01/16/2007
張巖濱，楊國文，Lei Xu
摘要：
本文介紹了下一代高功率單模980nm光纖泵浦源。高可靠性的泵浦源采用了光纖布拉格光柵（FBG）穩(wěn)定波長，最大輸出功率可達(dá)700mW以上。此泵浦可以提高EDFA的性能。 滿足新一代更高性能EDFA的要求。

關(guān)鍵詞：
半導(dǎo)體激光器，激光，光纖，泵浦源
一． 引言：
高可靠性980nm單模泵浦源是光纖通訊傳輸系統(tǒng)中EDFA的關(guān)鍵性器件。最初，因?yàn)?80nm泵浦與1480nm泵浦相比改善了EDFA的噪聲系數(shù)而廣泛的應(yīng)用于EDFA的功率預(yù)放。到了本世紀(jì)，由于可配置（Agile）的EDFA中間增加了更多的功能，對高功率的泵浦需求增長。而具有高可靠性、低價(jià)格的高功率980nm泵浦源（>400mW）的推出，促使980nm泵浦的EDFA更加多樣化。為了實(shí)現(xiàn)性能的提高、設(shè)計(jì)的簡化以及成本的下降，未來的EDFA需要高達(dá)600mW的980nm泵浦功率。近幾年，雖然有980nm半導(dǎo)體激光器和出纖功率增長的研究報(bào)道[1,2,3]，但是商業(yè)產(chǎn)品的輸出功率遠(yuǎn)落后于這些報(bào)道。為了滿足實(shí)際應(yīng)用的需求，JDSU開發(fā)了新一代高功率的6570芯片系列和基于此芯片的泵浦源。
本文報(bào)道了Kink-free可高于700mW的光纖耦合輸出980nm 泵浦源�；�于成熟的封裝平臺技術(shù)和半導(dǎo)體激光器芯片技術(shù)，新一代泵浦源的可靠性能達(dá)到商業(yè)化應(yīng)用的需求。JDSU 的泵浦源累計(jì)現(xiàn)場應(yīng)用超過40億小時(shí)，計(jì)算出的現(xiàn)場失效率<10FIT。

二． 新一代高輸出功率的半導(dǎo)體激光器
    新一代的芯片延續(xù)了上一代芯片的成功設(shè)計(jì)，采用了MOCVD生長的InGaAs/AlGaA芯片。為了在更高的功率下獲得與上一代芯片相同的可靠性，新一代芯片的長度延長到3.0mm。 （上一代芯片的長度是2.25mm。）芯片的延長使得芯片中的電流密度和結(jié)溫在高功率下與上一代芯片的水平一致。
    由于具有更低的腔內(nèi)損耗，在長的激光腔下，激光器仍有較高的輸出效率。激光垂直發(fā)射角度為16°（FWHM）。發(fā)射角度小于上一代芯片，激光到光纖的耦合效率得到提高。由于采用了前代激光器設(shè)計(jì)方案，并根據(jù)新的腔長進(jìn)行了優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)了高的kink-free功率。以上芯片技術(shù)結(jié)合JDSU專有的激光器端面鈍化技術(shù)，新一代980nm激光器在更高的功率下，達(dá)到了上一代芯片的高可靠性。
    圖1是在不同溫度下，典型的激光芯片輸出功率-驅(qū)動(dòng)電流（L-I）曲線。輸出功率測量采集通孔的數(shù)值孔徑為0.55N.A。在10～70℃的范圍內(nèi)，驅(qū)動(dòng)電流一直到達(dá)1.4A的范圍下，我們沒有觀測到kink。在25℃時(shí)，芯片的閾值電流為23mA，斜效率為0.9W/A。
    圖2是激光芯片在水平和垂直方向的發(fā)射角。在100mW到860mW的輸出功率范圍內(nèi)，芯片的水平遠(yuǎn)場發(fā)射角（FWHM）為6.3°～7.8°，垂直方向的遠(yuǎn)場發(fā)射角為15.9°。垂直與水平發(fā)射角的比值約為2.0。與垂直發(fā)射角度為20°的上一代芯片相比，新一代芯片到光纖的耦合效率可以提高大約4％。


