可調激光器,什么是可調激光器

目前可調諧激光器可以分為很多類，如果從可調范圍來講，可分為窄范圍可調激光器和寬范圍可調激光器，窄范圍可調激光器在幾百GHz范圍內可調，而寬范圍可調激光器在整個C波段可調。如果按照激光器不同結構來劃分的話，可分為分布反饋（DFB）激光器、分布布拉格反射（DBR）激光器、采樣光柵DBR（SG-DBR）激光器、外腔激光器（ECL）和垂直腔表面發射激光器（VCSEL）等等；如果從實現技術上看主要分為：電流控制技術、溫度控制技術和機械控制技術等類型。其中電控技術是通過改變注入電流實現波長的調諧，具有ns級調諧速度，較寬的調諧范圍，但輸出功率較小，基于電控技術的主要有SG-DBR（采樣光柵DBR）和GCSR（輔助光柵定向耦合背向取樣反射）激光器。溫控技術是通過改變激光器有源區折射率，從而改變激光器輸出波長的。該技術簡單，但速度慢，可調帶寬窄，只有幾個nm。基于溫控技術的主要有DFB（分布反饋）和DBR（分布布拉格反射）激光器。機械控制主要是基于MEMS（微機電系統）技術完成波長的選擇，具有較大的可調帶寬、較高的輸出功率。基于機械控制技術的主要有DFB、ECL和VCSEL等結構。

不論可調激光器有何特殊結構，它們都包含三個基本要素：具有有源增益區和諧振腔的源二極管；一個用來改變和選擇波長的調節機構；穩定波長輸出的工具。除了VCSEL，源二極管通常為Fabry Perot（FP）型的變體；調節機構可以是溫控、電流控制或機械控制的，包括微機電系統(MEMS)。而輸出波長穩定性則是通過采用某種波長鎖定器或在反饋控制回路中使用標準具來實現的。

1.FP激光二極管

FP激光二極管在光子行業廣為應用。典型的FP二極管是多外延層半導體芯片，含有有源層和某種內部波導結構。外延結構由復合半導體材料組成，如典型的磷化銦（InP）或用于C波段(1525-1565-nm)二極管應用的砷磷銦鎵化合物（InGaAsP）。

圖1. 在分布式反饋設計中（a），將衍射光柵集成到二極管的有源區；而在分布式Bragg反射器的設計方案中(b)，光柵被放在與有源區相連的單獨區域，盡管兩種方案中它們都是作為單芯片生產的。

通過控制任一端橫截反射面的反射率，可在波導管內形成諧振腔。這些二極管通常寬250微米，長500—1000微米，厚100微米，沿二極管的長軸形成諧振腔。而輸出波長則為增益材料的函數，因為它的折射率控制著光子速度和諧振腔的幾何形狀。

實際上，FP二極管在幾個微米的范圍發出幾個間隔極近的波長，輸出對于溫度和輸入電流的細微變化也十分敏感。由于DWDM波長僅間隔0.8mm或更小，為了給光通訊網絡提供必要的控制，對FP二極管的制作精度要求就很高。

2.分布式Bragg反射器

基于DBR和有關DFB的可調激光器是最常見的設計方案之一。每一種都用到帶附加衍射光柵的FP增益區。衍射光柵（通常指Bragg光柵或Bragg反射器）為光信號振蕩提供反饋，并能根據光柵間距選擇一個單模或波長。在DFB設計方案中，光柵被集成到二極管的有源區域；而在DBR設計方案中，光柵位于與有源區域相連的獨立區（見圖1）。盡管它們都是作為單塊芯片生產的。

調整諧振腔半導體材料的折射率可以改變DFB和DBR的波長，當光子在兩個反射表面間傳播時，折射率影響著激光發射的條件。折射率可通過溫度控制或調節流過的電流來改變。

圖2. 一些商家正將采樣光柵分布式Bragg反射器投入市場，這種反射器通過在諧振腔的另一端增加一個衍射光柵而擴展了調節范圍。

DFBs提供良好的功率輸出（~10 mW），但可調范圍限制在2—5 nm。正如富士通（Richardson，TX）所做，把多個DFB二極管排列在單個芯片上和合并它們的輸出，可以拓寬調節范圍。但隨之而來，構造和控制變將得相當復雜，輸出功率也會有所減小。目前在基本性能基礎上進行改進后，已開發出幾種DBR。

Agility Communications和Marconi正把取樣光柵分布式Bragg反射器投入市場，它通過在諧振腔另一端增加一個衍射光柵而拓寬了調節范圍（見圖2）。每個光柵有一個微小的間距差，通過改變流經光柵諧振腔的電流來調節輸出波長。它依次改變其折射率、選擇匹配的諧振頻率并產生相應的輸出波長。

SGDBRs提供了較寬的調節范圍，可以達到C波段，但它們通常局限在約2 mW低功率輸出。在芯片上增加一個半導體光放大器（SOA）區，可獲得達到10mW的高功率，但這樣做會增加成本和復雜性。

DBR的另一個版本是ADC （Minneapolis）的取樣光柵耦合器反射器，它包括四個區域：增益區、Bragg反射器、耦合器和相位調整；采用三個電流信號進行調節。電流控制的波導耦合器工作起來象一個粗調裝置，用來產生從Bragg反射器（電流控制）到相位調整區（也采用電流控制）的窄范圍波長，而相位高速區則好象一個微調區域（見圖2）。正如大部分多區域的激光二極管，犧牲了功率輸出，即低于2mW。功率輸出也可以增加，但得付出調節區域的代價，即去掉粗調區域。DFB和DBR激光器的典型線寬范圍是5—20 MHz，這將會導致色散問題。

