半導體激光器在超高速光網絡中的應用

光通信的快速發(fā)展對光電子器件提出了更高的要求。基于超高速光傳輸網絡、光以太網及接入網對通信用半導體激光器的性能要求，結合中國光電子器件具體情況，對半導體激光器的性能、研究狀態(tài)及應用進行了探討。

超高速光網絡；半導體激光器；線寬；可調諧；直接調制

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 光網絡的發(fā)展趨勢及

對激光器的要求

由于因特網業(yè)務的爆炸式增長，全球對網絡帶寬的需求日益增加。因此，作為信息承載和傳輸的光纖通信網絡發(fā)展呈現(xiàn)一個重要趨勢：即業(yè)界對超高速率、超大容量光纖通信系統(tǒng)的需求愈加急迫。在骨干光傳輸網方面，在相干檢測和先進的多級調制技術的推動下，目前商用密集波分復用（DWDM）系統(tǒng)中每個通道的速率也從10 Gb/s上升到40 Gb/s，并快速越過40 Gb/s技術直接向100 Gb/s甚至更高速率的系統(tǒng)升級[1-3]；在光以太網方面，由于大量視頻業(yè)務導致的帶寬需求急劇增加，40G/100G以太網的標準化被迅速提上了日程；而在光接入網方面，基于波分復用技術的無源光網絡（WDM-PON）系統(tǒng)被大規(guī)模應用從而提高用戶的接入帶寬，部分系統(tǒng)的速率已經能夠到達10 Gb/s以上[4]。而光網絡的飛速發(fā)展毫無疑問地對相關光電器件的性能提出了更高的要求。

1.1 基于多級調制格式的相干

光通信系統(tǒng)

在骨干光傳輸網方面，有關組織已經規(guī)定了基于相干檢測技術的偏振復用正交相移鍵控（PM-QPSK）調制格式作為100 Gb/s超長距離傳輸側的首選。采用PM-QPSK的系統(tǒng)具有靈敏度高、傳輸距離遠的優(yōu)點；另外，相干檢測對接收端的信號進行線性的變換，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損耗等都可以通過數字信號處理的方式進行補償，也就是說基于相干檢測技術的PM-QPSK系統(tǒng)對這些損傷有更大的容限。

雖然相干檢測技術能夠帶來諸多好處，但它對相關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的比特信息，而系統(tǒng)的發(fā)送和接收端都需要一個激光光源，因此，具有低相位噪聲的可調諧激光器才是相干光通信系統(tǒng)中的理想光源[5]。考慮到激光器的線寬與相位噪聲成正比關系，為了保證相干光通信系統(tǒng)的性能，窄線寬可調諧激光器變得不可或缺。在40 Gb/s的相干光通信系統(tǒng)中，如果使用經典的M階相位估計方法，為保證在誤碼率（BER）為10-4時線寬引入的光信噪比（OSNR）代價小于1 dB，使用QPSK調制格式對線寬的容限是4.4 MHz。系統(tǒng)對線寬的容限會隨著調制格式復雜度的增加而降低，特別是當相位狀態(tài)數多于8種狀態(tài)時，比如對于8-PSK、16-PSK調制，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)的實際應用中，為了保險起見，一般要求激光器的線寬小于500 kHz。另外，除了對激光器的線寬有較為嚴格的要求外，對于50 GHz的DWDM系統(tǒng)，還需要激光器的輸出波長精確度能夠在±2.5 GHz范圍內，這就需要在激光器模塊中加入波長鎖定的裝置。

1.2 相干光正交頻分復用系統(tǒng)

