国内外光通信光源技术新进展

国内外光通信光源技术新进展

时间：2006-1-11 来源：张瑞君

目前，光通信正在向高速、大容量、宽带、长距、低成本方向迅速发展。光通信的关键器件——光源已取得很大进展。不仅第三代高速宽带的应变层量子阱(SL-QW) 激光二极管（LD）、垂直腔面发射激光器（VCSEL LD）和光纤激光器（FL）已获得重大进展。一些新型光源，如量子点（QD）LD、量子级联激光器（QCL）、光子晶体激光器（PC LD）和微碟激光器等也随着光通信应用的需求获得重大进展。用于光通信的光源前景看好，光源性能不断提高和新型器件不断被开发出来。我国的光源虽然已取得很大进展，但为实现我国光源技术的跨越式发展，还应加大自主研发的力度，特别要注重关键技术的开发。要发展我国自己的芯片技术和具有自主知识产权的核心技术，重点是发展高端器件与技术。

国外光源技术新进展

量子阱激光器

目前，各发达国家研发的大功率、高速、宽频QW LD在基横模输出功率、转换效率等方面都有所进展。已实现了60mW(连续)大功率40Gb/s DFB LD。美国斯坦福大学研制成功的1.46μm波长GaInNAsSb MQW LD获得功率＞70mW(脉冲、GaAs衬底)、阈值电流密度2.8kA/cm2；美国威斯康星大学研制的1.3μm波长低氮InGaAsN QW LD获得阈值电流密度为75A/cm2；法国CNRS的1.22μm 波长GaInNAs、GaNAs/GaAs应变SQW LD的阈值电流密度为0.43kA/cm2；Ortel研制的1.55μm 波长InGaAsP/InP S-MQWSCH LD功率为108mW、阈值电流为8mA；美普斯顿大学研制的1.3μm波长InGaAs MQW LD功率达450mW、阈值电流密度为1.9kA/ cm2。并实现了新一代高速宽频带光源——无致冷工作的应变层QW LD。

垂直腔面发射激光器

作为光通信中革命性光发射器件的VCSEL的新进展伴随着制作工艺不断进步，其阈值电流密度和工作电压不断降低，并从短波长发展到长波长。

目前，0.85μｍ波段GaAs/AlGaAs系列VCSEL技术已成熟，已实现了高性能、低成本和大批量生产。典型器件水平为: 阈值电流低至90μA、频率响应＞40GHz、工作效率达47%、可以10Gb/s速率传输信息。0.98μｍ波段InGaAs/GaAs系列的VCSEL也趋于成熟，部分产品已进入市场。

1.3μｍ波段VCSEL有较大发展，瑞典Royal技术大学研制出在室温下具有创纪录的1.26μm波长大应变双QW InGaAs/GaAs VCSEL，可在宽的温度范围（10～120℃）连续工作，最大输出功率＞1mW；Lytek研制成功的1.31μm波长VCSEL输出功率0.25mW、阈值电流0.5 mA；Gore公司1.3μｍ波段InP系VCSEL的典型器件功率约为1ｍＷ、阈值电流约4ｍＡ、上升/下降时间＜300ps。美国Nova Crystals公司研制开发的一种新型1.3μｍ波段VCSEL在无主动制冷下获得1mW的连续波（CW）输出功率，带宽为

2.5Gb/s，工作电压＜2V，可靠工作温度达100℃。

已有1.55μｍ波段的低损耗、低色散的可调谐VCSEL。美国圣巴巴拉大学研制成功的1.55μm波长VCSEL输出功率0.65mW（CW、20℃）、阈值电流0.9mA；NTT已研制出室温CW的1.55μｍ波长VCSEL，阈值电流仅为0.13mA；美国Bandwidth公司采用一次外延生长工艺制作出长波长(1600nm )VCSEL，在25℃下获得了0.45mW的CW输出功率。此外，VCSEL与微光机电系统(MOEMS)反射腔集成的LD已实现了43nm的连续调谐（1.528～1.56μm波长）。

光子晶体激光器

有极好通信前景的超微型、极低阈值（或无阈值）、可集成PC LD是目前研究的热点。自

1999年首次实现PC LD以来，1.55μm波长的GaInAsP/InP PC LD已取得很大进展。已开发了包括低阈值LD、VCSEL、QD LD、可调谐LD 、FL在内的多种PC LD。

