由于因特網(wǎng)業(yè)務(wù)的爆炸式增長，全球?qū)W(wǎng)絡(luò)帶寬的需求日益增加。因此，作為信息承載和傳輸?shù)墓饫w通信網(wǎng)絡(luò)發(fā)展呈現(xiàn)一個(gè)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(wǎng)方面，在相干檢測和先進(jìn)的多級調(diào)制技術(shù)的推動(dòng)下，目前商用密集波分復(fù)用（DWDM）系統(tǒng)中每個(gè)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(shù)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(wǎng)方面，由于大量視頻業(yè)務(wù)導(dǎo)致的帶寬需求急劇增加，40G/100G 以太網(wǎng)的標(biāo)準(zhǔn)化被迅速提上了日程；而在光接入網(wǎng)方面，基于波分復(fù)用技術(shù)的無源光網(wǎng)絡(luò)（WDM-PON）系統(tǒng)被大規(guī)模應(yīng)用從而提高用戶的接入帶寬，部分系統(tǒng)的速率已經(jīng)能夠到達(dá)10 Gb/s 以上[4]。而光網(wǎng)絡(luò)的飛速發(fā)展毫無疑問地對相關(guān)光電器件的性能提出了更高的要求。

 

　　1.1 基于多級調(diào)制格式的相干光通信系統(tǒng)

 

　　在骨干光傳輸網(wǎng)方面，有關(guān)組織已經(jīng)規(guī)定了基于相干檢測技術(shù)的偏振復(fù)用正交相移鍵控（PM-QPSK）調(diào)制格式作為100 Gb/s 超長距離傳輸側(cè)的首選。采用PM-QPSK 的系統(tǒng)具有靈敏度高、傳輸距離遠(yuǎn)的優(yōu)點(diǎn)；另外，相干檢測對接收端的信號(hào)進(jìn)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(guān)損耗等都可以通過數(shù)字信號(hào)處理的方式進(jìn)行補(bǔ)償，也就是說基于相干檢測技術(shù)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(shù)能夠帶來諸多好處，但它對相關(guān)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?shù)谋忍匦畔?，而系統(tǒng)的發(fā)送和接收端都需要一個(gè)激光光源，因此，具有低相位噪聲的可調(diào)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(guān)系，為了保證相干光通信系統(tǒng)的性能，窄線寬可調(diào)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(jīng)典的M 階相位估計(jì)方法，為保證在誤碼率（BER）為10-4 時(shí)線寬引入的光信噪比（OSNR）代價(jià)小于1 dB，使用QPSK 調(diào)制格式對線寬的容限是4.4 MHz。系統(tǒng)對線寬的容限會(huì)隨著調(diào)制格式復(fù)雜度的增加而降低，特別是當(dāng)相位狀態(tài)數(shù)多于8 種狀態(tài)時(shí)，比如對于8-PSK、16-PSK 調(diào)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(shí)際應(yīng)用中，為了保險(xiǎn)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(yán)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(nèi)，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(fù)用系統(tǒng)

 

　　為了實(shí)現(xiàn)更高速率的傳輸，一個(gè)研究重點(diǎn)是在PM-QPSK 技術(shù)上進(jìn)行擴(kuò)展，采用編碼效率更高的調(diào)制格式，如M 階正交幅度調(diào)制（M-aryQAM）[6]，這種方式的好處在于能夠在現(xiàn)有系統(tǒng)上進(jìn)行平滑升級；另一個(gè)熱門研究方向是基于相干檢測的光正交頻分復(fù)用（CO-OFDM）技術(shù)，通過帶寬復(fù)用的方式，CO-OFDM 能夠支持太比特每秒的速率傳輸數(shù)千公里，它也被認(rèn)為是超100 Gb/s 光傳輸技術(shù)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(gè)子載波進(jìn)行解調(diào)，因此在需要激光器具有低相位噪聲的同時(shí)還需具備大范圍連續(xù)調(diào)節(jié)的能力。

 

　　1.3 高速以太網(wǎng)及接入網(wǎng)

 

