羅　毅　王　健　蔡鵬飛　孫長征

摘要：

半導(dǎo)體激光器是光纖通信用的主要光源，由于光纖通信系統(tǒng)具有不同的應(yīng)用層次和結(jié)構(gòu)，因而需要不同類型的半導(dǎo)體激光器。文章根據(jù)目前光纖通信系統(tǒng)的發(fā)展趨勢，介紹幾種典型的光纖通信用半導(dǎo)體激光器件——法布里-珀羅激光器、分布反饋半導(dǎo)體激光器、電吸收型調(diào)制器集成光源、波長可選擇光源、垂直腔面發(fā)射激光器的特點(diǎn)和發(fā)展方向。

關(guān)鍵詞：

半導(dǎo)體激光器；分布反饋；分布布拉格反射器；電吸收型調(diào)制器；垂直腔面發(fā)射器

ABSTRACT:

The semiconductor Laser is a prime light source of fiber communication. A variety of semiconductor lasers are used to meet the requirements of different fiber communication systems that have various application layers and architectures. In this paper, the development trends of optical fiber communications are outlined, and the characteristics and development of several typical light sources, such as FP-LD, DFB-LD, DFB-LD/EA modulator integrated light source, DBR-LD and VCSEL, are discussed.

KEY WORDS:

Semiconductor Laser; Distributed feedback; Distributed Bragg reflector; Electro-absorption modulator; VCSEL

1、光纖通信的發(fā)展趨勢

光纖通信系統(tǒng)作為信息傳送的基礎(chǔ)正向著高速化和網(wǎng)絡(luò)化方向發(fā)展。Internet經(jīng)過前幾年的爆炸性擴(kuò)張以后，正進(jìn)入一個(gè)穩(wěn)定發(fā)展的時(shí)期。互聯(lián)網(wǎng)的速率與容量保持穩(wěn)定增長，并且逐漸融合傳統(tǒng)的電話網(wǎng)和有線電視網(wǎng)而成為一個(gè)統(tǒng)一的信息網(wǎng)絡(luò)。而能承擔(dān)這個(gè)信息網(wǎng)絡(luò)的物理基礎(chǔ)，非光纖通信莫屬。

光纖通信系統(tǒng)必須滿足各個(gè)層次的信息傳輸要求。首先，對于干線通信系統(tǒng)來說，必須滿足長距離、高速率、大容量的傳輸要求；其次，對于服務(wù)于千家萬戶的接入網(wǎng)絡(luò)，在成本盡可能低的情況下，需要足夠的接入帶寬；再次，對于中心城市，信息產(chǎn)生和傳輸最密集，但是對傳輸距離的要求不高；另外，目前的光通信大多還是點(diǎn)對點(diǎn)的傳輸，要進(jìn)一步提高信息傳輸容量，需要基于各種光電子器件的全光通信網(wǎng)絡(luò)。因此，面對光纖通信系統(tǒng)各個(gè)層次的不同發(fā)展方向，勢必需要不同類型的光源器件來滿足其不同要求。

對于光纖接入網(wǎng)、本地網(wǎng)(一般信息傳輸速率在2.5 Gbit/s以下)，需要量大面廣、物美價(jià)廉的簡單結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體激光器，如法布里-珀羅(FP)激光器。在中心城市的市區(qū)建設(shè)城域網(wǎng)，其傳輸距離短、信息量大，要求光源速率達(dá)2.5 Gbit/s乃至10 Gbit/s，需要直接調(diào)制的分布反饋(DFB)半導(dǎo)體激光器。在干線傳輸網(wǎng)絡(luò)中，對光源的調(diào)制速率和光信號的傳輸距離都有較高的要求。目前基于10 Gbit/s甚至更高速率的骨干網(wǎng)已經(jīng)得到迅速發(fā)展，要求光源頻率啁啾必須控制在很小甚至為負(fù)的范圍內(nèi)，直接調(diào)制激光器不能滿足，必須采用外調(diào)制器，目前普遍采用分布反饋半導(dǎo)體激光器(DFB-LD)/電吸收型(EA)調(diào)制器的集成光源。此外，由于垂直腔面發(fā)射激光器(VCSEL)具有適于大批量、低成本生產(chǎn)，以及二維集成的優(yōu)點(diǎn)。在光的高速數(shù)據(jù)傳輸和接入網(wǎng)等領(lǐng)域有著誘人的應(yīng)用前景，備受學(xué)術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界的關(guān)注。