為了實現(xiàn)更高速率的傳輸，一個研究重點是在PM-QPSK技術上進行擴展，采用編碼效率更高的調制格式，如M階正交幅度調制（M-ary QAM）[6]，這種方式的好處在于能夠在現(xiàn)有系統(tǒng)上進行平滑升級；另一個熱門研究方向是基于相干檢測的光正交頻分復用（CO-OFDM）技術，通過帶寬復用的方式，CO-OFDM能夠支持太比特每秒的速率傳輸數千公里，它也被認為是超100 Gb/s光傳輸技術中最有前景的方案[7]。在CO-OFDM系統(tǒng)中，由于同樣采用相干檢測的方式對多個子載波進行解調，因此在需要激光器具有低相位噪聲的同時還需具備大范圍連續(xù)調節(jié)的能力。

1.3 高速以太網及接入網

隨著寬帶業(yè)務的密集應用及云服務的快速發(fā)展，為滿足運營骨干網，企業(yè)數據中心對更高帶寬的要求，平滑升級的100 Gb/s以太網將是最佳提升帶寬的方案。100 Gb/s以太網主要有兩種使用WDM技術的標準，分別對應10 km及40 km傳輸距離的運用。在這里光源為直接調制或者單片集成調制器調制，要求調制動態(tài)消光比需要達到4 dB或者8 dB。由于主要運用于局域網絡中，工作環(huán)境較為惡劣，成本控制嚴格，通常要求激光器溫度特性好，具備無制冷工作能力，對激光器線寬，波長準確度等的要求相對比較寬松。

在接入網方面，近年來基于波分復用技術的無源光網絡收到了重視，在WDM-PON網絡中，每個用戶被分配一對波長，因此用在光網絡單元（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，它對激光器的線寬、輸出功率以及中心波長穩(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絡對激光器性能的需求。

2 半導體激光器的性能

特點及發(fā)展趨勢

綜合前述對現(xiàn)今超高速光通信網絡的發(fā)展趨勢，可以看出在光網絡不同的應用層面對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）和大范圍的調諧能力，而在高速以太網中，需要激光器具備高速直調的能力；至于在基于WDM-PON技術的高速接入網中，對可調激光器的成本控制是一個關鍵因素。

2.1 窄線寬可調諧半導體激光器

目前成熟的，能夠大規(guī)模使用的窄線寬可調諧半導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）激光器和外腔半導體激光器。DFB激光器陣列是在傳統(tǒng)DFB激光器基礎上發(fā)展而成的，但單個DFB激光器的調節(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DFB激光器以并聯(lián)的方式集成起來，每個獨立的DFB激光器均采用同樣的增益介質，但光柵的間距不同，因此它們具有不同的中心波長。這樣一來，即使每個單獨的DFB激光器的調節(jié)范圍有限，通過級聯(lián)的方式也能夠獲得大范圍的調諧。由文獻[9]可以知道，DFB半導體激光器線寬與激光器腔長及輸出功率成反比。因此增加腔長及激光器工作時的輸出功率便成了兩種降低線寬的主要方式。普通相移DFB半導體激光器受限于強烈的空間燒孔效應，在制作長腔半導體激光器時，往往會在相移處聚集大量光子，導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等非穩(wěn)定狀態(tài)。而空間燒孔效應亦隨著激光器輸出功率的增高變的更加嚴重。因此窄線寬DFB半導體激光器的主要技術難點是如何抑制空間燒孔效應。這個問題從DFB半導體激光器誕生之日起就一直是學者們研究的熱點。主流的技術手段有多相移DFB半導體激光器，分布相移DFB半導體激光器。日本學者在90年代初便利用分布相移手段制作出了最小線寬達3.6 kHz的超窄線寬DFB半導體激光器[10]。但是這類激光器光柵結構復雜，通常需要電子束光刻技術制作光柵，成本昂貴，因此一直都以實驗室報道及理論分析為主，少有大規(guī)模產業(yè)應用。