　　隨著寬帶業(yè)務(wù)的密集應(yīng)用及云服務(wù)的快速發(fā)展，為滿足運(yùn)營骨干網(wǎng)，企業(yè)數(shù)據(jù)中心對更高帶寬的要求，平滑升級的100 Gb/s 以太網(wǎng)將是最佳提升帶寬的方案。100 Gb/s 以太網(wǎng)主要有兩種使用WDM 技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)，分別對應(yīng)10 km 及40 km 傳輸距離的運(yùn)用。在這里光源為直接調(diào)制或者單片集成調(diào)制器調(diào)制，要求調(diào)制動(dòng)態(tài)消光比需要達(dá)到4 dB 或者8 dB。由于主要運(yùn)用于局域網(wǎng)絡(luò)中，工作環(huán)境較為惡劣，成本控制嚴(yán)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(zhǔn)確度等的要求相對比較寬松。

 

　　在接入網(wǎng)方面，近年來基于波分復(fù)用技術(shù)的無源光網(wǎng)絡(luò)收到了重視，在WDM-PON 網(wǎng)絡(luò)中，每個(gè)用戶被分配一對波長，因此用在光網(wǎng)絡(luò)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(diào)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(wǎng)絡(luò)對激光器性能的需求。

 

表1 不同層面光網(wǎng)絡(luò)對激光器的性能需求

 

 

　　2 半導(dǎo)體激光器的性能特點(diǎn)及發(fā)展趨勢

 

　　綜合前述對現(xiàn)今超高速光通信網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展趨勢，可以看出在光網(wǎng)絡(luò)不同的應(yīng)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(diào)諧能力，而在高速以太網(wǎng)中，需要激光器具備高速直調(diào)的能力；至于在基于WDM-PON 技術(shù)的高速接入網(wǎng)中，對可調(diào)激光器的成本控制是一個(gè)關(guān)鍵因素。

 

　　2.1 窄線寬可調(diào)諧半導(dǎo)體激光器

 

　　目前成熟的，能夠大規(guī)模使用的窄線寬可調(diào)諧半導(dǎo)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(dǎo)體激光器。DFB 激光器陣列是在傳統(tǒng)DFB 激光器基礎(chǔ)上發(fā)展而成的，但單個(gè)DFB 激光器的調(diào)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(gè)DFB 激光器以并聯(lián)的方式集成起來，每個(gè)獨(dú)立的DFB 激光器均采用同樣的增益介質(zhì)，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(gè)單獨(dú)的DFB 激光器的調(diào)節(jié)范圍有限，通過級聯(lián)的方式也能夠獲得大范圍的調(diào)諧。由文獻(xiàn)[9]可以知道，DFB 半導(dǎo)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(shí)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(dǎo)體激光器受限于強(qiáng)烈的空間燒孔效應(yīng)，在制作長腔半導(dǎo)體激光器時(shí)，往往會(huì)在相移處聚集大量光子，導(dǎo)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(dòng)等非穩(wěn)定狀態(tài)。而空間燒孔效應(yīng)亦隨著激光器輸出功率的增高變的更加嚴(yán)重。因此窄線寬DFB 半導(dǎo)體激光器的主要技術(shù)難點(diǎn)是如何抑制空間燒孔效應(yīng)。這個(gè)問題從DFB 半導(dǎo)體激光器誕生之日起就一直是學(xué)者們研究的熱點(diǎn)。主流的技術(shù)手段有多相移DFB 半導(dǎo)體激光器，分布相移DFB 半導(dǎo)體激光器。日本學(xué)者在90 年代初便利用分布相移手段制作出了最小線寬達(dá)3.6 kHz 的超窄線寬DFB 半導(dǎo)體激光器[10]。但是這類激光器光柵結(jié)構(gòu)復(fù)雜，通常需要電子束光刻技術(shù)制作光柵，成本昂貴，因此一直都以實(shí)驗(yàn)室報(bào)道及理論分析為主，少有大規(guī)模產(chǎn)業(yè)應(yīng)用。

 

