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光纤通信用半导体激光器 Semiconductor Lasers for Optical Fiber Communications 2003-11-26 ??????作者:罗毅 / 王健 / 蔡鹏飞 / 孙长征 Luo Yi / Wang Jian / Cai Pengfei / Sun Changzheng 英文摘要:The semiconductor Laser is a prime light source of fiber communication. A variety of semiconductor lasers are used to meet the requirements of different fiber communication systems that have various application layers and architectures. In this paper, the development trends of optical fiber communications are outlined, and the characteristics and development of several typical light sources, such as FP-LD, DFB-LD, DFB-LD/EA modulator integrated light source, DBR-LD and VCSEL, are discussed.英文关键字:Semiconductor Laser; Distributed feedback; Distributed Bragg reflector; Electro-absorption modulator; VCSEL 1 光纤通信的发展趋势 　　光纤通信系统作为信息传送的基础正向着高速化和网络化方向发展。Internet经过前几年的爆炸性扩张以后，正进入一个稳定发展的时期。互联网的速率与容量保持稳定增长，并且逐渐融合传统的电话网和有线电视网而成为一个统一的信息网络。而能承担这个信息网络的物理基础，非光纤通信莫属。 　　光纤通信系统必须满足各个层次的信息传输要求。首先，对于干线通信系统来说，必须满足长距离、高速率、大容量的传输要求；其次，对于服务于千家万户的接入网络，在成本尽可能低的情况下，需要足够的接入带宽；再次，对于中心城市，信息产生和传输最密集，但是对传输距离的要求不高；另外，目前的光通信大多还是点对点的传输，要进一步提高信息传输容量，需要基于各种光电子器件的全光通信网络。因此，面对光纤通信系统各个层次的不同发展方向，势必需要不同类型的光源器件来满足其不同要求。 　　对于光纤接入网、本地网(一般信息传输速率在2.5 Gbit/s以下)，需要量大面广、物美价廉的简单结构的半导体激光器，如法布里-珀罗(FP)激光器。在中心城市的市区建设城域网，其传输距离短、信息量大，要求光源速率达2.5 Gbit/s乃至10 Gbit/s，需要直接调制的分布反馈(DFB)半导体激光器。在干线传输网络中，对光源的调制速率和光信号的传输距离都有较高的要求。目前基于10 Gbit/s甚至更高速率的骨干网已经得到迅速发展，要求光源频率啁啾必须控制在很小甚至为负的范围内，直接调制激光器不能满足，必须采用外调制器，目前普遍采用分布反馈半导体激光器(DFB-LD)/电吸收型(EA)调制器的集成光源。此外，由于垂直腔面发射激光器(VCSEL)具有适于大批量、低成本生产，以及二维集成的优点。在光的高速数据传输和接入网等领域有着诱人的应用前景，备受学术界和产业界的关注。 　　2 法布里-珀罗激光器 　　法布里-珀罗激光器(FP-LD)是最常见、最普通的半导体激光器，它最大的特点是激光器的谐振腔由半导体材料的两个解理面构成。目前光纤通信上采用的FP-LD的制作技术已经相当成熟，普遍采用双异质结多量子阱有源层、载流子与光分别限制的结构。 　　半导体激光器由于边界条件的不同，存在三个方向的模式问题。沿激光器输出方向形成的驻波模式称为纵模，垂直于有源层方向的模式称为垂直横模，平行于有源层并和输出方向垂直的模式称为水平横模。在光通信领域中，至少要求激光器工作在基横模状态。对于FP-LD来说，基横模实现比较容易，主要通过控制激光器有源层的厚度和条宽来实现，常用的结构有掩埋异质结、脊波导等。而纵模控制就有一定的困难，FP-LD利用一对相互平行的反射镜进行纵模选择，通常激光器的长度在数百微米的量级，对应的模式间距为1 nm的量级，而激光器的增益谱宽度达100 nm的量级，多纵模激射的可能性相当大。对于一般的FP-LD，当注入电流在阈值电流附近时，可以观察到多个纵模；进一步加大