波长可调谐激光器技术特点

波长可调谐激光器技术特点

波长可调谐激光器可任意控制信道波长，方便准确地控制频道间隔。可调谐激光器主要由具有有源增益区和谐振腔的激光器、改变和选择波长的可调装置、稳定输出波长装置三个基本部分组成。可调谐激光器有电流调谐、温度调谐、包括微电子机械系统机械（MEMS）的机械调谐三种基本技术，一般采用其中的一种或两种技术。

波长可调谐激光器开发现状

波长可调谐激光器从上世纪80年代起就开始进行研发，已获得很大发展。目前可调谐激光器已投入商业生产，并有许多结构不同和工作机理各异的可调谐激光器产品出现。目前，国际上已开发出可调谐的分布反馈（DFB）激光器、分布布喇格反射器（DBR） 激光器、基于MEMS的可调谐垂直腔面发射激光器（VCSEL）、可调谐光纤激光器等。此外，还发展了与滤波器、反射器、调制器、放大器等单片集成和混合集成的可调谐激光器，其中，采用MEMS技术的可调谐激光器是最有希望的一种，可获得大范围内可调谐激光器，并最有希望实现最小化、高密度、高速、批量生产。当今的可调谐激光器技术水平已与固定激光器不相上下，能完全实现整个C波段（1529～1561nm）或L波段（1570～1605nm）的宽带调谐。

外腔可调谐激光器功率大、线宽窄、波长稳定，已可实现大范围、非连续的波长调谐，并已形成产品，可应用于长途网、超长途网、城域网、光插分复用（OADM）、光开关等，但由于其机械调谐使其调谐和转换速度较慢，机械稳定性差、不便于集成、制造比较复杂、价格昂贵，限制了其应用范围。

单片结构电流调谐的内腔可调谐激光器应用范围较广，现在市场上出现的大范围可调

激光器能够在100个通道间进行调节，输出功率可达10～20mW，调谐间隔已达25GHz，其它主要光谱指标和可靠性均达到了固定波长激光器水平。

宽带可调谐DBR激光器

在可调谐DBR激光器中，在有源F-P增益区增加了衍射光栅，通过将激励电流导向谐振腔的不同部位来改变波长。其连续调谐范围较大（＞5.8nm）、调节速度非常快、采用现有生产工艺，但其线宽宽、输出功率低、控制较复杂。可用于城域网、长途网接入、光开关、数据传输系统、相控阵雷达射频信号传输、OADM等。目前，DBR类可调激光器是商用化最好的一个品种。除已开发出的多电极DBR 激光器、梳状电极DBR 激光器之外，又开发了几种基于DBR结构的宽带可调谐激光器（40信道，50GHz间隔），主要有超周期结构衍射光栅形DBR（SSG-DBR）激光器、取样光栅DBR（SG-DBR）激光器、取样光栅耦合器反射器（GCSR）激光器等。它们的连续调谐范围都＞40nm，最大可达100nm。其中SG-DBR和SSG-DBR很容易与调制器集成。其中采用不等间隔啁啾光栅的超结构光栅（SSG-DBR）内腔多电极结构可调谐激光器，结构简单，可实现100nm以上宽波长调谐。用于100个信道的SG-DBR基宽可调谐激光器已成熟，它能发出比当前市场上出售的激光器更高的功率，并且能发送到100个通路中的任意一路。Santec还推出新的全波段可调“万能”激光光源TSL-210F。其波长范围覆盖O、E、S、C、L和U通信波段，波长从1.26～1.63μm，连续可调370nm，输出光功率峰值可达10mW，在整个可调范围内＞3mW。表2为典型的可调谐DBR激光器与性能参数。

可调谐DFB激光器

可调谐DFB激光器可用于城域网、短途网、相干光通信和光测试等要求窄线宽的系统。可调谐DFB激光器关键性能参数是几MHz的线宽、10～20mW的发射功率和与固定波

长DFB激光器相当的可靠性。热调谐和光纤光栅调谐的DFB激光器技术已经成熟，并已有产品。DFB激光器将衍射光栅集成到有源区，热调谐DFB激光器是在谐振腔的增益区内装了一个反射镜，通过采用热电冷却器(TEC)改变谐振腔的温度（或输入电流）来调谐波长，有较好的功率输出（10mW～20mW）、足够快的频响特性、成本低、技术成熟，但DFB激光器线宽大，调节速度慢，调节范围小（5nm～10nm），并随着调谐温度的上升，其有效输出功率有所下降。

把光纤布喇格光栅作为外腔反射镜的光纤光栅DFB激光器性能优异，其线宽＜2.5 kHz，甚至可达1kHz，边模抑制比大于30dB，单模输出功率可达10 mW以上，相对强度噪声较低，易与光纤耦合，并有较宽的调谐范围(50nm)，通过对光栅加以纵向拉伸力或改变激光器的调制频率就能控制输出激光的频率和模式。安捷伦公司是此类厂商的代表，EXFO、Primawave Photonics公司也都有此类产品。Blue Sky Research公司开发的小型外腔激光器输出功率达20mW，调谐宽（30nm～40nm）,成本低、全电子、低电压、低电流调谐机制，使控制简单，提高了转换速度(1ms)。

采用多量子（MQW）半导体光放大器（SOA）的宽调谐外腔激光器，可获得240nm宽调谐波长，其可调谐范为1.3～1.54μm。光束单模抑制比优于30dB，激射模式与输出功率的功率比为90～99%。

