半導(dǎo)體激光器在超高速光網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用

光通信的快速發(fā)展對(duì)光電子器件提出了更高的要求?；诔咚俟鈧鬏斁W(wǎng)絡(luò)、光以太網(wǎng)及接入網(wǎng)對(duì)通信用半導(dǎo)體激光器的性能要求，結(jié)合中國(guó)光電子器件具體情況，對(duì)半導(dǎo)體激光器的性能、研究狀態(tài)及應(yīng)用進(jìn)行了探討。

超高速光網(wǎng)絡(luò)；半導(dǎo)體激光器；線寬；可調(diào)諧；直接調(diào)制

For further development of optical networks， more is required of optoelectronic devices. In this paper， we analyze high-speed optical transmission， optical Ethernet， and optical access networks and determine the requirements on diode lasers. We discuss optoelectronic devices in China， in particular， research on and applications of diode lasers.

ultrahigh-speed optical network； semiconductor diode lasers； linewidth tunable； direct modulation

1 光網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展趨勢(shì)及

對(duì)激光器的要求

由于因特網(wǎng)業(yè)務(wù)的爆炸式增長(zhǎng)，全球?qū)W(wǎng)絡(luò)帶寬的需求日益增加。因此，作為信息承載和傳輸?shù)墓饫w通信網(wǎng)絡(luò)發(fā)展呈現(xiàn)一個(gè)重要趨勢(shì)：即業(yè)界對(duì)超高速率、超大容量光纖通信系統(tǒng)的需求愈加急迫。在骨干光傳輸網(wǎng)方面，在相干檢測(cè)和先進(jìn)的多級(jí)調(diào)制技術(shù)的推動(dòng)下，目前商用密集波分復(fù)用（DWDM）系統(tǒng)中每個(gè)通道的速率也從10 Gb/s上升到40 Gb/s，并快速越過40 Gb/s技術(shù)直接向100 Gb/s甚至更高速率的系統(tǒng)升級(jí)[1-3]；在光以太網(wǎng)方面，由于大量視頻業(yè)務(wù)導(dǎo)致的帶寬需求急劇增加，40G/100G以太網(wǎng)的標(biāo)準(zhǔn)化被迅速提上了日程；而在光接入網(wǎng)方面，基于波分復(fù)用技術(shù)的無源光網(wǎng)絡(luò)（WDM-PON）系統(tǒng)被大規(guī)模應(yīng)用從而提高用戶的接入帶寬，部分系統(tǒng)的速率已經(jīng)能夠到達(dá)10 Gb/s以上[4]。而光網(wǎng)絡(luò)的飛速發(fā)展毫無疑問地對(duì)相關(guān)光電器件的性能提出了更高的要求。

1.1 基于多級(jí)調(diào)制格式的相干

光通信系統(tǒng)

在骨干光傳輸網(wǎng)方面，有關(guān)組織已經(jīng)規(guī)定了基于相干檢測(cè)技術(shù)的偏振復(fù)用正交相移鍵控（PM-QPSK）調(diào)制格式作為100 Gb/s超長(zhǎng)距離傳輸側(cè)的首選。采用PM-QPSK的系統(tǒng)具有靈敏度高、傳輸距離遠(yuǎn)的優(yōu)點(diǎn)；另外，相干檢測(cè)對(duì)接收端的信號(hào)進(jìn)行線性的變換，因此光纖線路中引入的線性損傷，如色度色散、偏振模色散以及偏振相關(guān)損耗等都可以通過數(shù)字信號(hào)處理的方式進(jìn)行補(bǔ)償，也就是說基于相干檢測(cè)技術(shù)的PM-QPSK系統(tǒng)對(duì)這些損傷有更大的容限。