單片集成取樣光柵分布布拉格反射式（SGDBR）可調諧激光器由美國UCSB大學提出[11]，采用兩個取樣周期稍有不同的光柵，利用游標效應進行波長調節(jié)，調諧范圍可達40 nm以上。SGDBR激光器一般利用電注入改變折射率，因此調諧速度能夠達到納米級，是目前波長調諧速度最快的激光器，而且該類型激光器結構緊湊，輸出光譜質量高，便于與半導體光放大器（SOA）、電吸收型（EA）調制器、馬赫曾德爾（MZI）調制器集成。但是由于取樣光柵具有Sinc型的光譜包絡，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，但是噪聲特性會劣化，通常均為兆赫茲量級，因此不適合運用于超高速光網絡中。SGDBR激光器一般最少有4個控制電極，輸出波長是這4個電極的函數，導致控制算法相當復雜，測試成本高昂。在調制速度方面，SGDBR受限于較大的腔長，直接調制速率一般在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Bookham公司及武漢光迅公司相繼提出了采用超結構光柵[14]，數字超模光柵[15]和數字級聯(lián)光柵DBR激光器[16]，但是由于這些激光器均沿用了SGDBR激光器的設計理念，性能上還沒有取得突破。但是單片集成可調激光器無疑是今后這方面工作的一個重要方向。

目前外腔可調諧激光器是可調諧激光器的一個主要類型，具有線寬窄、調諧范圍大、輸出功率高、較好的單縱模特性以及穩(wěn)定性等優(yōu)點，但是其體積一般較大，因此外腔可調諧激光器的應用主要集中在科研及測試領域，如Littrow型與Littman型外腔可調諧激光器。微光機電系統(tǒng)（MEMS）技術的出現(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，該公司的可調諧激光器采用Littman-Mecalf結構，其原理如圖1所示。該MEMS型外腔可調諧激光器能夠封裝在一個14針腳的蝶形管殼中，輸出功率能夠達到10 mW以上，調節(jié)范圍覆蓋整個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，為了實現(xiàn)連續(xù)無跳模調諧，該激光器采用了基于遠端虛軸轉動的MEMS反射鏡，因此其驅動結構比較復雜，產品價格也相對較高。

Emcore公司的窄線寬可調諧激光器是目前在100 Gb/s相干光通信中應用最為廣泛的一款產品，它基于原Intel公司外腔可調諧激光器技術[18]，如圖2所示。該器件的模式選擇濾波器為兩個級聯(lián)的、由單晶硅制作的法布里-泊羅（F-P）標準具，利用游標效應，使得只有兩個標準具透過峰峰值波長重合的縱模可以起振，而其他的縱模被抑制。通過溫度精確控制標準具透過峰的峰值波長，從而能夠實現(xiàn)波長的可調諧性。該產品調諧范圍可覆蓋C波段或L波段，在可調諧范圍內可對任意波長進行調諧，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，在此設計中沒有活動部件，穩(wěn)定性好，但是為了實現(xiàn)波長的精密調諧，需要對這兩個硅標準具進行精確的溫度控制，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諧激光器[19]。諧振腔內依次集成了增益管芯、準直透鏡、熔石英標準具以及液晶反射鏡，標準具的透射峰值位于ITU-T定義的通信波長內，和液晶反射鏡共同構成了該器件的模式選擇濾波器，調節(jié)時僅需改變液晶反射鏡的驅動電壓便可選擇不同波長輸出。標準具同時還起到了波長鎖定器的作用，避免了在輸出端外加一個波長鎖定裝置。該器件的結構較為簡單，輸出功率大于20 mW，通過優(yōu)化標準具的端面反射率，其波長精度為±0.6 GHz，測試線寬小于1 MHz。Cyoptics（收購原Pirelli公司的光學事業(yè)部）公司的可調諧激光器也采用了類似的結構，只是用一個硅基液晶（LCoS）反射鏡代替了普通液晶反射鏡。