美国朗讯技术公司开发的量子级联分布反馈（QC-DFB）激光器为双波长单模可调谐QC-DFB激光器，采用级联双波长有源波导芯和采用两个不同的Bragg光栅的多段腔。在5.0μm波长和7.5μm波长同时获得单模发射，并且双模的可调性与单波长QC-DFB激光器相同，并已用于中红外光探测气体传感。其潜在应用是差分光谱学、自由空间光无线通讯中的WDM、内腔混频等。

VCSEL基可调谐激光器

可调谐VCSEL通常是采用MEMS技术来移动或旋转反射腔镜，可实现60nm的宽调谐，并可连续输出纯净、连续的圆形光束、与光纤简单有效地耦合，成本低、易于集成和批量生产，很有发展前途。但其输出功率低，调节速度不快。外加反射器增加整体复杂性、功耗和成本。

可调谐VCSEL可用于城域网、长途网接入、光开关等，是业界商品化开发的重点。将980nｍ波长 VCSEL与MOEMS的反射腔集成，已在1528～1560nｍ波长内实现了43nm的连续可调谐，边模抑制优于50dB。

目前，多家厂商已有1550nm波段的低损耗窗口与低色散的可调谐VCSEL样品和产品。1310nm波段的可调谐VCSEL也有产品。Nortel和Bandwidth9采用VCSEL与MOEMS反射镜单片集成光源的波长调谐范围达20～30 nm。Bandwidth9的首个产品是集成宽带可调激光器、EDFA、可编程逻辑电路的线路卡，调节范围覆盖了整个C和L波段，可以直接配合系统设备使用。Nortel的VCSEL基可调谐激光器已达到成熟的先进水平。通过静电移动上膜片来调谐腔长和射波长。采用3个半导体器件和光放大器，可获得20mW光功率 （1.55 μm波长）。Iolon公司的VCSEL基可调谐激光器除采用MEMS旋转台的小型化外腔之外，还附加监视腔相位的控制环路，以便确保纵向光模式与从光栅反射回来的峰值波长对准。当器件老化时，还可以补偿纵向光模式与从光栅反射回来的峰值波长之间的任何潜在偏移。

集成式可调谐激光器

目前已有与电子或光电子器件集成的多功能可调谐激光器。这种激光器的波长调谐范

围可达40nm，能覆盖整个C波段或整个L波段，能支持间隔为50GHz的通道，并能提供很大的输出功率。扩大DFB激光器调谐范围的一种有效技术是组合多个DFB激光器形成DFB阵列。通过将多个DFB谐振腔集成到一个阵列中，就可扩大波长可调节范围。阵列集成的DFB可调谐激光器也有产品出现。表3为典型集成型可调谐激光器与性能参数，其中可调激光器与LiNbO3调制器的集成将是全光网络中最有希望的光源。

可调谐光纤激光器

可用于高速大容量光通信波分复用、军事、工业加工、医疗、光信息处理、全色显示、激光印刷和时分复用光纤光栅传感系统的窄线宽可调谐光纤激光器是热点产品与技术。光纤激光器是在EDFA技术基础上发展起来的技术，将普通的光纤放大器结构闭合起来并增加一个选频机构就可以构成可调谐光纤激光器。可调谐光纤激光器有较宽的增益带宽、稳定性及光谱纯度好、光功率输出较高（可达10mW以上）、较低的阈值、极窄的线宽（可小于2.5kHz）及较宽的调谐范围（可达50nm）、波长调节准确，并且与光纤直接对接、耦合效率高、制作工艺较简单，虽然其温度稳定性差、中心波长随温度变化、调谐速度较慢，但发展迅速，并已广泛应用。

目前，已有可调谐掺铒光纤激光器（EDFL）、温度调谐光纤激光器、可调谐开关波长激光器、基于光纤放大器（OFA）的可调谐光纤激光器、高重复率超快光纤激光器、与AWG集成的可调谐激光器等。特别是可调谐环形EDFL调谐范围大，输出功率高，成为可调谐激光器的主流，已商品化，可用于大容量长距离光纤通信系统和DWDM系统。可调谐光纤激光器将成为可调谐半导体激光器的有力竞争对手，必将在未来等领域中发挥重要作用。表4为典型可调谐光纤激光器与性能参数。

可调谐激光器应用市场前景

波长可调谐激光器是光通信网络与系统的关键器件。可调谐激光器可实现通信设备小型化、多功能、集成化、低功耗，并有扩展网络灵活性、控制流量、减少备用激光器数量、降低成本等优点。在提供精确光波长标准、充分利用全部光纤带宽、提高网络容量和效率、提高系统功能性等方面有着重要意义。

波长可调谐激光器有广泛的应用市场前景。已广泛应用于大气监测、外差传感、光谱测量等领域。目前已是高速大容量光通信系统、波分复用、时分复用系统中的关键部件，不仅可用作DWDM光源，还可用作分组交换网、接入网、光测试系统和快速波长交换等系统的重要光源，甚至于用作下一代相控阵雷达实时延迟波束控制光源。

可调谐激光器已日益成熟，已成为国际上的热点技术与产品，并正在促进光网络的发展。可调谐激光器最终将会代替应用市场中占主流的固定波长激光器而成为主要光源。