CN104412148A - 用于无源光网络(pon)应用的直接调制激光器 - Google Patents

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Abstract

在一个实施例中，分布布拉格反射器(DBR)激光器包括增益部分和无源部分。增益部分包括有源区、上部分离约束异质结构(SCH)和下部SCH。上部SCH在有源区的上方并且具有至少60纳米(nm)的厚度。下部SCH在有源区的下方并且具有至少60nm的厚度。无源部分与增益部分耦合，该无源部分具有与有源区进行光通信的DBR。

Description

用于无源光网络(PON)应用的直接调制激光器
技术领域
本文讨论的实施例涉及一种包括直接调制激光器(DML)的光发射机。
背景技术
激光器在许多应用中都是很有用的。例如，激光器可以用在光通信中以便发送数字数据穿过光纤网络。直接调制激光器(DML)可以由诸如电子数字信号这样的调制信号进行调制，从而产生在光纤电缆上传送的光信号。利用诸如光电二极管这样的的光敏装置将该光信号转变成通过光纤网络传送的电子数字信号。这种光纤网络使现代计算装置能够进行高速和远距离通信。
在光纤网络中，DML通常以直接调制分布反馈(DFB)激光器来实现。DFB激光器和其他半导体激光器的直接振幅调制(AM)也导致DFB的频率调制(FM)。在高速传输的情况下，例如在超过每秒10吉比特(G)的数据传输速率的情况下，DFB激光器所产生的高速光信号的FM分量在通过色散光纤传输之后眼睛(eye)关闭，从而使10G DFB激光器的可到达距离通常局限于大约5-10千米(km)。
本发明要求保护的主题并不限于解决任何缺点或仅在如上面所述的那些环境中操作的实施例。相反，提供这样的背景仅仅是说明一项可以实践本文所述的一些实施例的示范技术领域。
发明内容
本文描述的实施例一般涉及一种直接调制分布布拉格反射器(DBR)激光器。
在一个示例实施例中，DBR激光器包括增益部分和无源部分。增益部分包括有源区、上部分离约束异质结构(separate confinement heterostructure,SCH)和下部SCH。上部SCH在有源区的上方并且具有至少60纳米(nm)的厚度。下部SCH在有源区的下方并且具有至少60nm的厚度。无源部分与增益部分耦合，该无源部分具有与有源区进行光通信的DBR。
在另一个示例实施例中，光发射机包括直接调制源、高通电气滤波器和DBR激光器。高通电气滤波器与直接调制源耦合。高通电气滤波器具有大约1纳秒(ns)量级的时间常数。DBR激光器与高通电气滤波器耦合。DBR激光器包括增益部分和无源部分。增益部分包括有源区、上部SCH和下部SCH。上部SCH在有源区的上方并且具有至少60nm的厚度。下部SCH在有源区的下方并且具有至少60nm的厚度。无源部分与增益部分耦合，该无源部分具有与有源区进行光通信的DBR。
在又一个示例实施例中，分布反馈(DFB)激光器包括增益部分。增益部分包括有源区、上部SCH和下部SCH。上部SCH在有源区的上方并且具有至少60nm的厚度。下部SCH在有源区的下方并且具有至少60nm的厚度。以具有至少0.2毫安(mA)每微米(μm)的相对高的偏置电流密度对增益部分偏置。
本发明额外的特点和优点将在随后的描述中进行阐述，并且从该描述中部分地显而易见，或者可以通过实施本发明而获悉。本发明的特点和优点可以通过随附的权利要求中特别指出的装置和组合来实现和获得。本发明的这些和其他特征从下面的描述和随附的权利要求中完全显而易见，或者可以通过实施如下文阐述的本发明来获悉。
附图简单说明
为了进一步阐明本发明的上述和其他优点和特点，将参考在附图中所示的本发明的特定实施例来提供对本发明的更具体的描述。应理解的是，这些附图仅仅绘出了依照本公开内容的几个实施例，因此不能将附图看作是对本发明范围的限制，应当理解为通过利用附图对本公开内容进行专门和详细地描述，在附图中：
图1A图示以前部DBR激光器实现的分布布拉格反射器(DBR)激光器的示例实施例；
图1B图示以后部DBR激光器实现的DBR激光器的示例实施例；
图1C图示以前部/后部DBR激光器实现的DBR激光器的示例实施例；
图1D是贯穿示例DBR激光器的增益部分所截取的DBR激光器的横截面；
图1E图示直接调制DBR激光器的示例频谱140；
图2A图示用于诸如图1A-1D的DBR激光器这样的激光器的速率方程模型；
图2B示出研究载流子输运效应的理论模拟的模型；
图3A图示与第一示例的直接调制DBR激光器相关联的眼图和FM分布图；
图3B图示与第二示例的直接调制DBR激光器相关联的眼图和FM分布图；
图3C图示与第三示例的直接调制DBR激光器相关联的眼图和FM分布图；
图4A图示图3A的DBR激光器对于10G二进制位序列的模拟AM和FM分布图；
图4B图示图3A的DBR激光器的眼图和实测21km AM分布图；
图5A图示图3C的DBR激光器对于与图4A相同的10G二进制位序列的模拟AM和FM分布图；
图5B图示图3C的DBR激光器的实测背对背(BB)AM分布图、实测21km AM分布图以及眼图；
图5C图示图3C的DBR激光器中的示例电气高通滤波器，所述电气高通滤波器可以实施为补偿低频问题或者慢分量；
图6A-6G图示带有各种DBR参数的模拟；
图7图示直接调制DFB激光器的眼图和直接调制DBR激光器的眼图；
图8图示通过为直接调制DBR激光器的固定DC偏置而调整调制振幅所改变的各个消光比(ER)的接收功率；
图9图示DFB激光器和DBR激光器的相对阻尼；
图10是为DBR激光器的示例实施例绘出的延迟时间、镜面倾斜和失谐加载α的图表，所述延迟时间、镜面倾斜和失谐加载α都作为波长的函数的曲线图；
图11是绘出实测FM效率作为DBR激光器的示例实施例的相位条件的函数的曲线图；
图12A图示包括DBR激光器和集成光放大器的激光器芯片的示例实施例；
图12B图示图12A的激光器芯片中的光放大器包括半导体光放大器(SOA)的该激光器芯片的示例实施例；
图12C图示图12A的激光器芯片中的光放大器包括多模干涉(MMI)SOA的该激光器芯片的示例实施例；
图12D图示可以在图12C的激光器芯片中实现的第一N个臂MZ调制器的示例实施例；
图12E图示可以在图12C的激光器芯片中实现的第二N个臂MZ调制器的示例实施例；
图13是包括通过具有高偏置的SOA传送的光信号的AM分布图的图表；
图14图示在与参考图13描述的相同条件下由直接调制激光器产生的光信号在通过SOA之后的AM分布图和FM分布图；
图15图示DBR激光器和SOA的3种工作情况；以及
图16是表明能够用于避免在经过SOA之后ER降低的操作条件的图表。
一些示例实施方式的具体描述
本文描述的各实施例一般涉及可到达距离为20km或更远和/或可适合于无源光网络(PON)应用的高速直接调制激光器(DML)。各个示例实施例可以包括具有相对厚的SCH以便使激光器的频率响应中的振铃(ringing)衰减的分布反馈(DFB)激光器和/或分布布拉格反射器(DBR)激光器。可选择地或者另外，各个示例实施例可以包括激光器芯片，所述激光器芯片包括用同一个调制信号共同调制的激光器和集成光放大器。
现在参考附图来描述本发明各示例实施例的各个方面。应当理解，附图是对这些示例实施例的图解和示意性表示，不是对本发明的限制，也没有必要按比例绘制。
图1A图示依照本文描述的至少一些实施例而布置的DBR激光器100的示例实施例。一般而言，DBR激光器100包括增益部分101和无源部分102。增益部分101包括诸如多级量子阱(MQW)区的有源区103。无源部分102与增益部分101耦合，并且可以包括与有源区103进行光通信的DBR104。DBR激光器100还包括与增益部分101耦合的增益电极105。
DBR激光器100还可以包括涂敷到DBR激光器100的后部的高反射率(HR)涂层106和/或涂敷到DBR激光器100的前部的抗反射(AR)涂层107。
如一般在108所示的，可以将DBR激光器100调谐到与透射方式工作的DBR104相关联的布拉格峰的长波长侧。DBR激光器100的直接调制可以产生具有频率调制(FM)和振幅调制(AM)两者的光信号。因此，将DBR激光器100调谐到布拉格峰的长波长侧可以使较长波长的0比特比较短波长的1比特衰减得少，由此与增益部分101发出并进入无源部分102的光信号相比，从DBR激光器100的前部发出的光信号的消光比(ER)减小。
图1A中所示的DBR激光器100是前部DBR激光器的示例，前部DBR激光器例如是将包括DBR滤波器104的无源部分102置于增益部分101与DBR激光器100的前部之间的DBR激光器。本文描述的各个实施例还可以包括如图1B-1C所示的后部DBR激光器和/或前部/后部DBR激光器。
