光纖通信用半導體激光器

羅　毅　王　健　蔡鵬飛　孫長征

摘要：

半導體激光器是光纖通信用的主要光源，由于光纖通信系統具有不同的應用層次和結構，因而需要不同類型的半導體激光器。文章根據目前光纖通信系統的發展趨勢，介紹幾種典型的光纖通信用半導體激光器件——法布里-珀羅激光器、分布反饋半導體激光器、電吸收型調制器集成光源、波長可選擇光源、垂直腔面發射激光器的特點和發展方向。

關鍵詞：

半導體激光器；分布反饋；分布布拉格反射器；電吸收型調制器；垂直腔面發射器

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.

KEY WORDS:

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

1、光纖通信的發展趨勢

光纖通信系統作為信息傳送的基礎正向著高速化和網絡化方向發展。Internet經過前幾年的爆炸性擴張以后，正進入一個穩定發展的時期?；ヂ摼W的速率與容量保持穩定增長，并且逐漸融合傳統的電話網和有線電視網而成為一個統一的信息網絡。而能承擔這個信息網絡的物理基礎，非光纖通信莫屬。

光纖通信系統必須滿足各個層次的信息傳輸要求。首先，對于干線通信系統來說，必須滿足長距離、高速率、大容量的傳輸要求；其次，對于服務于千家萬戶的接入網絡，在成本盡可能低的情況下，需要足夠的接入帶寬；再次，對于中心城市，信息產生和傳輸最密集，但是對傳輸距離的要求不高；另外，目前的光通信大多還是點對點的傳輸，要進一步提高信息傳輸容量，需要基于各種光電子器件的全光通信網絡。因此，面對光纖通信系統各個層次的不同發展方向，勢必需要不同類型的光源器件來滿足其不同要求。

對于光纖接入網、本地網(一般信息傳輸速率在2.5 Gbit/s以下)，需要量大面廣、物美價廉的簡單結構的半導體激光器，如法布里-珀羅(FP)激光器。在中心城市的市區建設城域網，其傳輸距離短、信息量大，要求光源速率達2.5 Gbit/s乃至10 Gbit/s，需要直接調制的分布反饋(DFB)半導體激光器。在干線傳輸網絡中，對光源的調制速率和光信號的傳輸距離都有較高的要求。目前基于10 Gbit/s甚至更高速率的骨干網已經得到迅速發展，要求光源頻率啁啾必須控制在很小甚至為負的范圍內，直接調制激光器不能滿足，必須采用外調制器，目前普遍采用分布反饋半導體激光器(DFB-LD)/電吸收型(EA)調制器的集成光源。此外，由于垂直腔面發射激光器(VCSEL)具有適于大批量、低成本生產，以及二維集成的優點。在光的高速數據傳輸和接入網等領域有著誘人的應用前景，備受學術界和產業界的關注。

2、法布里-珀羅激光器

法布里-珀羅激光器(FP-LD)是最常見、最普通的半導體激光器，它最大的特點是激光器的諧振腔由半導體材料的兩個解理面構成。目前光纖通信上采用的FP-LD的制作技術已經相當成熟，普遍采用雙異質結多量子阱有源層、載流子與光分別限制的結構。

半導體激光器由于邊界條件的不同，存在三個方向的模式問題。沿激光器輸出方向形成的駐波模式稱為縱模，垂直于有源層方向的模式稱為垂直橫模，平行于有源層并和輸出方向垂直的模式稱為水平橫模。在光通信領域中，至少要求激光器工作在基橫模狀態。對于FP-LD來說，基橫模實現比較容易，主要通過控制激光器有源層的厚度和條寬來實現，常用的結構有掩埋異質結、脊波導等。而縱模控制就有一定的困難，FP-LD利用一對相互平行的反射鏡進行縱模選擇，通常激光器的長度在數百微米的量級，對應的模式間距為1 nm的量級，而激光器的增益譜寬度達100 nm的量級，多縱模激射的可能性相當大。對于一般的FP-LD，當注入電流在閾值電流附近時，可以觀察到多個縱模；進一步加大注入電流，譜峰處的某個波長首先激射，消耗了大部分載流子，壓制其它模式的激射，有可能形成單縱模工作；當對FP-LD進行高速調制時，原有的激射模式就會發生變化，出現多模工作。這就決定了FP-LD不能應用于高速光纖通信系統。但是相對其它結構的激光器來說，FP-LD的結構和制作工藝最簡單，成本最低，適用于調制速率小于622 Mbit/s的光纖通信系統。目前商用的1.3 *9滋m FP-LD閾值電流在10 mA以下，輸出功率在10 mW左右(注入電流為2～3 Ith，Ith為閾值電流)因此在光纖接入網中獲得廣泛應用。

