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1、国内外光通信光源技术新进展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（VCSEL LD）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（PC LD）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
2、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国外光源技术新进展 量子阱激光器量子阱激光器 目前，各发达国家研发的大功率、高速、宽频 QW LD 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/s DFB LD。美国斯坦福大学研制成功的1.46m 波长 GaInNAsSb MQW LD 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 InGaAsN QW LD 获得阈值电流密度
3、为75A/cm2；法国 CNRS 的 1.22m 波长 GaInNAs、GaNAs/GaAs 应变 SQW LD 的阈值电流密度为0.43kA/cm2；Ortel 研制的 1.55m 波长 InGaAsP/InP S-MQWSCH LD 功率为 108mW、阈值电流为 8mA；美普斯顿大学研制的 1.3m 波长 InGaAs MQW LD 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 QW LD。 垂直腔面发射激光器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
4、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 QW InGaAs/GaAs VCSEL，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
5、 波长 VCSEL 输出功率 0.25mW、阈值电流0.5 mA；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 Nova Crystals 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
6、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 PC LD 是目前研究的热点。自1999 年首次实现 PC LD 以来，1.55m 波长的 GaInAsP/InP PC LD 已取得很大进展。已开发了包括低阈值 LD、VCSEL、QD LD、可调谐
7、LD 、FL 在内的多种 PC LD。 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SQW GRIN SCH InGaAs/AlGaAs PC LD 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/InP QW SCH 微型短腔 PC LD，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
8、 研制成功的 1.55m 波长、室温工作 Si 上 InP基 2D PC MQW InGaAs/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GaAlAs PC VCSEL，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 InGaAsP MQW PC 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 InP 2D PC 共平面 Bloch 模激光器输出功率达 mW 级。 光纤激光器光纤激光器
9、FL 是目前光通信领域的新兴技术。近几年，单频 DBR 和 DFB FL、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。IPG Photonics公司在掺 Yb FL 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 Yb FL 实现了 270W
10、以上的单模输出功率，1.565m 波长掺 Er-Yb FL 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 Tm FL 也有很大进展。英国 Manchester 大学开发的掺 Tm SiO2 FL 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（150 ns 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 Er FL 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 Er FL，研制出具有
11、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 OFS Fitel 实验室首次研制出一种具有 19dB 的开/关增益的 6 波长 RFL。 PC FL 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 PC FL 中，获得 260mW 的输出功率，效率为
12、25%；该大学另一项创纪录的成果是将 Yb 环形掺入包层的 PC FL，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 PC FL 还获得了 400mW 的阈值功率和高达 42%的斜效率。 量子点激光器量子点激光器 在双异质结 LD 和 QW LD 基础上发展起来的最新一代激光器 QD LD 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 QD LD。 美 Zia 激光公司开发的 1.3波长 InGaAs/GaAs QD LD 阈值电流密度为 16 A/cm2，并开发出连续调谐范围为 1.41.65m 的低阈值电流 QD L
13、D；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 QD LD；日本富士通研制成功阈值电流为数 mA 的1.3nm 波长 InGaAs/GaAs QD LD；德国 Techniche 大学研制的 1.14波长InGaAs/GaAs QD LD 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/GaAs QD LD 输出功率 2.7W、阈值电流密度为 90 A/cm2；美得克萨斯大学研制出1.25和 1.3波长 InAs/InGaAs QD LD 阈值电流密度分别为 26A/ cm2 和 19 A/cm2；德国维尔茨堡大
14、学研制的 0.98波长 GaInAs/AlGaAs QD LD 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/InGaAs QD LD 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 PC QD LD。加利福尼亚技术研究所首次在室温下演示了光泵浦的 InAs QD PC LD，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DFB QCL
15、 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-DFB QCL，在5.0m 波长和 7.5m 波长同时获得单模
16、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 SL QCL 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/GaInAs QCL，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，PC QCL 也研制成功，美国海军实验室已研制出 PC DFB QCL。 微碟激光器微碟激光器 作为半导体激光器