图1B图示依照本文描述的至少一些实施例而布置的以后部DBR激光器实现的DBR激光器110的示例实施例。DBR激光器110包括许多与图1A的DBR激光器100的对应部件和/或结构相类似的部件和/或结构。简言之，例如，DBR激光器110包括增益部分111和无源部分112。增益部分111包括诸如MQW区这样的有源区113。无源部分112与增益部分111耦合，并且可以包括与有源区113进行光通信的DBR114。
DBR激光器110还包括与增益部分111耦合的增益电极115、涂敷到DBR激光器110的后部的HR涂层116和涂敷到DBR激光器110的前部的AR涂层117。由于DBR激光器110是后部DBR激光器，因此将包括DBR114的无源部分112置于DBR激光器110的后部，同时将增益部分111置于无源部分112与DBR激光器110的前部之间。
如一般在118所绘制的，可以将DBR激光器110调谐到与反射方式工作的DBR114相关联的布拉格峰的长波长侧。在该示例中，将DBR激光器110调谐到朝着布拉格峰的长波长侧可以使较长波长的0比特比较短波长的1比特衰减得多，由此与增益部分111发出并进入无源部分112的光信号相比，从DBR激光器110的前部发出的光信号的消光比(ER)增大。
在前部DBR激光器和后部DBR激光器两者中，都存在由于交叉增益压缩(例如增益材料非线性效应)所引起的在相关布拉格峰的长波长侧产生激光的自然趋势。另外，也能够采用(implement)迫使在布拉格峰的短波长侧产生激光的短腔(SC)前部或后部DBR激光器。然而，在前部和后部DBR激光器两者中，激光器在布拉格峰的长波长侧更快速。如下面将要更详细地说明的，相对于布拉格峰的DBR的发出激光位置或者对DBR激光器的调谐也被称作失谐(detune)加载效应，能够对失谐加载效应进行调节(leverage)从而提高DBR激光器的性能。
图1C图示依照本文描述的至少一些实施例布置的以前部/后部DBR激光器实现的DBR激光器120的示例实施例。DBR激光器120包括许多与图1A和1B的DBR激光器100、110的对应部件和/或结构相类似的部件和/或结构。简言之，例如，DBR激光器120包括增益部分121、前部无源部分122A和后部无源部分122B。增益部分121包括诸如MQW区的有源区123。前部无源部分122A与增益部分121耦合，并且可以包括与有源区123进行光通信的前部DBR124A。类似地，后部无源部分122B与增益部分121耦合，并且可以包括与有源区123进行光通信的后部DBR124B。由于DBR激光器120是前部/后部DBR激光器，因此可以将增益部分121置于包括DBR124A的前部无源部分122A与包括DBR124B的后部无源部分122B之间。
DBR激光器120还包括与增益部分121耦合的增益电极125、涂敷到DBR激光器120的后部的HR涂层126和涂敷到DBR激光器120的前部的AR涂层127。如一般在128A所示的，可以将DBR激光器120调谐到与前部DBR124A相关联的布拉格峰的短波长侧。如一般在128B所示的，可以将DBR激光器120调谐到与后部DBR124B相关联的布拉格峰的长波长侧。
在一些实施例中，后部DBR滤波器124B可以具有90％或更高的相对较高的反射率，而前部DBR滤波器124A可以具有5％到30％范围内的相对较低的反射率。通过调整前部DBR滤波器124A和后部DBR滤波器124B的相对相位可以控制DBR激光器120产生激光的模式。随着适当的相对相移，单模激光产生量可以增加到几乎100％。在这些和其他实施例中，侧模抑制比(side-mode suppression ratio)(SMSR)可以主要由具有较高反射率的后部DBR滤波器124B来确定，这因此向主要模式和第二侧模式提供较大的阈值增益差。如上所述，可以将前部DBR滤波器124A的布拉格峰移动到较短波长侧，从而在穿过前部DBR滤波器124A之后的EA增大，同时由于SMSR主要由后部DBR滤波器124B来确定，因此不会使SMSR减小。可任选的是，有源区123可以包括位于中心的光栅以便提高SMSR和单模产量，在这种情况下，DBR激光器120可以用分布布拉格(DR)激光器来代替实现。由于有源区123中存在光栅而减小了阈值增益的动态变化，因此可以降低失谐加载效应。
如上所述，图1A-1C的DBR激光器100、110、120中的每一个包括与对应增益部分101、111、121耦合的增益电极105、115、125。增益电极105、115、125配置为与诸如激光驱动器这样的直接调制源(未示出)耦合。直接调制源可以提供具有大约每秒10吉比特(“G”)或更高的数据传输速率的调制信号。如本文所用的，应用于数值的术语“大约”可以解释为该数值加或减10％。这样，增益部分101、111、121可以由具有大约10G或更高的数据传输速率的调制信号进行直接调制。更一般地，本文描述的所有激光器都可以按照大约10G或更高的数据传输速率进行调制。
在这些和其他实施例中，施加于增益部分101、111、121的调制信号可以具有至少40毫安振荡总振幅(mApp)的调制摆幅，和/或增益部分101、111、121可以具有300微米(μm)或更小的长度。在示例实施例中，调制摆幅可以约为60mApp，增益部分101、111、121可以具有大约200μm的长度。作为另一个示例，调制摆幅可以是90mApp或更大。可选择地或者另外，调制密度可以是0.2mApp/μm或更大，调制密度定义为调制摆幅除以增益部分101、111、121的长度。
图1D是依照本文描述的至少一些实施例布置的贯穿示例DBR激光器130的增益部分所截取的该DBR激光器的横截面。图1A-1C的DBR激光器100、110、120中的每一个都可以具有与图1D的DBR激光器130相同或相似的配置。
一般而言，DBR激光器130包括有源区131。有源区131可以由诸如铟镓砷磷(InGaAsP)或铟镓铝砷(InGaAlAs)的四元材料(quanternary material)来形成。可选择地或者另外，有源区131可以包括诸如InGaAsP或InGaAlAs的MQW应变层这样的MQW区，所述MQW区具有5-12个量子阱(QW)和对应的势垒(barrier)。例如，MQW区可以包括8个QW和7个势垒。
DBR激光器130进一步包括上部分离约束异质结构(SCH)132和下部SCH 133。在图示的实施例中，上部SCH 132包括第一材料的下层132A和第二材料的上层132B。下部SCH 132包括第一材料的上层133A和第二材料的下层133B。第一和第二材料中的每一种可以包括诸如InGaAsP或InGaAlAs或类似物这样的四元材料或者其他适合的(多种)材料。尽管图解说明的SCH132和133中的每一个由两层132A和132B或者133A和133B组成，但是更为一般的是，SCH132和133中的每一个可以包括一层或多层。
在示例实施例中，上部SCH 132的下层132A可以是无掺杂的，而上部SCH132的上层132B可以是p掺杂的，掺杂密度在大约2×1017cm-3到大约5×1017cm-3的范围内。类似地，下部SCH 133的上层133A可以是无掺杂的，而下层133B可以是n掺杂的，掺杂密度为大约2×1017cm-3到大约5×1017cm-3。
上部SCH132和下部SCH133中的每一个可以具有至少60纳米(nm)的厚度。可选择地或者另外，上部SCH 132和下部SCH 133中的每一个可以具有小于120nm的厚度。
DBR激光器130进一步包括衬底134，在衬底上形成多个层131-133。衬底134可以由第二材料制成。可选择地或者另外，衬底134可以是n掺杂的，掺杂密度在大约1×1018cm-3到大约3×1018cm-3的范围内。
DBR激光器130还可以包括覆层135、窄带隙层138、上电极或增益电极136和下电极137。覆层135可以包括p掺杂的磷化铟(InP)。窄带隙层138可以包括例如高度p掺杂的铟镓砷(InGaAs)的薄层来改善欧姆接触。
图1E图示依照本文描述的至少一些实施例布置的直接调制DBR激光器的示例频谱140。例如，图1A-1D的DBR激光器100、110、120、130中任何一个在被直接调制时可以具有与图1E的频谱140相似的频谱。如图1E中所示，在进行振幅调制的直接调制激光器(DML)中，一般跟随振幅调制分布图(profile)的方式也发生频率调制，从而使1比特相对0比特通常发生蓝移(或者当由数据条进行调制时反之亦然)。
这种在1比特和0比特之间的频移常被称作啁啾(chirp)。图4的频谱140具有大约30千兆赫(GHz)的啁啾。更一般地，啁啾可以在大约0.1GHz/mApp到大约0.5GHz/mApp的范围内。对于由60mApp调制信号直接调制的DBR激光器产生包括30GHz的啁啾的图4的频谱140。
