英文翻译

可调谐激光源(D)波分复用(WDM)

延斯.布斯

英国北安普敦郡盖敦市光电子学研究所

摘要

多年来可调谐激光和其它波分复用(WDM)来源一直是光电子学讨论的一个热门话题，但是它像其他领域一样在低迷时期遭受了很大打击。在这篇文章中我们将描述其在密集波分复用系统光学来源领域的最新进展，包括可调节激光和多波长光源，我们将看看现在还在这个领域竞争的公司。

我们以引入基本技术用于密集波分复用的来源作为开始。之后我们将对不同的来源选择作一个综述，并且讨论调谐的方法和波长控制的话题。我们正在讨论的来源选择将包括单片电路可调谐激光器，混合结构和外部腔激光器，可选择波长激光阵列，可调式垂直腔面发射激光器，以及非半导体的其他选择。我们会给很多例子，并讨论各种各样的设备的特性和表现。那些表现参数，譬如调谐范围，功率和切换速度将会联系到期待的应用领域。这些领域包括保守的，固定的波长发射机替换物和在波长切换广播网中的应用。

关键字:波分复用(WDM).激光器.信号传送器.可调谐激光器

1.可调谐激光器的应用及需求

选择一个操作的特殊波长的能力使得可调谐激光器，或者可选择波长激光阵列，产生一个不受约束和可调整的波长，引人注目，并被广泛应用在譬如保守的密集波分复用光网络中。取代保存大量的业余发射机卡片（每一张对应一个波长），一个系统操作员只需要一定数量的备用品。如果可调谐激光器变得足够的便宜，我们甚至可以考虑用可调谐激光器替代固定波长激光器。

可调谐激光器也支持基于使用波长路由的新的网络特性。我们也可以用波长交换譬如环路交换或包交换。

另外，可调谐激光器也对试验和测量以及各种各样的传感器很感兴趣。

关键性能参数如下：

1.功率。为了业余的和替换的应用，光学的功率级数必须和现在的DFB激光器相匹配。

2.调谐范围。广泛的调谐范围减少了覆盖一个给定的光谱范围的激光器的数量，但对于广泛的可调谐激光器我们要权衡调谐范围和功率级数。

3.调谐速度。对业余的应用调谐速度并不值得探讨，但对于光分组交换，它的重要性居首位。

4.可靠性。除去通常应用意外，我们必须保证波长的稳定性。

2.设备的选择和调整机制

大量的激光器结构已经被人们提议出来。其中最重要的类型为：

1.单片机可调谐激光器（DBR,SGDBR,GCSR,DSDBR)。

2.外腔激光器包括混合结构和微机电系统设备。

3.可调谐的垂直墙面发射激光器。

4.分布反馈式的激光器阵列。

5.纤维形的激光器。

6.基于主动波导激光器。

在一个单片机上的激光器结构，我们可以通过改变载流子密度( ?N)或者温度( ?T)，因为这些改变会改变折射率( ?n)。然而，如果在一个光波导管中的某一部分折射率指数改变了，必须包含一个限制因子Γ，将这种改变翻译成其等效折射率中的改变。在一个传统的外墙是激光器或者可调谐的垂直墙面发射激光器，谐振腔长度可以直接改变。下表比较了一些不同调谐机制的特性，并给出了特性参数调谐范围?λ和调谐速度t tune。

?N QCSE ?T ?n ≤0.05 ≤0.01 ≤0.01

Γ~0.5 ~0.2 1

?λ≤15 nm ≤1 nm ≤5 nm

t tune< 10 ns < 0.1 ns > 1 μs

表1.调谐机制

表1中给出的调谐范围是最大可能连续调谐范围，更大的（非连续的）也是可能的譬如利用取样光栅游标效应。调谐速度是极限值，由载体寿命如载体密度调整和激光器结构对热调谐的热力学性质限制。在实践中调谐速度会受到控制电子学的限制。

3.具体实例

3.1 整体结构

在一个传统的分布布拉格反射激光器中，调谐是通过改变载流子密度完成的，以此来改变光栅节的折射率。

一个更接近的调谐动作表明调谐会通过几个步骤来实现，每一个步骤给出谐振腔模式的调节间隔。为了得到在间隔处的频率，一个被动阶段控制部分插入活性之间区和光栅。通过改变载流子密度，谐振腔模式可以被改变。因此确保使用所有中间频率，实现准连续的调谐。通过表1，总调谐范围可达15纳米。

为了扩大调谐范围,更复杂的结构和调整方案是必要的。一种解决的办法是通过两个反射体，每一个对应一个梳子状的反射光谱。这样的反射特性可以通过用图2[1]取样光栅来举例实现。前面反射镜由于间距比例与前面反射镜的采样间隔相反会产生反射峰值，L s,f，后面的反射镜也会同样产生反射峰值，L s,f。正如图3一样，一个小的变动或折射率的前面或后面的部分将导致大改变一个前方和后方波长反射峰是一致的。