美国密歇根大学首次验证了在室温下电注入单缺陷模式光子带隙（PBG）微腔表面发射激光器，获得931nm激射（脉冲），阈值电流为300μA，最大输出功率为14.4μW，Q因子～1164；德国维尔茨堡大学研制成功的0.98μm 波长S形弯曲脊形波导

SQW GRIN SCH InGaAs/AlGaAs PC LD的CW阈值电流为57mA，另外研制成功的1.6μm波长、8个共平面发射InGaAsP/InP QW SCH微型短腔PC LD，获得24mA的最小阈值电流和29%的最高外量子效率，室温CW输出功率达4mW；法国CPMA研制成功的1.55μm波长、室温工作Si上InP基2D PC MQW InGaAs/InP微腔脉冲激光器获得1.75mW阈值功率；韩国先进科技研究所在80K下获得～35μW输出功率的InGaAsP光子带边激光器，还研制成功0.85μm 波长GaAlAs PC VCSEL，输出功率为0.57mW（CW单模）；美加利福尼亚技术研究所研制成功的1.55μm波长InGaAsP MQW PC纳米腔激光器获得220μW输出功率；法国Lyon研制成功的1.55μm 波长Si上InP 2D PC共平面Bloch模激光器输出功率达mW级。

光纤激光器

FL是目前光通信领域的新兴技术。近几年，单频DBR和DFB FL、可调谐EDFL、温度调谐FL、可调谐开关波长激光器、超多波长光源、高重复率超快等多种类型的FL均已取得较大进展。由于高功率、高亮度多模泵浦LD的发展，高功率FL更是获得突飞猛进地发展。

双包层光纤是重大突破，双包层Er/Yb共掺杂的高功率FL成为研究热点。IPG Photonics 公司在掺Yb FL实现了高达300W的创世界纪录的低噪声单模输出功率之后，又开发出700W的掺Yb双包层FL和2000W的高功率FL。SPI的1.08μm波长掺Yb FL实现了270W以上的单模输出功率，1.565μm波长掺Er-Yb FL实现了100W以上的单模输出功率，这是迄今为止掺Yb和掺Er/Yb单模FL获得的最高功率。

掺Tm FL也有很大进展。英国Manchester大学开发的掺Tm SiO2 FL在1.9457μｍ波长、0.1dB带宽时获得了高达4.1kW创纪录的峰值功率（150 ns脉冲）。

可调谐和多波长FL发展十分迅速，已开发了多种FL，可调谐环形掺Er FL成为主流。已实现可调谐波长范围达200nm（1.4～1.6μm）的超连续FL，并已推出世界上第一台商品化80W 波长可调的掺Er FL，研制出具有90个波长的Q开关FL，NTT已研制成功1000个波长以上的WDM用超多波长模同步光源(SC光源)，将波长数量提高了10倍。

喇曼光纤激光器(RFL)也已有产品。RFL除采用通常GeO2的掺杂光纤作为增益介质外，最近又采用很有发展前途的高效P2O5掺杂光纤。已成功演示双波长RFL和三波长RFL，并正在形成产品。美国OFS Fitel实验室首次研制出一种具有19dB的开/关增益的6波长RFL。

PC FL的研究也获得重大突破，距实用化为期不远。英国巴斯大学在掺杂Yb的1.040μｍ波长PC FL中，获得260mW的输出功率，效率为25%；该大学另一项创纪录的成果是将Yb环形掺入包层的PC FL，在0.98μｍ波长实现了3.5W的接近衍射极限的输出功率。采用掺环技术，0.98μｍ波长的单模PC FL还获得了400mW的阈值功率和高达42%的斜效率。

量子点激光器

在双异质结LD和QW LD基础上发展起来的最新一代激光器QD LD是目前国际上最前沿的研究重点之一，已研制出侧面发射、面发射和垂直面发射QD LD。

美Zia激光公司开发的1.3μｍ波长InGaAs/GaAs QD LD阈值电流密度为16 A/cm2，并开发出连续调谐范围为1.4～1.65μm的低阈值电流QD LD；柏林理工大学和桑迪亚研究所已实现了68μA的阈值电流（室温）的面发光QD LD；日本富士通研制成功阈值电流为数mA的1.3μｍnm波长InGaAs/GaAs QD LD；德国Techniche大学研制的1.14μｍ波长