目前FP-LD的主要發展趨勢在于研發無制冷器件和進一步降低制作成本。傳統的FP-LD的諧振腔通過解理實現，在性能測試的時候需要對解理過的單個尺寸為數百微米量級的激光器進行操作，生產效率較低。如果能用其他方法形成反射鏡面，然后在整個襯底上對單個激光器進行測試，則大大提高生產效率并降低成本。采用等離子體刻蝕的方法可以獲得垂直光滑的反射鏡面，使得這種激光器和傳統的端面解理的FP-LD具有相同的性能[1]，并且可以在同一襯底上將激光器和光探測器集成，從而形成了基于整個襯底的激光器加工工藝路線，有可能大大降低成本。

3、分布反饋半導體激光器

普通結構的分布反饋半導體激光器(DFB-LD)，在高速調制狀態下會發生多模工作現象，從而限制了傳輸速率。因此，設計和制作在高速調制下仍能保持單縱模工作的激光器是十分重要的，這類激光器統稱為動態單模(DSM)半導體激光器。實現動態單縱模工作的最有效的方法之一，就是在半導體激光器內部建立一個布拉格光柵，依靠光柵的選頻原理來實現縱模選擇。分布反饋半導體激光器的特點在于光柵分布在整個諧振腔中，光波在反饋的同時獲得增益。因為DFB-LD的諧振腔具有明顯的波長選擇性，從而決定了它們的單色性優于一般的FP-LD。

在DFB-LD中存在兩種基本的反饋方式，一種是折射率周期性變化引起的布拉格反射，即折射率耦合(Index-Coupling)，另一種為增益周期性變化引起的分布反饋，即增益耦合(Gain-Coupling)。與依靠兩個反射端面來形成諧振腔的FP-LD相比，DFB-LD可能激射的波長所對應的諧振腔損耗是不同的，也就是說DFB-LD的諧振腔本身具有選擇模式的能力。在端面反射為零的理想情況下，理論分析指出[2]：折射率耦合DFB-LD在與布拉格波長相對稱的位置上存在兩個諧振腔損耗相同且最低的模式，而增益耦合DFB-LD恰好在布拉格波長上存在著一個諧振腔損耗最低的模式。也就是說，折射率耦合DFB-LD原理上是雙模激射的，而增益耦合DFB-LD是單模激射的。

利用內藏布拉格光柵選擇工作波長的概念，早在20世紀70年代初就被提出來了，并得到廣泛重視。但由于技術原因，有關DFB-LD的研究曾一度進展緩慢。在制作技術的發展過程中，人們發現直接在有源層刻蝕光柵會引入污染和損傷。為此，人們提出了如圖1所示的分別限制結構，將光柵刻制在有源層附近的透明波導層上，這樣能有效地降低DFB-LD的閾值電流，這種結構在后來被廣泛應用。但是這種結構是典型的折射率耦合結構，如何實現這類器件的單模工作就成為DFB-LD的重要研究課題。

對于實際的DFB-LD來說，光柵兩端的端面是存在反射的，不僅反射率的強度不為零，而且兩個端面的反射相位也不確定。這是由于實際器件制作中，端面位于光柵一個周期中的哪個位置是不可控制的。對于純折射率耦合DFB-LD來說，在相當一部分相位下，模式簡并可以被消除，器件可以實現單模工作。最早的折射率耦合DFB-LD就是通過這種方法實現單模激射的。但是由于反射相位具有隨機性，這就導致了單模成品率問題。對于激光器端面無鍍膜的情況，這一概率為20%～50%。另外，激光器端面鍍膜對DFB-LD的單模成品率有較大的影響，在DFB-LD一個端面鍍低反射膜，另一個端面鍍高反射膜時，單模成品率可達50%。運用這種方法制作的DFB-LD，在靜態工作時，其邊模抑制比(SMSR)可大于40 dB，而在高速調制時，其SMSR小于20 dB，不能完全滿足高速光通信的需要。在光柵的中心引入一個四分之一波長相移區[3]，是消除雙模簡并，實現單模工作的有效方法。這種方法的最大優點在于它的模式的閾值增益差大，可以實現真正的動態單模工作。但是，它的制作工藝十分復雜且需要在兩個端面蒸鍍抗反射膜。