一个缺陷的SGDBR激光是光纤输出电量通过调整一个相对漫长的部件必然有(调谐依赖)的损失。从而既减少了输出功率和改制依赖。这个问题可以降低集成光学放大器到激光结构,如图4,同时也显示了调制器集成的[2]。

因为一个SGDBR激光至少4部分组成,每个部分都必须加以控制,为了得到一份特殊的功率水平和一个特定的光频、校准和控制这些激光器是一个重要的实践问题。为实际系统的使用,将激光能产生一个特定的光频响应简单控制信号。因此,需要有一个电子控制系统交付与激光,已足够了对激光存储信息。这个信息是由标定系统制造商使用能提取出所需的信息。

Bookham最近提出了一种激光结构调整部分前面可以降低调整的依赖该损失,而潜在的易于控制[3],图5。后面的反射器拥有一批狭窄、广泛的行距在SGDBR反射峰。然而,前部由一批短购进,每个人都有广泛的和相对弱反射光谱特性。当这样的一个准是偏颇的,反射光谱移动和一致的一个邻居分段,从而形成一个相对广泛的反射器,可以挑选高耸入云的山峰之一,从后面的反射器。因为整个前部是短暂的,只有一个相对较低的调整电流是需要的,前面的损失较低,没有调整的依赖。

另一个整体广泛可调谐激光是光栅耦合抽样反射器(GCSR)[4]从ADC,图6。该结构也有一个后方反射给数量的窄,反射峰间隔很大,但是在这个案例中"卷方法。5280 - 175独立峰认出了一个广泛的可调谐(但还广泛的codirectional耦合器,作为那些传输的过滤器。广泛传播的组合滤波和梳子反射足以选择一个单一的模式。注意,这种激光没有被动部分在前面,因此避免了相关的光损失。

3.2 外部腔激光器

一个传统的外腔激光(它)由一个激光芯片和外部光栅反射器。摘要为了在超声检测中排除多型腔效应、激光方面面对外腔通常是抗反射(AR)的包覆。激光输出通常采取从方面在另一端的激光,此方面的反射率也可能被一层为了增加可用的力量。将光栅改变入射角的光束,因此曲调波长。然而,当波长的变化,之间的比率和腔长波长变化,导致腔模式之间跳。为了实现连续调阶段(即调谐激光它们建立在相同的纵向模式),有必要改变腔长以相同的亲戚金额为波长。同时变化的腔长角和光栅可以达到的光栅的特殊的机械安装,或者由

旋转光栅围绕着一个优化的基准点。

一个独特的优点是独特的,他们可以利用半导体激光器,是专为高输出功率,此外有一定程度的自由反射率选择方面的,这就使这成为可能有一个结构高功率效率。然而,传统的独特涉及精致的力学,他们往往很笨重,而且,为了确保光谱稳定性的力学稳定性要求很高。因此,他们保留了一个专家,低流量与相对高的单位产品的价格。

一种相对较新的发展是使用一个简要介绍微机电(治国与处世的要术)结构,形成一个micro-ECL。这在设备描述[5],如图8,有一个脚印只有3毫米2毫米。体积小的意思是机械装置的鲁棒性。虽然这MEM-ECL 显然是针对电信变送器市场方法176年第3期,5280年" 性能(40海里不断调整、光纤耦合+ 7的权力小菜的整个范围)令候选人的测试和测量应用等方面的研究进展。从一个WDM信道切换到另一个相对较低慢(15 ms),但波长稳定,使用一个波长更衣室,很简单。真正的连续调整是有可能的, 一个好的交易,可能比标准发射极耦合逻辑电路元件。

3.3 垂直腔表面发射激光器

垂直腔面发射激光器(应用)已成为成本相对较低的发射器为数据连接。在这些雷射、光平面垂直传播所定义的主动层,和光学反馈模式的选择提供参考由布拉格反射镜组成的层次与交替的高、低折射率、而不是裂方面的边缘发射雷射。一个利用短腔长,井距大模式相比,其宽度改进后引起的增益曲线,这样,如果谐振波长接近获得高峰,单纵模操作发生,不需要任何波长选择性的元素。作为一个例子,一腔长度为10μm意志给一个模式间距约30纳米。

一个独特的优点是,现场VCSELs大小可兼容与单模光纤,使激光光纤耦合更轻松、更有效率。大多数VCSELs加工使用AlGaAs资料系统,有一个或更多的紧张的砷化铟镓量子井为活性物质的;因为这些雷射波长接近一μm通常。然而,VCSELs现在也正在制造的InGaAsP材料体系的特别适用于较长的波长。一个可调的应用可以由具有可转向的静电镜子悬在活跃的地区。连续调宽范围(有限的间距纵向模式), 有一个单一的电压控制则是可能的。一个可调的应用的一个例子如图9。细节应用这种激光结构给出了[6]。VCSELs与生俱来的低功率器件,但是较高的光功率可以达到用光学显微镜而不是电气跳动,虽然这使整个激光装配比较复杂,详情见[7]在这样一个激光。

