光纤通信用半导体激光器

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；进一步加大注入电流，谱峰处的某个波长首先激射，消耗了大部分载流子，压制其它模式的激射，有可能形成单纵模工作；当对FP-LD进行高速调制时，原有的激射模式就会发生变化，出现多模工作。这就决定了FP-LD不能应用于高速光纤通信系统。但是相对其它结构的激光器来说，FP-LD的结构和制作工艺最简单，成本最低，适用于调制速率小于622 Mbit/s的光纤通信系统。目前商用的1.3 ?滋m FP-LD阈值电流在10 mA以下，输出功率在10 mW左右(注入电流为2～3 Ith，Ith为阈值电流)因此在光纤接入网中获得广泛应用。

　　目前FP-LD的主要发展趋势在于研发无制冷器件和进一步降低制作成本。传统的FP-LD的谐振腔通过解理实现，在性能测试的时候需要对解理过的单个尺寸为数百微米量级的激光器进行操作，生产效率较低。如果能用其他方法形成反射镜面，然后在整个衬底上对单个激光器进行测试，则大大提高生产效率并降低成本。采用等离子体刻蚀的方法可以获得垂直光滑的反射镜面，使得这种激光器和传统的端面解理的FP-LD具有相同的性能[1]，并且可以在同一衬底上将激光器和光探测器集成，从而形成了基于整个衬底的激光器加工工艺路线，有可能大大降低成本。

　　3 分布反馈半导体激光器

　　普通结构的分布反馈半导体激光器(DFB-LD)，在高速调制状态下会发生多模工作现象，从而限制了传输速率。因此，设计和制作在高速调制下仍能保持单纵模工作的激光器是十分重要的，这类激光器统称为动态单模(DSM)半导体激光器。实现动态单纵模工作的最有效的方法之一，就是在半导体激光器内部建立一个布拉格光栅，依靠光栅的选频原理来实现纵模选择。分布反馈半导体激光器的特点在于光栅分布在整个谐振腔中，光波在反馈的同时获得增益。因为DFB-LD的谐振腔具有明显的波长选择性，从而决定了它们的单色性优于一般的FP-LD。

　　在DFB-LD中存在两种基本的反馈方式，一种是折射率周期性变化引起的布拉格反射，即折射率耦合(Index-Coupling)，另一种为增益周期性变化引起的分布反馈，即增益耦合(Gain-Coupling)。与依靠两个反射端面来形成谐振腔的FP-LD相比，DFB-LD可能激射的波长所对应的谐振腔损耗是不同的，也就是说DFB-LD的谐振腔本身具有选择模式的能力。在端面反射为零的理想情况下，理论分析指出[2]：折射率耦合DFB-LD在与布拉格波长相对称的位置上存在两个谐振腔损耗相同且最低的模式，而增益耦合DFB-LD恰好在布拉格波长上存在着一个谐振腔损耗最低的模式。也就是说，折射率耦合DFB-LD原理上是双模激射的，而增益耦合DFB-LD是单模激射的。

　　利用内藏布拉格光栅选择工作波长的概念，早在20世纪70年代初就被提出来了，并得到广泛重视。但由于技术原因，有关DFB-LD的研究曾一度进展缓慢。在制作技术的发展过程中，人们发现直接在有源层刻蚀光栅会引入污染和损伤。为此，人们提出了如图1所示的分别限制结构，将光栅刻制在有源层附近的透明波导层上，这样能有效地降低DFB-LD的阈值电流，这种结构在后来被广泛应用。但是这种结构是典型的折射率耦合结构，如何实现这类器件的单模工作就成为DFB-LD的重要研究课题。

