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半导体激光器的性能特点及发展趋势
来源:北京激光打标机 | 作者:半导体打标机 | 发布时间:2013-7-2 11:34:58
综合前述对现今超高速光通信网络的发展趋势,可以看出在光网络不同的应用层面对激光器的需求也不尽相同,在高速相干光传输中,要求激光器具有极窄的线宽(千赫兹水平)和大范围的调谐能力,而在高速以太网中,需要激光器具备高速直调的能力;至于在基于WDM-PON 技术的高速接入网中,对可调激光器的成本控制是一个关键因素狮威娱乐客户端
2.1 窄线宽可调谐半导体激光器

  目前成熟的,能够大规模使用的窄线宽可调谐半导体激光器主要有分布反馈(DFB)式激光器阵列,取样分布布拉格反射镜(SGDBR)激光器和外腔半导体激光器。DFB 激光器阵列是在传统DFB 激光器基础上发展而成的,但单个DFB 激光器的调节范围有限,根本无法满足DWDM 系统的要求。而DFB 激光器阵列是将多个DFB 激光器以并联的方式集成起来,每个独立的DFB 激光器均采用同样的增益介质,但光栅的间距不同,因此它们具有不同的中心波长。这样一来,即使每个单独的DFB 激光器的调节范围有限,通过级联的方式也能够获得大范围的调谐。由文献[9]可以知道,DFB 半导体激光器线宽与激光器腔长及输出功率成反比。因此增加腔长及激光器工作时的输出功率便成了两种降低线宽的主要方式。普通相移DFB 半导体激光器受限于强烈的空间烧孔效应,在制作长腔半导体激光器时,往往会在相移处聚集大量光子,导致该处增益降低甚至成为吸收区,使激光器工作在自脉动等非稳定状态。而空间烧孔效应亦随着激光器输出功率的增高变的更加严重。因此窄线宽DFB 半导体激光器的主要技术难点是如何抑制空间烧孔效应。这个问题从DFB 半导体激光器诞生之日起就一直是学者们研究的热点。主流的技术手段有多相移DFB 半导体激光器,分布相移DFB 半导体激光器。日本学者在90 年代初便利用分布相移手段制作出了最小线宽达3.6 kHz 的超窄线宽DFB 半导体激光器[10]。但是这类激光器光栅结构复杂,通常需要电子束光刻技术制作光栅,成本昂贵,因此一直都以实验室报道及理论分析为主,少有大规模产业应用狮威娱乐客户端

  单片集成取样光栅分布布拉格反射式(SGDBR)可调谐激光器由美国UCSB 大学提出[11],采用两个取样周期稍有不同的光栅,利用游标效应进行波长调节,调谐范围可达40 nm以上。SGDBR 激光器一般利用电注入改变折射率,因此调谐速度能够达到纳米级,是目前波长调谐速度最快的激光器,而且该类型激光器结构紧凑,输出光谱质量高,便于与半导体光放大器(SOA)、电吸收型(EA)调制器、马赫曾德尔(MZI)调制器集成。但是由于取样光栅具有Sinc 型的光谱包络,因此输出功率不均匀,中心通道与边缘通道功率相差5 dB以上[12]。利用集成的SOA 可以明显改善输出功率的不均匀性,但是噪声特性会劣化,通常均为兆赫兹量级,因此不适合运用于超高速光网络中。SGDBR 激光器一般最少有4 个控制电极,输出波长是这4 个电极的函数,导致控制算法相当复杂,测试成本高昂。在调制速度方面,SGDBR受限于较大的腔长,直接调制速率一般在5 Gb/s 以下[13]。为解决传统SGDBR 激光器的问题,日本NTT 公司、英国Bookham 公司及武汉光迅公司相继提出了采用超结构光栅[14],数字超模光栅[15] 和数字级联光栅DBR激光器[16],但是由于这些激光器均沿用了SGDBR 激光器的设计理念,性能上还没有取得突破。但是单片集成可调激光器无疑是今后这方面工作的一个重要方向。
目前外腔可调谐激光器是可调谐激光器的一个主要类型,具有线宽窄、调谐范围大、输出功率高、较好的单纵模特性以及稳定性等优点,但是其体积一般较大,因此外腔可调谐激光器的应用主要集中在科研及测试领域,如Littrow 型与Littman 型外腔可调谐激光器。微光机电系统(MEMS)技术的出现,使得外腔激光器在功耗和体积上有了很大的改善。而Ionon公司便是其中的代表,该公司的可调谐激光器采用Littman-Mecalf 结构,其原理如图1 所示。该MEMS 型外腔可调谐激光器能够封装在一个14 针脚的蝶形管壳中,输出功率能够达到10 mW 以上,调节范围覆盖整个C 波段。得益于低噪声电源的使用,该器件的线宽小于15 kHz[17]。但是,为了实现连续无跳模调谐,该激光器采用了基于远端虚轴转动的MEMS 反射镜,因此其驱动结构比较复杂,产品价格也相对较高。


  Emcore 公司的窄线宽可调谐激光器是目前在100 Gb/s 相干光通信中应用最为广泛的一款产品,它基于原Intel 公司外腔可调谐激光器技术[18],如图2 所示。该器件的模式选择滤波器为两个级联的、由单晶硅制作的法布里- 泊罗(F-P)标准具,利用游标效应,使得只有两个标准具透过峰峰值波长重合的纵模可以起振,而其他的纵模被抑制。通过温度精确控制标准具透过峰的峰值波长,从而能够实现波长的可调谐性。该产品调谐范围可覆盖C 波段或L 波段,在可调谐范围内可对任意波长进行调谐,输出功率为30 mW 以上,线宽小于100 kHz 以及边模抑制比(SMSR)大于45 dB,在此设计中没有活动部件,稳定性好,但是为了实现波长的精密调谐,需要对这两个硅标准具进行精确的温度控制,具有一定的难度狮威娱乐客户端

  NEC 公司也提出了一种新型的基于双边外腔的可调谐激光器[19]。谐振腔内依次集成了增益管芯、准直透镜、熔石英标准具以及液晶反射镜,标准具的透射峰值位于ITU-T 定义的通信波长内,和液晶反射镜共同构成了该器件的模式选择滤波器,调节时仅需改变液晶反射镜的驱动电压便可选择不同波长输出。http://www.aptigenius.com/标准具同时还起到了波长锁定器的作用,避免了在输出端外加一个波长锁定装置。该器件的结构较为简单,输出功率大于20 mW,通过优化标准具的端面反射率,其波长精度为±0.6 GHz,测试线宽小于1 MHz。Cyoptics(收购原Pirelli 公司的光学事业部)公司的可调谐激光器也采用了类似的结构,只是用一个硅基液晶(LCoS)反射镜代替了普通液晶反射镜。
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