雖然相干檢測(cè)技術(shù)能夠帶來諸多好處，但它對(duì)相關(guān)的光電器件要求較高。最為典型的就是在相干光通信系統(tǒng)中，一般用載波的相位來攜帶傳輸?shù)谋忍匦畔?，而系統(tǒng)的發(fā)送和接收端都需要一個(gè)激光光源，因此，具有低相位噪聲的可調(diào)諧激光器才是相干光通信系統(tǒng)中的理想光源[5]?？紤]到激光器的線寬與相位噪聲成正比關(guān)系，為了保證相干光通信系統(tǒng)的性能，窄線寬可調(diào)諧激光器變得不可或缺。在40 Gb/s的相干光通信系統(tǒng)中，如果使用經(jīng)典的M階相位估計(jì)方法，為保證在誤碼率（BER）為10-4時(shí)線寬引入的光信噪比（OSNR）代價(jià)小于1 dB，使用QPSK調(diào)制格式對(duì)線寬的容限是4.4 MHz。系統(tǒng)對(duì)線寬的容限會(huì)隨著調(diào)制格式復(fù)雜度的增加而降低，特別是當(dāng)相位狀態(tài)數(shù)多于8種狀態(tài)時(shí)，比如對(duì)于8-PSK、16-PSK調(diào)制，系統(tǒng)需要激光器的線寬分別小于330 kHz、50 kHz。在100 Gb/s的PM-QPSK系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用中，為了保險(xiǎn)起見，一般要求激光器的線寬小于500 kHz。另外，除了對(duì)激光器的線寬有較為嚴(yán)格的要求外，對(duì)于50 GHz的DWDM系統(tǒng)，還需要激光器的輸出波長(zhǎng)精確度能夠在±2.5 GHz范圍內(nèi)，這就需要在激光器模塊中加入波長(zhǎng)鎖定的裝置。

1.2 相干光正交頻分復(fù)用系統(tǒng)

為了實(shí)現(xiàn)更高速率的傳輸，一個(gè)研究重點(diǎn)是在PM-QPSK技術(shù)上進(jìn)行擴(kuò)展，采用編碼效率更高的調(diào)制格式，如M階正交幅度調(diào)制（M-ary QAM）[6]，這種方式的好處在于能夠在現(xiàn)有系統(tǒng)上進(jìn)行平滑升級(jí)；另一個(gè)熱門研究方向是基于相干檢測(cè)的光正交頻分復(fù)用（CO-OFDM）技術(shù)，通過帶寬復(fù)用的方式，CO-OFDM能夠支持太比特每秒的速率傳輸數(shù)千公里，它也被認(rèn)為是超100 Gb/s光傳輸技術(shù)中最有前景的方案[7]。在CO-OFDM系統(tǒng)中，由于同樣采用相干檢測(cè)的方式對(duì)多個(gè)子載波進(jìn)行解調(diào)，因此在需要激光器具有低相位噪聲的同時(shí)還需具備大范圍連續(xù)調(diào)節(jié)的能力。

1.3 高速以太網(wǎng)及接入網(wǎng)

隨著寬帶業(yè)務(wù)的密集應(yīng)用及云服務(wù)的快速發(fā)展，為滿足運(yùn)營(yíng)骨干網(wǎng)，企業(yè)數(shù)據(jù)中心對(duì)更高帶寬的要求，平滑升級(jí)的100 Gb/s以太網(wǎng)將是最佳提升帶寬的方案。100 Gb/s以太網(wǎng)主要有兩種使用WDM技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)，分別對(duì)應(yīng)10 km及40 km傳輸距離的運(yùn)用。在這里光源為直接調(diào)制或者單片集成調(diào)制器調(diào)制，要求調(diào)制動(dòng)態(tài)消光比需要達(dá)到4 dB或者8 dB。由于主要運(yùn)用于局域網(wǎng)絡(luò)中，工作環(huán)境較為惡劣，成本控制嚴(yán)格，通常要求激光器溫度特性好，具備無制冷工作能力，對(duì)激光器線寬，波長(zhǎng)準(zhǔn)確度等的要求相對(duì)比較寬松。