2.2 高速調制激光器

高速調制半導體激光器主要運用于100 Gb/s及更高速率以太網，機房數據互連。在城域網絡中，由于傳輸距離近，成本控制嚴格，因此要求半導體激光器芯片本身具備高速直接調制能力。目前直接調制DFB半導體激光器已經可以做到40 Gb/s以上的調制速率。但是由于增益區(qū)載流子的瞬時變化引起折射率的相應改變，導致輸出的激光波長振蕩，光脈沖所含光譜嚴重展寬，傳輸光脈沖色散損耗大，限制信號的傳輸距離。單片集成的電吸收DFB激光器（EML）具備低成本、低功耗、小尺寸、傳輸距離遠特點，可以用傳統(tǒng)的DFB激光器管殼封裝利于升級換代，大規(guī)模生產等優(yōu)點使其已經成為10 Gb/s光城域網及40 Gb/s干線網的首選器件。100 Gb/s及更高速率短距離通信中EML依然是各個通信器件廠商的首選方案。2005年，美國Infinera公司率先實現(xiàn)了10×10 Gb/s的光傳輸模塊，單片集成了10個1 550 nm波段的DFB激光器，10個EA調制器及AWG合波器。2012年，日本NTT公司則連續(xù)報道了兩款規(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，傳輸距離達到了40 km。在該芯片單片內集成了4個1 310 nm波段的DFB半導體激光器，4個EA調制器及多模干涉耦合（MMI）合波器。

2.3 低成本可調諧半導體激光器

由于可調諧激光器屬于高端光電子器件，因此研制低成本的可調諧激光器一直是學術界和產業(yè)界的一個難點。雖然單片集成型可調諧激光器，如SGDBR可調諧激光器，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。在這方面一些韓國的研究者們進行了較多的工作，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激光器已經能夠實現(xiàn)2.5 Gb/s的直接調制實驗，其基本結構如圖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晶體管外形罐型封裝（TO can）中，因此在整個激光器中就避免了熱電制冷器（TEC）的使用，而TEC正是可調激光器中成本較高的一個元件。

3 研究進展

武漢郵電科學院從20世紀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無制冷直接調制DFB激光器、寬可調諧SGDBR激光器等器件。在窄線寬可調諧半導體激光器方面，目前已研制成功基于MEMS技術的寬可調諧窄線寬外腔激光器，能夠實現(xiàn)C波段50 GHz間隔的波長輸出，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，在中國率先研制成功多通道DFB陣列激光器、數字級聯(lián)SGDBR激光器。傳統(tǒng)窄線寬DFB激光器所需的復雜光柵亦可低成本高產出地實現(xiàn)量產，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 結束語

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

參考文獻

[1] WINZER P J， ESSIAMBRE R J. Advanced modulation formats for high-capacity optical transport networks [J]. Journal of Lightwave Technology， 2006， 24（12）：4711-4728.

[2] SUN H， GAUDETTE J， PAN Y， et al. Modulation formats for 100 Gb/s coherent optical systems [C]//Proceedings of the Optical Fiber Communication/National Fiber Optic Engineers Conference （OFC/NFOEC’09）， Mar 24-26， 2009，San Diego， CA， USA. Piscataway， NJ，USA：IEEE， 2009：3p.

[3] MIYAMOTO Y， SUZUKI S. Advanced optical modulation and multiplexing technologies for high-capacity OTN based on 100Gb/s channel and beyond [J]. IEEE Communications Magazines， 2010， 48（3）：65-72.

[4] CHOI B S， OH S H， KIM K S， et al. 10-Gb/s direct modulation of polymer-based tunable external cavity lasers [J]. Optics Express， 2012， 20（18）： 20368-20374.

[5] SEIMETZ M. High-order modulation for optical fiber transmission [M]. Berlin，Germany： Springer-Verlag， 2009：Chap 7.

[6] WINZER P J， GNAUCK A H， DOERR C R， et al. Spectrally efficient long-haul optical networking using 112-Gb/s polarization-multiplexed 16-QAM [J]. Journal of Lightwave Technology， 2010， 28（4）：547-556.

