1 引言

最近几年，光通信网络不断发展和扩大，速率也不断提高，已进入40Gb/s时代。随着光通信网络的发展和扩大，对波长的需求也越来越多。标准的ITU波长栅格间隔为100-50和25GHz。C波段有160个不同波长，L波段有180个不同波长，要为每个波长信道配置一个固定波长激光器，就需要封装许多个激光器，这将大大提高光通信网络的成本，并限制了光网络的扩展于网络灵活性。

为适应于光通信网络发展的需求，已开发出波长可调谐半导体激光器。与基本单一固定波长半导体激光器的网络相比，可调谐激光器可降低光网络成本节省波分复用（WDM）系统转发器，减少备用激光器与模块的数量，改进光网络的功能性、扩展网络灵活性，控制网络流量，可提供动态波长、插入/分波长和自动恢复波长。

可调谐半导体激光器从上世纪80年代起开发就很活跃，相继出现许多结构不同和工作机理各异的波长可调谐激光器。已开发了电调谐、热调谐和机械调谐三大类可调谐激光器。目前，采用不等啁啾光栅的超结构光栅（ G）DBR内腔多电极结构可调谐激光器可实现100nm以上宽波长调谐；外腔可调谐激光器也可实现大范围、非连续的波长调谐，已形成产品。可调谐激光器的发展趋势是集成化和模块化。

2 典型的可调谐半导体激光器封装技术

随着可调谐激光器向集成化和模块化方向发展，其封装技术也不断发展。光功能的高效率集成封装可减少元器件的总成本，因为它在提高耦合效率的同时，还省去了多余的密封管壳、光纤尾纤、分支耦合器、拼接等。目前，在集成式可调谐激光器中大多采用蝶式封装和准平面封装技术。

2.1 蝶式封装

蝶式封装是为适应更高性能光发射和接收组件与模块的要求而发展的一种新型封装形式。一般的蝶式封装管壳主要由钨铜材料底板、腔体、连接管脚和厚膜电路的陶瓷板及盖板组成。传统的蝶式封装管壳应用较多，并且可靠性好，但它比较笨重且价格昂贵。现已有采用多层高速陶瓷基板作为互连平台和管壳的底座，可获得较高性能和较低成本的封装。图1为典型的蝶式封装管壳。

蝶式封装管壳结构的主要特点是：

（1）管脚和陶瓷电路板分布在管壳腔体两旁的侧壁上，充分利用了腔内空间，节省了使用面积，为内部组装电路设计与布局留下了更大得空间和灵活性；

（2）利用多层陶瓷板增加了线路布局与功能，提高了封装器件的电学和光学需性能。

（3）管脚引线从两旁引出，减少了连接长度，并且由于为扁平形状，方便了连接、检测和安装焊接。

2.2 准平面封装技术

准平面封装技术具有灵活性，极适合于光器件的大规模制造，并为器件级制作及封装提供了一种灵活的方法。准平面封装是采用灵活、自动的准平面光平台封装，包括具有驱动器集成的非致冷激光器模块、外腔可调谐激光器、高性能PIN和APD基接收器在内的各种光器件。准平面光平台是基于金属化陶瓷基板和微弯曲对准原理，采用具有高的热扩散能力、适合于组件装配的陶瓷基板。由于该陶瓷基板为平面，可进行有源光对准，所以采用简单的选择安插自动化技术，可快速地精确布局，并同时进行仪器监测。

准平面光平台特别适合于封装可调谐激光器模块。如图2所示，陶瓷平台位于具有14个管教的蝶式管壳内的热电致冷器（TEC）上。由于在这种类型的可调谐激光器中没有活动的部件，所以避免了其他宽可调谐激光器中所固有的冲击和震动。