2、法布里-珀羅激光器

法布里-珀羅激光器(FP-LD)是最常見、最普通的半導(dǎo)體激光器，它最大的特點(diǎn)是激光器的諧振腔由半導(dǎo)體材料的兩個(gè)解理面構(gòu)成。目前光纖通信上采用的FP-LD的制作技術(shù)已經(jīng)相當(dāng)成熟，普遍采用雙異質(zhì)結(jié)多量子阱有源層、載流子與光分別限制的結(jié)構(gòu)。

半導(dǎo)體激光器由于邊界條件的不同，存在三個(gè)方向的模式問題。沿激光器輸出方向形成的駐波模式稱為縱模，垂直于有源層方向的模式稱為垂直橫模，平行于有源層并和輸出方向垂直的模式稱為水平橫模。在光通信領(lǐng)域中，至少要求激光器工作在基橫模狀態(tài)。對于FP-LD來說，基橫模實(shí)現(xiàn)比較容易，主要通過控制激光器有源層的厚度和條寬來實(shí)現(xiàn)，常用的結(jié)構(gòu)有掩埋異質(zhì)結(jié)、脊波導(dǎo)等。而縱模控制就有一定的困難，F(xiàn)P-LD利用一對相互平行的反射鏡進(jìn)行縱模選擇，通常激光器的長度在數(shù)百微米的量級，對應(yīng)的模式間距為1 nm的量級，而激光器的增益譜寬度達(dá)100 nm的量級，多縱模激射的可能性相當(dāng)大。對于一般的FP-LD，當(dāng)注入電流在閾值電流附近時(shí)，可以觀察到多個(gè)縱模；進(jìn)一步加大注入電流，譜峰處的某個(gè)波長首先激射，消耗了大部分載流子，壓制其它模式的激射，有可能形成單縱模工作；當(dāng)對FP-LD進(jìn)行高速調(diào)制時(shí)，原有的激射模式就會(huì)發(fā)生變化，出現(xiàn)多模工作。這就決定了FP-LD不能應(yīng)用于高速光纖通信系統(tǒng)。但是相對其它結(jié)構(gòu)的激光器來說，F(xiàn)P-LD的結(jié)構(gòu)和制作工藝最簡單，成本最低，適用于調(diào)制速率小于622 Mbit/s的光纖通信系統(tǒng)。目前商用的1.3 *9滋m FP-LD閾值電流在10 mA以下，輸出功率在10 mW左右(注入電流為2～3 Ith，Ith為閾值電流)因此在光纖接入網(wǎng)中獲得廣泛應(yīng)用。

目前FP-LD的主要發(fā)展趨勢在于研發(fā)無制冷器件和進(jìn)一步降低制作成本。傳統(tǒng)的FP-LD的諧振腔通過解理實(shí)現(xiàn)，在性能測試的時(shí)候需要對解理過的單個(gè)尺寸為數(shù)百微米量級的激光器進(jìn)行操作，生產(chǎn)效率較低。如果能用其他方法形成反射鏡面，然后在整個(gè)襯底上對單個(gè)激光器進(jìn)行測試，則大大提高生產(chǎn)效率并降低成本。采用等離子體刻蝕的方法可以獲得垂直光滑的反射鏡面，使得這種激光器和傳統(tǒng)的端面解理的FP-LD具有相同的性能[1]，并且可以在同一襯底上將激光器和光探測器集成，從而形成了基于整個(gè)襯底的激光器加工工藝路線，有可能大大降低成本。

3、分布反饋半導(dǎo)體激光器

普通結(jié)構(gòu)的分布反饋半導(dǎo)體激光器(DFB-LD)，在高速調(diào)制狀態(tài)下會(huì)發(fā)生多模工作現(xiàn)象，從而限制了傳輸速率。因此，設(shè)計(jì)和制作在高速調(diào)制下仍能保持單縱模工作的激光器是十分重要的，這類激光器統(tǒng)稱為動(dòng)態(tài)單模(DSM)半導(dǎo)體激光器。實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)單縱模工作的最有效的方法之一，就是在半導(dǎo)體激光器內(nèi)部建立一個(gè)布拉格光柵，依靠光柵的選頻原理來實(shí)現(xiàn)縱模選擇。分布反饋半導(dǎo)體激光器的特點(diǎn)在于光柵分布在整個(gè)諧振腔中，光波在反饋的同時(shí)獲得增益。因?yàn)镈FB-LD的諧振腔具有明顯的波長選擇性，從而決定了它們的單色性優(yōu)于一般的FP-LD。

