可调激光器的应用前景

2019-11-03 18:14:10

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供稿：网友

　　随着通信技术的发展，可调激光器的应用必将日趋广泛，文中分析了分布反馈式、分布式Bragg反射器、垂直腔体表面发射激光器和外腔激光器的结构、原理和仍存在的问题。并提供了可行性选择方案。

　　可调激光器很有希望为未来的通讯网络提供新工具，用以进行波长管理、提高网络效率和开发下一代光网络。但眼下，这还是项不成熟的技术，进行批量生产和保证长期可靠性的验证还有待进行。

　　分布反馈式（DFB）、分布式Bragg反射器（DBR）、垂直腔体表面发射激光器（VCSEL）和外腔激光器（ECL）等均针对DWDM应用，根据其自身优缺点均开发出了不同的设计方案，但迄今为止没有哪项技术证明比较好。不同可调激光器的应用有不同的需求，所以还难以判断远景。

　　例如，目前可调激光器最大的市场是为固定波长光源提供备件。这些备件要求具有宽可调范围，但对交换速度要求不是很严格。相反，转换速度对于某些正在开发的市场是个关键指标，例如动态波长设备和路由。

　　不论可调激光器有何特殊结构，它们都包含三个基本要素：具有有源增益区和谐振腔的源二极管；一个用来改变和选择波长的调节机构；稳定波长输出的工具。除了VCSEL，源二极管通常为Fabry Perot (FP)型的变体；调节机构可以是温控、电流控制或机械控制的，包括微机电系统(MEMS)。而输出波长稳定性则是通过采用某种波长锁定器或在反馈控制回路中使用标准具来实现的。

FP激光二极管

　　FP激光二极管在光子行业广为应用。典型的FP二极管是多外延层半导体芯片，含有有源层和某种内部波导结构。外延结构由复合半导体材料组成，如典型的磷化铟（InP）或用于C波段(1525-1565-nm)二极管应用的砷磷铟镓化合物(InGaasp)。

　　图1. 在分布式反馈设计中（a），将衍射光栅集成到二极管的有源区；而在分布式Bragg反射器的设计方案中(b)，光栅被放在与有源区相连的单独区域，尽管两种方案中它们都是作为单芯片生产的。

　　通过控制任一端横截反射面的反射率，可在波导管内形成谐振腔。这些二极管通常宽250微米，长500—1000微米，厚100微米，沿二极管的长轴形成谐振腔。而输出波长则为增益材料的函数，因为它的折射率控制着光子速度和谐振腔的几何形状。

　　实际上，FP二极管在几个微米的范围发出几个间隔极近的波长，输出对于温度和输入电流的细微变化也十分敏感。由于DWDM波长仅间隔0.8mm或更小，为了给光通讯网络提供必要的控制，对FP二极管的制作精度要求就很高。

分布式Bragg反射器

　　基于DBR和有关DFB的可调激光器是最常见的设计方案之一。每一种都用到带附加衍射光栅的FP增益区。衍射光栅（通常指Bragg光栅或Bragg反射器）为光信号振荡提供反馈，并能根据光栅间距选择一个单模或波长。在DFB设计方案中，光栅被集成到二极管的有源区域；而在DBR设计方案中，光栅位于与有源区域相连的独立区（见图1）。

　　尽管它们都是作为单块芯片生产的。

　　调整谐振腔半导体材料的折射率可以改变DFB和DBR的波长，当光子在两个反射表面间传播时，折射率影响着激光发射的条件。折射率可通过温度控制或调节流过的电流来改变。

　　图2. 一些商家正将采样光栅分布式Bragg反射器投入市场，这种反射器通过在谐振腔的另一端增加一个衍射光栅而扩展了调节范围。

　　DFBs提供良好的功率输出(~10 mW)，但可调范围限制在2—5 nm。正如富士通(Richardson, TX)所做，把多个DFB二极管排列在单个芯片上和合并它们的输出，可以拓宽调节范围。但随之而来，构造和控制变将得相当复杂，输出功率也会有所减小。目前在基本性能基础上进行改进后，已开发出几种DBR。