图2A图示依照本文描述的至少一些实施例布置的用于激光器的速率方程模型200。速率方程模型200例如可以用于本文描述的直接调制DBR激光器。速率方程模型200包括载流子速率方程202、光子速率方程204和相位速率方程206。在方程202、204、206中：
N是包括在有源区中的电子和空穴的载流子；
是载流子密度；
I是总调制电流，包括直流(DC)偏置与调制摆幅之和；
g是增益并且是N的函数；
ε是增益压缩因子且其为恒定的材料参数；
S是有源区中的光子；
是S随时间的变化；
τp是光子寿命；
v是产生的光信号的频率；
是光子的相位随时间的变化，其等于频率v；
Γwell是MQW区的光约束因子；
α是线宽增强因子且其为恒定的材料参数；
ΓSCH是SCH的光约束因子；
dn/dNSCH是由于SCH中的载流子密度变化所引起的衍射指数(diffractiveindex)变化，也称作由于SCH中的载流子变化所引起的微分衍射指数变化；以及
NSCH是包括SCH中的电子和空穴的载流子。
方程206中表明增益g是N的函数。类似地，方程202和204中的增益g也应当是N的函数。
在传统的速率方程模型中，为了简化而认为光子寿命τp是常数。然而，根据本文中描述的各个实施例，光子寿命τp被认为是动态变化的。特别是，光子寿命τp是对光子损失的测量，包括载流子引起的损失，如等离子损失效应或化合价间光带吸收(IVBA)，或者与注入载流子(例如电子)有关的一些其他吸收机理。当由于对注入载流子进行直接调制因此对激光器进行直接调制时，载流子引起的损失会动态地变化。另外，在DBR激光器中，DBR滤波器的反射率(例如镜面损失)是依赖于频率的。这样，DBR滤波器的反射率或镜面损失将作为所产生的光子的频率的函数而变化，对于DML而言，其一般对于1比特比对于0比特更高，如参考图1E所描述的。
速率方程模型200还要考虑载流子输运效应。一般而言，载流子输运效应指的是由于在输运载流子通过DML的各个层中所包含的延迟而对光输出的影响。图2B示出了依照本文描述的至少一些实施例布置的对于研究载流子输运效应的理论模拟的模型210。虽然本文将对模型210作出简要的描述，但是在1998年12月出版的《IEEE Journal of Quantum Electronics》第12期第34卷中由Matsui等人撰写的《Novel Design Scheme for High-Speed MQW Lasers withEnhanced Differential Gain and Reduced Carrier Transport Effect》(《用于具有增加的微分增益和减小的载流子输运效应的高速MQW激光器的新型设计方案》)中能够得到更为详细的模型，通过引用的方式将该出版物并入本文。
图2B的模型210包括覆层、SCH、两个QW和一个势垒，所有这些都可以包括在DML中，所述DML如上面概括描述的直接调制DBR激光器。当直接调制时，注入载流子使其通过覆层、穿过SCH层，由QW俘获，在跃迁发生之前可以逸出QW和/或隧穿势垒中到达另一个QW。前面的每一个步骤花费有限的时间并且产生可能使振铃或张弛振荡衰减的延迟。此外，在图2B中：
τdif是SCH扩散寿命；
τdrift是SCH漂移寿命；
τcap是QW俘获寿命；
τesc是QW逸出寿命；以及
τtun是势垒隧穿寿命。
在一些实施例中，τdif和τdrift大约为几皮秒(ps)的量级，因此它们不会显著地降低激光器的速度。
图2B在方程212中进一步说明势阱中的2D载流子与势垒中处于广延态(extended state)的3D载流子之间的关系。方程212中的分母3D/2D可以由玻尔兹曼分布来确定。
在一些实施例中，一般通过根据图2B的模型210确定QW中的载流子密度来表征增益g然后解出图2A的方程202、204、206，从而在图2A的速率方程模型200中计算了载流子输运效应。更详细的是，在图2A中，增益g是N的函数。在图2B中，2D代表每个QW中以二维约束的载流子。载流子N从电极注入通过覆层、传输通过具有时间常数τdif和τdrift的SCH，并且在QW中被俘获之前作为3D状态到达势垒。在到达QW之后，载流子N可以促成增益，尽管一些载流子N可能通过隧穿或者热离子发射而逸出。因此，能够将图2B的模型解出以获得势阱中的载流子密度，从而表征增益g，并由此解出图2A的方程202、204、206。
图3A图示依照本文描述的至少一些实施例布置的与示例直接调制DBR激光器V3相关联的眼图302、304和FM分布图306、308。DBR激光器V3是10G直接调制前部DBR激光器，如图1A中所示的DBR激光器100。图3A进一步示出包括DBR激光器V3的各种参数的表格310。特别是，根据表格310，DBR激光器V3具有100nm厚度的SCH、1.2Q的势垒、1550nm的MQW PL，以及0.32纳秒(ns)的K因子。
眼图302是20千米(km)的模拟光学眼图，而眼图304是20km的实测光学眼图。如图所示，即使在传输通过20km的色散光纤之后，眼图304基本上也是张开的(open)。
FM分布图306是DBR激光器V3基于图2A的速率方程模型200的模拟FM分布图，而FM分布图308是DBR激光器V3的实测FM分布图。FM分布图306和308都包括010的位序列。如图所示，FM分布图306和308都具有大约35GHz的绝热啁啾和10GHz的瞬变啁啾。这样，瞬变啁啾与绝热啁啾之比为2:7(或大约0.286)，产生如眼图304中所示的基本上张开的(open)20km眼睛(eye)。更一般地，如本文描述的10G和更高的直接调制DBR激光器可以具有在1:3至1:4范围内(或者从大约0.33至0.25的范围)的瞬变啁啾与绝热啁啾之比，这可适合于产生基本上张开的20km眼睛。
图3B图示依照本文描述的至少一些实施例布置的与示例直接调制DBR激光器V4相关联的眼图312、314和FM分布图316、318。DBR激光器V4是10G直接调制前部DBR激光器，如图1A的DBR激光器V100。图3B进一步示出包括DBR激光器V4的各种参数的表格320。特别是，根据表格320，DBR激光器V4具有60nm厚度的SCH、1.2Q的势垒、1580nm的MQWPL，以及0.23ns的K因子。
FM分布图316是DBR激光器V4基于图2A的速率方程模型200的模拟FM分布图，而FM分布图318是DBR激光器V4的实测FM分布图。FM分布图316和318都包括010的位序列。如图所示，FM分布图316和318都具有大约35GHz的绝热啁啾和17GHz的瞬变啁啾。在这种情况下，瞬变啁啾与绝热啁啾之比太高，例如约为1:2，而K因子太低，因此产生如模拟眼图312和实测眼图314中所示的基本上关闭的(closed)20km眼睛(eye)。
图3C图示依照本文描述的至少一些实施例布置的与示例直接调制DBR激光器V5相关联的眼图322、324和FM分布图326、328。DBR激光器V 5是诸如图1A中的DBR激光器V100这样的10G直接调制前部DBR激光器。图3C进一步示出包括DBR激光器V 5的各种参数的表格330。特别是，根据表格330，DBR激光器V5具有125nm厚度的SCH、1.2Q的势垒、1610nm的MQW PL，以及0.34ns的K因子。
FM分布图326是DBR激光器V5基于图2A的速率方程模型200的模拟FM分布图，而FM分布图328是DBR激光器V5的实测FM分布图。FM分布图326和328都包括010的位序列。如图所示，FM分布图326和328都具有大约35GHz的绝热啁啾并且实际上没有瞬变啁啾。在这种情况下，瞬变啁啾与绝热啁啾之比实际上并不存在，并且K因子太高，因此产生如模拟眼图322和实测眼图324中所示的基本上关闭的(closed)20km眼睛(eye)。20km眼睛是关闭的(closed)是由于与DBR激光器V3相比SCH较厚导致低通滤波效应而引起的。然而，如下面更详细地描述的，可以使用高通电气滤波器对施加于DBR激光器V5的调制信号进行滤波从而有效地抵消低通滤波效应。
图4A图示图3A的DBR激光器V3对于10G二进制位序列的模拟AM分布图402和FM分布图404。如图4A中所示，FM分布图404一般紧跟AM分布图402。图4A还包括分别标识绝热啁啾和瞬变啁啾的箭头406、408。
FM分布图404在不将瞬变啁啾计算在内时一般保持平滑，从而使所有的1比特都具有基本上相同的频率，所有的0比特也具有基本上相同的频率，0比特的频率低于1比特的频率，即使对于二进制位序列的在多0区中的1比特和/或在多1区中的0比特也是如此，由此与具有FM下倾的FM分布图相比能够减少色散。通过图示可知，要考虑1比特在先并以1比特结尾的多0区410。在先的1比特与结尾的1比特之间的相对计时在图4A中对应的实测背对背(BB)AM分布图414的412处标出。