图1　分别限制DFB-LD结构示意图

　　对于实际的DFB-LD来说，光栅两端的端面是存在反射的，不仅反射率的强度不为零，而且两个端面的反射相位也不确定。这是由于实际器件制作中，端面位于光栅一个周期中的哪个位置是不可控制的。对于纯折射率耦合DFB-LD来说，在相当一部分相位下，模式简并可以被消除，器件可以实现单模工作。最早的折射率耦合DFB-LD就是通过这种方法实现单模激射的。但是由于反射相位具有随机性，这就导致了单模成品率问题。对于激光器端面无镀膜的情况，这一概率为20%～50%。另外，激光器端面镀膜对DFB-LD的单模成品率有较大的影响，在DFB-LD一个端面镀低反射膜，另一个端面镀高反射膜时，单模成品率可达50%。运用这种方法制作的DFB-LD，在静态工作时，其边模抑制比(SMSR)可大于40 dB，而在高速调制时，其SMSR小于20 dB，不能完全满足高速光通信的需要。在光栅的中心引入一个四分之一波长相移区[3]，是消除双模简并，实现单模工作的有效方法。这种方法的最大优点在于它的模式的阈值增益差大，可以实现真正的动态单模工作。但是，它的制作工艺十分复杂且需要在两个端面蒸镀抗反射膜。

　　对于增益耦合DFB-LD而言，是不存在模式简并问题的。1988年，本文作者罗毅与东京大学的多田邦雄教授等一起率先开始了增益耦合DFB-LD的实验研究，采用金属有机化合物化学气相沉积(MOCVD)技术制作了内含增益光栅的DFB-LD，并引入了抑制折射率耦合的结构，从而有可能实现纯粹的增益耦合[4,5]。此外，采用传统的分别限制异质结结构(SCH)将以往的透明光栅改为吸收损耗光栅的方法也成功地制作了增益耦合DFB-LD。通过研究发现，增益耦合DFB-LD与折射率耦合DFB-LD相比具有一系列优点：制作工艺简单，不需要镀端面抗反射膜；单模选择特性不易受端面反射率的影响，成品率可高达95%；外部反射光引起的噪声低；高速调制下频率展宽(啁啾)小。

　　直接调制DFB-LD的最大优点是在高速调制(2.5 Gbit/s～10 Gbit/s)的情况下仍能保持动态单模，非常适合高速短距离的光纤通信系统，如城域网。目前商业应用的直接调制DFB-LD能够达到阈值电流5 mA左右，在2.5 Gbit/s调制速率下能传输上百公里。调制速率为10 Gbit/s的直接调制DFB-LD正成为新的研发热点。例如日本三菱公司2000年报道的应用于10 Gbit/s局域网传输的直接调制DFB-LD[6]，工作波长为1.3 ?滋m，在P型衬底上采用掩埋结构，光栅为?姿/4相移结构。通过降低电极面积和激光器腔长(腔长为200 ?滋m)，来提高调制带宽。并且通过提高耦合系数来保证器件的高温特性。在25℃～70℃的范围内，调制带宽都在10 GHz以上，在标准单模光纤中传输距离超过20 km。

　　4 DFB-LD/电吸收型调制器集成光源

　　干线传输容量随着光纤通信的发展不断提高。要提高通信容量，就需要窄线宽、低啁啾的光源，DFB-LD因此成为高速光纤通信系统的首选。然而，受注入载流子与光子共振相互作用的限制，直接调制的半导体激光器工作速率难以进一步提高；更重要的是，直接调制的半导体激光器会产生明显的频率啁啾，不能满足高速长距离传输的需要。为此，人们将DFB激光器和外调制器组合成光纤通信发射端的光源，其中激光器工作在直流状态，高频调制信号加载在外调制器上，这样就有可能使光信号兼有单模、窄线宽、低啁啾的优点。由于分立的激光器和调制器存在光耦合次数多、稳定性差、成本高等缺点，人们开始研究DFB-LD和外调制器的集成器件。

　　用于进行集成光源制作的外调制器结构主要分为两类：干涉型和电吸收型，分别以基于多量子阱材料电光效应的Mach-Zehdner调制器和利用量子限制Stark效应的电吸收(EA)型调制器为代表。干涉型调制器虽然具有对工作波长不敏感、啁啾可调的特性，但由于存在制作困难、器件尺寸较大等缺点，目前还难以推广使用。而电吸收型调制器因为具有驱动电压低、器件尺寸小、啁啾可控、制作工艺简单等优点，被广泛地应用于单片集成光源的制作。现在，DFB-LD/EA调制器集成光源已经成为干线光纤通信的首选光源。