Fig. 1 The output power and current-voltage characteristics of the 6570 laser diode chip at various temperatures
圖1 新一代6570激光芯片在不同溫度下，輸出功率和驅(qū)動(dòng)電流電壓的特性


Fig. 2 Parallel and vertical far field profiles of the 6570 laser diode chip. 
圖2  6570芯片水平和垂直方向的遠(yuǎn)場發(fā)射角

    在1.1W的功率下進(jìn)行的壽命測試證明了新一代芯片設(shè)計(jì)的可靠性。圖3是不同芯片的980nm泵浦可靠性比較。在FIT為100，新一代芯片的泵浦輸出光功率功率為660mW，比上一代芯片的泵浦輸出功率（480mW）提高約40％。在相同的輸出功率下，新一代芯片的泵浦可靠性提高了5倍，480mW時(shí)的失效率僅為20FIT。


Fig. 3Fit rate vs. power between 6570 and 6560 laser diode chip.
圖3 6570和6560芯片失效率的對比


Fig. 4 LI and VI curves for the laser diode chip and FBG-stabilized module.
圖4 基于新一代芯片的FBG波長鎖定激光器L-I和V-I曲線

三． Kink-free 功率為700mW的980nm 泵浦源
    圖4是采用新一代芯片設(shè)計(jì)的蝶型封裝980nm泵浦源的典型L-I曲線。在1.4A的驅(qū)動(dòng)電流下， kink-free輸出功率為850mW。在2V的前向驅(qū)動(dòng)電壓下，激光器的驅(qū)動(dòng)電流為1.08A，輸出功率為700mW。光纖準(zhǔn)直技術(shù)和封裝技術(shù)都是采用可靠的成熟的平臺。采用傳統(tǒng)的帶透鏡光纖，激光芯片到光纖的耦合效率約為78％。
    圖5（a）是976nm光纖布拉格光柵（FBG）穩(wěn)頻下激光的典型輸出光譜。圖5（b）是激光波長和帶內(nèi)功率與注入電流的關(guān)系曲線。從閾值電流到1.4A，激光輸出波長的變化小于0.2nm。由此可見，激光器從20mW到工作功率的寬范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)波長的鎖定。



Figs. 5(a) Lasing spectra for a 976 nm FBG-stabilized module; (b) Lasing peak wavelength and power-in-band vs. drive current. 
圖5 （a）FBG波長鎖定976nm泵浦的光譜；（b）激光峰值與帶內(nèi)功率與驅(qū)動(dòng)電流的關(guān)系


Fig. 6 NF performance improved with higher power 980nm pump
圖6  高功率980nm泵浦EDFA的噪聲改善

四． 高功率激光器對EDFA性能的改善
    圖6是采用高功率激光器對EDFA噪聲系數(shù)（NF）改善的例子。圖中的曲線spec是設(shè)計(jì)EDFA的目標(biāo)NF。曲線500mW KF是采用上一代泵浦源可以達(dá)到的NF。曲線600mW KF是新一代泵浦源設(shè)計(jì)的EDFA可以達(dá)到的NF。由此可見，更高功率的泵浦源可以實(shí)現(xiàn)此EDFA噪聲特性的改善。越來越普遍使用的Agile EDFA中，集成了ROADM，DCF，VOA等多種功能性模塊，這些功能模塊對EDFA的功率和噪聲系數(shù)帶來影響，可以通過更高功率泵浦部分補(bǔ)償。

五． 總結(jié)
    我們對新一代980nm半導(dǎo)體激光器的特性進(jìn)行了描述。新一代芯片具有低的閾值電流，23mA；高的轉(zhuǎn)換效率，0.9W/A；高的kink-free功率，1.1W和更優(yōu)的遠(yuǎn)場發(fā)射角，垂直發(fā)射16°。布拉格光柵鎖定波長的泵浦激光器kink-free功率達(dá)到700mW以上。高可靠性高功率泵浦源產(chǎn)品的推出為新一代EDFA提供了更佳的應(yīng)用前景。

作者簡介：
張巖濱，男，1969年12月出生。2006年任職JDSU高功率激光器市場經(jīng)理。
JDSU，深圳市福田保稅區(qū)紅棉路3號，518038
Email: yanbin.zhang@jdsu.com