高速光纤通信中的半导体激光器

每日一学

光通信如火如荼，激光器是其核心之一，二者如何相处呢？

1. 高速通信对光源的严峻挑战

动态单纵模需求：随着传输速率提升至10~20Gb/s，系统必须使用单模光纤和动态单纵模（SLM）激光器。

普通激光器的缺陷：常规的法布里-珀洛（F-P）型激光器在直流下是单纵模，但在高速直接调制下，受载流子瞬态效应影响，会出现严重的动态光谱展宽（啁啾）和边模抑制比下降，退化为多纵模工作，从而恶化系统性能。

原理与优势：通过在有源层内引入周期性光栅，实现对特定布喇格波长的选择性反馈。这是目前高速通信中最有效、最理想的SLM光源。结合量子阱（特别是应变量子阱）结构，能进一步压缩线宽、提高调制带宽。

均匀光栅的缺陷与克服：均匀光栅在布喇格波长两侧存在对称的纵模阈值简并，难以保证稳定的单纵模工作。

*解决途径*：采用非对称结构（如解理面镀膜）、或最有效的方法——引入λ/4相移区（能获得极高的SLM成品率）。

技术演进：增益耦合（GC）DFB：相比传统的折射率耦合（RC）DFB，增益耦合DFB具有显著优势：与解理面反射率无关、单纵模成品率极高（>90%）、能有效消除空间烧洞效应、对外部反射光不灵敏、啁啾更小。

为了适应WDM系统对多信道和灵活路由的需求，章节介绍了多端可调谐半导体激光器（如三电极DFB、四端DBR激光器）。通过独立控制有源区、相位区和光栅区的注入电流，可以实现数纳米范围的波长连续调谐。

高速系统要求极窄的动态线宽，这需要综合“量子阱的高微分增益”与“光栅的选择反馈”双重优势。因此，量子阱DFB激光器被公认为高速（≥2.5Gb/s）光纤通信的最优光源。

未来的发展方向是将激光器与外调制器（如电吸收调制器）进行单片集成（光子集成PIC），以彻底消除直接调制带来的啁啾效应。