　　不少国际知名的光电子公司都推出了2.5 Gbit/s、10 Gbit/s干线光纤通信用DFB-LD/EA调制器的集成光源。需要指出的是，这些集成光源大部分采用折射率耦合DFB-LD/EA调制器集成的方式。作者所在的研究小组在国家“863”计划的资助下，采用部分增益耦合DFB-LD/EA调制器直接集成的技术路线，在国内最早实现了2.5 Gbit/s 1.55 ?滋m DFB-LD/EA调制器单片集成光源[7]。该产品通过了实际传输实验，传输距离可以达到240 km，器件总体性能和国际产品相当。进一步优化器件结构，还研制出调制带宽达到12 GHz的DFB-LD/EA调制器的集成光源，能满足10 Gbit/s干线光纤传输的需要。

　　由于干线光纤通信继续向高速、大容量的方向发展，40 Gbit/s或更高速率的DFB-LD/EA调制器集成光源就成为目前的研究热点。图2所示为日本NTT公司报道的调制速率达到40 Gbit/s的集成光源结构示意图[8]。该集成光源采用分别外延工艺进行制作，其中激光器部分采用六周期压应变InGaAsP量子阱材料作为有源层，而调制器部分则采用十四周期InGaAsP应变补偿量子阱作为的吸收层。为了减小器件的电容，该器件采用了半绝缘InP材料对脊波导结构进行掩埋，并利用聚酰亚胺材料作为调制器电极的填充材料，从而实现40 Gbit/s的高速调制。

图2　采用分别外延工艺制作的40Gbit/s集成光源结构示意图

　　5 波长可选择光源

　　由于密集波分复用(DWDM)技术的迅猛发展，对集成光源提出了新的要求，具有波长可调谐或者波长可选择特性的集成光源成为新的研究热点。

　　波长可调谐是指激光器波长在一定范围内连续可调。目前波长调谐主要基于布拉格反射光栅，通常通过改变温度、注入电流等方法，改变光栅的有效折射率，从而改变光栅的布拉格波长。DFB-LD虽然单模特性稳定，但是波长调谐的范围较小，一般在2 nm左右。目前技术比较成熟的波长可调谐激光器主要基于分布布拉格反射器半导体激光器(DBR-LD)。和DFB-LD相似，DBR-LD也是通过内含布拉格光栅来实现光的反馈的。不过在DBR-LD中，光栅区仅在激光器谐振腔的两侧或一侧，增益区没有光栅，光栅只相当于一个反射率随波长变化的反射镜。其中，三电极DBR-LD是最典型的基于DBR-LD的单模波长可调谐半导体激光器，其原理性结构如图3。3个电极分别对DBR-LD的增益区、相移区和选模光栅注入电流，其中增益区提供增益，光栅区选择纵模，而相移区用来调节相位，使得激光器的谐振波长和光栅的布拉格波长一致。通过调节3个电极的注入电流，其调谐范围可以达到10 nm左右。另外采用特殊的光栅结构，如超结构光栅(SSG)，DBR-LD的波长调谐范围可以达到103 nm。

图3　三电极DBR-LD结构示意图

　　和DFB-LD一样，DBR-LD也需要使用外调制器才能满足长距离传输的需要。1999年，法国France Telecom公司报道了他们制作的DBR-LD/EA调制器集成光源[9]。它由一个两段DBR-LD与一个EA调制器构成，并采用相同的应变补偿InGaAsP多量子阱层作为DBR-LD的有源区和Bragg光栅区以及EA调制器的吸收层。通过改变Bragg光栅区的注入电流，其输出波长可以覆盖12个信道，共5.2 nm的波长调谐范围。同时，该集成器件的调制带宽达到15 GHz，可以应用于10 Gbit/s通信系统。

　　由于DBR-LD是通过改变光栅区的注入电流实现调谐的，这导致了较大的谱线展宽。另外DBR-LD需要调节至少两个以上电极的电流，才能将激射波长固定下来，不利于实际应用，而且DBR-LD纵模的模式稳定性相对较差，极易出现跳模现象，所以近年来有关波长可调谐DBR-LD的研究活动有所减弱。而由于DFB-LD的激射波长相对稳定，人们就将多个波长不同的DFB-LD集成起来，组成波长可选择光源。2000年，日本NEC公司报道了他们制作的波长可选择集成光源[10]。光源含有8个具有不同输出波长的DFB-LD，并采用一个EA调制器对输出光信号进行调制。光源中还集成有一个多模干涉型(MMI)耦合器与一个半导体光放大器(SOA)，用来对8个激光器的输出光进行耦合并对损耗进行补偿。该器件采用介质膜选择性区域外延进行制作，可以作为2.5 Gbit/s DWDM光纤网络的光源，能够有效地提高系统的灵活性与可靠性。但是这种光源需要在同一衬底上制作不同激射波长的DFB-LD，其无论对材料的外延生长工艺还是对器件的后加工工艺，都有非常高的要求。