3 集成式可调谐激光器及其封装

用于高保真密集波分复用（DWDM）传输的关键是要求具有好的边模抑制比（SMSR）、相对强度噪声（RIN）和线宽（DI）的激光器。典型参数要求是：SMSR>40dB，RI lt;-140dB/Hz，DI>100kHz-<10MHz。采用分布反馈（DFB）可调谐半导体激光器技术可满足这些要求。现有DFB可调谐激光器具有几MHz的线宽、10mW-20mW的发射功率和与固定波长DFB相当的可靠性及低成本。

可调谐激光器的发展趋势是集成化和模块化，已发展了与滤波器、反射器、调制器、放大器等单片集成和混合集成的可调谐激光器，其中，采用微电子机械系统（MEMS）技术的可调谐激光器可实现小型化、高密度、高速率和批量生产。

3.1 与SOA单片集成的三段式GC DFB可调谐激光器

将三段式增益耦合（GC）DFB激光器与半导体光放大器（SOA）单片集成可获得连续可调谐激光器。这种增益耦合光栅结构可获得高效率、单纵模激光器。通过选择SOA的偏置电流，可调节光纤耦合输出功率。SOA除了可提高输出功率之外，还具有振幅调节能力，可补偿器件老化、均衡信道振幅、补偿网络插入或网络重构期间的衰减。该可调谐激光器可通过选取特定的ITU频率，然后利用芯片热沉温度调节波长。当热沉温度范围为-5℃-+50℃时，每段DFB可获得-5nm的连续调谐，总调谐范围为15nm。在SOA偏置电流为250mA-500mA、DFB段的偏置电流为75mA时可获得40mW的光纤耦合输出功率，同时全部34个信道的SMSR>37dB，线宽<10MHz时，RIN好于-118dB/Hz。

图3示出该可调谐激光器封装结构，将激光器芯片和波长锁定器光学部分一同封装在气密封闭的、带尾纤的26脚蝶式封装管壳内。该芯片由一个1.5mm长的脊形波导斜置的SOA输出段和三个串联、分别接触、增益耦合DFB段组成。该芯片的制作仅需要两次MOCVD生长，可大量生产具有高可靠性的芯片。在封装时，分别对DFB段和SOA段进行老化处理，在100℃下老化2200小时之后，器件归一化效率下降<4%。在热沉温度分别为50℃、25℃和-5℃时，所推算的芯片和器件寿命分别达24年、79年和457年。

3.2 与MEMS反射镜集成的可调谐激光器

采用MEMS可移动反射镜作为外反射器，已研制出用于WDM系统的宽调谐激光器。采用MEMS反射镜作为激光选择器的优点是：

可进行无源布局，并采用具有极底成本的高性能光集成自动操纵系统；

当与光功率监测器一起使用时，可使激光器与调制之间的耦合连续最佳化，以便在整个温区和时间内间减小输出功率变化；

MEMS反射镜的调节可补偿由于透镜的激光焊接所导致的机械位移，无需对焊接后的激光器进行冲击或机械变形。

典型器件为采用表面微加工3D反射镜和深腐蚀圆形反射镜集成的可调谐激光器。

3.2.1 与表面微加工3D反射镜集成的可调谐激光器

采用表面微加工3D反射镜作为外反射器，并将该反射镜与激光器和光纤集成获得可调谐激光器。该可调谐激光器的梳状驱动器有两排树梳齿，如图4所示。总共有156个移动齿，每个齿为30μm长，2μm宽和2μm厚，齿间隙为2μm。移动齿与固定齿之间有10μm的重叠，以便使梳状驱动工作在其线性范围。当驱动电压从7V变化到13V时，输出波长可从1.544μm变化到1.528μm，并获得16nm的波长调谐范围。

图5为该可调谐激光器的SEM显微照片。采用表面微加工工艺制作3D微反射镜及其旋转结构。在完成制作并将反射镜分开之后，在预定位置竖立反射镜，然后通过定位架进行固定。集成之后，将激光器和光纤与衬底粘接。在封装时，将微反射镜与激光器之间分开10μm，光纤与激光器之间有15μm的距离，整个可调谐激光器封装尺寸为2mm×1.5mm×1mm。

