2024年1月12日发(作者：)

可调谐半导体激光器的发展及应用

郝秀晴;陈根祥

【摘 要】如今可调谐半导体激光器的技术日益成熟,其在光通信网络的应用逐渐增加.通过介绍几种常见可调谐半导体激光器的原理及性能,阐述了其在国内外的发展现状;在此基础上指出目前供应商对通信光源的具体需求,从而为今后可调谐激光器的发展指明了方向,最后进一步对其市场应用前景进行了展望.

【期刊名称】《光通信技术》

【年(卷),期】2010(034)011

【总页数】4页(P4-7)

【关键词】可调谐半导体激光器;光纤通信;调谐原理

【作 者】郝秀晴;陈根祥

【作者单位】北京交通大学,光波技术研究所,北京,100044;北京交通大学,光波技术研究所,北京,100044

【正文语种】中 文

【中图分类】TN365

0 引言

随着各种新兴技术特别是波分复用（wavelengthdivision multiplexing,WDM）技术等在光通信领域中的广泛应用，使得人们对作为通信光源的激光器提出了更高的要求。如果采用传统的固定波长激光器来产生相应频率的光，不但需要封装多个

激光器，使光源的体积变得很大，而且还会增加光通信网络的成本，限制了光网络的扩展及网络的灵活性[1]。通过引入可调谐半导体激光器，不仅可有效节省波分复用系统转换器，减少激光器以及其他模块的数量，还可有效降低光通信网络成本，改进光网络的功能性，并且还能提供动态波长,控制网络流量，自动恢复波长等功能[2]。

1 可调谐半导体激光器发展现状

到目前为止，可调谐激光器已发展出多种基于不同理论模型的实现方式，但其基本组成结构大致相同，主要包括具有有源增益区和谐振腔的激光器、改变和选择波长的可调装置以及稳定输出波长装置三个部分组成。通过直接或间接地改变激光器谐振腔的光学长度，使其中的谐振模式产生微小的变化，再通过选频元件选择出相应频率的光。其中能在较宽波长范围内产生激光的半导体有源区是必不可缺的，如今半导体有源区大多都采用多量子阱（multiple quantum well,MQW）结构，只要注入半导体内的电流足够大,量子阱结构便能够在很宽的频谱范围内产生光增益[3]。目前可调谐半导体激光器技术水平已经能与固定波长激光器相媲美，可完全实现整个C波段或L波段的带宽调谐。

一般来说，可调谐半导体激光器大致可分为4类：可调谐分布反馈（distributed

feed-back,DFB）激光器、可调谐外腔激光器（external cavity laser,ECL）、分布布喇格反射（distributed Bragg reflector,DBR）激光器以及垂直腔面发射激光器（vertical cavity surface emitting laser,VCSEL）。调谐机理有电流调谐、温度调谐以及包括微电子机械系统（micro-electro-mechanical systems，MEMS）的机械调节三种基本技术。而采用MEMS技术的可调谐半导体激光器是最有效的一种，可大范围调谐并且最有希望实现最小化、高密度、高速、批量生产[4]。

1.1 可调谐分布反馈（DFB）激光器

可调谐DFB激光器是依靠沿纵向等间隔分布的光栅所形成的光耦合来实现谐振的，

图1所示为其基本组成结构。当电流注入激光器时，有源区内电子空穴发生复合并产生相应能量的光子，这些光子将受到光栅的反射，只有满足特定波长条件的光才会相干叠加，进而发生谐振，实现单纵模输出。通过改变注入电流或控制加热槽温度可改变有源材料的折射率，使得输出波长发生改变，达到调谐的目的。一般的DFB激光器的输出功率大约为10～20mW，且输出模式相对稳定；但随着调谐温度的上升，有源材料的阈值将明显增大,量子效率会降低，从而导致激光器的有效输出功率下降。此外，DFB激光器只能对输出激光的中心波长进行粗略的调谐，且调谐范围较为有限（5～10nm）。