　　6 垂直腔面发射激光器

　　以上所说的各种激光器都是边发射激光器，激光从激光器的侧面输出，只能进行一维集成，很难制作二维集成器件。但是，光数据传输的发展需要能够二维集成的器件，而垂直腔面发射激光器(VCSEL)是一个很好的选择。与边发射激光器最大的不同点是，它的出射光垂直于器件的外延表面，即平行于外延生长的方向。图4为其典型结构图。其上下分别为分布布拉格反射(DBR)介质反射镜，中间为量子阱有源区，氧化层有助于形成良好的电流及光场限制结构，电流由P、N电极注入，光由箭头方向发出。

图4　VCSEL的典型示意图

　　与侧面发光激光器相比，VCSEL在原理上有如下优点：由于其有源区体积极小从而具有极低阈值电流；采用DBR结构，从而能动态单模工作；由于有源区内置而导致很长寿命(如107 h)；光束质量高，容易与光纤耦合；可在片测试，极大降低成本；可形成高密度二维阵列；与LSI集成兼容。在这些优点当中，最吸引人的是它的制造工艺和发光二极管(LED)兼容，大规模的制造成本很低，且容易二维集成，并能在片测试。人们预言，VCSEL将主要在以下几方面获得广泛应用。

　　(1)光互连

　　如果在印刷电路板上使用金属连接电路，则在将来很难满足中等距离(60 cm)、大吞吐量(1 Gbit/s)的点对点的互连。如果使用光互连器件，则可在各个方面满足要求。目前已发表了很多此方面的研究成果。例如，David V.Plant等报道了将VCSEL与0.35 ?滋m CMOS 驱动电路集成在同一衬底上，并实现了256路光双向互连[11]。目前上百吉比特每秒的并行光互连产品已经商业化，主要用于计算机及通信系统芯片级、板级、设备级的高速并行连接。

　　(2)吉比特局域网

　　吉比特局域网将是未来VCSEL的一个前途广阔的应用领域。VCSEL在其中凸现其光束特性好、易耦合、调制速率高、价格低廉的优势，很多人认为VCSEL必将取代LED、FP-LD在局域网中的地位。Kenichi Nishi 等报道了用于10 Gbit/s以太网的VCSEL，其材料为GaAsSb/GaAs[12]，这是一种能工作在1 300 nm附近的新型材料。在光纤吉比特以太网中，VCSEL(850 nm)主要用于工作在250 m距离范围内的多模光纤的光源。如IEEE 802.3千兆以太网1000BASE-SX 系列标准中采用低成本VCSEL作为光源。最近Petar Pepeljugoski等报道了成功地采用下一代多模光纤进行15.6 Gbit/s，1 km和20 Gbit/s，200 m的传输试验[13]，试验系统性能指标符合粗波分复用(CWDM) 2×20 Gbit/s以太网标准。此外，随着VCSEL在短波及长波方面的进展，它还可用于高密度光存储、平面显示、照明、二维光信息处理等应用领域。

　　虽然VCSEL在上述领域中得到了很好的应用，但由于器件结构及生长材料的原因，其依然存在着基横模输出功率不高、散热困难、极化控制困难及在长波长方面表现不理想等问题，这限制了它在长途干线通信等领域中的应用。VCSEL还需要在克服上述困难方面作进一步努力。

　　7 小结

　　以上介绍了目前光纤通信系统具有代表性的几种光源。我们可以看出，对于光通信来说，这些光源都具有各自的特点，适用于光纤通信的不同领域，可以说是光纤通信的基础器件，是推动光纤通信发展的基本要素。全球光通信发展要求开发大量的、各个层次要求的光电子基础器件，未来的市场前景非常广阔。