對于增益耦合DFB-LD而言，是不存在模式簡并問題的。1988年，本文作者羅毅與東京大學的多田邦雄教授等一起率先開始了增益耦合DFB-LD的實驗研究，采用金屬有機化合物化學氣相沉積(MOCVD)技術制作了內含增益光柵的DFB-LD，并引入了抑制折射率耦合的結構，從而有可能實現純粹的增益耦合[4,5]。此外，采用傳統的分別限制異質結結構(SCH)將以往的透明光柵改為吸收損耗光柵的方法也成功地制作了增益耦合DFB-LD。通過研究發現，增益耦合DFB-LD與折射率耦合DFB-LD相比具有一系列優點：制作工藝簡單，不需要鍍端面抗反射膜；單模選擇特性不易受端面反射率的影響，成品率可高達95%；外部反射光引起的噪聲低；高速調制下頻率展寬(啁啾)小。

直接調制DFB-LD的最大優點是在高速調制(2.5 Gbit/s～10 Gbit/s)的情況下仍能保持動態單模，非常適合高速短距離的光纖通信系統，如城域網。目前商業應用的直接調制DFB-LD能夠達到閾值電流5 mA左右，在2.5 Gbit/s調制速率下能傳輸上百公里。調制速率為10 Gbit/s的直接調制DFB-LD正成為新的研發熱點。例如日本三菱公司2000年報道的應用于10 Gbit/s局域網傳輸的直接調制DFB-LD[6]，工作波長為1.3 *9滋m，在P型襯底上采用掩埋結構，光柵為*9姿/4相移結構。通過降低電極面積和激光器腔長(腔長為200 *9滋m)，來提高調制帶寬。并且通過提高耦合系數來保證器件的高溫特性。在25℃～70℃的范圍內，調制帶寬都在10 GHz以上，在標準單模光纖中傳輸距離超過20 km。

4、DFB-LD/電吸收型調制器集成光源

干線傳輸容量隨著光纖通信的發展不斷提高。要提高通信容量，就需要窄線寬、低啁啾的光源，DFB-LD因此成為高速光纖通信系統的首選。然而，受注入載流子與光子共振相互作用的限制，直接調制的半導體激光器工作速率難以進一步提高；更重要的是，直接調制的半導體激光器會產生明顯的頻率啁啾，不能滿足高速長距離傳輸的需要。為此，人們將DFB激光器和外調制器組合成光纖通信發射端的光源，其中激光器工作在直流狀態，高頻調制信號加載在外調制器上，這樣就有可能使光信號兼有單模、窄線寬、低啁啾的優點。由于分立的激光器和調制器存在光耦合次數多、穩定性差、成本高等缺點，人們開始研究DFB-LD和外調制器的集成器件。

用于進行集成光源制作的外調制器結構主要分為兩類：干涉型和電吸收型，分別以基于多量子阱材料電光效應的Mach-Zehdner調制器和利用量子限制Stark效應的電吸收(EA)型調制器為代表。干涉型調制器雖然具有對工作波長不敏感、啁啾可調的特性，但由于存在制作困難、器件尺寸較大等缺點，目前還難以推廣使用。而電吸收型調制器因為具有驅動電壓低、器件尺寸小、啁啾可控、制作工藝簡單等優點，被廣泛地應用于單片集成光源的制作?，F在，DFB-LD/EA調制器集成光源已經成為干線光纖通信的首選光源。

不少國際知名的光電子公司都推出了2.5 Gbit/s、10 Gbit/s干線光纖通信用DFB-LD/EA調制器的集成光源。需要指出的是，這些集成光源大部分采用折射率耦合DFB-LD/EA調制器集成的方式。作者所在的研究小組在國家“863”計劃的資助下，采用部分增益耦合DFB-LD/EA調制器直接集成的技術路線，在國內最早實現了2.5 Gbit/s 1.55 *9滋m DFB-LD/EA調制器單片集成光源[7]。該產品通過了實際傳輸實驗，傳輸距離可以達到240 km，器件總體性能和國際產品相當。進一步優化器件結構，還研制出調制帶寬達到12 GHz的DFB-LD/EA調制器的集成光源，能滿足10 Gbit/s干線光纖傳輸的需要。

由于干線光纖通信繼續向高速、大容量的方向發展，40 Gbit/s或更高速率的DFB-LD/EA調制器集成光源就成為目前的研究熱點。圖2所示為日本NTT公司報道的調制速率達到40Gbit/s的集成光源結構示意圖[8]。該集成光源采用分別外延工藝進行制作，其中激光器部分采用六周期壓應變InGaAsP量子阱材料作為有源層，而調制器部分則采用十四周期InGaAsP應變補償量子阱作為的吸收層。為了減小器件的電容，該器件采用了半絕緣InP材料對脊波導結構進行掩埋，并利用聚酰亞胺材料作為調制器電極的填充材料，從而實現40 Gbit/s的高速調制。