如对应的实测21kmAM分布图416所示，由于FM分布图404一般保持平坦，因此在先的1比特与结尾的1比特在传输通过21km光纤之后二者之间不存在时滞。更详细地，在先的1比特与结尾的1比特具有相同的频率并因此以相同的速度穿过21km的光纤，由此保持相同的相对计时414。
图4B更详细地图示图3A的DBR激光器V3的眼图418、420、422和实测21kmAM分布图416。眼图418是实测BB眼图，眼图420是模拟20km眼图，眼图422是实测21km眼图。在图4B中可以看到，DBR激光器V3的BB眼图和21km眼图基本上都是张开的(open)。
图5A图示图3C的DBR激光器V5对于与图4A相同的10G二进制位序列的模拟AM分布图502和FM分布图504。图5A还标识了AM分布图502和/或FM分布图504中的各个特征。这些特征包括1到0过渡之前FM分布图504中的凹陷、多0区中FM下倾而没有出现对应的AM下倾、0到1过渡时在FM分布图504中的峰化之后的轻微下降(dip)，1到0过渡时FM下冲而没有出现对应的AM下冲、多1区中AM分布图502和FM分布图504中的弱阻尼，以及非常快速出现的单独的0比特。
FM下倾一般可指的是例如1ns量级的FM分布图504中的缓慢变化，且其也被称作与图5A中标识的弱阻尼特征一起提到的慢分量。该慢分量不能通过标准的激光器速率方程模型来预测，在标准激光器速率方程模型中，光子寿命τp被认为是常数，并且不考虑载流子输运效应。然而，通过考虑如上所述的图2A的速率方程模型200中的动态光子寿命和载流子输运效应，由于SCH厚度太大因此要为DBR激光器V5预测该慢分量。
慢分量或FM下倾的一个问题是可能发生时滞。更详细地，要考虑1比特在先并以1比特结尾的多0区506。由于多0区506的在先的1比特形成在多1区508的末尾，因此一般当多1区508中的1比特的频率增大时慢分量会致使多0区506的在先的1比特的频率相对较高。然而在多0区506中，慢分量致使多0区中的0比特的频率显著下降或下倾(droop)，因此多0区506的结尾的1比特的最终频率明显低于多0区506的在先的1比特的频率。多0区506的在先的1比特与结尾的1比特之间的频率差致使在传输通过21km色散光纤之后出现时滞，如参考图5B更详细地描述的。
图5B图示图3C的DBR激光器V5的实测BB AM分布图510、实测21kmAM分布图512、眼图514、516、518以及实测BB AM分布图510和实测21kmAM分布图512的更详细的版本510A、512A。结合参考图5A-5B，图5B中实测BB AM分布图510的520处标出了多0区506的在先的1比特和结尾的1比特之间的相对计时。由于多0区506的结尾的1比特具有比在先的1比特明显更低的频率，因此结尾的1比特将会比在先的1比特更缓慢地穿过21km的色散光纤。在该实例中，结尾的1比特经过40皮秒(ps)较缓慢地穿过与在先的1比特相同的21km长度的光纤。较长的行进时间被称作时滞。然而更一般的是，由于结尾的1比特比在先的1比特的频率低，因此在实测21kmAM分布图512中的在先的1比特与结尾的1比特之间的相对计时522比实测BB AM分布图510中的在先的1比特与结尾的1比特之间的相对计时520大。
眼图514是实测BB眼图，眼图516是模拟20km眼图，眼图518是实测21km眼图。如上面描述的时滞通常在眼图518中的520所指的区域中使(close)眼图518关闭。
图5C图示依照本文描述的至少一些实施例布置的示例电气高通滤波器(HPF)522，电气高通滤波器(HPF)522可以实施为补偿图3C的DBR激光器V5中由SCH的厚度所引起的低频问题或慢分量。例如，可以在包括直接调制源和DBR激光器V5或类似DBR激光器的光发射机中提供HPF522。HPF522可以耦合在直接调制源和DBR激光器之间。
在所图示的实施例中，HPF522是RC电路且包括电容器524、第一电阻器526和第二电阻器528。电容器524与第一电阻器524并联耦合。并联耦合的电容器524和第一电阻器526再与第二电阻器528串联耦合。HPF522进一步包括配置为与直接调制源耦合的输入节点530以及配置为与DBR激光器耦合的输出节点532。在示例实施例中，电容器524具有大约50皮法(pF)的电容，第一电阻器526具有大约15欧姆(Ω)的电阻，第二电阻器528具有大约45Ω的电阻。
能够利用并联分路电感器来设计具有与HPF522类似时间常数的HPF，该并联分路电感器在接地之前具有额外的电阻器与之串联。
图5C还示出针对第一电阻器526的三个不同电阻值HPF522随时间的各个电流响应534。结合参考图5A和5C，如上面已经说明的，在诸如多0区506这样的多0区中，FM分布图504或啁啾逐步下倾。如参考电流响应534最大限度地看到的，通过将电流逐步注入多0区，HPF522实质上呈现相反的趋势，这最终可以基本上抵消或补偿(equalize)FM下倾。因此，HPF522可以具有大约1ns量级的时间常数，或者更一般的是，时间常数约等于慢分量的时间常数。
图5C还示出了眼图536和538。眼图536是包括DBR激光器V5和HPF522的光发射机的实测BB眼图。眼图538是包括DBR激光器V5和HPF522的光发射机的实测21km眼图。如通过将图5C的眼图538与图5B的眼图518进行比较所能看到的，HPF522使低频问题或慢分量得到补偿并且使实测21km眼图张开(open up)。
图6A-6G图示依照本文描述的至少一些实施例布置的具有各种DBR参数的模拟600A-600G(其共同称为“模拟600”)。这些模拟中的一些将参数调整为与图2A-2B的速率方程模型200和/或模型210一致。
图6A-6G中的每一个包括两个图表，即包括具有101位序列的各种时间序列模拟以及DBR激光器偏置和调制值的第一图表，具有在DBR激光器的某些层中的各种分布模拟的第二图表。时间序列模拟包括光子密度(在下文称为“光子(Photon)”)、可归因于MQW区的啁啾(在下文称为“MQW啁啾(ChirpMQW)”)、可归因于等离子效应的啁啾(在下文称为“等离子啁啾(ChirpPlasma)”)，以及作为MQW啁啾(ChirpMQW)和等离子啁啾(ChirpPlasma)总和的总啁啾(在下文称为“总啁啾(TotalChirp)”)。在一些实施例中，“MQW啁啾(ChirpMQW)可以类似于增益，等离子啁啾(ChirpPlasma)可以与溢出载流子有关。分布模拟包括在势阱中的电子密度(在下文称为“电子势阱(Electron well)”)、在势阱中的空穴密度(在下文称为“空穴势阱(Hole well)”)、在势垒中的电子密度(在下文称为“电子势垒(Electron barrier)”)、在势垒中的空穴密度(在下文称为“空穴势垒(Hole barrier)”)，以及电场(在下文称为“电场(Electric field)”)。
在下面的表格A中提供了图6A的模拟600A的参数。
图6A的模拟600A是光子寿命被认为是常数的一种相对简单的情况。如从时间序列模拟可以看到的，阻尼相对较小并存在大量的振铃。如从分布模拟中所看到的，存在相对均匀的空穴分布。
在下面的表格B中提供了图6B的模拟600B的参数。
与图6A的模拟600A相比，图6B的模拟600B中考虑了载流子输运效应。例如，电子俘获时间从0.3ps增加到1.0ps，空穴迁移率从2500cm2/V/s减小到180cm2/V/s，空穴隧穿时间从0.134ps增加到4.0ps。前面修改的参数对应于100nm厚度的SCH。载流子输运效应使图6B的时间序列模拟中的振铃衰减。
电子势阱(Electron well)密度和空穴势阱(Hole well)密度最大的分布模拟的中部位置对应于QW的位置。如图所示，空穴一般来自右边、电子来自左边，它们在QW中结合。由于空穴相对较慢地通过p侧SCH传输到QW的右边，因此空穴在QW的右边累积。在图6A的模拟600A中，将载流子直接注入到QW中，因此载流子非常快速，导致无衰减的强振铃。然而在图6B的模拟600B中，由于注入载流子通过SCH引起的载流子输运效应使得载流子延迟，由此使振子衰减并减少振铃。
这样，在图6B的模拟600B中，在p侧SCH中的溢出使电子和空穴都增多。电子被空穴吸引并且溢出到高偏置条件的SCH中。对于1到0的过渡，电子从SCH流出并且流回到QW。对于AM而言，1到0过渡期间存在非常有效的下冲阻尼，例如能够从光子(Photon)时间序列的下冲中的阻尼所看到的。对于FM而言，1到0过渡期间仍然存在下冲，如能够从对于总啁啾(TotalChirp)时间序列的下冲所看到的。由于SCH的充电速度比张驰振荡频率fr慢，因此阻尼对于0到1过渡期间的过冲(overshooting)不是非常有效。
