半导体激光器在超高速光网络中的应用

方案[7]。在CO-OFDM系统中，由于同样采用相干检测的方式对多个子载波进行解调，因此在需要激光器具有低相位噪声的同时还需具备大范围连续调节的能力。

1.3 高速以太网及接入网

随着宽带业务的密集应用及云服务的快速发展，为满足运营骨干网，企业数据中心对更高带宽的要求，平滑升级的100 Gb/s以太网将是最佳提升带宽的方案。100 Gb/s以太网主要有两种使用WDM技术的标准，分别对应10 km及40 km传输距离的运用。在这里光源为直接调制或者单片集成调制器调制，要求调制动态消光比需要达到4 dB或者8 dB。由于主要运用于局域网络中，工作环境较为恶劣，成本控制严格，通常要求激光器温度特性好，具备无制冷工作能力，对激光器线宽，波长准确度等的要求相对比较宽松。

在接入网方面，近年来基于波分复用技术的无源光网络收到了重视，在WDM-PON网络中，每个用户被分配一对波长，因此用在光网络单元（ONU）中的激光器必须工作于无色的模式。虽然有多种无色ONU的解决方案，但从性能上来讲，基于可调激光器的ONU是WDM-PON中最理想的选择[8]。但与用于相干光通信系统中的激光器不同，它对激光器的线宽、输出功率以及中心波长稳定度方面要求较低，却需要该激光器的成本较低。表1所示为不同层面光网络对激光器性能的需求。

2 半导体激光器的性能

特点及发展趋势

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。

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。

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。

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。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。

2.2 高速调制激光器

高速调制半导体激光器主要运用于100 Gb/s及更高速率以太网，机房数据互连。在城域网络中，由于传输距离近，成本控制严格，因此要求半导体激光器芯片本身具备高速直接调制能力。目前直接调制DFB半导体激光器已经可以做到40 Gb/s以上的调制速率。但是由于增益区载流子的瞬时变化引起折射率的相应改变，导致输出的激光波长振荡，光脉冲所含光谱严重展宽，传输光脉冲色散损耗大，限制信号的传输距离。单片集成的电吸收DFB激光器（EML）具备低成本、低功耗、小尺寸、传输距离远特点，可以用传统的DFB激光器管壳封装利于升级换代，大规模生产等优点使其已经成为10 Gb/s光城域网及40 Gb/s干线网的首选器件。100 Gb/s及更高速率短距离通信中EML依然是各个通信器件厂商的首选方案。2005年，美国Infinera公司率先实现了10×10 Gb/s的光传输模块，单片集成了10个1 550 nm波段的DFB激光器，10个EA调制器及AWG合波器。2012年，日本NTT公司则连续报道了两款规格相似的EML集成芯片，分别工作于4×25 Gb/s及4×40 Gb/s的模式，传输距离达到了40 km。在该芯片单片内集成了4个1 310 nm波段的DFB半导体激光器，4个EA调制器及多模干涉耦合（MMI）合波器。

2.3 低成本可调谐半导体激光器

由于可调谐激光器属于高端光电子器件，因此研制低成本的可调谐激光器一直是学术界和产业界的一个难点。虽然单片集成型可调谐激光器，如SGDBR可调谐激光器，是较为理想的方案，但受限于制作工艺和成品率等问题，其成本一直居高不下。在这方面一些韩国的研究者们进行了较多的工作，并提出了多种用于WDM-PON系统中低成本的激光器解决方案。其中，Yoon等人提出一种基于超辐射激光管和平面布拉格反射器的外腔可调激光器已经能够实现2.5 Gb/s的直接调制实验，其基本结构如图3所示[20]。

为了降低该器件的成本，采用了无制冷的芯片并将其放置于一个晶体管外形罐型封装（TO can）中，因此在整个激光器中就避免了热电制冷器（TEC）的使用，而TEC正是可调激光器中成本较高的一个元件。

3 研究进展

武汉邮电科学院从20世纪80年代开始即开始了通信用激光器的研制，陆续研制出10 Gb/s无制冷直接调制DFB激光器、宽可调谐SGDBR激光器等器件。在窄线宽可调谐半导体激光器方面，目前已研制成功基于MEMS技术的宽可调谐窄线宽外腔激光器，能够实现C波段50 GHz间隔的波长输出，输出功率大于20 mW，线宽小于100 kHz，其光谱和线宽特性如图4所示[21]。利用纳米压印技术，在中国率先研制成功多通道DFB阵列激光器、数字级联SGDBR激光器。传统窄线宽DFB激光器所需的复杂光栅亦可低成本高产出地实现量产，有望大幅度降低窄线宽DFB激光器的制作成本，为窄线宽DFB激光器的大规模使用铺平道路。

4 结束语

随着光传输网，光以太网和光接入网都向着高速大容量的方向发展，光网络对激光器的性能要求越来越高。在高速光传输网中，由于采用了相干检测的方式，需要激光器具备大功率、窄线宽和宽范围调谐的能力，目前能够成熟商用的是主要是外腔型可调激光器。在高速以太网中，需要激光器具备高速直调的能力，对激光器的线宽和可调谐特性要求不高，因此EML是较为理想的选择。而在基于WDM-PON的高速接入网中，需要激光器具备较宽范围的调谐能力和极低的成本，而目前如何实现低成本的可调谐激光器仍旧是学术界和产业界的一个难点。

参考文献

[1] WINZER P J， ESSIAMBRE R J. Advanced modulation formats for high-capacity optical transport networks [J]. Journal of Lightwave Technology， 2006， 24（12）：4711-4728.

