半导体激光器在高速光纤通信中的应用

半导体激光器在高速光纤通信中的应用一．半导体激光器的基本工作原理理论上认为半导体激光器应该是在直接带隙半导体PN结中．用注入载流子的方法实现由柏纳德——杜拉福格条件所控制的粒子数反转；由高度简并的电子和空穴复合所产生的受激光辐射在光学谐振腔内振荡并得到放大，最后产生相干激光输出。就基本原理而论，半导体激光器和其它类型的激光器没有根本的区别，都是基于受激光发射．要使激光器得到相干的、受激光输出，须满足两个条件，即粒子数反转条件与阈值条件．前者是必要条件，它意味着处于高能态的粒子（如半导体导带中的电子）数多于低能态的粒子数．达到这一条件，有源工作物质就具有增益。后者是充分条件。它要求粒子数必须反转到一定程度，即达到由于粒子数反转所产生的增益能克服有源介质的内部损耗和输出损耗（激光器的输出对有源介质也是一种损耗），此后增益介质就具有净增益。与其它激光器不同的是，半导体激光器中电子是分布在不同能带的下同能量状态中，其它微光器中的粒子（原子、离子或分子）是分布在有源介质的不同能级上，日而粒子数反转条件的表示也有差别。二．高速光纤通信中的半导体激光器1．概述随着在全球范围内掀起的“信息高速公路”建设的热潮，其数据传输速率正在迅速增加。本世纪末将有可能出现10～20gb/s的单信道实用化系统。高速系统必须用单模光纤和动态单纵模（SLM）半导体激光器．已经探索过多种SLM半导体激光器。然而有些激光器在静态（直流）下表现出单纵模，但在高速调制下由干一些限制因素会使光谱加宽、边模抑制比下降而出现多纵模，使通信系统性能退化．例如，普通的埋层异质结（BH）法布里一珀洛半导体激光器在数Gb／s的直接调制下．动态光谱展宽能达10urn以上。因此，高速通信系统要求线宽很窄的，在高速调制下仍能保持单纵模特性的所谓动态纵模（I）SIJM）半导体激光器。作为当今高性能半导体激光器的一种．基本材料结构的量子阶（特别是应变量子饼）半导体激光器就具有很好的动态特性．诸多形式的SLM激光器中，最有效的是在半导体激光器的腔内或腔外引入色散元件——光栅，其基本原理是这些色散元件只对某一特定波长作择优反馈．具有很好的波长分辨能力。例如DFB和DBR分别在率导体激光器有源层内或有源层外制成布喇格反馈光栅。因为这两种结构的共同特点是光波在行进过程中，与光栅的每一部分耦合而发生反馈作用，故称分布反债；另一种选择反馈利用腔外的闪耀光栅对某一波长择优反债。近年来在与激光器藕合的尾纤上制作的光栅（光纤光栅）更具魅力，这几种用光栅反馈的半导体激光器都能在各纵模之间产生大的损耗或增益差而获得较好的DSLM特性。从DSLM特性、制造工艺的复杂性、稳定性等因素综合考虑，分布反馈（DFB）激光器是目前高速通信中最为理想的激光源，它有低的阈值电流和小的波长温度系数（0．08um／℃，而一般的FP半导体激光器则为0．4nm／℃）．如果在量子阶材料上加上分布反馈则更能达到锦上添花的效果、基于DFB在高速通信系统的重要性，以下将对它较详细讨论。2．DFB激光器1971年贝尔实验室的科格尼克和香克首先证明内建光栅分布反馈染料激光器，他们还在70年代提出了较为完整的分布反馈理论。1975年由Nahamura等报告了GaAIA。DFB激光器；1981年由Utaka等研制出1．SPinInGaA。PDFB激光器。许多学者对DFB激光器作过很好的理论分析。在此沿用Streifer等所作的理论工作。应该说他的工作与格尼克所用的藕合波理论更接近，但更接近实际．如图1所示的DPB结构，一端为解理面，另一端解理面上镀增透膜．在分析中可以将在图（1）DFB传播的波分成正向行波（简写为R波）和反向行波（简写为S波，如图2所示图（2）这两种波在相向行进过程中在沿周期布喇格光栅各散射点相互发生一定的耦合．布喇格波长由光栅上散射点的间隔或光栅周期（即折射率变化的周期）A决定在激射波长为0．8umDFB激光器中所用三级光栅，其A=400urn；1．3um波长用的二级光栅，其周期为A=400nm；对1．5um的一级光栅，A=200um．