　　單片集成取樣光柵分布布拉格反射式（SGDBR）可調(diào)諧激光器由美國UCSB 大學(xué)提出[11]，采用兩個(gè)取樣周期稍有不同的光柵，利用游標(biāo)效應(yīng)進(jìn)行波長調(diào)節(jié)，調(diào)諧范圍可達(dá)40 nm以上。SGDBR 激光器一般利用電注入改變折射率，因此調(diào)諧速度能夠達(dá)到納米級，是目前波長調(diào)諧速度最快的激光器，而且該類型激光器結(jié)構(gòu)緊湊，輸出光譜質(zhì)量高，便于與半導(dǎo)體光放大器（SOA）、電吸收型（EA）調(diào)制器、馬赫曾德爾（MZI）調(diào)制器集成。但是由于取樣光柵具有Sinc 型的光譜包絡(luò)，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(huì)劣化，通常均為兆赫茲量級，因此不適合運(yùn)用于超高速光網(wǎng)絡(luò)中。SGDBR 激光器一般最少有4 個(gè)控制電極，輸出波長是這4 個(gè)電極的函數(shù)，導(dǎo)致控制算法相當(dāng)復(fù)雜，測試成本高昂。在調(diào)制速度方面，SGDBR受限于較大的腔長，直接調(diào)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(jié)構(gòu)光柵[14]，數(shù)字超模光柵[15] 和數(shù)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(shè)計(jì)理念，性能上還沒有取得突破。但是單片集成可調(diào)激光器無疑是今后這方面工作的一個(gè)重要方向。

　　目前外腔可調(diào)諧激光器是可調(diào)諧激光器的一個(gè)主要類型，具有線寬窄、調(diào)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(diǎn)，但是其體積一般較大，因此外腔可調(diào)諧激光器的應(yīng)用主要集中在科研及測試領(lǐng)域，如Littrow 型與Littman 型外腔可調(diào)諧激光器。微光機(jī)電系統(tǒng)（MEMS）技術(shù)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(diào)諧激光器采用Littman-Mecalf 結(jié)構(gòu)，其原理如圖1 所示。該MEMS 型外腔可調(diào)諧激光器能夠封裝在一個(gè)14 針腳的蝶形管殼中，輸出功率能夠達(dá)到10 mW 以上，調(diào)節(jié)范圍覆蓋整個(gè)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(shí)現(xiàn)連續(xù)無跳模調(diào)諧，該激光器采用了基于遠(yuǎn)端虛軸轉(zhuǎn)動(dòng)的MEMS 反射鏡，因此其驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，產(chǎn)品價(jià)格也相對較高。

 

 

圖1. Ionon 公司MEMS 型外腔可調(diào)諧激光器

 

 

圖2. Emcore 公司外腔可調(diào)諧激光器的原理圖

 

　　Emcore 公司的窄線寬可調(diào)諧激光器是目前在100 Gb/s 相干光通信中應(yīng)用最為廣泛的一款產(chǎn)品，它基于原Intel 公司外腔可調(diào)諧激光器技術(shù)[18]，如圖2 所示。該器件的模式選擇濾波器為兩個(gè)級聯(lián)的、由單晶硅制作的法布里- 泊羅（F-P）標(biāo)準(zhǔn)具，利用游標(biāo)效應(yīng)，使得只有兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)具透過峰峰值波長重合的縱?？梢云鹫?，而其他的縱模被抑制。通過溫度精確控制標(biāo)準(zhǔn)具透過峰的峰值波長，從而能夠?qū)崿F(xiàn)波長的可調(diào)諧性。該產(chǎn)品調(diào)諧范圍可覆蓋C 波段或L 波段，在可調(diào)諧范圍內(nèi)可對任意波長進(jìn)行調(diào)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(shè)計(jì)中沒有活動(dòng)部件，穩(wěn)定性好，但是為了實(shí)現(xiàn)波長的精密調(diào)諧，需要對這兩個(gè)硅標(biāo)準(zhǔn)具進(jìn)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(diào)諧激光器[19]。諧振腔內(nèi)依次集成了增益管芯、準(zhǔn)直透鏡、熔石英標(biāo)準(zhǔn)具以及液晶反射鏡，標(biāo)準(zhǔn)具的透射峰值位于ITU-T 定義的通信波長內(nèi)，和液晶反射鏡共同構(gòu)成了該器件的模式選擇濾波器，調(diào)節(jié)時(shí)僅需改變液晶反射鏡的驅(qū)動(dòng)電壓便可選擇不同波長輸出。標(biāo)準(zhǔn)具同時(shí)還起到了波長鎖定器的作用，避免了在輸出端外加一個(gè)波長鎖定裝置。該器件的結(jié)構(gòu)較為簡單，輸出功率大于20 mW，通過優(yōu)化標(biāo)準(zhǔn)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(xué)事業(yè)部）公司的可調(diào)諧激光器也采用了類似的結(jié)構(gòu)，只是用一個(gè)硅基液晶（LCoS）反射鏡代替了普通液晶反射鏡。

