通信系统中的关键器件——光源

2019-11-03 18:21:17

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供稿：网友

倪文俊1，刘俭辉1，李世忱1
1 天津大学精密仪器与光电子工程学院教育部光电信息技术科学重点实验室

　　摘要：光源是光纤通信系统中关键器件之一，它的成本、性能是DWDM系统得以逐步商用化的重要因素。本文对通信系统中使用的各种半导体光源和光纤激光器的性能、成本、应用前景等进行了比较说明，并对系统中使用的通信用光源发展趋势进行了综述。

　　关键字：分布布拉格反射激光器（DBR），垂直腔面发射激光器（VCSEL），光纤激光器，超连续光源（SC）

　　在大容量光通信系统使用的各种复用技术中，DWDM被认为是扩大网络容量、提高网络灵活性的最有效途径。DWDM技术的关键在于器件，近年来，随着全光网络的各种技术的不断发展和完善，其使用的核心器件得到了更新和改进，使光纤通信系统具有了很好的稳定性和适应性。光源是光纤通信系统中的关键器件，不论是用于城域网，还是长途通信网，或是接入网，都离不开光源，尤其在接入网中，每个用户处光收发模块是全光网中所不可缺少的。

一、半导体光源

　　光纤通信用光源的激射波长应在低损耗窗口波段 (短波长波段)、、（C波段），光源的发射功率要大，调制特性要好，可靠性高，适应性强，且价格要便宜，半导体光源可以很好地满足通信光源的要求，因此，是目前光通信系统中最为重的光源。

　　从成本来看，成本相对低的多纵模FP激光器是最理想的光源，但其批量生产和光纤精确对准的需要解决的技术难题。目前商用系统高速光通信基本上采用单纵模的分布布拉格反射激光器(DBR-LD)，DBR-LD的增益区与光栅是分开的，易于制作[1]；中长距离DWDM系统和CATV系统多采用DFB-LD，其用于波长选择的衍射光栅靠近有源区的波导层，波长稳定性好[2]。

　　DFB-LD的单频特性虽然很好，但波长的准确控制却比较困难，而且在高速调制下的线宽展宽比较严重，因此在超高速、超长距离通信系统中，需要使用外调制激光器[3]。外调制是外加调制器对光源输出光进行强度调制，这种调制后的信号啁啾小，因而能够支持长距离传输，但结构比较复杂，损耗大，激光器的成本很高。

　　在低成本激光器中，垂直腔面发射激光器（VCSEL）是最有前途的半导体激光器。它是一种出射光垂直于芯片表面的新型半导体激光器[4]，它的有源区采用量子阱结构，光谱宽度窄，阈值电流低，功耗小，不需要温控模块，有较高的光纤耦合效率，且体积小，可以批量加工和封装，动态调制频率高，易于集成，成本低，同时具有发光二极管低价和激光性能高的优点。

二、光纤激光器

　　在目前Si基光纤和未来中红外光纤通信系统中，光纤激光器是最有潜力的光源，它的激光介质本身就是导波介质，与系统有很好的耦合效率。光纤激光器实际上是一种高效的波长转换器，即由泵浦波长转换为所掺稀土离子激射波长，激射波长由基质材料的稀土掺杂剂所决定，不受泵浦波长的控制，因此，光纤激光器可以利用与稀土离子吸收光谱相对应的廉价短波长、高功率半导体激光器泵浦源，来获得光纤通信低损耗窗口的波长输出，使通信用激光器的成本大大降低。

　　光纤激光器分为稀土类掺杂光纤激光器、非线性效应光纤激光器、单晶光纤激光器等。激光器可以是F-P腔、环型腔、环路反射光纤谐振腔以及“8”字腔等。光纤激光器既可以输出连续光，也可以产生超短光肪冲。

　　可以用于制作稀土掺杂光纤激光器的稀土元素有Ed3+、Nd3+、Tm3+、Yb3+、Sm3+、PR3+等。掺铒(Er3+)光纤激光器是目前研究最多的掺杂光纤激光器[5~6]，其激射波长位于1550nm波段。将光纤光栅与掺铒光纤相结合构成光纤光栅激光器是一种最常见的方式，如果将光栅直接写入掺铒光纤上，则构成的是DFB光纤激光器，如果将光栅与掺铒光熔接在一起，则构成的是DBR光纤激光器，其中的光栅起到光反馈和波长选择的作用。

　　镱离子(Yb3+)有非常宽的吸收带（800~1064nm）和相当宽的激发带（970nm~1200nm），泵源可选择性大，激光没有受激态吸收，如果将铒离子和镱离子共同掺杂，则可以大大提高1550nm波段（C波段）和1590nm波段（L波段）光纤激光器的性能，因此，掺镜光纤和铒-镱共掺光纤激光器的研究已成为研究的一个热点。掺铥(Tm3+)光纤激光器的激射波长为1400nm，位于光纤通信的1450nm~1500nm低损耗窗口，是DWDM实现带宽扩展的重要光源。钐离子（Sm3+）吸收谱峰值波长位于1525nm附近，与铒光纤同时用于光纤激光器中时，可以获得性能稳定的宽带输出。

