光纤通信用半导体激光器

国家知识产权局专利局电学部半导体一处 高铭洁

光纤通系统中大部分用到的光源就是半导体激光器，但是在不同的层次和结构的光纤通信系统中所需要的半导体激光器类型也大不一样。本文主要内容是先介绍光纤通信的发展趋势，然后通过介绍几种较为典型的光纤通信用半导体激光器件，比如研究法布里-珀罗激光器，分布反馈半导体激光器，垂直腔面发射激光器等一些比较典型且常用的半导体激光器的特点和发展方向，基于此对本文内容做出总结，对光纤通信用半导体激光器未来的发展提出一些展望。

一、光纤通信的发展趋势

光纤通信近些年在我国发展迅速，尤其是光纤通信在信息传递上面发挥了极大的作用之后，慢慢的走上了正规化和国际化发展道路。互联网经过最近几十年的爆炸性普遍应用之后，其速率和容量也在慢慢稳定下来，逐渐趋于一个相对合理的缓慢的增长状态。为了让传统的电话网络和新的有线电视网络连接起来形成一个更加完整和全面的信息网络，光纤通信系统是作为目前信息传递最为有效的方式之一。

光纤通信系统在信息传递方面发挥着不可或缺的作用，要想它能够保证信息传输的稳定性和有效性，必须要满足以下几个条件。首先，主要的光纤通信线路要能传输足够远的距离，并且传输速率快、传输容量大等等；其次，在接入到用户家中的光纤通信需要尽量降低使用成本，保证尽可能多的家庭能够负担得起，并且在接入的所有用户家中都要有足够的接入宽带；最后，目前光纤通信系统主要还是依靠一对一的传输，传输容量还可以通过一些手段来提高。所以，很多光通信传输的时候会提出各种不同的要求，需要根据具体的要求来采取不同的半导体激光器。比如在一些发达城市的城市建设中，要求光纤通信的传输距离较短，一次性传输的信息量大等特点，这个时候使用的是直接调制的分布反馈半导体激光器来达到要求。在城市之间的干线传输网络中，因为要进行远距离、快速率、大容量地传输，就目前而言，这些年虽然我国的快速率的网络传输得到了长足的进步，但高速率以及大容量的传输条件相对苛刻，就目前我国大多的激光器都不能达到要求。基于此，目前解决这个办法也只能通过采用外调制器，外调制器能够很好的解决这方面的问题。

二、法布里-珀罗激光器

对于传输速率要求不是特别高的光纤通信信息技术，采用法布里-珀罗激光器较为合适。由于这种半导体激光器广为应用，并且我们国家在该半导体激光器有了很大的进步，各项技术都已十分稳定，所以我国普遍的采用的是这种激光器，它也成为了我国应用最广的光纤通信技术。

就目前而言，由于半导体激光器在边界具体的条件不一样，就出现了以下的三个模式问题。第一，和半导体激光器输出相同方向的纵波称为纵模。第二，垂直于有源层方向的模式称为垂直横模。第三，平行于纵模和沿着垂直横模方向的模式称为水平横模。我们知道对于通信来说最基本的要实现基横模状态，通过对这种半导体激光器的了解，我们知道该半导体激光器是比较容易实现基横模状态的，只需要简单的控制就可以完成，但对于实现纵模来说就难以实现了。

目前该种半导体激光器主要发展方向是减少成本，由于这种半导体激光器自身的结构特点非常的独一无二，我们在进行性能测试的过程中，这种半导体激光器在进行解理之后需要对非常微小的激光器进行操作，出现了很多的困难，所以是最终的生产率很低从而加大了成本。现在的目标是要在提高生产效率的同时尽量降低生产成本，比如我们可以使用等离子体来形成非常光滑的反射镜面，从而来降低成本，提高效率。

三、分布反馈半导体激光器

普通结构的分布反馈半导体激光器由于在高速的调制下会出现一个致命的问题，那就是出现了多种模式工作的现象，我们并不希望出现多模工作的现象，因为这样的话会使我们的传输速率大大降低，所以我们需要研发一种能在高速状态下依然能够保持单模工作。在该激光器里面设置一个布拉格光栅，然后通过光栅来控制纵模的选择，从而有效使光波的反馈更加有益。在这种半导体激光器的谐振腔中会进行波长选择，所以它的单色性要比一般的激光器好。

在这种半导体激光器中有以下的几种方式：第一，由于这种半导体激光器发生的周期性变化而出现的反射，这种叫做折射率耦合。第二，由于散布反馈激光器增益性周期变化而出现的反射，叫做增益耦合。这种半导体激光器本身就可以自主选择模式，在理想状况下的我们可以得到以下的结论：在分布上激光器存在最低模式。

