可調(diào)激光器,什么是可調(diào)激光器

目前可調(diào)諧激光器可以分為很多類，如果從可調(diào)范圍來講，可分為窄范圍可調(diào)激光器和寬范圍可調(diào)激光器，窄范圍可調(diào)激光器在幾百GHz范圍內(nèi)可調(diào)，而寬范圍可調(diào)激光器在整個(gè)C波段可調(diào)。如果按照激光器不同結(jié)構(gòu)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(fā)射激光器（VCSEL）等等；如果從實(shí)現(xiàn)技術(shù)上看主要分為：電流控制技術(shù)、溫度控制技術(shù)和機(jī)械控制技術(shù)等類型。其中電控技術(shù)是通過改變注入電流實(shí)現(xiàn)波長(zhǎng)的調(diào)諧，具有ns級(jí)調(diào)諧速度，較寬的調(diào)諧范圍，但輸出功率較小，基于電控技術(shù)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(shù)是通過改變激光器有源區(qū)折射率，從而改變激光器輸出波長(zhǎng)的。該技術(shù)簡(jiǎn)單，但速度慢，可調(diào)帶寬窄，只有幾個(gè)nm。基于溫控技術(shù)的主要有DFB（分布反饋）和DBR（分布布拉格反射）激光器。機(jī)械控制主要是基于MEMS（微機(jī)電系統(tǒng)）技術(shù)完成波長(zhǎng)的選擇，具有較大的可調(diào)帶寬、較高的輸出功率。基于機(jī)械控制技術(shù)的主要有DFB、ECL和VCSEL等結(jié)構(gòu)。

不論可調(diào)激光器有何特殊結(jié)構(gòu)，它們都包含三個(gè)基本要素：具有有源增益區(qū)和諧振腔的源二極管；一個(gè)用來改變和選擇波長(zhǎng)的調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)；穩(wěn)定波長(zhǎng)輸出的工具。除了VCSEL，源二極管通常為Fabry Perot（FP）型的變體；調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)可以是溫控、電流控制或機(jī)械控制的，包括微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)。而輸出波長(zhǎng)穩(wěn)定性則是通過采用某種波長(zhǎng)鎖定器或在反饋控制回路中使用標(biāo)準(zhǔn)具來實(shí)現(xiàn)的。

1.FP激光二極管

FP激光二極管在光子行業(yè)廣為應(yīng)用。典型的FP二極管是多外延層半導(dǎo)體芯片，含有有源層和某種內(nèi)部波導(dǎo)結(jié)構(gòu)。外延結(jié)構(gòu)由復(fù)合半導(dǎo)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(yīng)用的砷磷銦鎵化合物（InGaAsP）。

圖1. 在分布式反饋設(shè)計(jì)中（a），將衍射光柵集成到二極管的有源區(qū)；而在分布式Bragg反射器的設(shè)計(jì)方案中(b)，光柵被放在與有源區(qū)相連的單獨(dú)區(qū)域，盡管兩種方案中它們都是作為單芯片生產(chǎn)的。

通過控制任一端橫截反射面的反射率，可在波導(dǎo)管內(nèi)形成諧振腔。這些二極管通常寬250微米，長(zhǎng)500—1000微米，厚100微米，沿二極管的長(zhǎng)軸形成諧振腔。而輸出波長(zhǎng)則為增益材料的函數(shù)，因?yàn)樗恼凵渎士刂浦庾铀俣群椭C振腔的幾何形狀。

實(shí)際上，F(xiàn)P二極管在幾個(gè)微米的范圍發(fā)出幾個(gè)間隔極近的波長(zhǎng)，輸出對(duì)于溫度和輸入電流的細(xì)微變化也十分敏感。由于DWDM波長(zhǎng)僅間隔0.8mm或更小，為了給光通訊網(wǎng)絡(luò)提供必要的控制，對(duì)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(guān)DFB的可調(diào)激光器是最常見的設(shè)計(jì)方案之一。每一種都用到帶附加衍射光柵的FP增益區(qū)。衍射光柵（通常指Bragg光柵或Bragg反射器）為光信號(hào)振蕩提供反饋，并能根據(jù)光柵間距選擇一個(gè)單模或波長(zhǎng)。在DFB設(shè)計(jì)方案中，光柵被集成到二極管的有源區(qū)域；而在DBR設(shè)計(jì)方案中，光柵位于與有源區(qū)域相連的獨(dú)立區(qū)（見圖1）。盡管它們都是作為單塊芯片生產(chǎn)的。