总的光场为两个相向行波之和，即（3）式中；R（Z）与S（Z）是分别沿Z方向的正向和反向慢变化的复振幅。将式3代入包括有光栅扰动项的波动方程，考虑到S波与R波缓慢交换能量忽略它们的二次微商，然后就有以下的一组耦合波方程式中，。为功率增益系数（a／2为以强度表示的增益系数）；k为S波与R波之间在各分布反射点上的耦合系数为相对布喇格波长失谐的参数，表示为耦合系数是一个非常重要的参数，对它的设计直接关系到激光器的阈值电流、输出功率、P—I线性度、单纵模成品等．固为耦合波方程是线性耦合方程，其解为其中，已假设复传播常数入满足为了决定谐振模的性质（即功率增益系数和失谐参数，需考虑在腔两端处由它们的场反射系数和边界条件上式得到本征值方程其中式中的左端面和右端面，它们决定解理面相对于光栅的位置，故称它们为端面相位。解理面对光场的反射率不为零时，它们就对本征值方程式产生重要影响．DFB激光器其所以对端面相位敏感就在于尽管它有自己的分布反馈腔，但解理面的反射光对分布反馈腔产生大的扰动。同时，反射光在解理面的相位差对DFB激光器能起到重要的作用。以上述功率增益系数等效DFB谐振损耗DFB激光器的问值增益为阈值电流密度为外微分量子效率为从扰动分析结果，可以得到TE模的耦合系数k图4.3.3正弦光栅耦合系数与光栅调制深度的关系4.3.4DBF均匀对称光栅阈值功率增益系数与偏离量的关系模间值的简并，因此很难实现SLM工作．然而在光栅加工过程中很难实现很均匀一致的光栅。光栅的不均匀性会扰动纵模阈值的简并，也可能出现单纵模，但SLM的成品率不高，具有随机性。有多种方法来破坏上述纵模阈值简并，如：（1）使用高阶光栅（m＞2）（2）非对称结构，如将解理面一端磨成一个斜角，或镀增透膜．（3）在均匀波纹光栅中心设立凡八相移区，这是一种获得高SLM成品率的有效方法。利用非对你结构来扰动纵模增益的间并。一个解理面的反射率为零，由图看出两边模指数相同的纵模有一损耗差．因而可以出现类似如图的非对称的SLM工作。相对于这种非对称结构产生SLM情况，A／4相移方法是获得DSLM的可靠方怯。这种相移区可以通过正负光致抗蚀薄膜或电子束刻蚀等方法制得。以上所述的DFB是在有源波导上折射率周期变化所形成的衍射光栅提供光反馈的，即所谓折射率耦合的DFB。前商已经指出．为消除布喇格波长而边纵模功率间值增益的简并，可采取非对称结构，但解理本身会引起解理面上光场相位的随机性．使SLM成品率有限（＜80％）。A／4相移法是消除上述功率阈值增益简并的一种有效方法，但要求对解理面增透后的剩余反射率在10负三次方以下，否则SLM的成品率较低。同时这种方法还易出现由于不稳定的单模工作所产生的空间烧洞效应，且后端面的输出功率也不能得到有效利用等．早在1972年柯诺尼克和香克自预言利用增益（而不是折射率）周期变化的所谓增益偶合（GC）的DFB激光器能准确以布喇格波长得到SLM振荡。近年实际表明，增益耦合有优于折射率耦合的一些优点。例如有与理解面反射率无关的单纵模工作，单纵模成品率明显提高、能减少或消除空间烧洞效应、对来自外部的反射光不灵敏，使啁啾减少、降低线宽提高因子等。增益耦合DFB是用光学全息法或化学湿刻法将周期性光栅直接刻进有源区。还可采取增益耦合与折射率耦合相结合的方法．如图（4）表示被长为l．55um部分增益耦合（折射率耦合系数大于增益耦合系数）多量子阱DFB激光器的结构。部分折射率耦合的边模抑制比（SMSR）达55dB．还具有对腔面反射率不灵敏、低阈值和高输出功率等好的特性。增益耦合（包括部分增益耦合）DFB激光器将更适合于在高速光纤通信系统中应用。DFB激光器是靠选择反馈工作的。但不论来自解理面或是来自腔外的反射光都会影响DFB激光的模选特性，因而影响它的动态单纵模特性。随着腔面反射率的增加或外部反射光的增加，主模与边模的增益差减少．其效果类似于kL减少而模选择反馈减弱的情况。这使边模抑制比下降和产生跳模。因此财DFB激光器解理面增透和在输出端加隔离器都有助于提高边模抑制比和提高动态单纵模的稳定性。增益耦合多量子阱DFB激光器的结构图