光纤通信网络课堂展示PPT.pptx

半导体激光器在超高速光网络中的应用 宋丹2016.1.8\321窄线宽可调谐半导体激光器引言高速调制激光器4低成本可调谐半导体激光器目录在光网络不同的应用层面对激光器的需求不尽相同，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。表1所示为不同层面光网络对激光器性能的需求。引言\231窄线宽可调谐半导体激光器高速调制激光器引言4低成本可调谐半导体激光器目录目前成熟的，能够大规模使用的窄线宽可调谐半导体激光器：分布反馈（DFB）式激光器阵列取样分布布拉格反射镜（SGDBR）激光器外腔半导体激光器窄线宽可调谐半导体激光器DFB激光器阵列单个DFB激光器的调节范围有限，根本无法满足DWDM系统的要求。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。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。窄线宽可调谐半导体激光器DFB半导体激光器线宽与激光器腔长及输出功率成反比，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。窄线宽可调谐半导体激光器窄线宽DFB半导体激光器的主要技术难点--如何抑制空间烧孔效应多相移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3.6kHz的超窄线宽DFB半导体激光器。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。窄线宽可调谐半导体激光器取样分布布拉格反射镜（SGDBR）激光器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，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40nm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5dB以上利用集成的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。窄线宽可调谐半导体激光器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5Gb/s以 下。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，数字超模光栅，数字级联光栅DBR激光器，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。窄线宽可调谐半导体激光器外腔可调谐激光器具有线宽窄、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。窄线宽可调谐半导体激光器Ionon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10mW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15kHz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。窄线宽可调谐半导体激光器Emcore公司的窄线宽可调谐激光器是目前在100Gb/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，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