关键词：MMI 激光二极管
1、引言
随着数据通信业务的快速发展，带动着光纤到户（FTTH）服务的广泛应用。 而用在FTTH领域的光收发模块也就成为人们关注的焦点，然而，对一个FTTH光模块来说标准的供给电压高达3.3V，而先进的LSI电路的工作电压则为1.5V。鉴于此，一种1.5V单电源，同时具有低功耗的光模块就成为人们竞相研究的热点，要实现1.5V光模块所面临的一个瓶颈问题是要研制出一种驱动电压为1.5V的激光二极管（LD）。在这里我们主要提出一种由有源多模干涉计（MMI）组成的激光二极管方案，我们为此进行了相关性能测试，测试的结果表明在1V电压驱动下，该激光器的输出功率能达到10mW，原因是电阻减少了60%。此外，我们也首次研究了MMI-LD的动态特性。在研究中，我们没有发现特别的抖动，这可能与MMI与单模波导之间光耦合发生变化有关系，我们最终成功完成了1Gbps的稳定运行。
2、概述
1.5V LD驱动电路的示意图如图1所示，它由一个单MOS驱动器组成。我们假定LD的运行电压是1V，而MOS的驱动电压是0.5V。LD的最小的运行电压通常受限于其内在电压（0.83V，λ=1.5μm） ，从而LD的电阻必须减少至2欧姆左右。要获得以上所需的电阻，其中一个方法是可以通过利用一个长腔LD。不过，采用这种方法的所耗费的成本比较高，因此这也不是最好的办法。一般激光器的腔长通常是300μm 左右，腔加长一点很难。所以，我们打算结合有源MMI[1]和普通腔。这种有源MMI-LD是由一个1x1-MMI 耦合器与标准的单模波导相连组成的，如图2.a所示。MMI部分与单模波导相比，有一个更大的宽度。通过对MMI部分的长度和带宽进行适当的设计，输入端的单模光场与MMI输出端的光场很相似，如图2b所示。尽管主要部分被设计成一个带有更宽有源区的多模波导，但合成结构最终却表现为一个单横向模波导，而宽广的有源区则起到有效抑制电阻的作用[2]。
3、装配
而实际中的有源MMI-LD是由1.5μm InP/InGaAsP多量子阱构成。腔长375μm，有源区面积是2.3x10-5cm2，为了更好地做比较，我们在同一晶圆上装配了相同腔长的普通LD（具有2μm宽的波导），有源区面积是7.5x10-6cm2，为了电流局限（current confinement）我们采用了双通道。电流的阻塞采用传统的p-InP和n-InP层。而激光器的刻面（facet）背部镀上一层高反射膜（HR），在正面则被劈开（cleaved，CL）。
4、结果和讨论
图3是在连续波（CW）的运作状态下激光二极管的输出光功率与电流之间的关系。由于有源区面积的差异，两种激光器的阀值电流Ith也是互不相同的。标准的有源MMI性能可以用电压特性表示出来。而增加的有源区域有助于减少电阻，如我们看到的电阻从5.6欧姆（普通LD）减少到2.4欧姆（有源MMI-LD），如图4所示。 因此，有源MMI-LD在1V时能发出10mW 的光，而普通的LD在相同电压下只能发出4.5mW 的光，如图5所示。
同时我们也研究了有源MMI-LD的动态特性。由于调制可能会引起折射率的改变，从而导致MMI部分和单模波导耦合性能的退化。图6是有源MMI-LD和普通LD在I/Ith=1.3 的条件下相对强度噪声（RIN）比较图，在这里I表示电流。我们在图中并没有看到任何一个反常的噪声。谐振频率fr用于衡量RIN，一般的LD的谐振频率是2.3GHz ，有源MMI-LD的谐振频率是1.9GHz。存在这种差别的原因是有源MMI-LD的腔中光子密度比一般的LD的低。而3dB下降响应频率（f3dB）评估的是小信号的频率响应（图7所示），两者很接近（MMI-LD的响应频率是2.6GHz，一般的LD是2.8GHz），这是因为有源MMI-LD电阻更小，在高频区具有更慢的下降特性(roll-off)，因此就补偿了双方在fr方面的差额。图8（a）、（b）分别是有源MMI-LD和一般LD直接调制时的1Gbps眼图(1Gbps, PRBS: 223-1, 1Vp-p, I/Ith=1.3)。正如我们在图中所看到的那样，有源MMI-LD的眼图与一般LD的眼图相比，没有出现任何不规则或反常的抖动现象，这两种不同结构激光二极管都获得了清晰的眼开图。结果表明有源MMI-LD可以效力于FTTH市场。我们所获得的LD性能如表1所示。
5、总结
有源MMI-LD完成在低阻抗，1V的工作电压下输出10mW光功率的性能演示，并证实了可在1Gbps速率下稳定运行。通过优化层结构将获得较低的阈值电流和电阻。我们期待利用有源MMI-LD开发出1.5V光模块。
参考文献
[1] K. Hamamoto, et. al., ¡°Single-Transverse-Mode Active-MMI 1.5μm-InGaAsP Buried-Hetero Laser Diode¡±, Postdeadline Papers of 8th ECIO, PD5, 1-4 (1997)
[2] K. Hamamoto, et. al., ¡°Single-Transverse-Mode Active Multi-Mode-Interferometer 1.45μm High Power Laser Diode¡±, Appl. Phys. B, B73, 571-574 (2001)
作者：
Kiichi Hamamoto, Masaki Ohya, Koichi Naniwae, Shinya Sudo, and Tatsuya Sasaki
NEC公司系统器件研究实验室
Syougo Shimizu, Mohd Dannial Bin Razali, and Kenichi Kasahara
日本立命馆（Ritsumeikan University）大学自然科学与工程学院
