国内外光通信光源技术新进展.doc

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（VCSELLD）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（PCLD）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QWLD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/sDFBLD。美国斯坦福大学研制成功的1.46m波长GaInNAsSbMQWLD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1.3m波长低氮InGaAsNQWLD获得阈值电流密度为75A/cm2；法国CNRS的1.22m波长GaInNAs、GaNAs/GaAs应变SQWLD的阈值电流密度为0.43kA/cm2；Ortel研制的1.55m波长InGaAsP/InPS-MQWSCHLD功率为108mW、阈值电流为8mA；美普斯顿大学研制的1.3m波长InGaAsMQWLD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QWLD。 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，0.85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90A、频率响应40GHz、工作效率达47%、可以10Gb/s速率传输信息。0.98波段InGaAs/GaAs系列的VCSEL也趋于成熟，部分产品已进入市场。 1.3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1.26m波长大应变双QWInGaAs/GaAsVCSEL，可在宽的温度范围（10120）连续工作，最大输出功率1mW；Lytek研制成功的1.31m波长VCSEL输出功率0.25mW、阈值电流0.5mA；Gore公司1.3波段InP系VCSEL的典型器件功率约为1、阈值电流约4、上升/下降时间300ps。美国NovaCrystals公司研制开发的一种新型1.3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1.55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1.55m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1.55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（1.5281.56m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PCLD是目前研究的热点。自1999年首次实现PCLD以来，1.55m波长的GaInAsP/InPPCLD已取得很大进展。已开发了包括低阈值LD、VCSEL、QDLD、可调谐LD、FL在内的多种PCLD。 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300A，最大输出功率为14.4W，Q因子1164；德国维尔茨堡大学研制成功的0.98m波长S形弯曲脊形波导SQWGRINSCHInGaAs/AlGaAsPCLD的CW阈值电流为57mA，另外研制成功的1.6m波长、8个共平面发射InGaAsP/InPQWSCH微型短腔PCLD，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1.55m波长、室温工作Si上InP基2DPCMQWInGaAs/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35W输出功率的InGaAsP光子带边激光器，还研制成功0.85m波长GaAlAsPCVCSEL，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1.55m波长InGaAsPMQWPC纳米腔激光器获得220W输出功率；法国Lyon研制成功的1.55m波长Si上InP2DPC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DFBFL、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。IPGPhotonics公司在掺YbFL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1.08m波长掺YbFL实现了270W以上的单模输出功率，1.565m波长掺Er-YbFL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TmFL也有很大进展。