3.外諧振腔激光器

ECL采用一個位于有源半導體區域外部的諧振腔，通常是一個簡單FP增益芯片。一個相對較大的諧振腔包括了機械可調式（而不是電流或溫度控制）的反射鏡/衍射光柵結構，可用來調節信號。ECL通常基于Littrow諧振腔或Littman-Metcalf諧振腔設計。兩種設計方案中，二極管的一面被涂上防反射膜，激光器的輸出可直接通過準直鏡到達位于二極管另一端的諧振腔。

Littrow諧振腔是兩種設計方案中較簡單的一種，它采用了衍射光柵，通過將光束衍射回有源區，此光柵相當于諧振腔的一個反射鏡。通過機械地旋轉光柵來調諧，因為它改變了光柵的有效間距。Littman-Metcalf設計方案既使用衍射光柵，也使用反射鏡，由此衍射光柵將光衍射至反射鏡上，再將光束反射回光柵和有源區。通過旋轉鏡面改變諧振腔的有效長度可以達到調諧的目的。

圖3.外諧振腔激光器所發出的光波的一個例子，此裝置采用位于標準蝶形封裝內的一個非機械式、無光柵的光電調節機構。

因為具有較高輸出功率、更寬調節范圍和窄線寬，ELC有潛能具有較好性能，但是傳統上它們的體積和成本都太大，從而在光網絡上難有實用價值。而且，它們的機械設計也會具有滯后性并產生細微磨損，這也將影響通訊應用所要求的長期可靠性。不過，新調節元件設計允許ECL方案將其高功率和寬調節范圍的優點融合到相應光纖網絡應用的構造中。

New Focus開發了基于機械調節元件的ECL以適應光網絡應用。調節機理為專利所有，不過據說它可在整個C波段提供20-mW輸出，且包裝緊湊，適于網絡應用，機械可靠性達到電訊標準。而在另一種ECL里，iolon采用了MEMS技術以在微型Littman-Metcalf結構中旋轉微型鏡片。由標準蝶形封裝的iolon ECL可在C波段上提供14-mW的輸出功率，轉換速度可達15-msec。

Blue Sky Research (Milpitas, CA)也開發出了小型ECL，在標準蝶形封裝內采用非機械式、非光柵的光電調節機制。已經驗證它可達微秒級的調節速度，在整個C波段輸出功率可達20 mW。

4.VCSELs

VCSELs采用完全不同的方法解決可調激光器問題，這種方法有令人振奮的前景但頗具挑戰性。和DBRs 與 ECLs一樣，VCSELs是以外延法生長的半導體，但它的諧振腔相對半導體層面是垂直的而非橫向的。在一對鏡面間包含一個量子井增益區，從而形成諧振腔（見圖4）。它的增益區特別窄，大約只有幾十個納米。

VCSELs很小，可以達到很大的生產密度，可在一個單獨的3.5-inch 晶片上生成多達20,000個VCSELs。因為VCSEL是從其表面發射出激光，所以在晶片上幾乎可以完成制造過程，而且全部測試也可在晶片上進行，這將極大增加生產量和降低成本。可調的VCSELs在諧振腔的頂部集成了一個可移動的MEMS鏡面結構，通過改變長度來調節輸出波長。可調范圍可覆蓋整個C波段，轉換速度小于10 msec。

小諧振腔和高反射率鏡面可以提高效率和實現直接調制，這意味著消除外部調節器并降低工作電流從而減少對散熱設備的需求。

圖4. 對于垂直諧振腔表面放射激光器（VCSEL），諧振腔相對半導體層面是垂直而非橫向的。在一對鏡面間包含一個量子井增益區，從而形成諧振腔。

采用小諧振腔的另一個后果是降低了輸出功率，通常在1-2 mW之間。但是，既然外部調制器通常耗費激光器的連續波輸出的一大部分，直接調制2-mW VCSEL可以抵得上10-mW外部調制激光器。

盡管VCSELs統治著850-nm LAN和SAN市場，但在獲取材料和生產方面遇到的困難阻擋它們進入C波段應用領地。因為VCSEL的諧振腔很小，所以只有極高反射率鏡面才能獲得良好輸出功率。

850-nm VCSELs的AlGaAs/GaAs系統形成了良好的鏡面，但不能用于1550-nm C波段增益區。C波段DBRs和ECLs使用的InGaAsP/InP能形成滿意的增益區，然而其鏡面卻很糟糕。遺憾的是，由于晶格的不匹配，GaAs/AlGaAs鏡面不能直接由InGaAsP/InP增益區生長，這就限制了材料的使用。

VCSEL開發者正采用幾個十分不同的方法將波長延伸至C波段。外延技術把諸如InGaAs 或InGaAsN的新材料用到增益區，通過改變它們的相對比例以使它們能夠在GaAs/AlGaAs基體上生長而成。這通常涉及某種類型的“應變層（strained layer）補償區域”以解決晶格的不匹配。

Bandwidth9生產的直接調制的可調VCSEL正是以這種方法為基礎，并加上一個整合在MEMS調節結構里的非晶格匹配的頂端反射鏡。Bandwidth9的VCSEL覆蓋了C波段，輸出功率大約是0.5-mW（與一個集成的光放大器結合使用可達到1 mW）。

其它方法包括晶片粘接，通過分別構建增益區和反射鏡并把它們在高溫和壓力下粘接在一起，此方法克服了晶格匹配問題。雖然這樣做消除了由于晶格不匹配造成的缺陷，但新問題出現了，如空隙等，在粘結過程中，多步驟生產過程還增加了成本。象這種Nortel Networks使用的混合方法，使用一個額外的泵浦激光器和外部MEMS反射鏡，按照設計可在1550 nm獲得20-mW功率。