在这个和其他实施例中，张驰振荡频率fr可以是至少12GHz,或者至少16GHz乃至更高。可选择地或者另外，在这个和其他实施例中，由增益部分中的载流子输运效应引起的阻尼可以是至少12GHz。
关于高速(例如大约10G或更高)DML的传统知识将SCH厚度局限于小于50nm，更典型的是使用大约35nm厚度的SCH，因为较厚的SCH对激光器的高速性能有负面影响。然而在本文描述的实施例中，可以将60nm至约125nm厚度的SCH用于DBR激光器和/或DFR激光器从而使瞬变啁啾衰减并改善传输通过色散光纤之后的眼睛(eye)。因此，尽管本文描述和/或描绘的示例实施例一般涉及DBR激光器，但是本文披露的原理也可以应用于DFB激光器。例如，可以在DFB激光器中使用相对较厚的SCH而使瞬变啁啾衰减并改善传输通过色散光纤之后的眼睛(eye)。
在下面的表格C中提供了图6C的模拟600C的参数。
与图6B的模拟600B相比，图6C的模拟600C中的载流子输运或SCH效应甚至更强。例如，通过将空穴逸出时间从300ps减少到3ps使得空穴溢出从0.1％增加到10％，而且空穴迁移率从180cm2/V/s减小到30cm2/V/s。前面修改的参数对应于100nm厚度的SCH。载流子输运效应使图6C的时间序列模拟中的振铃进一步衰减。
例如，如图6C的时间序列模拟中所示并与图6B比较，如在602所表示的，1到0过渡期间存在非常有效的下冲阻尼或振铃阻尼；实际上，1到0过渡期间的振铃已被完全消除。然而，如604所表示的，存在相对缓慢的下降，其可能引起符号间干扰(ISI)。如606所表示的，通过对SCH充电引起在0到1过渡时AM的缓慢上升。由于SCH的充电速度比张驰振荡频率慢，因此FM的阻尼对于0到1的过冲不是非常有效。如图6C的分布模拟中所示并将其与图6B比较，如608所表示的，由于相对较短的空穴逸出时间和相对较慢的空穴迁移率，进一步使得电子和空穴两者在p侧SCH中的溢出增大。
在下面的表格D中提供了图6D的模拟600D的参数。
与图6C的模拟600C相比，图6D的模拟600D中的空穴逸出时间更长。特别是，空穴逸出时间从3ps增加到300ps，致使空穴溢出从10％减少到0.1％。
较长的空穴逸出时间引起如图6D的空穴势阱(Hole well)分布所示的非常强的空穴不均匀性。此外，与图6C相比，0到1过渡的初始上升之后在时间序列模拟中AM和FM的初始下降更明显。
在下面的表格E中提供了图6E的模拟600E的参数。
与图6D的模拟600D相比，载流子输运效应更弱。例如，通过将空穴逸出时间从300ps减少到3ps使得空穴溢出从0.1％增加到10％。表格E中的上述参数对应于48nm厚度的SCH。如在时间序列模拟中看到的，尽管基本上均匀地注入，但由于SCH太薄因此存在振铃，导致过多的瞬变啁啾。在该示例中，SCH不够厚从而不足以存储充足的电荷来使振铃衰减。
在下面的表格F中提供了图6F的模拟600F的参数。
用于图6F的模拟600F的表格F中的参数与用于图6E的模拟600E的表格E中的参数相同。然而，图6F的模拟600F考虑了关于QW的以动态损耗的形式的动态光子寿命影响(effect)。在该模拟中，由于IVBA引起的光损耗可以动态地发生变化。在例如1到0过渡的下降的情况，根据图2A的速率方程模型200，N和S是同相的。N减少使IVBA损耗减少，这有效地增大增益，以便降低S。这具有与增益压缩相同的效果，因此与图6E相比阻尼增大。
在下面的表格F中提供了图6G的模拟600G的参数。
与图6F的模拟600F相比，图6G的模拟600G中的空穴逸出时间更长。特别是，空穴逸出时间从3ps增加到300ps，致使空穴溢出从10％减少到0.1％。这样，图6G的模拟将相对较长的空穴逸出时间与动态的IVBA结合起来。如通过图6G的空穴势阱(Hole well)分布所示，较长的空穴逸出时间引起空穴的强烈不均匀性。在例如0到1过渡的上升的情况，根据图2A的速率方程模型200，N和S是异相的。如从分布模拟所能看到的，当SCH中的存储电荷很高时，逸出时间存在差别。
因此，可以将如本文描述的高速直接调制DBR激光器配置为具有相对较厚的SCH以便使振铃衰减，并由此达到20km、21km、25km乃至更远的传输距离。与此相反，传统的高速DML可能局限于5-10km的可到达距离，所述传统的高速DML如通常用在DML应用中的分布反馈(DFB)激光器。
图7图示直接调制DFB激光器的眼图702、704以及诸如上面描述的DBR激光器这样的直接调制DBR激光器的眼图706、708。DFB激光器所用的SCH的厚度是60nm。按照大约10G的数据传输速率对DFB激光器和DBR激光器都进行调制。眼图702是实测BB眼图，眼图704是实测10.5km眼图，二者都是针对DFB激光器的。如图7中所示，在传输通过10.5km的色散光纤之后，眼图704基本上是关闭的(closed)，导致不能接受的高误码率(BER)。
眼图706是实测BB眼图，眼图708是实测21km眼图，二者都是针对DBR激光器的。如图7中所示，甚至在传输通过21km的色散光纤之后，眼图708基本上是张开的(open)。眼图708的BER在1×10-3(FEC率)的BER处为大约-31dBm(毫瓦分贝)的接收功率。雪崩光二极管(APD)用作接收机。
图8图示通过为直接调制DBR激光器的固定DC偏置而调整调制振幅所改变的各个ER(水平轴)的接收功率，所述直接调制DRB激光器诸如上面描述的DBR激光器。将BER固定为1×10-3(FEC率)。将APD用作接收机。这是无源光学网络(PON)应用的普遍设置和条件。图8也示出了-31dBm的接收功率适合于传输25km之后的1×10-3的BER。相应的ER是7dB。
结合参考图7和8，在传输之后DFB激光器的眼图704相比DBR激光器的眼图708之间存在差异以及DBR激光器的BER得以改善的原因在于，如图9中所示，DFB激光器呈现出相对较小的阻尼和强瞬变啁啾，而DBR激光器呈现出相对较高的阻尼和弱瞬变啁啾。
根据阻尼因子Γ取决于激光器的K因子，其中fr(本文中也称作Fr)是张驰振荡频率。K因子可以根据来计算。在DBR激光器中，ε仅仅出现在DBR激光器的增益部分，而在该激光器的无源部分不存在增益，因此在DBR激光器中的dg与在DFB激光器中的dg相比相对较小。因此，用于DBR激光器的K因子与用于DFB激光器的K因子相比相对较大。此外，Γ随着K因子的增大而增大。在一些实施例中，可以使DBR激光器的K因子和fr都达到最大。fr与微分增益的平方根成比例。在包括上述两个效果之后可以发现如下优点，即微分增益较高、空腔损耗较小以及增益压缩因子大以便获得大的阻尼因子。可以通过带有应变的MQW结构的高质量生长来实现高微分增益，例如，利用InGaAlAs势垒来增加电子约束(confinement)。能够通过增大DBR激光器的镜面反射率并且使InP包层(本文也称作覆层)中的p掺杂最优化来实现较低的空腔损耗。为了在不降低速度性能的情况下增大增益压缩因子，能够将载流子输运效应用在如上所述的相对较厚的SCH中。
如前面提及的，可以调节失谐加载效应以便改进DBR激光器的性能，所述DBR激光器诸如本文中已经描述过的DBR激光器。在这些和其他实施例中，当将模式调谐到与DBR激光器相关联的布拉格峰的较长波长侧时可以减小DBR激光器的有效ααeff。图10是为DBR激光器的示例实施例绘出的延迟时间、镜面倾斜和失谐加载α的图表，所述延迟时间、镜面倾斜和失谐加载α都作为波长的函数。
图11是绘出实测FM效率的图表，所述实测FM效率作为DBR激光器的示例实施例的相位条件的函数。在大约1-2mA范围内和大约9-11mA范围内的相电流显示出滞后区域，在滞后区域，当相电流从低电流到高电流斜线上升时选择短波长模式(高FM)，而当相电流从高相电流到低相电流斜线下降时选择长波长模式(低FM)。从大约2-8mA的相电流范围获得稳定的单模操作。对于在大约2-4mA范围内的相电流，在对应的布拉格峰的较长波长侧产生激光，而且对应的FM效率较低。尽管该图表中没有示出，但是在这种操作条件下，当根据失谐加载效应预期时可以知道对应的Fr较高。由于1.FM效率较低，2.Fr较高，因此这种操作条件可以应用于通过DBR激光器的直接调制来延伸可到达距离，并因此能够更大程度地抑制瞬变啁啾。
鉴于前面所述，本文描述的一些实施例包括配置为以大约10G或更高的数据传输速率工作、可达到25km的距离并且可以用在大功率PON中的直接调制DFB和/或DBR激光器。为了在直接调制DFB和/或DBR激光器中获得以10G的数据传输速率可达到25km的距离同时具有可接受的BER，与本文描述的传统10G DFB激光器中的瞬变啁啾相比可以减少瞬变啁啾。
可选择地或者另外，DFB和/或DBR激光器可以包括一个或多个下列特征：