　　Agility Communications和Marconi正把取样光栅分布式Bragg反射器投入市场，它通过在谐振腔另一端增加一个衍射光栅而拓宽了调节范围（见图2）。每个光栅有一个微小的间距差，通过改变流经光栅谐振腔的电流来调节输出波长。它依次改变其折射率、选择匹配的谐振频率并产生相应的输出波长。

　　SGDBRs提供了较宽的调节范围，可以达到C波段，但它们通常局限在约2 mW低功率输出。在芯片上增加一个半导体光放大器（SOA）区，可获得达到10mW的高功率，但这样做会增加成本和复杂性。

　　DBR的另一个版本是ADC (Minneapolis)的取样光栅耦合器反射器，它包括四个区域：增益区、Bragg反射器、耦合器和相位调整；采用三个电流信号进行调节。电流控制的波导耦合器工作起来象一个粗调装置，用来产生从Bragg反射器（电流控制）到相位调整区（也采用电流控制）的窄范围波长，而相位高速区则好象一个微调区域（见图2）。正如大部分多区域的激光二极管，牺牲了功率输出，即低于2mW。功率输出也可以增加，但得付出调节区域的代价，即去掉粗调区域。DFB和DBR激光器的典型线宽范围是5—20 MHz，这将会导致色散问题。

外谐振腔激光器

　　ECL采用一个位于有源半导体区域外部的谐振腔，通常是一个简单FP增益芯片。一个相对较大的谐振腔包括了机械可调式（而不是电流或温度控制）的反射镜/衍射光栅结构，可用来调节信号。ECL通常基于Littrow谐振腔或Littman-Metcalf谐振腔设计。两种设计方案中，二极管的一面被涂上防反射膜，激光器的输出可直接通过准直镜到达位于二极管另一端的谐振腔。

　　Littrow谐振腔是两种设计方案中较简单的一种，它采用了衍射光栅，通过将光束衍射回有源区，此光栅相当于谐振腔的一个反射镜。通过机械地旋转光栅来调谐，因为它改变了光栅的有效间距。Littman-Metcalf设计方案既使用衍射光栅，也使用反射镜，由此衍射光栅将光衍射至反射镜上，再将光束反射回光栅和有源区。通过旋转镜面改变谐振腔的有效长度可以达到调谐的目的。

　　图3.外谐振腔激光器所发出的光波的一个例子，此装置采用位于标准蝶形封装内的一个非机械式、无光栅的光电调节机构。

　　因为具有较高输出功率、更宽调节范围和窄线宽，ELC有潜能具有较好性能，但是传统上它们的体积和成本都太大，从而在光网络上难有实用价值。而且，它们的机械设计也会具有滞后性并产生细微磨损，这也将影响通讯应用所要求的长期可靠性。不过，新调节元件设计允许ECL方案将其高功率和宽调节范围的优点融合到相应光纤网络应用的构造中。

　　New Focus开发了基于机械调节元件的ECL以适应光网络应用。调节机理为专利所有，不过据说它可在整个C波段提供20-mW输出，且包装紧凑，适于网络应用，机械可靠性达到电讯标准。而在另一种ECL里，iolon采用了MEMS技术以在微型Littman-Metcalf结构中旋转微型镜片。由标准蝶形封装的iolon ECL可在C波段上提供14-mW的输出功率，转换速度可达15-msec。

　　Blue Sky Research (Milpitas, CA)也开发出了小型ECL，在标准蝶形封装内采用非机械式、非光栅的光电调节机制。已经验证它可达微秒级的调节速度，在整个C波段输出功率可达20 mW。

VCSELs

　　VCSELs采用完全不同的方法解决可调激光器问题，这种方法有令人振奋的前景但颇具挑战性。和DBRs 与 ECLs一样，VCSELs是以外延法生长的半导体，但它的谐振腔相对半导体层面是垂直的而非横向的。在一对镜面间包含一个量子井增益区，从而形成谐振腔（见图4）。它的增益区特别窄，大约只有几十个纳米。