在接入網(wǎng)方面，近年來基于波分復(fù)用技術(shù)的無源光網(wǎng)絡(luò)收到了重視，在WDM-PON網(wǎng)絡(luò)中，每個(gè)用戶被分配一對(duì)波長(zhǎng)，因此用在光網(wǎng)絡(luò)單元（ONU）中的激光器必須工作于無色的模式。雖然有多種無色ONU的解決方案，但從性能上來講，基于可調(diào)激光器的ONU是WDM-PON中最理想的選擇[8]。但與用于相干光通信系統(tǒng)中的激光器不同，它對(duì)激光器的線寬、輸出功率以及中心波長(zhǎng)穩(wěn)定度方面要求較低，卻需要該激光器的成本較低。表1所示為不同層面光網(wǎng)絡(luò)對(duì)激光器性能的需求。

2 半導(dǎo)體激光器的性能

特點(diǎn)及發(fā)展趨勢(shì)

綜合前述對(duì)現(xiàn)今超高速光通信網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展趨勢(shì)，可以看出在光網(wǎng)絡(luò)不同的應(yīng)用層面對(duì)激光器的需求也不盡相同，在高速相干光傳輸中，要求激光器具有極窄的線寬（千赫茲水平）和大范圍的調(diào)諧能力，而在高速以太網(wǎng)中，需要激光器具備高速直調(diào)的能力；至于在基于WDM-PON技術(shù)的高速接入網(wǎng)中，對(duì)可調(diào)激光器的成本控制是一個(gè)關(guān)鍵因素。

2.1 窄線寬可調(diào)諧半導(dǎo)體激光器

目前成熟的，能夠大規(guī)模使用的窄線寬可調(diào)諧半導(dǎo)體激光器主要有分布反饋（DFB）式激光器陣列，取樣分布布拉格反射鏡（SGDBR）激光器和外腔半導(dǎo)體激光器。DFB激光器陣列是在傳統(tǒng)DFB激光器基礎(chǔ)上發(fā)展而成的，但單個(gè)DFB激光器的調(diào)節(jié)范圍有限，根本無法滿足DWDM系統(tǒng)的要求。而DFB激光器陣列是將多個(gè)DFB激光器以并聯(lián)的方式集成起來，每個(gè)獨(dú)立的DFB激光器均采用同樣的增益介質(zhì)，但光柵的間距不同，因此它們具有不同的中心波長(zhǎng)。這樣一來，即使每個(gè)單獨(dú)的DFB激光器的調(diào)節(jié)范圍有限，通過級(jí)聯(lián)的方式也能夠獲得大范圍的調(diào)諧。由文獻(xiàn)[9]可以知道，DFB半導(dǎo)體激光器線寬與激光器腔長(zhǎng)及輸出功率成反比。因此增加腔長(zhǎng)及激光器工作時(shí)的輸出功率便成了兩種降低線寬的主要方式。普通相移DFB半導(dǎo)體激光器受限于強(qiáng)烈的空間燒孔效應(yīng)，在制作長(zhǎng)腔半導(dǎo)體激光器時(shí)，往往會(huì)在相移處聚集大量光子，導(dǎo)致該處增益降低甚至成為吸收區(qū)，使激光器工作在自脈動(dòng)等非穩(wěn)定狀態(tài)。而空間燒孔效應(yīng)亦隨著激光器輸出功率的增高變的更加嚴(yán)重。因此窄線寬DFB半導(dǎo)體激光器的主要技術(shù)難點(diǎn)是如何抑制空間燒孔效應(yīng)。這個(gè)問題從DFB半導(dǎo)體激光器誕生之日起就一直是學(xué)者們研究的熱點(diǎn)。主流的技術(shù)手段有多相移DFB半導(dǎo)體激光器，分布相移DFB半導(dǎo)體激光器。日本學(xué)者在90年代初便利用分布相移手段制作出了最小線寬達(dá)3.6 kHz的超窄線寬DFB半導(dǎo)體激光器[10]。但是這類激光器光柵結(jié)構(gòu)復(fù)雜，通常需要電子束光刻技術(shù)制作光柵，成本昂貴，因此一直都以實(shí)驗(yàn)室報(bào)道及理論分析為主，少有大規(guī)模產(chǎn)業(yè)應(yīng)用。