第一，DFB和/或DBR激光器可以具有偏置电流密度大约为0.2mA/μm或更高的相对较高的偏置，例如对于300μm增益长度(1.2μm的台式晶体管宽度)具有60mA偏置或更高。向激光器加高偏置可以增大该激光器的速度并减少该激光器的阻尼。在这些和其他实施例中，用于驱动激光器的诸如调制驱动器这样的直接调制源可以包括能够产生60mApp-90mApp的相对较大调制摆幅的低功耗线性放大器，从而能够向激光器加高偏置同时仍然具有适合的ER。
第二，激光器可以是快速激光器。例如，一些实施例包括具有20GHz带宽(BW)的10G激光器。
第三，该激光器可以包括厚的SCH以诱发载流子输运效应。例如，SCH可以具有大约60纳米(nm)到大约125nm之间的厚度，或者在一些实施例中具有大约100nm的厚度。与此相反，其他DFB和DBR激光器可以具有厚度小于大约50nm的SCH。相比具有相对较薄的SCH的激光器，在根据一些实施例的激光器中提供较厚的SCH可以增大张驰振荡的阻尼并减少啁啾。
第四，激光器可以是DBR激光器，而不是DML应用中通常使用的具有相对较薄SCH的传统DFB激光器。该DBR激光器可以具有比DFB激光器相对更多的无源部分，与上面描述的DFB激光器的阻尼相比，该无源部分可以增大DBR激光器的阻尼。
第五，能够应用失谐加载效应，从而使DBR激光器的相位条件(例如产生激光的波长)朝着与DBR激光器相关联的布拉格峰的长波长侧调谐，以便提高DBR激光器的速度。虽然这样做可能会减小阻尼因子，但从速度改进中得到的好处可能超过了从阻尼因子减小带来的损失。
第六，能够在DBR激光器(例如，在图1C的前部-后部配置中)的增益部分的每一侧提供DBR以便提高单模工作的产量。对来自DBR的光电流所进行的监测能够被用于监测输出功率。通过测量来自前部DBR和后部DBR的光电流之比，可以发现产生激光的相位条件并且避免模式跳变。因此，本文描述的实施例可以包含调整SCH的厚度和/或载流子输运，所述载流子输运改变内部例如光子寿命。通过结合前面所述的内容，可以调整振铃和/或峰化(peaking)以提供适量的阻尼从而延长直接调制DBR激光器的可到达距离。
当使振铃衰减时，DBR激光器可以成为基本上线性的装置，所述装置可在希望抑制失真的模拟应用中是有利的。可实现基本上线性的直接调制DBR激光器的应用包括在可能的其他应用当中的离散多频音(DMT)调制和模拟应用。
如本文描述的，将DBR激光器用在DML应用中能够以10G的数据传输速率到达大约20km或更远的距离。通常在DML应用中使用的激光器的ER可限制为大约5dB，但是上面描述的直接调制DBR激光器的一些实施例由于电流的高调制振幅而可以具有在大约6.5-7dB之间的ER。此外，由于形成激光腔的有限的前部小平面反射率并且通过调制摆幅的可用振幅，直接调制DFB激光器和/或DBR激光器的功率在一些实施例中可能略受限制。因此，本文描述的一些实施例可以在带有诸如DFB激光器或DBR激光器这样的半导体激光器的激光器芯片中集成光放大器，从而与没有集成光放大器的激光器芯片发射的光信号相比能够提高芯片发射的光信号的功率和/或ER。
因此，图12A图示依照本文描述的至少一些实施例布置的包括DBR激光器1202和集成光放大器1204的激光器芯片1200的示例实施例。根据一些实施例，可以利用相同的调制信号对DBR激光器1202和光放大器1204进行共同调制。尽管所说明的激光器芯片1200包括与光放大器集成的DBR激光器，但是在其他实施例中，该激光器芯片包括与光放大器集成的DFB激光器。
一般而言，可以将DBR激光器1202配置为类似于上面描述的DBR激光器。例如，在所说明的实施例中，类似于图1A-1C的DBR激光器100、110、120，DBR激光器1202包括增益部分1206和无源部分1208。增益部分1206可以包括诸如可置于上部SCH和下部SCH之间的MQW区的有源区，或除此以外可以根据上面描述的实施例进行配置。无源部分1208可以包括DBR。
光放大器1204可以包括但不限于半导体光放大器(SOA)、多模干涉(MMI)SOA，或Mach-Zehnder(MZ)调制器。例如，图12B示出图12A的激光器芯片1200中的示例实施例，其中光放大器1204包括SOA，所述SOA包括MQW区域1210。在这个和其他实施例中，无源部分1208置于增益部分1206和光放大器1204之间，并且无源部分1208和光放大器1204之间的耦合可以包括与DBR激光器1202产生的输入光信号的法线入射成一定角度的对接耦合。
图12B进一步示出了可以分别包括在DBR激光器1202的增益部分1206和无源部分1208中的MQW区域1212和DBR1214。在这些和其他实施例中，激光器芯片1200可以进一步包括在DBR激光器1202和光放大器1204中的公共导向结构，如浅脊或埋入异质结构(buried heterostructure)。在示例实施例中，增益部分1206可以具有大约300μm的长度，光放大器1204可以具有大约200um的长度。
另外，激光器芯片1200包括HR涂层1216、与DBR激光器1202的增益部分1206耦合的第一电极1218、与光放大器1204耦合的第二电极1220，以及AR涂层1222。在这个和其他实施例中，第一电极1218和第二电极1220可以与公共的直接调制源1224耦合。因此，可以利用由公共的直接调制源1224提供的公共调制信号对增益部分1206和光放大器1204进行调制。
图12C示出图12A的激光器芯片1200的示例实施例，其中光放大器1204包括MMI SOA1226。图12C还示出与DBR激光器1202的增益部分1206耦合的第一电极1228以及与光放大器1204耦合的第二电极1230。尽管图12C中没有示出，但是第一电极1228和第二电极1230可以与公共的直接调制源耦合，所述公共的直接调制源诸如图12B的公共的直接调制源1224。
图12D和12E示出依照本文描述的至少一些实施例布置的N个臂的MZ调制器1232、1234的示例实施例。特别是，N个臂的MZ调制器1232是双臂MZ调制器，而N个臂的MZ调制器1234是三臂MZ调制器。更一般的是，臂的数量N可以大于1。图12D的N个臂的MZ调制器1232例如可以代替MMI SOA1226而包括在图12C的光放大器1204中。类似地，图12E的N个臂的MZ调制器1234例如可以代替MMI SOA1226而包括在图12C的光放大器1204中。
在DC控制之下的SOA可能会使AM光信号失真。特别是，如图13中AM分布图1304的1302所表示的，向SOA加高偏置能导致与较低强度的0比特相比在相对较高强度的1比特的上升沿出现AM峰化。对于由加58毫安(mA)偏置的DBR激光器产生、具有90mApp的调制摆幅并以大约10G的数据传输速率传输的AM光信号，在60mA直流电的SOA偏置处获得图13的AM分布图1304。图14示出在与参考图13描述的相同条件下由直接调制激光器产生的光信号在通过SOA之后的AM分布图1402和FM分布图1404。在前述条件下，如图14的FM分布图1404所示，SOA引起越过光信号中的每个脉冲的线性红啁啾，该啁啾根据对应于载流子寿命的时间常数重新获得。
图15示出依照本文描述的至少一些实施例布置的DBR激光器和SOA的3种工作情况。在第1种情况下，由诸如直接调制DBR激光器这样的DML产生的AM光信号通过DC偏置的(DC-biased)SOA。如果SOA处于饱和状态(例如接近最大功率)，那么SOA通过仅有效地放大上升沿而造成失真。
在第2种情况下，连续波形(CW)光信号通过SOA，并且SOA被调制。通常，由于载流子寿命的速度受限而引起SOA的速度对于10G或更高的数据传输速率而言不够快速。结果，由于SOA的速度相对较慢因此下降沿的强度会增大。
在第3种情况下，利用相同的数据信号对DBR激光器和SOA共同进行调制，因此可以通过如第2种情况中的下降沿的峰化来抵消如第1种情况中的上升沿的峰化，从而产生理想的或者至少改善的响应，如一般在第3种情况中描述的并且与上面图12B中所示的激光器芯片1200的构造相对应。当第1种情况的时间常数和第2种情况的时间常数都由载流子寿命来决定时，由于二者自然匹配，因此可以通过下降沿中的峰化来抵消上升沿处的峰化。在一些实施例中，高功率的光入射到SOA中可以提高SOA的调制速度。另外，如果使共同调制的深度最优化，那么输出信号的ER可以比传输通过SOA之前的光信号的ER更高；否则，可能会降低输出信号的ER。