5、波長可選擇光源

由于密集波分復用(DWDM)技術的迅猛發展，對集成光源提出了新的要求，具有波長可調諧或者波長可選擇特性的集成光源成為新的研究熱點。

波長可調諧是指激光器波長在一定范圍內連續可調。目前波長調諧主要基于布拉格反射光柵，通常通過改變溫度、注入電流等方法，改變光柵的有效折射率，從而改變光柵的布拉格波長。DFB-LD雖然單模特性穩定，但是波長調諧的范圍較小，一般在2 nm左右。目前技術比較成熟的波長可調諧激光器主要基于分布布拉格反射器半導體激光器(DBR-LD)。和DFB-LD相似，DBR-LD也是通過內含布拉格光柵來實現光的反饋的。不過在DBR-LD中，光柵區僅在激光器諧振腔的兩側或一側，增益區沒有光柵，光柵只相當于一個反射率隨波長變化的反射鏡。其中，三電極DBR-LD是最典型的基于DBR-LD的單模波長可調諧半導體激光器，其原理性結構如圖3。3個電極分別對DBR-LD的增益區、相移區和選模光柵注入電流，其中增益區提供增益，光柵區選擇縱模，而相移區用來調節相位，使得激光器的諧振波長和光柵的布拉格波長一致。通過調節3個電極的注入電流，其調諧范圍可以達到10 nm左右。另外采用特殊的光柵結構，如超結構光柵(SSG)，DBR-LD的波長調諧范圍可以達到103 nm。

和DFB-LD一樣，DBR-LD也需要使用外調制器才能滿足長距離傳輸的需要。1999年，法國France Telecom公司報道了他們制作的DBR-LD/EA調制器集成光源[9]。它由一個兩段DBR-LD與一個EA調制器構成，并采用相同的應變補償InGaAsP多量子阱層作為DBR-LD的有源區和Bragg光柵區以及EA調制器的吸收層。通過改變Bragg光柵區的注入電流，其輸出波長可以覆蓋12個信道，共5.2 nm的波長調諧范圍。同時，該集成器件的調制帶寬達到15 GHz，可以應用于10 Gbit/s通信系統。

由于DBR-LD是通過改變光柵區的注入電流實現調諧的，這導致了較大的譜線展寬。另外DBR-LD需要調節至少兩個以上電極的電流，才能將激射波長固定下來，不利于實際應用，而且DBR-LD縱模的模式穩定性相對較差，極易出現跳模現象，所以近年來有關波長可調諧DBR-LD的研究活動有所減弱。而由于DFB-LD的激射波長相對穩定，人們就將多個波長不同的DFB-LD集成起來，組成波長可選擇光源。2000年，日本NEC公司報道了他們制作的波長可選擇集成光源[10]。光源含有8個具有不同輸出波長的DFB-LD，并采用一個EA調制器對輸出光信號進行調制。光源中還集成有一個多模干涉型(MMI)耦合器與一個半導體光放大器(SOA)，用來對8個激光器的輸出光進行耦合并對損耗進行補償。該器件采用介質膜選擇性區域外延進行制作，可以作為2.5Gbit/s DWDM光纖網絡的光源，能夠有效地提高系統的靈活性與可靠性。但是這種光源需要在同一襯底上制作不同激射波長的DFB-LD，其無論對材料的外延生長工藝還是對器件的后加工工藝，都有非常高的要求。

6、垂直腔面發射激光器

以上所說的各種激光器都是邊發射激光器，激光從激光器的側面輸出，只能進行一維集成，很難制作二維集成器件。但是，光數據傳輸的發展需要能夠二維集成的器件，而垂直腔面發射激光器(VCSEL)是一個很好的選擇。與邊發射激光器最大的不同點是，它的出射光垂直于器件的外延表面，即平行于外延生長的方向。圖4為其典型結構圖。其上下分別為分布布拉格反射(DBR)介質反射鏡，中間為量子阱有源區，氧化層有助于形成良好的電流及光場限制結構，電流由P、N電極注入，光由箭頭方向發出。

與側面發光激光器相比，VCSEL在原理上有如下優點：由于其有源區體積極小從而具有極低閾值電流；采用DBR結構，從而能動態單模工作；由于有源區內置而導致很長壽命(如107 h)；光束質量高，容易與光纖耦合；可在片測試，極大降低成本；可形成高密度二維陣列；與LSI集成兼容。在這些優點當中，最吸引人的是它的制造工藝和發光二極管(LED)兼容，大規模的制造成本很低，且容易二維集成，并能在片測試。人們預言，VCSEL將主要在以下幾方面獲得廣泛應用。