　　非线性效应光纤激光器具有高的饱和功率，对泵源的要求也很低，因此一直是人们研究光纤激光器的一个热点。受激拉曼散射光纤激光器（SRSFL）是光纤中受激拉曼散射（SRS）非线性效应的最典型应用，受激拉曼散射效应是一种因三阶非线性光子相互作用所产生的受激声子对入射光的散射现象[7]。光纤非线性效应和色散效应的共同作用可以形成特殊的非线性效应——拉曼孤子效应，光纤拉曼孤子是激光器是SRS孤子效应的应用，用于产生飞秒孤子。光纤受激布里渊散射激光器是非线性效应在光纤激光器中又一个应用，受激布里渊散射是强激光与介质中的弹性声波场发生相互作用而产生的一种光散射现象。

　　超连续光源（SC）是将峰值很高的超短光脉冲注入到一段具有高非线性特性的光纤中，由于光纤中各种非线性效性的共同作用，使出射脉冲的光谱被极大展宽。SC能在很宽的光谱范围内同时产生超短光脉冲，所以它将在未来的Tbit/s WDM/OTDM系统中扮演重要角色。产生高质量超连续谱脉冲的关键是合适的泵浦光源和超连续光纤。迄今为止，研究人员已尝试用各种不同的光纤来产生超连续谱[8~9]。

　　单晶光纤激光器是由单晶材料拉制成光纤构成的光纤激光器。由于单晶材料拉制的光纤比块状或棒状同类晶体肯有更优越的性能，因此也是一种很有潜在发展前途的光纤激光器。

三、通信用光源的发展趋势

　　随着光网络的不断发展，光通信系统对光源也提出新的需求动向，其中可调谐激光器是目前最热门的话题。

　　可调谐激光器的出现，可以减少系统中光源备用数量和规格，易于形成标准化的通信系统，使系统的运营成本和维护费用可以大幅度降低。

　　可调谐激光器的结构和工作机理变化多样，半导体可调谐激光器的调谐有电调谐、热调谐和机械调谐等方式，分为外腔型和腔内多电极等结构，可调谐光纤激光器的调谐通常使用可调谐滤波器来实现。可调谐激光器不仅可以用作DWDM系统的光源，还可以用作分组交换器件、接入波长路由器等，在光通信中具有非常大的应用潜力，最终将会代替目前通信市场上占主流地位的固定波长激光光源。

　　可调谐DFB激光器一般是通过温度调谐来实现波长调谐，但随着调谐温度的上升，会使激光器的有效输出功率下降，所以单个DFB激光器的调谐范围受到限制，大约5nm左右，这远不能满足光通信中对波长调谐范围的要求。为了扩大DFB激光器的调谐范围组合多个DFB激光器形成DFB阵列是一种有效的方法。Nortel Netwoks的Adams等人报导了他们将三个DFB串联而成的可覆盖34个ITU标准信道（50GHz信道间隔）的可调谐激光器模块。美国Santur Corporation公司的B.Pezishki等人也研制出了由12个DFB并联形成的DFB阵列。

　　可调谐DBR激光器，一般是通过电注入改变光栅折射率来实现波长调谐的，为获得大的调谐范围，其中需要使用取样光栅（SG）、超结构光栅（SSG）等，光栅耦合取样反射激光器（GCSR）也可以获得比较大的调谐带宽（3dB带宽为40nm）。

　　可调谐垂直腔面发射激光器（VCSEL）通常是使用微电机系统（MEMS）技术来移动或旋转某个反射腔镜，使谐振腔的长度发生变化，从而实现波长的宽可调谐。可调谐VCSEL不仅技术上具有很大的优势，同时还具有成本低、易于集成和批量生产，因此是一种比较有前途的通信用可调谐光源。

　　可调谐外腔半导体激光器（ECDL）是一种新型可调谐光源，由于它大功率输出时可以具有超宽带的可调谐范围（超过100nm），因而成为新一代光源的研究热点[10]。ECDL通常由外部镜面或光栅与半导体激光二极管构成谐振腔，有单边结构（single-sided ECDL）和双边结构（two-sided ECDL）之分，外部镜面或光栅的调节目前一般结合使用MEMS技术，因此具有较好的调谐精度和波长调谐速度。　　可调谐光纤激光器通常是通过可调谐滤波装置来实现波长选择的，只要光纤激光器中增益介质和腔型选择得当，则使用在增益带宽内可调谐滤波装置就可以获得性能良好的激光输出，因此，在可调谐光纤激光器中，可调谐滤波器是至关重要的器件，其成本的高低和性能好坏将直接影响可调谐光纤激光器应用前景。在光纤激光器中，不仅掺稀土离子光纤激光器是可调谐的，实际上，如果能选择适当的可调谐滤波装置，非线性效应光纤激光器同样是可调谐的[11]。