　　中国对光电子技术和产业的发展非常重视，经过十几年的发展，光电子产业已有一定的规模。但是对基础器件的研究开发力度还不够，核心技术大部分还依赖国外厂商，现有产业多在下游产品发展，利润小、受制于人且发展空间受限。进一步深入研究和开发光电子基础器件，发展具有自主知识产权的核心光电子器件产业，是中国光通信产业和学科未来发展的必由之路。

　　参考文献

1 Vettiger P, Benedict M K. Full-Wafer Technology—A New Approach to Large-Scale Laser Fabrication and Integration. IEEE J Quantum Electronics, 1991,27(6)
2 Kogelnic H, Shank C V. Coupled-Wave Theory of Distributed Feedback Lasers. Jpn J Appl Phys, 1972,43:2327—2335
3 Utaka K, Akiba S, Sakai K, et al. ?姿/4-Shifted InGaAsP/InP DFB lasers. IEEE J Quantum Electron, 1986,22(70):1042—1051
4 Luo Y, Nakano Y, Tada K. Fabrication and Characteristics of a Gain-Coupled Distributed-Feedback Laser Diode. Extended Abstracts of 20th International Conference of Solid State Devices and Materials, Tokyo, 1988:327—330
5 Luo Y, Nakano Y, Tada K. Fabrication and Characteristics of the Gain-Coupled Distributed Feedback Semiconductor Lasers with a Corrugated Active Layer. IEEE J Quantum Electron, 1991,27(6):1724—1731
6 Sakaino G, Hisa Y. Transmission Characteristics of Uncooled and Directly Modulated 1.3 Micrometer Distributed Feedback Laser Diode for Serial 10 Giga Bit Ethernet. IEEE, 2000:89
7 Luo Y,Wang G P,Sun C Z, et al. 2.5 Gb/s Electro-Absorption Modulator Integrated with Partially Gain-Coupled Distributed Feedback Laser Fabricated Using a Very Simple Device Structure. Jpn J Appl Phys, 1999,38(5):524—526
8 Takeuchi H, Tsuzuki K. NRZ Operation at 40 Gb/s of a Compact Module Containing an MQW Electro-Absorption Modulator Integrated with a DFB Laser. IEEE Photon Technol Lett, 1997,9(5):572—574
9 Ramdane A, Meichenin D, Vergnol E. Tunable Distributed Bragg Reflector Laser-Electroabsorption Modulator Based on Identical Active Layer Monolithic Integration Approach. IEEE Photon Electron Lett, 1999,35(19):1637—1639
10 Kudo K, Yashiki K. 1.55-μm Wavelength-Selectable Microarray DFB-LD's
with Monolithically Integrated MMI Combiner, SOA, and EA-Modulator. IEEE Photon Technol Lett, 2000,12(3):242—244
11 Plant D V, Venditti M B, Laprise E. 256-Channel Bidirectional Optical Interconnect Using VCSELs and Photodiodes on CMOS. Lightwave Technology, 2001,19(8):1093—1103
12 Nishi K, Anan T. GaAsSb/GaAs 1.3-/spl mu/m-VCSELs for 10 G-bit Ethernet, Advanced Semiconductor Lasers and Applications/Ultraviolet and Blue Lasers and Their Applications/Ultralong Haul DWDM Transmission and Networking/WDM Components 2001. Digest of the LEOS Summer Topical Meetings, 2001:2
13 Petar Pepeljugoski. 15.6-Gb/s Transmission over 1 km of Next Generation Multimode Fiber. IEEE Photon Technol Lett, 2002,14(5)

[摘要] 半导体激光器是光纤通信用的主要光源，由于光纤通信系统具有不同的应用层次和结构，因而需要不同类型的半导体激光器。文章根据目前光纤通信系统的发展趋势，介绍几种典型的光纤通信用半导体激光器件？？法布里-珀罗激光器、分布反馈半导体激光器、电吸收型调制器集成光源、波长可选择光源、垂直腔面发射激光器的特点和发展方向。

[关键词] 半导体激光器；分布反馈；分布布拉格反射器；电吸收型调制器；垂直腔面发射器

[Abstract] 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.

[Keywords] Semiconductor Laser; Distributed feedback; Distributed Bragg reflector; Electro-absorption modulator; VCSEL