英国Manchester大学开发的掺TmSiO2FL在1.9457波长、0.1dB带宽时获得了高达4.1kW创纪录的峰值功率（150ns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ErFL成为主流。已实现可调谐波长范围达200nm（1.41.6m）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ErFL，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OFSFitel实验室首次研制出一种具有19dB的开/关增益的6波长RFL。 PCFL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1.040波长PCFL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PCFL，在0.98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，0.98波长的单模PCFL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QWLD基础上发展起来的最新一代激光器QDLD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QDLD。 美Zia激光公司开发的1.3波长InGaAs/GaAsQDLD阈值电流密度为16A/cm2，并开发出连续调谐范围为1.41.65m的低阈值电流QDLD；柏林理工大学和桑迪亚研究所已实现了68A的阈值电流（室温）的面发光QDLD；日本富士通研制成功阈值电流为数mA的1.3nm波长InGaAs/GaAsQDLD；德国Techniche大学研制的1.14波长InGaAs/GaAsQDLD输出功率为3.7W、阈值电流密度为20A/cm2；俄罗斯A.F.Ioffe研制的InGaAs/GaAsQDLD输出功率2.7W、阈值电流密度为90A/cm2；美得克萨斯大学研制出1.25和1.3波长InAs/InGaAsQDLD阈值电流密度分别为26A/cm2和19A/cm2；德国维尔茨堡大学研制的0.98波长GaInAs/AlGaAsQDLD输出功率1mW(器件长20m)和50mW(器件长160m)；美新墨西哥大学研制的1.0951.245波长InAs/InGaAsQDLD阈值电流密度为1.1KA/cm2。 美国得克萨斯大学与加利福尼亚技术研究所第一个演示了PCQDLD。加利福尼亚技术研究所首次在室温下演示了光泵浦的InAsQDPCLD，在二个缺陷腔和四个缺陷腔中分别获得了120W和370W的阈值泵浦功率。 量子级联激光器 为中远红外波段光通信应用的QCL受到发达国家的极大关注。目前，单模和可调谐DFBQCL已成功应用，正在开发具有多峰值增益光谱及多波长发射的QCL。 Bell实验室不仅开发出第一台QCL，而且发展了不同波段QCL,已从4.2m发展到13m；输出功率从几mW发展到1W；工作温度从10K发展到300K。Bell实验室制作的全球首款超宽带QCL，室温脉冲峰值功率达200mW(5.2m波长)和13mW（8.5m波长）。还最新开发出获得1.5W输出功率的新型QCL（室温脉冲），在-75获得1W的CW输出功率。 朗讯技术公司研制出可用于自由空间光通信的新型双波长单模可调谐QC-DFBQCL，在5.0m波长和7.5m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。 奥地利维也纳科技大学成功研制出将强电子限制优点与AlGaAs/GaAs超晶格（SL）结构优良性能相结合的QCL。传统F-P结构和单模发射DFB两种结构的GaAs基SLQCL均获得约300K的创纪录工作温度，发射波长为12.6m，在78K时，获得1.6kA/cm2的低阈值电流密度和240mW的高峰值功率。 休斯敦大学和海军研究实验室研制的以半导体异质结中带间跃迁为基础的QCL，格拉斯哥大学研制的AlGaAs/GaInAsQCL，Neuchatel大学演示的20以上波长远红外QCL均获得者较大进展。最近还研制出88波长的电致发光QCL，PCQCL也研制成功，美国海军实验室已研制出PCDFBQCL。 微碟激光器 作为半导体激光器变革的微碟激光器是当代微腔激光器研究热点之一，在光通信、大规模光子器件集成光路等方面有广阔的应用前景。已先后在GaAlAs/GaAs、GaN/AlGaN、InGaN/GaN等多种材料体系中也实现了低温或室温光泵浦激射。 美国加州大学研制出1.599m波长、室温连续工作的光泵浦InGaAs/InGaAsP微碟激光器（阈值泵浦功率为1.1mW）之后，又成功研制出垂直耦合的微碟激光器；韩国科技高级研究所采用晶片融溶技术在AlxOy上研制出2.2m直径的1.0m波长InGaAsP微碟激光器，阈值泵浦功率为1.13mW；德国OsralOptoSemiconductors研究的光泵浦的掺石英微碟激光器已实现了高功率输出和好的光束品质，该微碟厚为7m，微碟包括一个/4AlGaAs层、一个周期性谐振增益有源区和一个配有外反射镜（曲率半径为100mm）的热沉，采用808nm波长的LD泵浦，当热沉温度为0时，获得高达8W的连续输出，光-光转换效率高达68%，光束品质为1.8。 