　　通信用光源的另一个发展趋势是多波长化。目前DWDM通信系统中使用的激光器都是分立的光源，系统扩容时，每增加一个波长就需要对应一个激光器，而随着波长密集成度的不断提高，多个激光器之间的波长间隔控制难度越来越大，使系统的成本大大提高，同时也使系统的可靠性不能得到很好的保证。一体化的多波长光源不仅可以很好地解决这个问题，还可以使网络实时监控变得简单易行。M.Mielke等人[12]使用体光栅、标准具做锁模半导体激光器的可调谐滤波器件，获得了上百个波长同时输出的超短光脉冲。阵列波导光栅（AWG）结构是近年才发展起来的波长选择器件之一，阵列波导各个路径的光程差所产生的效应与闪耀光栅的沟槽作用相当，从而起到“光栅”的作用，如H.Takahashi等人曾报导使用AWG与掺铒光纤放大器相结合构成了多波长环型激光器。为了提高多波长激光器的可用性和灵活性，目前研究的多波长激光器的波长间隔通常是可调节的，其波长调节通常是由可调谐滤波器来实现，例如，Shinji Yamashita等人[13]使用由偏振片和保偏光纤构成的滤波器实现了从0.73nm波长间隔到1.46nm的波长间隔的多波长输出，Do Il Chang等人还利用级联拉曼光纤激光器获得了波长间隔可调谐的多波长输出。器件集成化、模块化是通信用光源的又一个发展方向。将激光器、探测器等光器件与微电子芯片组装成一体，形成具有多种功能的模块的发展趋势明显加快。模块化能消除寄生参量的影响，从而提高器件性能，并能节省后续组装成本，还促进了相关产业的合作和激光器的标准化、规范化发展，同时也促进了微型封装激光器和无致冷激光器的发展。

　　此外，增强光源功能，提高调制速率，提高输出功率，改善光束质量，扩展新的激光波段，压窄激光谱宽，开发极高峰值的超短脉冲（ps和fs量级）高亮度激光器，以及进行整机小型化、实用化、智能化等方面的研究，也是通信用光源的重点研究内容。

参考文献：

[1] B.Mason, et al., Design of sampled grating DBR lasers with integrated semiconductor optical amplifiers, IEEE Photon. Tech. Lett., 2000,12(7): 762~764

[2] D.M.Adams, et al., Module-packaged tunable laser and wavelength locker delivering 40mW of fiber-coupled power on 34 channels, Electron. Lett., 2001,37(11): 691~693

[3] Payam Rabiei, et al., Imtegrated WDM polymer modulator, OFC’02, 2002, Paper TuF6

[4] D.Vakhshoori, et al., “MEMS-tunable vertical-cavity surface-emitting lasers” , OFC’00, 2001, paper TuJ1

[5] S. H. Chang, et al., Widely tunable single-frequency Er-doped fiber laser with long linear cavity, IEEE Photon. Tech. Lett., 2001, 13(4):287~289

[6] Qinghe Mao and J. W. Y. Lit, Optical bistability in an L-band dual-wavelength erbium-doped fiber laser with overlapping cavities, IEEE Photon. Tech. Lett., 2002, 14(9): 1252~1254

[7] V.E.Perlin, et al., Distributed feedback fiber Raman laser, IEEE Quant. Electron., 2001, 37(1):38~47

[8] N. Nishizawa and T. Goto, Widely broadened super continuum generation using highly nonlinear dispersion shifted fibers and femtosecond fiber laser, Appl. Phys., 2001, 40(4B): L365~L367

[9] 刘俭辉等，超连续谱光纤的优化设计，光学学报，2003，23(6)：684~688

[10] J.D.Berger,et al., Widely tunable external cavity diode laser based on a MEMS electrostatic rotary actuator, OFC’01, 2001, Paper TuJ2

[11] P.C.Reeves-Hall, Wavelength tunable CW Raman fibre ring laser Operating at 1486-1551nm, IEEE Electron. Lett., 2001, 37(8): 491~492

[12] M.Mielke, et al., 168 channels×6Gb/s(1Tb/s aggregate) from a multiwavelength modelocked semiconductor laser, OFC’03, 2003, Paper MF59

[13] Shinji Yamashita, et al., Multiwavelength fiber lasers with tunable wavelength spacing, OFC’00, 2000, WA8

摘自　光纤新闻网

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