3.2.2 与深腐蚀圆形反射镜集成的可调谐激光器

虽然为形成3D反射镜结构需要装配表面微加工反射镜，但由于采用表面微加工技术所产生的应力可导致弯曲，并有遗弃孔，还需要腐蚀除去无反射镜的牺牲层，要获得要性能的大型反射镜相当困难，所以表面微加工技术收到一定限制。相比之下，在封装结构中，采用深腐蚀技术可制作各种垂直的光器件。如平坦反射镜、圆形反射镜、光栅和微透镜及用于光对准的一些沟槽/导板。

在用圆形反射镜作为反射器的集成式可调谐激光器中，制作的关键是要求高的垂直度和好的侧面涂层。采用深腐蚀技术制作MEMS反射镜结构，这种深腐蚀结构可一次完成制作，此外，由于垂直方向的尺寸一般为30μm-75μm，可获得坚固、稳定和可靠的结构。图6所示出了该闭合的圆形反射镜及其制动器。其MEMS结构包括圆形反射镜、梳状驱动器和用于激光器和光纤的沟槽。该圆形反射镜有助于将来自激光器散射光聚集返回激射腔。当将MEMS结构与激光器集成时，可大大减少对准的难度。

在SOI晶片上采用专利工艺流程和制作技术制作该器件。SOI晶片由一个75μm厚的Si层和一个2μm厚的SiO2层重叠在450μm厚的Si衬底上。通过在2μm厚的Si上涂覆0.3μm厚的金层形成反射镜，该反射镜的垂直度可达90°±0.1°，及其反射率>97%。为了施加注入电流，在沟槽的底部涂覆金层，并与也涂覆金层的晶片表面连接。

该深腐蚀的圆形反射镜可调谐激光器以多纵模工作，但有跳模现象，并且由于一般通过手动调谐该组件，所需时间长，所以不适合大规模工业生产。

3.3　与闪耀光栅集成的可调谐激光器

与闪耀光栅集成的可调谐激光器是采用深腐蚀的旋转闪耀光栅作为外反射器，这种MEMS可调谐激光器的一个重要特点是涂覆光栅，而不是涂覆微透镜；此外通过微透镜的侧面阻挡激光。该光栅的闭合和旋转梳状驱动器示于图7。在具有0.3μm厚金层的Si层（3μm厚）上形成光栅。该光栅有3μm间距，15°的闪耀角，并以一级衍射工作。在有负载时，当驱动电压从0V增加到15V时，可连续旋转角度达1.6°，精度可达到0.05°。该可调谐激光器以接近单纵模工作，通过选择适当的光栅参数可解决跳模问题。

3.4 阵列集成的可调谐DFB激光器

典型的阵列集成可调谐DFB激光器是将12个不同波长的DFB激光器阵列与透镜和开关一起耦合，可改变器件的输出波长。该可调谐DFB激光器阵列获得了高功率（20mW）、快速调谐速度（1s-10ms）和高可靠性与稳定性。DFB激光器的材料折射率随温度而灵敏地变化，可进行3nm的温度调谐，整个阵列的调谐范围为36nm。光纤耦合输出功率为10dBm，每个信道的典型线宽为几MHz，边模抑制比好于50dB，与固定波长DFB激光器性能相当，但比固定波长DFB激光器的简单封装更为可行。

这种采用现有DFB激光器器件制作技术和封装的结构布局很容易进行封装。该阵列集成的可调谐DFB激光器封装与标准DFB激光器的封装非常相似，在I 芯片上以10μm的物理间隔集成了具有3nm波长间隔的12个DFB激光器阵列。因为所有器件是DFB激光器，并采用相同的半导体层，使集成非常简单。以相同的工艺同时制作该DFB激光器，不需要另外的掩膜或工艺步骤，芯片的最终尺寸（0.5mm×1mm）大致与固定波长DFB激光器相同。