我国光源技术新进展 我国已开发出几十种InGaAsP系列、AlGaInAs系列材料和两种系列的应变QW材料，已掌握了QWLD材料和器件技术、QWDFB-LD制造技术、QWDFB-LD+EA调制器PIC技术、含LD和光探测器（PD）在内的光发射/接收模块单片集成（DEIC）技术等一批具有自主知识产权的核心技术。进入新世纪以来，我国光源器件技术又取得许多新进展，特别是在掺铒FL、主动/被动锁模光纤环形激光器、光纤光栅激光器等方面。 QWLD QWLD是我国发展高速光通信的关键器件，已突破QW器件制作技术。在首批实用化的1.3m波长QWLD、1.51.57m波长应变QWDFBLD系列、高线性1.3m波长应变QWDFBLD等已形成产品技术的基础上，我国还研制出了高性能的GaInNAs/GaAs、无制冷QWLD和2.5Gb/sQWDFBLD等系列产品技术。开发出1.3m和1.55mAlGaInAs高温无致冷应变QWLD技术；进入了国际上低维材料QW器件的先进研究行列。 中科院半导体所在国内率先研制出的室温连续工作1.2m长波长GaInNAsQWLD，获得室温阈值电流为38mA、阈值电流密度为950mA/cm2、斜效率为0.35W/A；研制出的1.12m室温连续工作高应变InGaAsQWLD斜效率为0.84W/A、特征温度为90K；不久前研制成功的窄线宽外腔半导体激光器采用闪耀光栅与原始线宽大于1200GHz的LD构成了Littrow型，得到线宽优于1.2MHz的激光输出。 中电集团公司44所已开发出以光纤光栅为外反馈的高速窄线宽LD，光谱半宽小于0.1nm，波长1.053m，出纤功率高于0.5mW，调制带宽可达3GHz，高频调制时的动态性能较好，可用作高速数据传输系统的光源。 光迅科技公司的1.31m和1.55m波长光源已通过印度政府TEC产品认证，成为中国大陆首家通过认证的电信器件供应商。该公司还开发出用于CWDM系统发射模块和收发一体模块的1.53m波长同轴封装CWDM激光器，调制速率2.5Gb/s，出纤功率1.5mW，激光波长随温度的变化小于0.12nm/。 最近，中科院上海微系统与信息技术所研制出2m波长的AlGaAsSb/InGaAsSbMQW脊波导LD，最高工作温度可达60，激射波长2.08m，室温下阈值电流为350mA，2050范围内特征温度为88K。 VCSEL 我国已研发出Gbit速率的VCSEL，大应变InGaAs/GaAsQW的开发成功也使长波长VCSEL取得突破。 中科院激发态物理重点实验室等研制出0.98m波长VCSEL，在脉宽为50s、占空比为5:1000的脉冲电流下，直径400m的器件输出光功率可高达380mW（室温），发散角小于10，光谱半高全宽为0.8nm。不久前，长春光机所研制的0.98m波长高功率In0.2Ga0.8As/GaAsVCSEL取得了突破性进展，通过对结构的优化设计和一系列关键工艺技术的攻克，获得1.95W的单管最高输出功率（CW室温）。此外，中科院激发态物理重点实验室等采用将GaInNAs与AlAs/GaAsDBR相结合构成的GaAs基长波长(1.31.6m)VCSEL也取得较大进展。 FL 我国在双包层高功率FL、可调谐和多波长FL、锁模FL技术方面取得重大进展，并在大功率多模LD光纤模块泵浦源的制作技术、稀土掺杂双包层光纤制作技术、光纤光栅紫外写入技术、多根多模光纤低损耗熔接技术等关键技术也获得许多新进展。 双包层高功率FL 中科院上海光机所采用中心波长约在0.975m的准直输出大功率LD模块和较大孔径光学耦合透镜组技术，获得了达20.6W最高功率的双包层FL，其输出中心波长在1.111m，光谱带宽为1.8nm，光-光转换效率约为55%，输出激光为接近衍射极限的基横模，光束质量因子M2小于1.1，该技术已申请了六项发明专利；该所还开发出输出功率高达107W的高功率掺镱双包层FL，遥遥领先于国内同行。 南开大学采用我国自制的双包层掺Yb光纤实现了国家自然科学基金委和“863”计划的重大攻关项目高功率FL，斜效率为86.5%，激光输出为6.5W。由南开大学承担的国家自然科学重点基金项目“双包层光纤光子器件及其应用研究”也获突破，在研制出短脉冲FL的同时，又率先研制出高功率双包层光纤光栅，向双包层FL的全光纤化迈出了重要的一步。此外，中科院长春光机所和吉林大学研究的双包层高功率FL也取得较大进展。 可调谐多波长FL 近年来，我国可调谐FL发展十分迅速。南开大学独创的光纤光栅调谐全光纤激光器实现了窄线宽可调谐激光输出，调谐范围为6.40nm，线宽小于0.01nm，输出功率达2.4mW，斜效率约为14%。还研制出波段的由两个光纤环形镜构成线型谐振腔波长可调谐掺铒FL，其输出激光波长1.56641.5924m,可调谐范围宽达26nm，激光强度大于-9.5dBm，3dB带宽0.4nm，光信噪比35dB以上。