在cw条件下能够对包括DBR激光器和集成光放大器的激光器芯片进行测试，所述激光器芯片诸如本文描述的激光器芯片1200。然而，这种测试可能不会指出最终波形可如何看起来是动态的。因此，图16是表明能够用于避免在SOA之后ER降低的操作条件的图表。例如，对于向SOA加cw偏置而言(例如使用不经调制的SOA)，能够对SOA(在这种情况下具有200m的长度)的一种固定偏置情况进行分析。在2mA时，SOA可以变成透明的。在2mA以下(例如0V或0.5V，低于PN结接通电压，Vth＝0.7V)，SOA能够起到饱和吸收器的作用(例如吸收饱和)。当增益偏置增大时，在一开始(例如，<50mA增益，对SOA加0V偏压，参见蓝色曲线)，由于SOA吸收光，因此没有输出。当输入到SOA中的功率超过一定功率时，使吸收停止(bleach)。在这种情况下，对于增益偏置>60mA，输出功率线性增大。
当SOA偏置大于10mA时，观察到明显的增益饱和。对于低增益偏置，输出功率从一开始就急剧地增长，然而对于高增益偏置，其迅速地饱和(翻转(roll-over))。如果对诸如激光器芯片1200的激光器芯片中的DBR激光器的增益部分进行调制，并且在cw条件下向SOA加偏置，那么由于SOA中的增益饱和而使SOA的输出端的ER降低。为了避免处于增益饱和状态的SOA中的ER降低，根据本文描述的一些实施例，对于较高的输入(1比特)将SOA偏置调制为较高的电流，而对于较低的输入(0比特)使SOA偏置减少。这就是所谓的“推进-推进(push-push)”调制方案。在模块设计方面，这能够通过将RF电流分成增益部分和SOA(或其他光放大器)而简单地实现，因此这是一种用于设计紧凑的发射机光学组件(TOSA)模块的方便的调制方案。
如在该示例中所示，对于需要5-9dBm光纤耦合功率的PON应用(称为EPON的PR40)来说，包括具有300μm增益部分长度、加60mA偏置的DBR激光器以及长度为200μm、加20mA偏置的SOA的激光器芯片的功率足够高。利用较短的装置设计，例如DBR激光器的150μm的增益部分长度和带有20mA偏置的200μm的SOA长度，可以使装置能够封装到晶体管外形(transistoroutline,TO)罐(CAN)中，所述晶体管外形罐具有热电冷却器(TEC)的有限的热负载处理能力。特别是，可以将诸如激光器芯片1200这样的激光器芯片连同或不连同TEC封装在TO CAN中。
能够将SOA长度修改为足够短(例如<300μm)以避免朝向SOA末端的不希望有的失真。SOA的较短长度对于抑制放大过程中的失真是有利的，虽然SOA的增益可能会减少。
通过经由较快速的受激发射时间减少SOA的载流子寿命，入射到SOA中的高入射功率能够提高SOA的速度。
SOA的小平面反射率能够是有限的或者接近0％。通过利用成角度的波导或者窗结构可以实现SOA上的非常低的小平面反射率，而且非常低的小平面反射率可以避免由延迟反馈效应(例如来自封闭反射平面的自给籽晶)引起的在无源部分中的复杂调制，这有时是不希望有的。然而当精确地控制反馈的相位条件时，能够利用反馈效应使张驰振荡衰减，以便延长传输距离。一个缺点在于这种条件能够对反射光的相位条件敏感并且可能需要反馈回路控制。为了避免该缺点，能够使用两种方法。一种方法简单地消除如已经提及的在小平面的反射。另一种设计方案为在SOA的输出端使用成角度的波导来消除来自小平面的反射，但要在该输出端附近增加非常低反射率的光栅。在这种情况下，能够通过光栅相位来控制反馈的相位而且该反馈的相位更容易再现。
这样，在诸如上面图12B所示的包括DBR激光器和集成SOA的激光器芯片中，通过利用对DBR激光器的增益部分进行调制的相同数据同时对SOA进行调制，能够实现SOA之后的ER相比SOA之前的ER更高。同时，通过SOA的增益能够使SOA之后的光功率相比SOA之前的光功率有所增加。
可选择的是，在激光器芯片1200包括DBR激光器1202和MMI SOA1226的图12C的实施例中，由于模式区域扩展引起MMI增益部分(例如SOA)中的光子密度相比输入端的光子密度有所减小，因此利用MMI SOA1226与无MMI SOA相比能够增大饱和输出功率。同样的原理适用于如图12D和12E中所示的1×N或N个臂的MZ调制器(N≥2)。能够对MMI SOA和/或MZ调制器的臂进行调制，以便在MMI SOA的情况下通过模式干扰或者在1×N的MZ调制器的情况下通过从各个臂接收的重新结合的信号部分的干扰来使得输出信号的ER相比输入信号有所增强。
图12B-12E的实施例可以包括下列可适用的方面中的一个或多个：
第一，用于DBR激光器1202和在光放大器1204中包括的SOA两者的导向结构能够包括浅脊或埋入异质结构，该所述浅脊或埋入异质结构对于DBR激光器1202和SOA两者是相同的从而减少耦合损耗。
第二，SOA能够用于模式区域展开的MMI增益部分，因此光子密度相对较低，从而避免SOA的增益饱和。
第三，芯片的无源部分与SOA增益材料之间的耦合能够包括对接耦合。该对接耦合能够与入射光束的法线入射成一定角度，从而避免反射。
第四，能够将用于MMI SOA的电极限制在模式展开的区域。
第五，类似于参考诸如图12B中所示构造提供的描述，能够利用与DBR激光器相同的数据对MMI SOA进行共同调制。
第六，为了进一步增强在MZ调制器的输出端的ER，可以在包括DBR激光器和集成光放大器的对应激光器芯片中实现下列之一或多个：在对应MMI装置中的不对称的分束比，控制每个臂(例如MZ调制器的每个臂)中的损耗的部分，或者对SOA加不对称DC偏置或进行RF调制。
对于本文使用的基本上任何复数和/或单数术语，只要适于上下文和/或应用，那么本领域的技术人员可以将单个翻译为多个和/或将多个翻译为单个。为了清楚起见，本文各种可明文列出单数/复数排列。
本领域技术人员应理解的是，一般情况下，本文所用的术语，特别是在所附权利要求书(例如，在所附权利要求的主体)中所用的术语通常旨在为“开放式”术语(例如，术语“包括”应该被解释为“包括但不限于”，术语“具有”应解释为“至少具有”，术语“包括”应解释为“包括但不限于”等)。本领域人员还应当理解，如果意图在于在提出的权利要求记载(recitation)的具体数值，这样的意图将在权利要求中明确地被记载，并且在没有这样的记载的情况下不存在这样的意图。例如，为了帮助理解，下文附带的权利要求可以包含使用引入性的短语“至少一种”和“一种或多种”，以引出权利要求被提及物。然而，使用这样的短语不应被解释为暗示着借助不定冠词“一(a)”或“一(an)”引出的权利要求被提及物将任何含有这样引出的权利要求被提及物的特定的权利要求限制于那些含有仅仅一种这样的被提及物的实施方案，即使当同一的权利要求包含引入性的短语“一种或多种”或“至少一种”以及不定冠词如“一(a)”或“一(an)”的时候(例如，“一(a)”和/或“一(an)”应当被解释为表示“至少一种”或“一种或多种”)；对于用于引出权利要求被提及物的定冠词的使用也同样适用。此外，即使明确提及了提出的权利要求被提及物的具体的数值，本领域技术人员将认识到，这种被提及物应被解释为至少表示所提及的数值(例如，无修饰的被提及物“两个被提及物”，没有其它修饰语，表示至少两个被提及物或两个以上被提及物)。此外，当使用类似于“A、B和C等中的至少一种”的惯例的情况下，通常这样一种句式意图在于本领域技术人员将理解所述惯例(例如，“具有A、B和C中的至少一种的体系将包括但不限于：单独具有A，单独具有B，单独具有C，具有A和B，具有A和C，具有B和C，和/或具有A、B和C的体系等”)。当使用类似于“A、B或C等的至少一种”的惯例的情况下，通常这样一种句式意图在于本领域技术人员将理解所述惯例(例如，“具有A、B或C的至少一种的体系”将包括但不限于：单独具有A，单独具有B，单独具有C，具有A和B，具有A和C，具有B和C，和/或具有A、B和C的体系等)。本领域人员还将理解，实际上任何表述两个以上选择性的术语的分离性的单词和/或短语，无论是在说明书中、权利要求中还是附图中，都应被理解为企图设想如下的可能性：包括术语之一、包括术语中任一、或同时包括两个术语。例如，短语“A或B”将被理解为包括可能性“A”或“B”或“A和B”。
此外，当按照马库什群组描述本公开内容的特征或方面时，本领域技术人员将认识到，该公开内容也因此描述了马库什群组的成员的子群组或任何单独的成员。
本领域技术人员将理解，对于任何和所有目的，例如在提供书面描述方面，在此公开的所有范围也包括任何和所有可能的子范围以及其子范围的组合。任何列举的范围可以简单地被认作充足的描述以及使得该范围能够至少被分成二等份、三等份、四等份、五等份、十等份等。作为非限制性实例，本文讨论的任何范围可以容易地分成下三分之一、中三分之一和上三分之一等。如本领域的技术人员也可以理解，诸如“高达”，“至少”和类似的所有语言包括了所记载的数字并且指可按上述随后细分成子范围的范围。最后，本领域的技术人员将理解，范围包括每个单独的成员。因此，例如，具有1-3个单元是指一组具有1、2或3个单元的组。同样地，具有1-5个单元的组是指具有1、2、3、4或5个单元的组，等等。