單片集成取樣光柵分布布拉格反射式（SGDBR）可調(diào)諧激光器由美國(guó)UCSB大學(xué)提出[11]，采用兩個(gè)取樣周期稍有不同的光柵，利用游標(biāo)效應(yīng)進(jìn)行波長(zhǎng)調(diào)節(jié)，調(diào)諧范圍可達(dá)40 nm以上。SGDBR激光器一般利用電注入改變折射率，因此調(diào)諧速度能夠達(dá)到納米級(jí)，是目前波長(zhǎng)調(diào)諧速度最快的激光器，而且該類型激光器結(jié)構(gòu)緊湊，輸出光譜質(zhì)量高，便于與半導(dǎo)體光放大器（SOA）、電吸收型（EA）調(diào)制器、馬赫曾德爾（MZI）調(diào)制器集成。但是由于取樣光柵具有Sinc型的光譜包絡(luò)，因此輸出功率不均勻，中心通道與邊緣通道功率相差5 dB以上[12]。利用集成的SOA可以明顯改善輸出功率的不均勻性，但是噪聲特性會(huì)劣化，通常均為兆赫茲量級(jí)，因此不適合運(yùn)用于超高速光網(wǎng)絡(luò)中。SGDBR激光器一般最少有4個(gè)控制電極，輸出波長(zhǎng)是這4個(gè)電極的函數(shù)，導(dǎo)致控制算法相當(dāng)復(fù)雜，測(cè)試成本高昂。在調(diào)制速度方面，SGDBR受限于較大的腔長(zhǎng)，直接調(diào)制速率一般在5 Gb/s以下[13]。為解決傳統(tǒng)SGDBR激光器的問題，日本NTT公司、英國(guó)Bookham公司及武漢光迅公司相繼提出了采用超結(jié)構(gòu)光柵[14]，數(shù)字超模光柵[15]和數(shù)字級(jí)聯(lián)光柵DBR激光器[16]，但是由于這些激光器均沿用了SGDBR激光器的設(shè)計(jì)理念，性能上還沒有取得突破。但是單片集成可調(diào)激光器無疑是今后這方面工作的一個(gè)重要方向。

目前外腔可調(diào)諧激光器是可調(diào)諧激光器的一個(gè)主要類型，具有線寬窄、調(diào)諧范圍大、輸出功率高、較好的單縱模特性以及穩(wěn)定性等優(yōu)點(diǎn)，但是其體積一般較大，因此外腔可調(diào)諧激光器的應(yīng)用主要集中在科研及測(cè)試領(lǐng)域，如Littrow型與Littman型外腔可調(diào)諧激光器。微光機(jī)電系統(tǒng)（MEMS）技術(shù)的出現(xiàn)，使得外腔激光器在功耗和體積上有了很大的改善。而Ionon公司便是其中的代表，該公司的可調(diào)諧激光器采用Littman-Mecalf結(jié)構(gòu)，其原理如圖1所示。該MEMS型外腔可調(diào)諧激光器能夠封裝在一個(gè)14針腳的蝶形管殼中，輸出功率能夠達(dá)到10 mW以上，調(diào)節(jié)范圍覆蓋整個(gè)C波段。得益于低噪聲電源的使用，該器件的線寬小于15 kHz[17]。但是，為了實(shí)現(xiàn)連續(xù)無跳模調(diào)諧，該激光器采用了基于遠(yuǎn)端虛軸轉(zhuǎn)動(dòng)的MEMS反射鏡，因此其驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，產(chǎn)品價(jià)格也相對(duì)較高。

