可调激光器技术以及在光纤通信中的应用.doc

可调激光器技术以及在光纤通信中的应用 光通信领域传统的光源均是基于固定波长的激光器模块，随着光通信系统的不断发展及应用推广，固定波长激光器的缺点逐渐显露出来：一方面随着DWDM技术的发展，系统中的波长数达到了上百个，在需要提供保护的场合，每个激光器的备份必须由相同波长的激光器提供，这样导致备份激光器数量增加，成本上升；另一个方面由于固定激光器需要区分波长，因此激光器的类型随着波长数的增加而不断增加，使得管理复杂程度和存货水平；再有如果要支持光网络中的动态波长分配，提高网络灵活性，需要配备大量不同波长的固定激光器，但每只激光器的使用率却很低，造成资源浪费。针对这些不足，随着半导体及其相关技术的发展，人们成功地研制出可调谐激光器，即在同一个激光器模块上控制输出一定带宽内的不同波长，且这些波长值和间隔均满足ITU-T可调激光器 光纤通信 作者，吴葵，武汉奥新科技有限公司副总经理、总工程师，北京大学物理学硕士，美国得克萨斯大学奥斯汀分校物理博士。曾在武汉邮科院和华为担任高级研发职务，在光通信系统与器件研究领域取得丰富的成果，具有丰富的光器件项目开发管理经验，现正在主持世界先进水平的光通信器件与子系统开发与产业化项目。 1、概述光通信领域传统的光源均是基于固定波长的激光器模块，随着光通信系统的不断发展及应用推广，固定波长激光器的缺点逐渐显露出来：一方面随着DWDM技术的发展，系统中的波长数达到了上百个，在需要提供保护的场合，每个激光器的备份必须由相同波长的激光器提供，这样导致备份激光器数量增加，成本上升；另一个方面由于固定激光器需要区分波长，因此激光器的类型随着波长数的增加而不断增加，使得管理复杂程度和存货水平；再有如果要支持光网络中的动态波长分配，提高网络灵活性，需要配备大量不同波长的固定激光器，但每只激光器的使用率却很低，造成资源浪费。针对这些不足，随着半导体及其相关技术的发展，人们成功地研制出可调谐激光器，即在同一个激光器模块上控制输出一定带宽内的不同波长，且这些波长值和间隔均满足ITU-T的要求。 对于下一代光网络而言，可调谐激光器是实现智能光网络的关键因子，可以为运营商提供更大弹性、更快波长供应速度，并最终实现更低的成本。未来长途光网络将是波长动态系统的天下，这些网络可以在很短的时间内实现新的波长分配，由于采用超长距离传输技术而无须使用再生器，从而节省大笔开支。可调激光器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。最吸引的一个应用是可重配置光分插复用器（ROADM）。动态可重配置的网络系统将出现在网络市场中，大调节范围的可调谐激光器也将因此而获得更大的需求。 2、技术原理与特性可调谐激光器从调谐原理上共有三种控制技术：电流控制技术、温度控制技术和机械控制技术等类型。其中电控技术是通过改变注入电流实现波长的调谐，具有ns级调谐速度，较宽的调谐带宽，但输出功率较小，基于电控技术的主要有SG-DBR（采样光栅DBR）和GCSR（辅助光栅定向耦合背向取样反射）激光器。温控技术是通过改变激光器有源区折射率，从而改变激光器输出波长的。该技术简单，但速度慢，可调带宽窄，只有几个nm。基于温控技术的主要有DFB（分布反馈）和DBR（分布布喇格反射）激光器。机械控制主要是基于MEMS（微机电系统）技术完成波长的选择，具有较大的可调带宽、较高的输出功率。基于机械控制技术的主要有DFB（分布反馈）、ECL（外腔激光器）和VCSEL（垂直腔表面发射激光器）等结构。下面将从这几个方面可调谐激光器的原理进行说明。其中着重讲当前最主流的可调谐技术——电流调谐技术。 2.1 温度控制技术基于温度控制技术主要应用在DFB结构中，其原理在于调整激光腔内温度，从而可以使之发射不同的波长。一种基于该原理技术的可调激光器的波长调节是依靠控制InGaAsP DFB激光器工作在一定温度范围的变化实现的。器件通过内置锁波器（标准具和监控探测器组成），将连续光输出的激光可被锁定在ITU规定的50GHz间隔的栅格上。一般器件内封装两个独立的TEC，一个用来控制激光器芯片的波长，另一个用来保证器件内的锁波器和功率检测探测器恒温工作。 这类激光器最大的优点是他们的性能与固定波长激光器相似，具有输出功率高，波长稳定性好，工作简单的特点，成本低，技术成熟。但是也有有两个主要缺点：一是单个器件的调谐的宽度窄，一般只有几个nm，二是调谐时间长，一般需要几秒的调谐稳定时间。2.2 机械控制技术 基于机械控制技术一般采用MEMS来实现。一种基于机械控制技术的可调谐激光器采用MEMs-DFB结构。可调谐激光器主要包括DFB激光器阵列、可倾斜的MEMs镜片和其他控制与辅助部分。对于DFB激光器阵列区存在若干个DFB激光器阵列，每个阵列可以产生带宽约为1.0