----本文翻译自OFC 2025上井上大辅等撰写的论文。
机构：住友电工器件创新有限公司 传输器件实验室；住友电工株式会社
摘要
本文研制出一款低热阻 1.3μm 半导体光放大器（SOA）集成分布式反馈（DFB）激光器，45℃连续工作输出功率突破 500mW。该器件可实现单模激射，边模抑制比SMSR>50dB，线宽< 200kHz。
1 引言
人工智能与机器学习应用爆发式增长，推动数据中心光互连带宽需求持续激增。光互连系统需满足低功耗、低时延的使用要求。当单通道速率超过 200Gbps 时，数据传输会有严重电损耗。共封装光学（CPO）及其他封装方案有望解决该电损耗难题。
CPO 系统通常采用基于硅光芯片（SiPh）的光发射机，并配套外置激光光源。为在高密度通道场景下减少光器件数量，一种可行方案是采用高功率连续光激光器，再通过分光器件将单路光功率分配至多通道光路 [1]。
已有多篇文献报道了 50℃下 300mW 波段 O 波段高功率激光器 [2–5]。但光互联论坛（OIF）标准 [6] 指出，如要实现 1:16 及更高分光比，激光器输出光功率需达到 400mW（26dBm）以上。
本文提出一款倒装在氮化铝（AlN）热沉基底的集成SOA的 DFB 激光器。芯片过热会带来光功率饱和，为进一步提升输出功率，本文通过封装优化抑制该饱和效应。热仿真结果表明，相比正装工艺，倒装工艺可使器件热阻降低 32%。
该器件 45℃下连续光输出功率超 500mW，70℃高温环境下输出功率>300mW，线宽< 200kHz。
2 器件结构
图 1 (a) 为本研究制备的 SOA 集成 DFB 激光器结构示意图。为压窄激光线宽，本方案采用 1mm 长 DFB 谐振腔，腔长大于现有同类研究 [4,5]；SOA 有源区采用宽波导结构，大幅提升有源层向基底的散热能力。
图 1 (b) 所示，芯片通过金锡焊料倒装在 AlN 基底上，DFB 和 SOA 各自独立驱动。AlN 基底上设计有电隔离的金锡焊区，分别用于 DFB 与 SOA 的 p 极金属键合；焊料图形与键合工艺经过优化，既缓解封装机械应力，又保障高效散热。
图1(c)所示，连续光性能测试时，将贴装芯片的基底组件（CoS）固定在铜-氮化铝-铜复合热沉上，热沉搭载热敏电阻实时监测基底底部温度Tbot，后文实验均以该温度作为温控基准。
图 1 (a) 器件正反面结构示意图；(b) 芯片贴装基底（CoS）俯视图；(c) 连续光性能测试装置
本文通过三维热仿真分析倒装工艺的散热优势，仿真设定基底底部温度50℃；DFB 输入功率 0.37W、SOA 输入功率 1.03W，分别对应 DFB 驱动电流 300mA、SOA 驱动电流 800mA。
图 2 为 DFB 与 SOA 截面温度分布仿真结果。可以看到，倒装结构下，DFB 有源区温度降低 3℃，SOA 有源区温度降低 4.8℃；SOA 热阻相较正装方案下降约 32%。同时，宽条波导 SOA 相比单片 DFB 激光器，具备更优异的低热阻特性。
图 2 固定输入功率（DFB 0.37W、SOA 1.03W）下，DFB 与 SOA 截面温度分布数值仿真；TA为有源区温度
3 实验结果
所有测试均通过半导体制冷器（TEC）精准控制基底底部温度Tbot。
图 3 (a) 为 DFB 电流固定 300mA 时，器件输出光功率随 SOA 驱动电流变化曲线，测试温度覆盖 45℃、50℃、60℃、70℃。
45℃工况下，输出功率可达 500mW，较本团队前期成果 [4] 提升 25%；即便 70℃高温环境，输出功率仍高于 300mW。倒装工艺优化了器件热饱和拐点电流，热饱和电流由 1250mA 提升至 1600mA。
图 3 (b) 为不同光功率下的光电转换效率（PCE）曲线。45℃条件下，输出功率 200~440mW 区间内，器件光电转换效率可达 25%。
图 3 器件性能曲线
(a) 输出光功率随 SOA 电流变化特性；(b) 光电转换效率随输出光功率变化特性
图 4 为 DFB 电流 300mA、SOA 电流 1000mA 时，45~70℃不同温度下的激射光谱。全温域下边模抑制比（SMSR）均高于 50dB，封装应力未引发光谱不稳定现象。
图 4 DFB 电流 300mA、SOA 电流 1000mA，不同温度下激射光谱
本文采用延迟自外差法测量激光器线宽。图 5 (a) 为 DFB 电流 400mA、SOA 电流 800mA 时输出光的外差拍频信号，实测波形与洛伦兹线型高度拟合；配套低噪声直流驱动源有效抑制高斯 1/f 噪声。
图 5 (b) 为基底温度 50℃、SOA 电流 800mA 条件下，激光线宽随 DFB 驱动电流变化曲线。当 DFB 电流达到 350mA 及以上时，器件线宽可控制在 200kHz 以内。
图 5 线宽测试结果
(a) 实测外差拍频信号，通过洛伦兹拟合提取激光线宽，实测线宽 177kHz；(b) 激光线宽随 DFB 驱动电流变化曲线，基底温度 50℃、SOA 电流 800mA
4 结论
本文研制出一款适配 400mW 高功率、窄线宽 集成SOA的DFB 激光器。器件 45℃连续输出功率超 500mW，激光线宽低于 200kHz，适合用于硅光共封装光学（CPO）系统的外置光源。
参考文献
[1] M. Traverso, “Advancement in CPO and Ecosystem,” in Proc. OFC, paper Tu3A.1 (2024).
[2] M. R. Gokhale, et al., “High efficiency high-power uncooled CWDM4 wavelength CW-DFB lasers,” in Proc. OFC, paper M1D.2. (2024).
[3] V. S. Mikhrin et al., “High-performance O-band QD DFB laser for uncooled operation,” in Proc. OFC, paper Th4A.1 (2023).
[4] D. Inoue et al., “A high-power, power-efficient 1.3-μm SOA-integrated DFB laser for CPO applications,” in Proc. OFC, paper M4C.4. (2023).
[5] D. Inoue et al., “High-power and stable operation in 1.31 μm λ/4-shifted DFB laser integrated with semiconductor optical amplifier,” in Proc.
ISLC, paper MC2 (2024).
[6] “External Laser Small Form Factor Pluggable (ELSFP) Implementation Agreement,” OIF-ELSFP-01.0, Aug. 2023.
术语
1. SOA：Semiconductor Optical Amplifier 半导体光放大器
2. DFB：Distributed Feedback Laser 分布式反馈激光器
3. CPO：Co-packaged Optics 共封装光学
4. SMSR：Side Mode Suppression Ratio 边模抑制比
5. Linewidth ：激光线宽
6. AlN：Aluminum Nitride 氮化铝（高导热陶瓷基底）
7. TEC：Thermoelectric Cooler 半导体制冷器
8. P-side-down： 倒装
9. P-side-up： 正装
10. CoS：Chip-on-Submount 基底贴装芯片组件
11. CW：Continuous Wave 连续光
12. PCE：Power Conversion Efficiency 光电转换效率
13. Delayed self-heterodyne： 延迟自外差法（线宽标准测试方案）
14. O-band：O 波段，1260–1360nm 通信波段
15. ELSFP：External Laser Small Form Factor Pluggable 小型可插拔外置光源标准
16. SiPh：硅光，通常指硅光芯片