在DFB-LD中存在兩種基本的反饋方式，一種是折射率周期性變化引起的布拉格反射，即折射率耦合(Index-Coupling)，另一種為增益周期性變化引起的分布反饋，即增益耦合(Gain-Coupling)。與依靠兩個(gè)反射端面來形成諧振腔的FP-LD相比，DFB-LD可能激射的波長所對應(yīng)的諧振腔損耗是不同的，也就是說DFB-LD的諧振腔本身具有選擇模式的能力。在端面反射為零的理想情況下，理論分析指出[2]：折射率耦合DFB-LD在與布拉格波長相對稱的位置上存在兩個(gè)諧振腔損耗相同且最低的模式，而增益耦合DFB-LD恰好在布拉格波長上存在著一個(gè)諧振腔損耗最低的模式。也就是說，折射率耦合DFB-LD原理上是雙模激射的，而增益耦合DFB-LD是單模激射的。

利用內(nèi)藏布拉格光柵選擇工作波長的概念，早在20世紀(jì)70年代初就被提出來了，并得到廣泛重視。但由于技術(shù)原因，有關(guān)DFB-LD的研究曾一度進(jìn)展緩慢。在制作技術(shù)的發(fā)展過程中，人們發(fā)現(xiàn)直接在有源層刻蝕光柵會(huì)引入污染和損傷。為此，人們提出了如圖1所示的分別限制結(jié)構(gòu)，將光柵刻制在有源層附近的透明波導(dǎo)層上，這樣能有效地降低DFB-LD的閾值電流，這種結(jié)構(gòu)在后來被廣泛應(yīng)用。但是這種結(jié)構(gòu)是典型的折射率耦合結(jié)構(gòu)，如何實(shí)現(xiàn)這類器件的單模工作就成為DFB-LD的重要研究課題。

對于實(shí)際的DFB-LD來說，光柵兩端的端面是存在反射的，不僅反射率的強(qiáng)度不為零，而且兩個(gè)端面的反射相位也不確定。這是由于實(shí)際器件制作中，端面位于光柵一個(gè)周期中的哪個(gè)位置是不可控制的。對于純折射率耦合DFB-LD來說，在相當(dāng)一部分相位下，模式簡并可以被消除，器件可以實(shí)現(xiàn)單模工作。最早的折射率耦合DFB-LD就是通過這種方法實(shí)現(xiàn)單模激射的。但是由于反射相位具有隨機(jī)性，這就導(dǎo)致了單模成品率問題。對于激光器端面無鍍膜的情況，這一概率為20%～50%。另外，激光器端面鍍膜對DFB-LD的單模成品率有較大的影響，在DFB-LD一個(gè)端面鍍低反射膜，另一個(gè)端面鍍高反射膜時(shí)，單模成品率可達(dá)50%。運(yùn)用這種方法制作的DFB-LD，在靜態(tài)工作時(shí)，其邊模抑制比(SMSR)可大于40 dB，而在高速調(diào)制時(shí)，其SMSR小于20 dB，不能完全滿足高速光通信的需要。在光柵的中心引入一個(gè)四分之一波長相移區(qū)[3]，是消除雙模簡并，實(shí)現(xiàn)單模工作的有效方法。這種方法的最大優(yōu)點(diǎn)在于它的模式的閾值增益差大，可以實(shí)現(xiàn)真正的動(dòng)態(tài)單模工作。但是，它的制作工藝十分復(fù)雜且需要在兩個(gè)端面蒸鍍抗反射膜。