調(diào)整諧振腔半導(dǎo)體材料的折射率可以改變DFB和DBR的波長(zhǎng)，當(dāng)光子在兩個(gè)反射表面間傳播時(shí)，折射率影響著激光發(fā)射的條件。折射率可通過溫度控制或調(diào)節(jié)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(chǎng)，這種反射器通過在諧振腔的另一端增加一個(gè)衍射光柵而擴(kuò)展了調(diào)節(jié)范圍。

DFBs提供良好的功率輸出（~10 mW），但可調(diào)范圍限制在2—5 nm。正如富士通（Richardson，TX）所做，把多個(gè)DFB二極管排列在單個(gè)芯片上和合并它們的輸出，可以拓寬調(diào)節(jié)范圍。但隨之而來，構(gòu)造和控制變將得相當(dāng)復(fù)雜，輸出功率也會(huì)有所減小。目前在基本性能基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)后，已開發(fā)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(chǎng)，它通過在諧振腔另一端增加一個(gè)衍射光柵而拓寬了調(diào)節(jié)范圍（見圖2）。每個(gè)光柵有一個(gè)微小的間距差，通過改變流經(jīng)光柵諧振腔的電流來調(diào)節(jié)輸出波長(zhǎng)。它依次改變其折射率、選擇匹配的諧振頻率并產(chǎn)生相應(yīng)的輸出波長(zhǎng)。

SGDBRs提供了較寬的調(diào)節(jié)范圍，可以達(dá)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(gè)半導(dǎo)體光放大器（SOA）區(qū)，可獲得達(dá)到10mW的高功率，但這樣做會(huì)增加成本和復(fù)雜性。

DBR的另一個(gè)版本是ADC （Minneapolis）的取樣光柵耦合器反射器，它包括四個(gè)區(qū)域：增益區(qū)、Bragg反射器、耦合器和相位調(diào)整；采用三個(gè)電流信號(hào)進(jìn)行調(diào)節(jié)。電流控制的波導(dǎo)耦合器工作起來象一個(gè)粗調(diào)裝置，用來產(chǎn)生從Bragg反射器（電流控制）到相位調(diào)整區(qū)（也采用電流控制）的窄范圍波長(zhǎng)，而相位高速區(qū)則好象一個(gè)微調(diào)區(qū)域（見圖2）。正如大部分多區(qū)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(diào)節(jié)區(qū)域的代價(jià)，即去掉粗調(diào)區(qū)域。DFB和DBR激光器的典型線寬范圍是5—20 MHz，這將會(huì)導(dǎo)致色散問題。

3.外諧振腔激光器

ECL采用一個(gè)位于有源半導(dǎo)體區(qū)域外部的諧振腔，通常是一個(gè)簡(jiǎn)單FP增益芯片。一個(gè)相對(duì)較大的諧振腔包括了機(jī)械可調(diào)式（而不是電流或溫度控制）的反射鏡/衍射光柵結(jié)構(gòu)，可用來調(diào)節(jié)信號(hào)。ECL通常基于Littrow諧振腔或Littman-Metcalf諧振腔設(shè)計(jì)。兩種設(shè)計(jì)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(zhǔn)直鏡到達(dá)位于二極管另一端的諧振腔。

Littrow諧振腔是兩種設(shè)計(jì)方案中較簡(jiǎn)單的一種，它采用了衍射光柵，通過將光束衍射回有源區(qū)，此光柵相當(dāng)于諧振腔的一個(gè)反射鏡。通過機(jī)械地旋轉(zhuǎn)光柵來調(diào)諧，因?yàn)樗淖兞斯鈻诺挠行чg距。Littman-Metcalf設(shè)計(jì)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(qū)。通過旋轉(zhuǎn)鏡面改變諧振腔的有效長(zhǎng)度可以達(dá)到調(diào)諧的目的。

圖3.外諧振腔激光器所發(fā)出的光波的一個(gè)例子，此裝置采用位于標(biāo)準(zhǔn)蝶形封裝內(nèi)的一個(gè)非機(jī)械式、無光柵的光電調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)。