Emcore公司的窄線寬可調(diào)諧激光器是目前在100 Gb/s相干光通信中應(yīng)用最為廣泛的一款產(chǎn)品，它基于原Intel公司外腔可調(diào)諧激光器技術(shù)[18]，如圖2所示。該器件的模式選擇濾波器為兩個(gè)級(jí)聯(lián)的、由單晶硅制作的法布里-泊羅（F-P）標(biāo)準(zhǔn)具，利用游標(biāo)效應(yīng)，使得只有兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)具透過峰峰值波長(zhǎng)重合的縱?？梢云鹫?，而其他的縱模被抑制。通過溫度精確控制標(biāo)準(zhǔn)具透過峰的峰值波長(zhǎng)，從而能夠?qū)崿F(xiàn)波長(zhǎng)的可調(diào)諧性。該產(chǎn)品調(diào)諧范圍可覆蓋C波段或L波段，在可調(diào)諧范圍內(nèi)可對(duì)任意波長(zhǎng)進(jìn)行調(diào)諧，輸出功率為30 mW以上，線寬小于100 kHz以及邊模抑制比（SMSR）大于45 dB，在此設(shè)計(jì)中沒有活動(dòng)部件，穩(wěn)定性好，但是為了實(shí)現(xiàn)波長(zhǎng)的精密調(diào)諧，需要對(duì)這兩個(gè)硅標(biāo)準(zhǔn)具進(jìn)行精確的溫度控制，具有一定的難度。

NEC公司也提出了一種新型的基于雙邊外腔的可調(diào)諧激光器[19]。諧振腔內(nèi)依次集成了增益管芯、準(zhǔn)直透鏡、熔石英標(biāo)準(zhǔn)具以及液晶反射鏡，標(biāo)準(zhǔn)具的透射峰值位于ITU-T定義的通信波長(zhǎng)內(nèi)，和液晶反射鏡共同構(gòu)成了該器件的模式選擇濾波器，調(diào)節(jié)時(shí)僅需改變液晶反射鏡的驅(qū)動(dòng)電壓便可選擇不同波長(zhǎng)輸出。標(biāo)準(zhǔn)具同時(shí)還起到了波長(zhǎng)鎖定器的作用，避免了在輸出端外加一個(gè)波長(zhǎng)鎖定裝置。該器件的結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單，輸出功率大于20 mW，通過優(yōu)化標(biāo)準(zhǔn)具的端面反射率，其波長(zhǎng)精度為±0.6 GHz，測(cè)試線寬小于1 MHz。Cyoptics（收購(gòu)原Pirelli公司的光學(xué)事業(yè)部）公司的可調(diào)諧激光器也采用了類似的結(jié)構(gòu)，只是用一個(gè)硅基液晶（LCoS）反射鏡代替了普通液晶反射鏡。

2.2 高速調(diào)制激光器

高速調(diào)制半導(dǎo)體激光器主要運(yùn)用于100 Gb/s及更高速率以太網(wǎng)，機(jī)房數(shù)據(jù)互連。在城域網(wǎng)絡(luò)中，由于傳輸距離近，成本控制嚴(yán)格，因此要求半導(dǎo)體激光器芯片本身具備高速直接調(diào)制能力。目前直接調(diào)制DFB半導(dǎo)體激光器已經(jīng)可以做到40 Gb/s以上的調(diào)制速率。但是由于增益區(qū)載流子的瞬時(shí)變化引起折射率的相應(yīng)改變，導(dǎo)致輸出的激光波長(zhǎng)振蕩，光脈沖所含光譜嚴(yán)重展寬，傳輸光脈沖色散損耗大，限制信號(hào)的傳輸距離。單片集成的電吸收DFB激光器（EML）具備低成本、低功耗、小尺寸、傳輸距離遠(yuǎn)特點(diǎn)，可以用傳統(tǒng)的DFB激光器管殼封裝利于升級(jí)換代，大規(guī)模生產(chǎn)等優(yōu)點(diǎn)使其已經(jīng)成為10 Gb/s光城域網(wǎng)及40 Gb/s干線網(wǎng)的首選器件。100 Gb/s及更高速率短距離通信中EML依然是各個(gè)通信器件廠商的首選方案。2005年，美國(guó)Infinera公司率先實(shí)現(xiàn)了10×10 Gb/s的光傳輸模塊，單片集成了10個(gè)1 550 nm波段的DFB激光器，10個(gè)EA調(diào)制器及AWG合波器。2012年，日本NTT公司則連續(xù)報(bào)道了兩款規(guī)格相似的EML集成芯片，分別工作于4×25 Gb/s及4×40 Gb/s的模式，傳輸距離達(dá)到了40 km。在該芯片單片內(nèi)集成了4個(gè)1 310 nm波段的DFB半導(dǎo)體激光器，4個(gè)EA調(diào)制器及多模干涉耦合（MMI）合波器。