在图8中示出阵列集成的可调谐DFB激光器封装结构。在该蝶式封装管壳中还一起封装了MEMS斜置反射镜、基于标准具的波长锁定器、透镜、光束分束器、四象限探测器和光隔离器。此外，还一起封装了一个热电制冷器，可精确地将温度调节到与通信栅格匹配的波长所要求值，以便改变输出波长。该MEMS斜置反射镜的封装偏差要求不太严格，大大简化了其与激光器腔内的无源耦合封装。由于光束的精细调谐采用电调谐，不需要精密对准和稳定连接，连接部件的公差可为10μm，并且该管壳采用一个反馈回路可连续地电调谐来进行其本身的对准，所以可获得低成本封装。

3.5 集成式VCSEL基可调谐激光器

由垂直腔表面发射激光器（VCSEL）构成的可调谐激光器可把各种昂贵和复杂的元器件交错地封装在一起。典型构形是通过静电移动上膜片来调整垂直腔激光器的腔长并调谐激射波长，然后通过一个侧面发射的放大器提高其功率输出。为获得1.55μm波长工作和更高的输出功率，可采用3个半导体器件和光放大器，并采用光泵浦，已获得20mW输出功率。

图9是一个MEMS旋转台的VCSEL基可调谐激光器结构。其中（a）为封装结构，（b）为构形简图。光束通过一个小型体光栅衍射，安装在该台架上的一个反射镜改变了该光束的角度，并反馈不同的波长到增益芯片，为获得稳定性，必须消除反射镜中的振动；为避免跳模，该旋转台要仔细对准旋转轴位置，以便一起精确改变外腔长度和反馈波长。如果再加上监视腔相位的控制环路，可确保纵向光模式与从光栅反射回来的峰值波长对准。当器件老化时，该控制环路还可以补偿纵向光模与从光栅反射回来的峰值波长之间的偏移。

3.6 与Li O3调制器集成的可调谐激光阵列

将DFB激光器阵列与Li O3调制器集成可获得调谐功能。采用共焦的光设计可使该器件采用光MEMS，并改进了耦合效率和减少了光MEMS的敏感性。采用这种新型封装技术，不仅可将稳频的宽范围可调谐DFB激光器与Li O3调制器和VOA集成在一起，而且采用无源布局减少了有源对准台阶的数量。

在图10中示出了该器件的封装结构。在管壳中主要包含12个条形DFB激光器阵列、激光选择器、双轴MEMS反射镜、基于标准具的波长锁定器、非球面准直透镜、10Gb/s Li O3调制器、可变光衰减器（VOA）和四象限光电二极管（PD）。MEMS斜置反射镜可将来自在该阵列中所选择的激光器的光束定向到波长锁定器和调制器；四象限PD偏置/功率监测器可检测MEMS反射镜的角度；波长锁定器由50GHz标准具和一个PD组成，并放置在一个分开的温度控制平台上；VOA放置在波长锁定平台上，这种将VOA与调制器结合在一起的方案，可在调谐激光器的同时作为输出快门；非球面准直透镜可将光聚集进Li O3调制器波导；Li O3调制器带有一个集成的可用于调制器控制的功率监测PD。该PD也适用于MEMS反射镜控制环路的功率控制反馈和VOA的控制。

这种新型封装可用于DWDM传输和系统集成装置的低成本、高效率、功能集成发射机。每个可调谐激光器的温度调谐范围为3nm，激光阵列可调谐范围为36nm，并具有很好的性能。

4 结语

可调谐激光器是构建现代化光网络的关键器件，不仅可用作DWDM光源，还可用作分组交换网络借给器件、接入用波长路由器光源，已广泛应用于DWDM系统中。基于DFB激光器技术的全波段可调谐激光器适用于现有的性能规范和低成本工艺与封装结构。为了促进可调谐激光器的大规模应用，可调谐激光器性能不仅要与固定波长激光器相当，而且必须大大降低制作和封装成本。集成式低成本封装技术将大大促进可调谐激光器发展，并将最终取代固定波长DFB激光器。

本文引用地址：http://www.newbonder.com/article/2006/1228/article_1360.html

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