　　VCSELs很小，可以达到很大的生产密度，可在一个单独的3.5-inch 晶片上生成多达20,000个VCSELs。因为VCSEL是从其表面发射出激光，所以在晶片上几乎可以完成制造过程，而且全部测试也可在晶片上进行，这将极大增加生产量和降低成本。可调的VCSELs在谐振腔的顶部集成了一个可移动的MEMS镜面结构，通过改变长度来调节输出波长。可调范围可覆盖整个C波段，转换速度小于10 msec。

　　小谐振腔和高反射率镜面可以提高效率和实现直接调制，这意味着消除外部调节器并降低工作电流从而减少对散热设备的需求。

　　图4. 对于垂直谐振腔表面放射激光器(VCSEL)，谐振腔相对半导体层面是垂直而非横向的。在一对镜面间包含一个量子井增益区，从而形成谐振腔。

　　采用小谐振腔的另一个后果是降低了输出功率，通常在1-2 mW之间。但是，既然外部调制器通常耗费激光器的连续波输出的一大部分，直接调制2-mW VCSEL可以抵得上10-mW外部调制激光器。

　　尽管VCSELs统治着850-nm LAN和SAN市场，但在获取材料和生产方面遇到的困难阻挡它们进入C波段应用领地。因为VCSEL的谐振腔很小，所以只有极高反射率镜面才能获得良好输出功率。

　　850-nm VCSELs的AlGaAs/GaAs系统形成了良好的镜面，但不能用于1550-nm C波段增益区。C波段DBRs和ECLs使用的InGaAsP/InP能形成满意的增益区，然而其镜面却很糟糕。遗憾的是，由于晶格的不匹配，GaAs/AlGaAs镜面不能直接由InGaAsP/InP增益区生长，这就限制了材料的使用。

　　VCSEL开发者正采用几个十分不同的方法将波长延伸至C波段。外延技术把诸如InGaAs 或InGaAsN的新材料用到增益区，通过改变它们的相对比例以使它们能够在GaAs/AlGaAs基体上生长而成。这通常涉及某种类型的“应变层（strained layer）补偿区域”以解决晶格的不匹配。

　　Bandwidth9生产的直接调制的可调VCSEL正是以这种方法为基础，并加上一个整合在MEMS调节结构里的非晶格匹配的顶端反射镜。Bandwidth9的VCSEL覆盖了C波段，输出功率大约是0.5-mW（与一个集成的光放大器结合使用可达到1 mW）。

　　其它方法包括晶片粘接，通过分别构建增益区和反射镜并把它们在高温和压力下粘接在一起，此方法克服了晶格匹配问题。虽然这样做消除了由于晶格不匹配造成的缺陷，但新问题出现了，如空隙等，在粘结过程中，多步骤生产过程还增加了成本。象这种Nortel Networks使用的混合方法，使用一个额外的泵浦激光器和外部MEMS反射镜，按照设计可在1550 nm获得20-mW功率。

可行性选择方案

　　市场上现在出现了几种可行的可调激光器结构，但因时间太短没法确定哪项技术可以领先。想把可调激光器进化到“一种结构即可满足所有需求”技术的期望是不现实的。为专门应用进行专门设计倒十分可能。

　　例如，配件应用也许不会计较毫秒、秒甚至更慢的交换速度，而动态交换结构可能需要毫秒或更高的速度。短距离应用也许容易接受低功率。当然，价格与其它任何特性一样重要，但是对于许多可调激光器，无法预知甚至无法决定价格大小。在配件应用中，价格必须与固定波长二极管一样具有竞争性，高于固定发射器20％的价格将会被接受。

　　对于取代了具有波长锁定装置的固定激光二极管的可调激光器，市场可以忍受约$2,000的价格。动态交换的DWDM网络正处于幼年期，不可能确切地知道将需要什么样的性能规范，更谈不上什么样的价格可以接受。

　　贸易预测暗示，大约比配件发射器高出2—3倍的定价是可以接受的，但取决于具体特性。不过在这一点上，不论网络还是可调激光器技术都没有成熟到可以做出预测的程度，只有时间能说明一切。

摘自《光纤新闻网》

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