[2] SUN H， GAUDETTE J， PAN Y， et al. Modulation formats for 100 Gb/s coherent optical systems [C]//Proceedings of the Optical Fiber Communication/National Fiber Optic Engineers Conference （OFC/NFOEC’09）， Mar 24-26， 2009，San Diego， CA， USA. Piscataway， NJ，USA：IEEE， 2009：3p.

[3] MIYAMOTO Y， SUZUKI S. Advanced optical modulation and multiplexing technologies for high-capacity OTN based on 100Gb/s channel and beyond [J]. IEEE Communications Magazines， 2010， 48（3）：65-72.

[4] CHOI B S， OH S H， KIM K S， et al. 10-Gb/s direct modulation of polymer-based tunable external cavity lasers [J]. Optics Express， 2012， 20（18）： 20368-20374.

[5] SEIMETZ M. High-order modulation for optical fiber transmission [M]. Berlin，Germany： Springer-Verlag， 2009：Chap 7.

[6] WINZER P J， GNAUCK A H， DOERR C R， et al. Spectrally efficient long-haul optical networking using 112-Gb/s polarization-multiplexed 16-QAM [J]. Journal of Lightwave Technology， 2010， 28（4）：547-556.

[7] ZHANG S L， HUANG M F， YAMAN F， et al. 40×117.6Gb/s PDM-16-QAM OFDM transmission over 10181 km with

soft-decision LDPC coding and nonlinearity compensation [C]//Proceedings of the Optical Fiber Communication/National Fiber Optic Engineers Conference （OFC/NFOEC’12）， Mar 4-8， 2012， Los Angeles， CA， USA. Piscataway， NJ，USA：IEEE，2012：PDP5C.4

[8] URATA R， LAM C， LIU H， et al. High performance， low cost， colorless ONU for WDM-PON [C]//Proceedings of the Optical Fiber Communication/National Fiber Optic Engineers Conference （OFC/NFOEC’12）， Mar 4-8， 2012， Los Angeles， CA， USA. Piscataway， NJ，USA：IEEE， 2012：NTh3E.

[9] HENRY C H. Theory of the linewidth of semiconductor laser [J]. IEEE Journal of Quantum Electronics， 1982， 18（2）：259-264.

[10] OKAI M， SUZUKI M， TANIWATARI T. Strained multiquantum-well corrugation-pitch-modulated distributed feedback laser with ultranarrow （3.6 kHz） spectral linewidth [J]. Electronics Letters， 1993， 29（19）：1696-1697.

[11] JAYARAMAN V， CHUANG Z M， COLDREN L A. Theory， design， and performance of extended tuning range semiconductor laser with sampled gratings [J]. IEEE Journal of Quantum Electronics， 1993， 29（6）：1824-1834.

[12] LARSON M C， AKULOVA Y A， COLDREN C， et al. High performance widely tunable SGDBR laser [R]. SPIE Photonics West， Paper 4995-13.2003.

[13] MAJEWSKI M L， BARTON J， COLDREN L A， et al. Directly intensity modulation in sampled grating DBR lasers [J]. IEEE Photonics Technology Letters， 2002， 14（6）：747-749.

[14] ISHII H， KANO F， TOHMORI Y， et al. Broad range （34 nm） quasi-continuous wavelength tuning in super structure grating DBR lasers [J]. Electronics Letters， 1994，30（14）：1134-1135.

[15] WARD A J， ROBBINS D J， BUSICO G， et al. Modelling of phase garting-based wide band tunable lasers with simplified quasidigital wavelength selection [J]. IEE Proceedings： Optoelectronics， 2003，150（2）：199-204.

[16] ZHAO J， ZHOU N， CHAO Y， et al. Design and fabrication of tunable laser with digital concatenated grating [J]. Semiconductor Science and Technology， 2013， 28（3）：035001.

[17] IP E， KAHN J M， ANTHON D， et al. Linewidth measurements of MEMS-based tunable lasers for phase-locking applications [J]. IEEE Photonics Technology Letters， 2005， 17（10）：2029-2031.

[18] Intel. Thermally tuned external cavity laser with micromachined silicon etalons： Design， process and reliability [C]//Proceedings of the 54th Electronic Components and Technology Conference （ECTC’04）：Vol 1， Jun 1-4，2004， Las Vegas， NV， USA. Piscataway， NJ，USA： IEEE，2004：818-823.

[19] SATO K， MIZUTANI K， SUDO S， et al. Wideband external cavity wavelength-tunable laser utilizing a liquid-crystal-based mirror and an intracavity etalon [J]. Journal of Lightwave Technology， 2007， 25（8）：2226-2232.

[20] YOON K， OH S H， KIM K S， et al. 2.5-Gb/s hybridlly-integrated tunable external cavity laser using a superluminescent diode and a polymer Bragg reflector [J]. Optics Expresss， 2010， 18（6）：5556-5561.

[21] ZHANG D， ZHAO J， YANG O， et al.， Compact MEMS external cavity tunable laser with ultra-narrow linewidth for coherent detection [J]. Optics Express， 2012， 20（18）：19670-19682.

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