2.3 低成本可調(diào)諧半導(dǎo)體激光器

由于可調(diào)諧激光器屬于高端光電子器件，因此研制低成本的可調(diào)諧激光器一直是學(xué)術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界的一個(gè)難點(diǎn)。雖然單片集成型可調(diào)諧激光器，如SGDBR可調(diào)諧激光器，是較為理想的方案，但受限于制作工藝和成品率等問題，其成本一直居高不下。在這方面一些韓國(guó)的研究者們進(jìn)行了較多的工作，并提出了多種用于WDM-PON系統(tǒng)中低成本的激光器解決方案。其中，Yoon等人提出一種基于超輻射激光管和平面布拉格反射器的外腔可調(diào)激光器已經(jīng)能夠?qū)崿F(xiàn)2.5 Gb/s的直接調(diào)制實(shí)驗(yàn)，其基本結(jié)構(gòu)如圖3所示[20]。

為了降低該器件的成本，采用了無制冷的芯片并將其放置于一個(gè)晶體管外形罐型封裝（TO can）中，因此在整個(gè)激光器中就避免了熱電制冷器（TEC）的使用，而TEC正是可調(diào)激光器中成本較高的一個(gè)元件。

3 研究進(jìn)展

武漢郵電科學(xué)院從20世紀(jì)80年代開始即開始了通信用激光器的研制，陸續(xù)研制出10 Gb/s無制冷直接調(diào)制DFB激光器、寬可調(diào)諧SGDBR激光器等器件。在窄線寬可調(diào)諧半導(dǎo)體激光器方面，目前已研制成功基于MEMS技術(shù)的寬可調(diào)諧窄線寬外腔激光器，能夠?qū)崿F(xiàn)C波段50 GHz間隔的波長(zhǎng)輸出，輸出功率大于20 mW，線寬小于100 kHz，其光譜和線寬特性如圖4所示[21]。利用納米壓印技術(shù)，在中國(guó)率先研制成功多通道DFB陣列激光器、數(shù)字級(jí)聯(lián)SGDBR激光器。傳統(tǒng)窄線寬DFB激光器所需的復(fù)雜光柵亦可低成本高產(chǎn)出地實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)，有望大幅度降低窄線寬DFB激光器的制作成本，為窄線寬DFB激光器的大規(guī)模使用鋪平道路。

4 結(jié)束語

隨著光傳輸網(wǎng)，光以太網(wǎng)和光接入網(wǎng)都向著高速大容量的方向發(fā)展，光網(wǎng)絡(luò)對(duì)激光器的性能要求越來越高。在高速光傳輸網(wǎng)中，由于采用了相干檢測(cè)的方式，需要激光器具備大功率、窄線寬和寬范圍調(diào)諧的能力，目前能夠成熟商用的是主要是外腔型可調(diào)激光器。在高速以太網(wǎng)中，需要激光器具備高速直調(diào)的能力，對(duì)激光器的線寬和可調(diào)諧特性要求不高，因此EML是較為理想的選擇。而在基于WDM-PON的高速接入網(wǎng)中，需要激光器具備較寬范圍的調(diào)諧能力和極低的成本，而目前如何實(shí)現(xiàn)低成本的可調(diào)諧激光器仍舊是學(xué)術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界的一個(gè)難點(diǎn)。

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