根据前面所述的内容，应当理解，本文出于图解说明的目的描述了本公开内容的各个实施例，在不背离本公开内容的范围和精神的情况下可以进行各种修改。因此，本文公开的各个实施例并非用来限制，实际的范围和精神由后面的权利要求来限定。

Claims (38)

1.一种分布布拉格反射器(DBR)激光器，包括：
增益部分，包括：
有源区；
上部分离约束异质结构(SCH)，上部分离约束异质结构(SCH)在所述有源区的上方并且具有至少60纳米(nm)的厚度；以及
下部SCH，所述下部SCH在所述有源区的下方并且具有至少60nm的厚度；以及
无源部分，所述无源部分与所述增益部分耦合，所述无源部分包括与所述有源区进行光通信的布拉格滤波器。
2.根据权利要求1所述的DBR激光器，进一步包括与所述增益部分耦合的增益电极，所述增益电极配置为与直接调制源耦合，所述直接调制源提供具有每秒大约10吉比特或更高数据传输率的调制信号。
3.根据权利要求2所述的DBR激光器，其中响应于将调制信号施加于所述增益电极，DBR激光器配置为产生具有显示出瞬变啁啾和绝热啁啾两者的频率调制分布图的光信号，瞬变啁啾与绝热啁啾之比在1:3至1:4的范围内。
4.根据权利要求1所述的DBR激光器，其中施加于所述增益部分的调制信号具有至少40毫安振荡总振幅(mApp)的调制摆幅。
5.根据权利要求4所述的DBR激光器，其中所述增益部分具有300微米(μm)或更小的长度。
6.根据权利要求5所述的DBR激光器，其中施加于所述增益部分的调制信号具有大约60mApp的调制摆幅，并且所述增益部分具有大约200μm的长度。
7.根据权利要求1所述的DBR激光器，其中所述DBR激光器具有21千米或更远的可到达距离，并且误码率大约为1×10-3。
8.根据权利要求1所述的DBR激光器，其中上部SCH的厚度小于125nm，并且所述下部SCH的厚度小于125nm。
9.根据权利要求1所述的DBR激光器，其中将所述DBR激光器朝着与所述DBR激光器相关联的布拉格峰的长波长侧调谐。
10.根据权利要求1所述的DBR激光器，其中所述DBR激光器包括前部DBR激光器，在所述前部DBR激光器中，所述无源部分置于所述增益部分和具有抗反射(AR)涂层的所述前部DBR激光器的前侧之间。
11.根据权利要求1所述的DBR激光器，其中所述DBR激光器包括后部DBR激光器，在所述后部DBR激光器中，所述增益部分置于所述无源部分和具有抗反射(AR)涂层的所述后部DBR激光器的前侧之间。
12.根据权利要求1所述的DBR激光器，其中：
所述无源部分包括第一无源部分；
所述布拉格滤波器包括第一布拉格滤波器；
所述DBR激光器进一步包括第二无源部分，所述第二无源部分包括与所述有源区进行光通信的第二布拉格滤波器；以及
所述增益部分置于所述第一无源部分和所述第二无源部分之间，从而使所述DBR激光器包括前部/后部DBR激光器。
13.根据权利要求1所述的DBR激光器，其中所述DBR激光器的张驰振荡频率为至少12千兆赫(GHz)，并且由所述增益部分中的载流子输运效应引起的阻尼为至少12GHz。
14.根据权利要求13所述的DBR激光器，其中所述DBR激光器的张驰振荡频率为至少16GHz。
15.根据权利要求1所述的DBR激光器，其中：
所述上部SCH的厚度是大约100纳米(nm)；
所述下部SCH的厚度是大约100nm；以及
DBR激光器的K因子是0.32纳秒(ns)。
16.一种光发射机，包括：
直接调制源；
高通电气滤波器，所述高通电气滤波器与所述直接调制源耦合，所述高通电气滤波器具有大约1纳秒(ns)量级的时间常数；以及
分布布拉格反射器(DBR)激光器，所述分布布拉格反射器(DBR)激光器与所述高通电气滤波器耦合，所述DBR激光器包括：
增益部分，包括：
有源区；
上部分离约束异质结构(SCH)，所述上部分离约束异质结构(SCH)在有源区的上方并且具有至少60纳米(nm)的厚度；以及
下部SCH，所述下部SCH在所述有源区的下方并且具有至少60nm的厚度；以及
无源部分，所述无源部分与增益部分耦合，所述无源部分包括与所述有源区进行光通信的布拉格滤波器。
17.根据权利要求16所述的光发射机，其中所述高通电气滤波器包括与第一电阻器并联耦合的电容器，并联耦合的所述电容器和所述第一电阻器再与第二电阻器串联耦合。
18.根据权利要求17所述的光发射机，其中所述电容器具有大约50皮法(pF)的电容，所述第一电阻器具有大约15欧姆(Ω)的电阻，以及所述第二电阻器具有大约45Ω的电阻。
19.根据权利要求16所述的光发射机，其中：
所述上部SCH的厚度大约是125纳米(nm)；
所述下部SCH的厚度大约是125nm；以及
所述DBR激光器的K因子是0.34纳秒(ns)。
20.一种分布反馈激光器，包括：
增益部分，所述增益部分包括：
有源区；
上部分离约束异质结构(SCH)，所述上部分离约束异质结构(SCH)在所述有源区的上方并且具有至少60纳米(nm)的厚度；以及
下部SCH，所述下部SCH在所述有源区的下方并且具有至少60nm的厚度；
其中以至少0.2毫安(mA)每微米(μm)的相对高偏置电流密度对所述增益部分偏置。
21.一种激光器芯片，包括：
激光器，所述激光器包括有源区；
光放大器，所述光放大器集成在激光器芯片中位于所述激光器前部的位置并与所述激光器进行光通信；
第一电极，所述第一电极与所述有源区电气耦合；以及
第二电极，所述第二电极与所述光放大器电气耦合；
其中所述第一电极和所述第二电极被配置为与公共的直接调制源电气耦合。
22.根据权利要求21所述的激光器芯片，其中所述光放大器包括半导体光放大器(SOA)。
23.根据权利要求22所述的激光器芯片，进一步包括在所述激光器和所述SOA内部的公共导向结构。
24.根据权利要求23所述的激光器芯片，其中所述公共导向结构包括浅脊或埋入异质结构。
25.根据权利要求21所述的激光器芯片，其中所述光放大器包括多模干涉(MMI)半导体光放大器(SOA)。
26.根据权利要求21所述的激光器芯片，其中所述光放大器包括N个臂的Mach-Zehnder(MZ)调制器，其中N>1。
27.根据权利要求21所述的激光器芯片，其中利用由所述公共的直接调制源提供的公共调制信号对所述有源区和所述光放大器进行调制。
28.根据权利要求27所述的激光器芯片，其中通过响应于将所述公共调制信号施加于所述光放大器时在光放大器的放大响应下降沿中的峰化至少部分地抵消在没有将所述公共调制信号施加于所述光放大器的情况下所述光放大器的放大响应上升沿中的峰化。
29.根据权利要求21所述的激光器芯片，其中由所述DBR激光器产生并被所述光放大器接收的第一振幅调制(AM)光信号的消光比(ER)小于由所述光放大器输出的第二AM光信号的ER。
30.根据权利要求21所述的激光器芯片，其中将所述激光器芯片封装在晶体管外形(TO)罐(CAN)中。
31.根据权利要求30所述的激光器芯片，进一步包括与所述激光器芯片一起封装在所述TO CAN中的热电冷却器(TEC)。
32.根据权利要求21所述的激光器芯片，其中所述激光器包括分布布拉格反射器(DBR)激光器，所述激光器包括：
增益部分，所述增益部分包括有源区；以及
无源部分，所述无源部分包括与所述有源区进行光通信的布拉格滤波器。
33.根据权利要求32所述的激光器芯片，其中：
所述光放大器包括半导体光放大器(SOA)；
所述DBR激光器的所述无源部分置于所述DBR激光器的所述增益部分和所述SOA之间；以及
所述DBR激光器的所述无源部分与所述SOA之间的耦合包括与所述DBR激光器产生的输入光信号的法线入射成一定角度的对接耦合。
34.根据权利要求32所述的激光器芯片，其中所述增益部分具有大约300微米(μm)的长度，并且所述光放大器具有大约200μm的长度。
35.根据权利要求32所述的激光器芯片，其中所述DBR激光器的所述增益部分进一步包括：
上部分离约束异质结构(SCH)，所述上部分离约束异质结构(SCH)在所述有源区的上方并且具有至少60纳米(nm)的厚度；以及
下部SCH，所述下部SCH在所述有源区的下方并且具有至少60nm的厚度。
36.根据权利要求35所述的激光器芯片，其中所述上部SCH的厚度小于125nm，并且所述下部SCH的厚度小于125nm。
37.根据权利要求32所述的激光器芯片，其中将所述DBR激光器朝着与所述DBR激光器相关联的布拉格峰的长波长侧调谐。
38.根据权利要求21所述的激光器芯片，其中将所述公共的直接调制源配置为提供具有每秒大约10吉比特或更高的数据传输速率的调制信号，其中，响应于将所述调制信号施加于所述第一电极，所述DBR激光器配置为产生具有显示出瞬变啁啾和绝热啁啾两者的频率调制分布图的光信号，瞬变啁啾与绝热啁啾之比在1:3至1:4的范围内。
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