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1、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
2、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
3、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
4、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VCSE
5、L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
6、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
7、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InP2
8、DPC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
9、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
10、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40
11、0mW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
12、、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
13、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
14、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AlG
15、aAs/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