3.4 阵列

DFB激光器阵列可以操作,所有的数组元素本身在不同光的频率。不同的频率可以得到一个可以通过不同结构参数(如条纹宽度)激光激光,从而改变有效折射率的结构,或通过改变光栅周期(这需要电子束写的能力)。然而,为了形成一个实际装置的激光必须结合一个终端,为了有一个共同之处输出波导。

标准DFB激光器通常有一个抗反射涂层(AR)和一个高的反射(HR)涂层方面。为在一个数组综合激光等方面将非反射。这是必要的,避免的光谱的产量问题发生在冲动/ HR装置因为的相对位置相对于某一方面的光栅不能成功控制。为了有一个单一的,很好地确定,激模式,非反射DFB激光器在两个方面,必须有一个四分之一波长相移光栅的中心。

结构描述文献[8]中有六个DFB激光器结合一个终端,一个放大器和变,以及监控探测器(如图10)。包括放大器来弥补的分裂可能造成的损失终端,插入损失调制器。发射频率给定的激光可以精细调谐中等程度的温度调优,或具有较高的温度调可以用来调每个数组元素在更大的光谱范围。

制造一个DFB激光器指定波长很困难,但是在一个数组,正确的波长间距可以是非常大的。这意味着如果一个数组元素是细腻的设计波长(如热), 然后所有的另一个数组元素将会自动在,或非常接近,各自的设计的波长。使用一个数组也可以有冗余为了提高仪表的可靠性,确保一个给定的波长能够覆盖超过一个激光。

它也有可能使一个数组DBR组成的激光。在这样一个数组的每个元素可以被电子调谐,即调快比为(DFB)阵列。利用相对较短的活跃的地区可能设计每个数组元素这样一种方式,它具有广泛的连续的调整范围。范围为4.5海里刊登在[9]。

DFB激光器阵列或DBR显然不适合解决大量的渠道,除非有一个高程度的温度调谐使用。这将会降低调谐速度,和一些控制简单优势也将丢失。

一个关键问题是终端(DFB)阵列和与其有关的插入损耗,这一群体正变得更加阵列高元素计数。一个的

新途径,避免这个问题最近出版[10]。如图12 微机电系统(MEMS)是被一个终端的镜面,可以提供耦合控制从一个给定的数组元素。

4.波长稳定性和切换

随时间过去,当波长稳定激光时代,是一个重要的问题为可调雷射,但看起来,运用现代的非常高的含量的工艺稳定性现在可以被实现。作为一个例子,图12显示一个模式图, 即单模式操作区域广泛的可调谐激光SGDBR。

另一个有趣的现实问题是一个广泛的波长转换波长可调谐的激光。虽然分布布拉格反射镜和激光像SGDBRs原则上可以切换波长在几个ns(限由承运人一生),切换次数是有限的通过控制电子产品。一个例子,一个可调谐激光控制卡,切换次数为DBR如下所示图13。

5. 性能总结

调谐范围的基本限制各种类型的可调雷射都列在表2。

DBR 载体浓度变化

SSG-DBR,GCSR 控制和稳定

外部共振腔增益光谱

VCSEL 间距腔模式

阵列/串级温度范围，元素计数

达到预期性能和数量的可调谐激光器结构和阵列在表3。

DB R SGDBR GCSR 外部共振腔VCSEL DFB阵列

功率>10mW√SOA √√? √

最大范围≤15 50-100 50-100 >100 <50 15-30

调谐速度ns ns ns ~10ms ~200us ms

直接调制 2.5G 10G EA(2.5G) (2.5G) ? 2.5G ?

传统的价格固定波长DFB激光器可以分成下列内容:芯片成本, 测试、控制电路和偏见,并且包装(包括:光学元件、光纤对齐,隔震和固定, 可能的调制器,可能波长更衣室)。在稳定、大量生产的条件下,前3成本元素都是相对小的比包装费用。对可调谐激光或选装的情况如下:

1.芯片成本提供了芯片的低产量令人满意。

2.很低的测试成本提供了测试(包括操作点的提取)自动化并且速度快。

3.控制板的成本低，量大，而且数量也足够。

有这方面的论点,如果/当地区的产量、检测与控制是整理,主导的成本波长可调谐或要素对于激光也是包装。然而,包装成本不有所不同从一个固定的波长(DFB)(其它类似的性能要求),因此价格对于一个可调溢价或激光可以变低,从而激励了体积增加的良性循环降低价格。