以光电器件为基础的光通信正朝高速、宽带化方向迅猛发展,n??0g的密集波分复用dwdm技术的开发与光层面上的关键网络设备取得群体性突破。为避免传输中严重的信道间串扰,dwdm要求激光光源的谱宽窄到埃的量级,即单频ld(激光二极管);并要求ld的工作波长极为稳定,频率漂移范围不超过几兆赫;ld的工作波长可连续调谐;高速、低啁啾,扩大传输容量,提高传输距离。从目前发展趋势看,以分布反馈dfb-ld和半导体电光调制器(动态高频调制)为基础的集成光源成为首选,开发出多种新结构ld,可用作光通信光源,实现在一根光纤上传输多个波长信号。
dfb-ld
f-p(法布里-珀罗)腔ld已成为常规产品,向高可靠低价化方向发展。dfb-ld的激射波长主要由器件内部制备的微小折射光栅周期决定,依赖沿整个有源层等间隔分布反射的皱褶波纹状结构光栅进行工作。dfb-ld两边为不同材料或不同组分的半导体晶层,一般制作在量子阱qw有源层附近的光波导区。这种波纹状结构使光波导区的折射率呈周期性分布,其作用就像一个谐振控,波长选择机构是光栅。利用qw材料尺寸效应和dfb光栅的选模作用,所激射出的光的谱线很宽,在高速率调制下可动态单纵模输出。内置调制器的dfb-ld满足光发射机小型、低功耗的要求。
dfb-ld多采用ⅲ和ⅴ族元素组成的三元化合物、四元化合物,在1550nm波段内,最成熟的材料是ingaasp/inp。新型aigainas/inp材料的研发日趋成熟,国际上仅少数几家厂商可提供商用产品。优化器件结构,有源区为应变超晶格qw。有源区周边一般为双沟掩埋或脊型波导结构。有源区附近的光波导区为dfb光栅,采用一些特殊的设计,如:波纹坡度可调分布耦合、复耦合、吸收耦合、增益耦合、复合非连续相移等结构,提高器件性能。生产技术中,金属有机化学汽相淀积mocvd和光栅的刻蚀是其关键工艺。mocvd可精确控制外延生长层的组分、掺杂浓度、薄到几个原子层的厚度,生长效率高,适合大批量制作,反应离子束刻蚀能保证光栅几何图形的均匀性,电子束产生相位掩膜刻蚀可一步完成阵列光栅的制作。1550nmdfb-ld开始大量用于622mb/s、2.5gb/s光传输系统设备,对波长的选择使dfb-ld在大容量、长距离光纤通信中成为主要光源。
同一芯片上集成多波长dfb-ld与外腔电吸收调制器的单芯片光源也在发展中。研制成功的电吸收调制器集成光源,采用有源层与调制器吸收层共用多qw结构。调制器的作用如同一个高速开关,把ld输出变换成二进制的0和1。在一块芯片上形成40种不同的折射光栅,波长1530～1590nm的40路调制器集成光源,信道间隔为200ghz。其开发目标是集成100个发射波长的ld阵列,以进行9.5thz超大容量的通信。
vcesl
vcesl(垂直腔面发射激光)二极管的特点如下:从其顶部发射出圆柱形射束,射束无需进行不对称矫正或散光矫正,即可调制成用途广泛的环形光束,易与光纤耦合;转换效率非常高,功耗仅为边缘发射ld的几分之一;调制速度快,在1ghz以上;阈值很低,噪声小;重直腔面很小,易于高密度大规模制作和成管前整片检测、封装、组装,成本低。
vcsel采用三明治式结构,其中间只有20nm、1～3层的qw增益区,上、下各层是由多层外延生长薄膜形成的高反射率为100%的布拉格反射层,由此构成谐振腔。相干性极高的激光束最后从其顶部激射出。目前多家厂商有1550nm低损耗窗口与低色散的可调谐vcsel样品展示。1310nm的产品预计在今后1～2年内上市。可调谐的典型器件是将一只普通980nmvcsel与微光机电系统的反射腔集成组合,由曲形顶镜、增益层、反射底镜等构成可产生中心波长为1550nm的可调谐结构,用一个静电控制电压将位于支撑薄膜上的顶端反射镜定位,改变控制电压就可调整谐振腔体间隙尺寸,从而达到调整输出波长的目的。在1528～1560nm范围连续可调谐43nm,经过2.5gb/s传输500km实验无误码,边模抑制优于50db。如果发射波长在1310～1550nm之间的vcsel能够商业化生产,将会进一步促进光通信发展,使光网络更加靠近家庭。已有许多公司公布了这种波长的vcsel原型机的一些技术数据。
dbr-ld
dbr-ld(分布布拉格反射器激光二极管)最具代表性的是超结构光栅ssg结构。器件中央是有源层,两边是折射光栅形成的ssg区,受周期性间隔调制,其反射光谱变成梳状峰,梳状光谱重合的波长以大的不连续变化,可实现宽范围的波长调谐。采用dbr-ld构成波长转换器,与调制器单片集成,其芯片左侧为双稳态激光器部分,有两个激活区和一个用作饱和吸收的隔离区;右侧是波长控制区,由移相区和dbr构成。1550nm多冗余功能可调谐dbr-ld可获得16个频率间隔为100ghz或32频率间隔为50ghz的波长,随着大约以10nm间隔跳模,可获得约100nm的波长调谐。除保留已有的处理和封装工艺外,还增加了纳秒级的波长开关,扩大调谐范围。
fg-ld
fg-ld(光纤光栅激光二极管)利用已成熟的封装技术,将含有fg的光纤与端面镀有增透膜的f-p