图1 DFB激光器基本结构

如果将DFB激光器集成为阵列的形式，则可扩大其调谐范围，这一方案最早由日本NEC公司提出。这种激光器体积稍大一些，主要是由四分之一相移DFB激光器阵列、S型弯曲波导、多模干涉耦合器（multimode Interference Couplers）和半导体光放大器（semiconductor optical amplifier,SOA）四部分组成，图2为其平面结构示意图。由于阵列中每个激光器的光栅周期都各不相同，其相应的激射波长也不相同，通过选择阵列中对应的激光器并使其发生激射，再配合上温度调谐装置最终便可得到想要的光输出，SOA则用来补偿耦合器引起的功率损耗。这种激光器在保留了单个DFB激光器良好的光谱特性以及波长稳定特性的同时，大大提高了调谐范围，且控制相对简单[5]。其缺点是仍旧采用温度调谐技术,调谐速率相对较低，而且通过SOA的功率放大还会导致其输出噪声特性下降。

1.2 可调谐外腔激光器（ECL）

图2 DFB阵列激光器平面结构示意图

1980年，等人第一次将外腔反馈技术应用到半导体激光器上，实现了对半导体激光器谱线宽度的压窄和对输出波长的调谐[6]。其主要是利用外腔结构将部分输出光反馈回有源区，通过反馈光与有源区内光场之间的有效相互作用，可明

显压窄半导体激光器的线宽，得到主边模抑制比很高的单模输出，且能获得极大的调谐范围[7]。

在外腔反馈中，利用光栅提供外部反馈是一种简单而有效的方法。根据光栅外腔结构的不同可分为Littrow和Littman两种形式。如图3所示为Littman式的谐振腔结构[8]，在量子阱激光二极管的一个解理面镀上抗反射膜，将一个固定的反射型衍射光栅作为色散元件，通过压电陶瓷控制镜面绕一个虚支点旋转，使得不同波长的1级衍射光在激光器和外腔镜之间形成振荡，而0级衍射光为输出光。由于外腔镜在改变位置的同时还能满足相应波长的相位匹配条件，使其形成谐振输出，从而达到连续调谐的目的[3]。

图3 体光栅Littman谐振腔结构

由于可调谐外腔激光器的诸多优点，使其在实验室以及各种测量仪器中应用甚广，如相干检测技术、高分辨率光谱测量等。然而它的体积过大，且光路对准需要较高的精度，尤其是它的机械调谐设计会具有滞后性，同时机械本身还会产生细微的磨损，这将导致其在光通信应用的可靠性严重降低，因而在光网络通信中很难有较大的实用性[3]。

1.3 分布式布喇格反射（DBR）激光器

图4 DBR激光器基本结构

DBR激光器是一种目前应用较为广泛的可调谐激光器，图4所示为其基本组成结构。其中有源区产生光子，光栅区则基于布喇格反射原理对特定波长的光具有较高的反射率，可实现选频作用。相位区的引入可以使其连续调谐范围更大，波长选择更为精确，一般其连续调谐范围都在7nm以上。这种激光器具有调节速度快，采用现有生产工艺等优点，是目前商用化比较好的。但其缺点也是比较明显的，如输出线宽较宽，控制较为复杂等。

后来人们开始在DBR激光器上增设非均匀的光栅结构，目的就是通过较小的折射

率变化来产生较大的调谐范围。典型的有取样光栅DBR（Sampled Grating DBR，SG-DBR）、超结构光栅DBR（Super Structure Grating DBR，SSG-DBR）及光栅辅助耦合取样光栅DBR（Grating-assisted Coupler with Sampled Grating