因?yàn)榫哂休^高輸出功率、更寬調(diào)節(jié)范圍和窄線寬，ELC有潛能具有較好性能，但是傳統(tǒng)上它們的體積和成本都太大，從而在光網(wǎng)絡(luò)上難有實(shí)用價(jià)值。而且，它們的機(jī)械設(shè)計(jì)也會(huì)具有滯后性并產(chǎn)生細(xì)微磨損，這也將影響通訊應(yīng)用所要求的長(zhǎng)期可靠性。不過，新調(diào)節(jié)元件設(shè)計(jì)允許ECL方案將其高功率和寬調(diào)節(jié)范圍的優(yōu)點(diǎn)融合到相應(yīng)光纖網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的構(gòu)造中。

New Focus開發(fā)了基于機(jī)械調(diào)節(jié)元件的ECL以適應(yīng)光網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用。調(diào)節(jié)機(jī)理為專利所有，不過據(jù)說它可在整個(gè)C波段提供20-mW輸出，且包裝緊湊，適于網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用，機(jī)械可靠性達(dá)到電訊標(biāo)準(zhǔn)。而在另一種ECL里，iolon采用了MEMS技術(shù)以在微型Littman-Metcalf結(jié)構(gòu)中旋轉(zhuǎn)微型鏡片。由標(biāo)準(zhǔn)蝶形封裝的iolon ECL可在C波段上提供14-mW的輸出功率，轉(zhuǎn)換速度可達(dá)15-msec。

Blue Sky Research (Milpitas, CA)也開發(fā)出了小型ECL，在標(biāo)準(zhǔn)蝶形封裝內(nèi)采用非機(jī)械式、非光柵的光電調(diào)節(jié)機(jī)制。已經(jīng)驗(yàn)證它可達(dá)微秒級(jí)的調(diào)節(jié)速度，在整個(gè)C波段輸出功率可達(dá)20 mW。

4.VCSELs

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

VCSELs很小，可以達(dá)到很大的生產(chǎn)密度，可在一個(gè)單獨(dú)的3.5-inch 晶片上生成多達(dá)20,000個(gè)VCSELs。因?yàn)閂CSEL是從其表面發(fā)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(cè)試也可在晶片上進(jìn)行，這將極大增加生產(chǎn)量和降低成本。可調(diào)的VCSELs在諧振腔的頂部集成了一個(gè)可移動(dòng)的MEMS鏡面結(jié)構(gòu)，通過改變長(zhǎng)度來調(diào)節(jié)輸出波長(zhǎng)。可調(diào)范圍可覆蓋整個(gè)C波段，轉(zhuǎn)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(shí)現(xiàn)直接調(diào)制，這意味著消除外部調(diào)節(jié)器并降低工作電流從而減少對(duì)散熱設(shè)備的需求。

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

采用小諧振腔的另一個(gè)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(diào)制器通常耗費(fèi)激光器的連續(xù)波輸出的一大部分，直接調(diào)制2-mW VCSEL可以抵得上10-mW外部調(diào)制激光器。

盡管VCSELs統(tǒng)治著850-nm LAN和SAN市場(chǎng)，但在獲取材料和生產(chǎn)方面遇到的困難阻擋它們進(jìn)入C波段應(yīng)用領(lǐng)地。因?yàn)閂CSEL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(tǒng)形成了良好的鏡面，但不能用于1550-nm C波段增益區(qū)。C波段DBRs和ECLs使用的InGaAsP/InP能形成滿意的增益區(qū)，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(qū)生長(zhǎng)，這就限制了材料的使用。

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

Bandwidth9生產(chǎn)的直接調(diào)制的可調(diào)VCSEL正是以這種方法為基礎(chǔ)，并加上一個(gè)整合在MEMS調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)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(gè)集成的光放大器結(jié)合使用可達(dá)到1 mW）。

其它方法包括晶片粘接，通過分別構(gòu)建增益區(qū)和反射鏡并把它們?cè)诟邷睾蛪毫ο抡辰釉谝黄穑朔椒朔司Ц衿ヅ鋯栴}。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(xiàn)了，如空隙等，在粘結(jié)過程中，多步驟生產(chǎn)過程還增加了成本。象這種Nortel Networks使用的混合方法，使用一個(gè)額外的泵浦激光器和外部MEMS反射鏡，按照設(shè)計(jì)可在1550 nm獲得20-mW功率。