[7] ZHANG S L， HUANG M F， YAMAN F， et al. 40×117.6Gb/s PDM-16-QAM OFDM transmission over 10181 km with

soft-decision LDPC coding and nonlinearity compensation [C]//Proceedings of the Optical Fiber Communication/National Fiber Optic Engineers Conference （OFC/NFOEC’12）， Mar 4-8， 2012， Los Angeles， CA， USA. Piscataway， NJ，USA：IEEE，2012：PDP5C.4

[8] URATA R， LAM C， LIU H， et al. High performance， low cost， colorless ONU for WDM-PON [C]//Proceedings of the Optical Fiber Communication/National Fiber Optic Engineers Conference （OFC/NFOEC’12）， Mar 4-8， 2012， Los Angeles， CA， USA. Piscataway， NJ，USA：IEEE， 2012：NTh3E.

[9] HENRY C H. Theory of the linewidth of semiconductor laser [J]. IEEE Journal of Quantum Electronics， 1982， 18（2）：259-264.

[10] OKAI M， SUZUKI M， TANIWATARI T. Strained multiquantum-well corrugation-pitch-modulated distributed feedback laser with ultranarrow （3.6 kHz） spectral linewidth [J]. Electronics Letters， 1993， 29（19）：1696-1697.

[11] JAYARAMAN V， CHUANG Z M， COLDREN L A. Theory， design， and performance of extended tuning range semiconductor laser with sampled gratings [J]. IEEE Journal of Quantum Electronics， 1993， 29（6）：1824-1834.

[12] LARSON M C， AKULOVA Y A， COLDREN C， et al. High performance widely tunable SGDBR laser [R]. SPIE Photonics West， Paper 4995-13.2003.

[13] MAJEWSKI M L， BARTON J， COLDREN L A， et al. Directly intensity modulation in sampled grating DBR lasers [J]. IEEE Photonics Technology Letters， 2002， 14（6）：747-749.

[14] ISHII H， KANO F， TOHMORI Y， et al. Broad range （34 nm） quasi-continuous wavelength tuning in super structure grating DBR lasers [J]. Electronics Letters， 1994，30（14）：1134-1135.

[15] WARD A J， ROBBINS D J， BUSICO G， et al. Modelling of phase garting-based wide band tunable lasers with simplified quasidigital wavelength selection [J]. IEE Proceedings： Optoelectronics， 2003，150（2）：199-204.

[16] ZHAO J， ZHOU N， CHAO Y， et al. Design and fabrication of tunable laser with digital concatenated grating [J]. Semiconductor Science and Technology， 2013， 28（3）：035001.

[17] IP E， KAHN J M， ANTHON D， et al. Linewidth measurements of MEMS-based tunable lasers for phase-locking applications [J]. IEEE Photonics Technology Letters， 2005， 17（10）：2029-2031.

[18] Intel. Thermally tuned external cavity laser with micromachined silicon etalons： Design， process and reliability [C]//Proceedings of the 54th Electronic Components and Technology Conference （ECTC’04）：Vol 1， Jun 1-4，2004， Las Vegas， NV， USA. Piscataway， NJ，USA： IEEE，2004：818-823.

[19] SATO K， MIZUTANI K， SUDO S， et al. Wideband external cavity wavelength-tunable laser utilizing a liquid-crystal-based mirror and an intracavity etalon [J]. Journal of Lightwave Technology， 2007， 25（8）：2226-2232.

[20] YOON K， OH S H， KIM K S， et al. 2.5-Gb/s hybridlly-integrated tunable external cavity laser using a superluminescent diode and a polymer Bragg reflector [J]. Optics Expresss， 2010， 18（6）：5556-5561.

[21] ZHANG D， ZHAO J， YANG O， et al.， Compact MEMS external cavity tunable laser with ultra-narrow linewidth for coherent detection [J]. Optics Express， 2012， 20（18）：19670-19682.