DBR）等。其中取样光栅DBR较具代表性。

1.3.1 取样光栅DBR激光器

如图5所示，这种激光器在谐振腔的两端分别有一个取样光栅作为反射光栅。将两取样光栅的光栅间隔设计得略微有些不同，这能使产生的光谱梳有略微不同的模式间隔，只有同时处于两个光栅反射峰值上的模式才有可能形成光的谐振放大。通过改变注入电流来移动其中一个光栅的反射谱，这样便可以使反射峰重合位置发生变化，从而得到不同频率的输出光。同样，这里的相位区也是作为一个精细调节区的，通过此区改变各模式振荡位置来实现准连续的波长调谐，调谐范围可达到上百纳米，而且选择波长更为精确[9]。其缺点就是输出功率较低（2mW），可同样通过与SOA集成的方式实现较大功率的输出。

图5 取样光栅DBR结构示意图及波长调谐原理

1.4 垂直腔面发射激光器（VCSEL）

垂直腔面发射激光器是近几年来新兴的一种可调谐激光器。它一般包括两部分：有源区和上下分布式布喇格反射器，其中有源区的厚度极小，谐振腔的长度也只是波长量级，若要激射就必须提高反射器的反射率[10]。因此，其分布式布喇格反射器被设计成由多层四分之一波长厚度的高低折射率交替外延的材料组成，使得Bragg波长附近的反射率可达99%。

图6所示为可调谐VCSEL的典型结构。上部分DBR可以移动，下部分DBR与衬底相连，中间是一个可以改变厚度的空气隙和量子阱结构的有源区，工作时在有源区加正向电压，注入电流使其产生光子，在上部分DBR加反向电压，由于静电引力作用，使其在衬底方向移动，从而改变了谐振腔长度，实现波长选择[11]。上部

分DBR的固定可通过单悬臂来实现[12]。可调谐VCSEL的谐振腔极短，纵模间隔极宽，因此可连续调谐波长而不会有跳模产生，而且其阈值电流较低，生产成本小，易于二维集成和批量生产。然而，此种结构的分布式布喇格反射器明显增大了器件的串联电阻，从而引发自热效应，导致器件内部温度过高，影响材料的折射率和禁带宽度，降低了器件的输出功率，而且其调节速度也不够快[13]。

图6 微电子机械系统的VCSEL结构示意图

2 可调谐半导体激光器发展趋势

随着远距离和大城市通信的日趋频繁，通信设备供应商开始研究具有快速、灵活开关和重新组合等特性的新一代通信网络，而具有高输出功率、窄线宽、低噪声、高边模抑制比和高可靠性的可调谐激光器恰好能满足这种需求，这也为其发展指明了一个方向[14]。从光子集成以及满足未来全光网络的角度来看，取样光栅DBR、超结构光栅DBR和集成了调制器、放大器的可调谐激光器将有可能成为最有前途的可调谐光源；而光纤光栅外腔可调谐激光器由于其结构简单、线宽窄、易与光纤耦合，同样也受到人们的青睐；此外，近几年来基于光纤激光器的可调谐光纤激光器也有相当大的发展[3]。可以看出，在不久的将来可调谐激光器的性能将会逐步完善，并最终成为市场上的主流通信光源。

与当今世界前沿技术水平相比，目前我国对可调谐半导体激光器的研究还不够成熟，无论是理论方面还是生产工艺方面的水平都还与国际上有着较大的差距。如何在完善单波长激光器性能的基础上发展可调谐技术，改进生产工艺，不断缩小与国外技术水平的差距并最终走到世界前列，这是摆在我国科研人员面前的一项艰巨任务。

3 结束语

由于可调谐半导体激光器自身存在着诸多优势，其在光通信、光测量以及光传感等方面的应用日趋增加。目前半导体微细加工技术、微光学、光子集成技术以及微光机电技术仍在迅速发展并相互渗透，相信可调谐半导体激光器的性能将会不断提高，

成本会不断降低，甚至还可能会出现一些基于新兴技术的可调谐器件。总而言之，随着未来高速大容量光通信系统的不断发展，可调谐半导体技术将会逐渐完善，并反过来促进光通信技术的迅猛发展。

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