(1)光互連

如果在印刷電路板上使用金屬連接電路，則在將來很難滿足中等距離(60 cm)、大吞吐量(1 Gbit/s)的點對點的互連。如果使用光互連器件，則可在各個方面滿足要求。目前已發表了很多此方面的研究成果。例如，David V.Plant等報道了將VCSEL與0.35 *9滋m CMOS 驅動電路集成在同一襯底上，并實現了256路光雙向互連[11]。目前上百吉比特每秒的并行光互連產品已經商業化，主要用于計算機及通信系統芯片級、板級、設備級的高速并行連接。

(2)吉比特局域網

吉比特局域網將是未來VCSEL的一個前途廣闊的應用領域。VCSEL在其中凸現其光束特性好、易耦合、調制速率高、價格低廉的優勢，很多人認為VCSEL必將取代LED、FP-LD在局域網中的地位。Kenichi Nishi 等報道了用于10 Gbit/s以太網的VCSEL，其材料為GaAsSb/GaAs[12]，這是一種能工作在1 300 nm附近的新型材料。在光纖吉比特以太網中，VCSEL(850 nm)主要用于工作在250 m距離范圍內的多模光纖的光源。如IEEE 802.3千兆以太網1000BASE-SX 系列標準中采用低成本VCSEL作為光源。最近Petar Pepeljugoski等報道了成功地采用下一代多模光纖進行15.6 Gbit/s，1 km和20 Gbit/s，200 m的傳輸試驗[13]，試驗系統性能指標符合粗波分復用(CWDM) 2×20 Gbit/s以太網標準。此外，隨著VCSEL在短波及長波方面的進展，它還可用于高密度光存儲、平面顯示、照明、二維光信息處理等應用領域。

雖然VCSEL在上述領域中得到了很好的應用，但由于器件結構及生長材料的原因，其依然存在著基橫模輸出功率不高、散熱困難、極化控制困難及在長波長方面表現不理想等問題，這限制了它在長途干線通信等領域中的應用。VCSEL還需要在克服上述困難方面作進一步努力。

7、小結

以上介紹了目前光纖通信系統具有代表性的幾種光源。我們可以看出，對于光通信來說，這些光源都具有各自的特點，適用于光纖通信的不同領域，可以說是光纖通信的基礎器件，是推動光纖通信發展的基本要素。全球光通信發展要求開發大量的、各個層次要求的光電子基礎器件，未來的市場前景非常廣闊。

中國對光電子技術和產業的發展非常重視，經過十幾年的發展，光電子產業已有一定的規模。但是對基礎器件的研究開發力度還不夠，核心技術大部分還依賴國外廠商，現有產業多在下游產品發展，利潤小、受制于人且發展空間受限。進一步深入研究和開發光電子基礎器件，發展具有自主知識產權的核心光電子器件產業，是中國光通信產業和學科未來發展的必由之路?！?/p>

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13 Petar Pepeljugoski. 15.6-Gb/s Transmission over 1 km of Next Generation Multimode Fiber. IEEE Photon Technol Lett, 2002,14(5)

(收稿日期：2002-06-10)

作者簡介

羅毅，工學博士，1983年畢業于清華大學無線電電子學系電子物理與激光專業，分別于1987年和1990年在日本國東京大學工學部電子工學科獲工學碩士與博士學位，1990年4月—1992年3月在日本國光計測技術開發株式會社中央研究所任研究員。1992年4月回國，同年因學術成就突出被破格提拔為清華大學電子工程系教授，1995年晉升為博士生導師，現擔任集成光電子學國家重點聯合實驗室主任、教育部長江特聘教授。已發表各類論文150余篇，其中國際著名雜志論文34篇、國際會議論文近54篇、中文核心雜志論文19篇。申請并獲得了日本專利18項、北美及歐洲專利各1項。

王健，清華大學電子工程系物理電子學專業在讀博士，研究方向為DFB-LD/EA調制器高速集成光源、端面刻蝕半導體激光器等。

蔡鵬飛，清華大學電子工程系物理電子學專業在讀博士。

孫長征，清華大學電子工程系物理電子學專業講師，博士。主要研究方向包括DFB激光器物理及其制作工藝、高速集成光源的設計與制作、氮化鎵(GaN)材料的生長與特性評估以及發光器件的制作等。