 

　　2.2 高速調(diào)制激光器

 

　　高速調(diào)制半導(dǎo)體激光器主要運(yùn)用于100 Gb/s 及更高速率以太網(wǎng)，機(jī)房數(shù)據(jù)互連。在城域網(wǎng)絡(luò)中，由于傳輸距離近，成本控制嚴(yán)格，因此要求半導(dǎo)體激光器芯片本身具備高速直接調(diào)制能力。目前直接調(diào)制DFB 半導(dǎo)體激光器已經(jīng)可以做到40 Gb/s 以上的調(diào)制速率。但是由于增益區(qū)載流子的瞬時(shí)變化引起折射率的相應(yīng)改變，導(dǎo)致輸出的激光波長振蕩，光脈沖所含光譜嚴(yán)重展寬，傳輸光脈沖色散損耗大，限制信號(hào)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(yuǎn)特點(diǎn)，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(chǎn)等優(yōu)點(diǎn)使其已經(jīng)成為10 Gb/s光城域網(wǎng)及40 Gb/s 干線網(wǎng)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(gè)通信器件廠商的首選方案。2005 年，美國Infinera 公司率先實(shí)現(xiàn)了10×10 Gb/s 的光傳輸模塊，單片集成了10 個(gè)1 550 nm 波段的DFB 激光器，10 個(gè)EA 調(diào)制器及AWG 合波器。2012 年，日本NTT 公司則連續(xù)報(bào)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(dá)到了40 km。在該芯片單片內(nèi)集成了4個(gè)1 310 nm 波段的DFB 半導(dǎo)體激光器，4 個(gè)EA 調(diào)制器及多模干涉耦合（MMI）合波器。

 

　　2.3 低成本可調(diào)諧半導(dǎo)體激光器

 

　　由于可調(diào)諧激光器屬于高端光電子器件，因此研制低成本的可調(diào)諧激光器一直是學(xué)術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界的一個(gè)難點(diǎn)。雖然單片集成型可調(diào)諧激光器，如SGDBR 可調(diào)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(jìn)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(diào)激光器已經(jīng)能夠?qū)崿F(xiàn)2.5 Gb/s 的直接調(diào)制實(shí)驗(yàn)，其基本結(jié)構(gòu)如圖3 所示[20]。

 

 

圖3 一種低成本外腔可調(diào)諧激光器原理結(jié)構(gòu)圖

 

　　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(gè)晶體管外形罐型封裝（TO can）中，因此在整個(gè)激光器中就避免了熱電制冷器（TEC）的使用，而TEC 正是可調(diào)激光器中成本較高的一個(gè)元件。

 

　　3 研究進(jìn)展

 

　　武漢郵電科學(xué)院從20 世紀(jì)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(diào)制DFB 激光器、寬可調(diào)諧SGDBR 激光器等器件。在窄線寬可調(diào)諧半導(dǎo)體激光器方面，目前已研制成功基于MEMS 技術(shù)的寬可調(diào)諧窄線寬外腔激光器，能夠?qū)崿F(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(shù)，在中國率先研制成功多通道DFB 陣列激光器、數(shù)字級聯(lián)SGDBR 激光器。傳統(tǒng)窄線寬DFB 激光器所需的復(fù)雜光柵亦可低成本高產(chǎn)出地實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)，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。

 

 

圖4 窄線寬可調(diào)諧激光器C 波段ITU-T 定義的通信波長通道

 

　　4 結(jié)束語

 

　　隨著光傳輸網(wǎng)，光以太網(wǎng)和光接入網(wǎng)都向著高速大容量的方向發(fā)展，光網(wǎng)絡(luò)對激光器的性能要求越來越高。在高速光傳輸網(wǎng)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(diào)諧的能力，目前能夠成熟商用的是主要是外腔型可調(diào)激光器。在高速以太網(wǎng)中，需要激光器具備高速直調(diào)的能力，對激光器的線寬和可調(diào)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(wǎng)中，需要激光器具備較寬范圍的調(diào)諧能力和極低的成本，而目前如何實(shí)現(xiàn)低成本的可調(diào)諧激光器仍舊是學(xué)術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界的一個(gè)難點(diǎn)。

 

　　參考文獻(xiàn)（略）