移区域是在中间区域缓慢分布。
这一半年,5G是新的布局应用领域,对激光器的要求,就是怎么把用于数据中心室内温度有限的25G激光器,提升到95℃以上(光模块的温度是85℃,激光器在内部会发热,实际温度比模块外壳要高十多摄氏度)。