这种半导体激光器在布拉格波长上也有一个相同的消耗最少的模式，这并非偶然，而是因为这种半导体激光器在原理上就是两种模式激射的，而增益耦合分布反馈半导体激光器属于单种模式激射，这是两者根本上的不同。

四、电吸收型调制器集成光源

随着我国对光纤通信方向上的快速进步，干线传输的容量大小也在不断提高。要想提升通信容量，首先要解决的就是寻找到窄线宽、低啁啾的光源，这种半导体激光器的特点刚好满足这个要求。一方面因为受到共振作用的影响，实际上激光器的工作效率受到了很大限制，从而使工作效率不能有效的提升。另一方面，半导体激光器因为对于远距离传输有限制，所以无法满足需求。基于此，我们可以通过电吸收型调制器和这种半导体激光器的结合，从而使最终的光信号能够同时具有一系列优良特点，从而能够很好地满足我们的所要的需求。

用于集成光源制作的外调制器主要分为两种，干涉型调制器和电吸收型调制器。这两种调制器相比较而言，干涉型调制器虽然对工作波长不敏感且啁啾可调，但是它的制作难度较大并且器件的尺寸过大，在现在的行业发展状况以及时代背景下还无法被被广泛的使用。电吸收型调制器由于具有一系列优势，电吸收型调制器被广泛的用于集成光源的制作。基于此，电吸收型调制器集成光源成为了光纤通信的第一选择。

五、波长可选择光源

踏入新世纪以后，我国在科学技术上有一个快速的发展期，在集成光源方面的条件越来越严格，我们现在集成光源的各项钻研的方向已经慢慢地朝着波长可以选择的方向发展。

激光器的波长我们可以通过一些手段来使波长可以协调，通过研究我们知道，波长调谐主要存在于布拉格反光栅中，我们可以通过一些技术来使布拉格反光栅的折射率改变，从而我们能够按照我们的需要来改变布拉格反光栅的波长。我们目前所知的，虽然这种半导体激光器有着优良的特点，但是它的作用范围很窄，从而达不到我们的需求。我国比较的完善的谐调器主要是根据分布布拉格反射器半导体激光器来的。

这种半导体激光器因为它实现谐调的原理，所以出现了很大的谱线展宽。这种半导体激光器需要多个电极电流才能协调好，所以这种半导体激光器的模式不是特别的稳定，从而出现了很多的问题，从而没能达到我们的需要。同时也导致了近些年来各个国家对于这种半导体激光器的研究力度有所下降。有研究人员尝试将几个不同波长的这种半导体激光器结合起来，根据它的自身的特点来形成一个可以控制波长集成光源。最近的一项研究显示，研究人员选择很多个不同波长来形成一个集成光源的这种半导体激光器。最终形成了一个对这么多个不同波长进行结合和消耗。

六、垂直腔面发射激光器

我们在上文中所讲的激光器都是一边发射激光器，通过字面意思我们可以了解其实就是激光通过一个边进行输出，这些发射激光器难以进行二维的集成，一般都是一维的集成。并且，我们知道二维的集成器件就是我们所熟知的光。数据的传输的必要条件，所以垂直腔面发射激光器就成为最好的选择了。与边发射器不同的是，垂直腔面发射激光器的出射光线是平行于外延生长的方向的。

这种激光器在原理上和侧面发光激光器相比有很多优势：这种激光器有源区体积小，所以阈值电流极小；采用分布反馈半导体激光器结构，可以实现动态单模工作；有源区内置所以使用寿命很长；光束的质量高，容易耦合；可以在片测试，极大降低成本等等。另外，最吸引人的一点是，这种激光器的制造可以很好的结合发光二极管，通过这样我们可以大规模的生产从而是我们的成本降到最低。容易进行二维集成并且可以在片测试，很多该行业的专家都预言，这种激光器将会在不久的将来广泛应用于很多方面，未来的发展非常的广阔。

七、结语

本文介绍了目前在光纤通信系统领域中几种比较典型的光源，这些光源都有各自的特点和优势，在自己的领域发挥着不可替代的作用，它们共同组成了光纤通信的基础，推动光纤通信行业向前快速发展。进入新世纪以后，随着我国科学技术的快速发展，我国的光电子产业技术也快速进步，我国相当非常重视光电子产业技术的发展，并且给出了相当大的扶持力度，在经过十几年的高速发展，现在光电子产业已经初具规模，但是对一些基础和核心器件的研发力度还有待加强。因此，我们国家需要继续加快一些基础和核心器件的研发力度，从而是我们国家在光电子产业上有一个更加长远的发展。目前全球都在大力发展光通信行业，大量开发各个层次的光电子基础器件，可以说光纤通信系统行业正面临着一个绝佳的发展时期，我们应该把握好这个机会，我相信这方面未来的发展前景一片广阔。