又研制出用于全光通信系统的基于M-Z干涉仪的可调谐全光纤调Q激光器，实现了调Q激光器的全光纤化，获得1.5mW的平均功率和164mW峰值功率。 中电集团公司46所和南开大学在Yb3+FL实用化方面取得新进展，采用WDM、光纤光栅和自行研制的掺Yb3+单模光纤及新颖的全光纤连接技术研制出1.06m窄线宽、线形腔、光纤光栅选频掺Yb3+FL，获得8.8mW的最大激光输出，半宽0.5nm，斜效率为70.4%。 天津大学制作出基于保偏光纤（PMF）环形镜滤波的L波段可调谐FL，获得了40nm的可调谐激光输出（1.571.61m）（泵浦功率为75mW），边模抑止比为40dB。采用高掺杂铒光纤作为增益介质，通过环路内加入光纤光栅反射ASE（放大的自发辐射）技术有效降低了FL的泵浦阈值，提高了工作效率。 南开大学研制出L波段的多波长Er3+/Yb3+共掺FL，在室温下实现了L波段5个波长的稳定输出，最大输出功率高于207mW。又研制出全光纤化多波长掺铒FL，实现了波长间隔分别为0.6nm和0.8nm的19个波长和16个波长的室温下稳定的多波长输出，通过改变双折射光纤长度，可实现相邻波长间隔的精确调节，激射波长线宽0.1nm，功率谱较平坦。 此外，中科院上海光机所的环形谐振耦合可调谐FL、华中理工大学研制的多波长振荡FL、北京邮电大学研制的基于F-P腔和相位调制器的多波长FL均获得较大进展。 锁模FL 高重复主动锁模FL研制成功为发展我国高速通信打下良好的基础。 天津大学研制的一种采用大色散腔结构的新型锁模FL获得7.6ps的光脉冲宽度，脉冲带宽积为0.335。天津大学利用再生锁模技术成功研制出可用于40Gb/s光通信系统和未来超高速光通信的10GHz皮秒孤子源，首次在国内研制出基于锁相技术的波长、脉宽可调谐的再生锁模掺铒FL（RMLFL）。通过调节腔内滤波器（TFF）透过波长，在1.531.563m波长范围内实现连续调谐，获得脉宽48ps可调的孤子脉冲，输出平均功率可达4mW以上。天津大学还利用非线性偏振旋转被动锁模激光器输出的1.5ps超短脉冲作为泵浦源，研制出光纤超连续光源，实现20dB谱展宽大于450nm，波长段扩展到1.78m以上，在百nm范围段的不平坦度小于0.25dB，达到国内最好水平。 南开大学研制成功一种新型可调谐锁模FL，利用F-P腔的LD作为调制器件，实现环形腔FL的主动锁模，得到波长大范围可调谐的锁模激光，其脉冲宽度约为48ps，脉冲重复速率2GHz。 清华大学获得了自稳定工作的10GHz主动锁模FL。还研制出由电吸收调制器（EAM）和半导体光放大器（SOA）构成的10GHz主动锁模FL，可输出脉宽为10ps，谱宽为0.4nm。 北方交通大学研制的主动锁模FL获得了5.24nm的波长调谐。利用色散补偿光纤增加腔内色散和改变调制频率的技术，还研制出连续调谐多波长主动锁模FL，得到了可连续调谐的双波长激光脉冲，调谐范围约5nm，通过冷却掺铒光纤，实现了17波长的激光。 其它FL 吉林大学研制出一种采用反向结构的掺铒超荧光FL，在波长1550nm处有23nm的ASE光谱平坦区，最大输出光功率为8.6mW，输出功率稳定性为（0.02dB），阈值泵浦功率为8.6mW，斜效率达7.65%。 此外，清华大学等利用相移技术在普通掺铒光纤制作的DFBFL、上海交通大学和中国科技大学分别研制的窄线宽多波长超辐射光纤光源（SFS）和DPB多波长超辐射光纤光源（SFS）也获得较大进展。 QDLD 我国In(Ga)As自组织QDLD获得突破性进展，已开发出室温下PL峰值在1.3m波长的QD材料技术和研制出1.3m波长QDLD，并获得一系列国际领先的科研发现。中科院半导体所在国内率先开展自组装量子点材料和QDLD研制，在应变自组装In(Ga)As/GaAs等量子点和量子点超晶格材料生长及性质研究方面取得突破性进展。其没有沿用国际上提高QD横向尺寸均匀性的方法，而提出基于纵向控制QD尺寸提高QD受限能级一致性的生长方法，并成功实现激射波长的控制，获得综合性能达到国际先进水平的高质量应变自组装QDLD，处世界领先地位。所研制的低阈值电流密度、大功率0.960m波长QDLD最大输出功率，室温连续输出功率3.5，斜率为0.68/，室温下和77下连续激射阈值电流密度分别为218/cm2和49/cm2。该所还成功研制出双面CW输出功率为3.618的大功率QDLD和室温CW激射功率超过10的实用化大功率QDLD激光耦合模块。所进行的Ge/SiQD的生长研究也取得较大进展。 中科院上海微系统与信息技术所研制的QDLD也突破了国际传统技术，发展了控制QD纵向尺寸提高QD受限能级一致性的新技术，从而大幅度提高了QD材料的发光特性，并掌握了在0.81.3m波长范围内控制激光器波长的有效技术，并制作出室温CW激射的QDLD。他们还发现了QD的双模生长模式，在国际上首次证实了由InAs和GaAsQD界面应力造成能带变化等重要研究结果,将对光通信等领域产生重大影响。厦门大学、大连理工大学的InGaAs/GaAs和GaNQD材料和器件研究也有较大进展。 QCL 我国是继美国之后世界上第二个研制成功58m波段QCL的国家，这个突破性进展也为我国发展中远红外波段LD奠定了基础和开拓了新方法。 中科院