對于增益耦合DFB-LD而言，是不存在模式簡并問題的。1988年，本文作者羅毅與東京大學(xué)的多田邦雄教授等一起率先開始了增益耦合DFB-LD的實(shí)驗(yàn)研究，采用金屬有機(jī)化合物化學(xué)氣相沉積(MOCVD)技術(shù)制作了內(nèi)含增益光柵的DFB-LD，并引入了抑制折射率耦合的結(jié)構(gòu)，從而有可能實(shí)現(xiàn)純粹的增益耦合[4,5]。此外，采用傳統(tǒng)的分別限制異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)(SCH)將以往的透明光柵改為吸收損耗光柵的方法也成功地制作了增益耦合DFB-LD。通過研究發(fā)現(xiàn)，增益耦合DFB-LD與折射率耦合DFB-LD相比具有一系列優(yōu)點(diǎn)：制作工藝簡單，不需要鍍端面抗反射膜；單模選擇特性不易受端面反射率的影響，成品率可高達(dá)95%；外部反射光引起的噪聲低；高速調(diào)制下頻率展寬(啁啾)小。

直接調(diào)制DFB-LD的最大優(yōu)點(diǎn)是在高速調(diào)制(2.5 Gbit/s～10 Gbit/s)的情況下仍能保持動(dòng)態(tài)單模，非常適合高速短距離的光纖通信系統(tǒng)，如城域網(wǎng)。目前商業(yè)應(yīng)用的直接調(diào)制DFB-LD能夠達(dá)到閾值電流5 mA左右，在2.5 Gbit/s調(diào)制速率下能傳輸上百公里。調(diào)制速率為10 Gbit/s的直接調(diào)制DFB-LD正成為新的研發(fā)熱點(diǎn)。例如日本三菱公司2000年報(bào)道的應(yīng)用于10 Gbit/s局域網(wǎng)傳輸?shù)闹苯诱{(diào)制DFB-LD[6]，工作波長為1.3 *9滋m，在P型襯底上采用掩埋結(jié)構(gòu)，光柵為*9姿/4相移結(jié)構(gòu)。通過降低電極面積和激光器腔長(腔長為200 *9滋m)，來提高調(diào)制帶寬。并且通過提高耦合系數(shù)來保證器件的高溫特性。在25℃～70℃的范圍內(nèi)，調(diào)制帶寬都在10 GHz以上，在標(biāo)準(zhǔn)單模光纖中傳輸距離超過20 km。

4、DFB-LD/電吸收型調(diào)制器集成光源

干線傳輸容量隨著光纖通信的發(fā)展不斷提高。要提高通信容量，就需要窄線寬、低啁啾的光源，DFB-LD因此成為高速光纖通信系統(tǒng)的首選。然而，受注入載流子與光子共振相互作用的限制，直接調(diào)制的半導(dǎo)體激光器工作速率難以進(jìn)一步提高；更重要的是，直接調(diào)制的半導(dǎo)體激光器會(huì)產(chǎn)生明顯的頻率啁啾，不能滿足高速長距離傳輸?shù)男枰?。為此，人們將DFB激光器和外調(diào)制器組合成光纖通信發(fā)射端的光源，其中激光器工作在直流狀態(tài)，高頻調(diào)制信號加載在外調(diào)制器上，這樣就有可能使光信號兼有單模、窄線寬、低啁啾的優(yōu)點(diǎn)。由于分立的激光器和調(diào)制器存在光耦合次數(shù)多、穩(wěn)定性差、成本高等缺點(diǎn)，人們開始研究DFB-LD和外調(diào)制器的集成器件。

用于進(jìn)行集成光源制作的外調(diào)制器結(jié)構(gòu)主要分為兩類：干涉型和電吸收型，分別以基于多量子阱材料電光效應(yīng)的Mach-Zehdner調(diào)制器和利用量子限制Stark效應(yīng)的電吸收(EA)型調(diào)制器為代表。干涉型調(diào)制器雖然具有對工作波長不敏感、啁啾可調(diào)的特性，但由于存在制作困難、器件尺寸較大等缺點(diǎn)，目前還難以推廣使用。而電吸收型調(diào)制器因?yàn)榫哂序?qū)動(dòng)電壓低、器件尺寸小、啁啾可控、制作工藝簡單等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛地應(yīng)用于單片集成光源的制作?，F(xiàn)在，DFB-LD/EA調(diào)制器集成光源已經(jīng)成為干線光纖通信的首選光源。

不少國際知名的光電子公司都推出了2.5 Gbit/s、10 Gbit/s干線光纖通信用DFB-LD/EA調(diào)制器的集成光源。需要指出的是，這些集成光源大部分采用折射率耦合DFB-LD/EA調(diào)制器集成的方式。作者所在的研究小組在國家“863”計(jì)劃的資助下，采用部分增益耦合DFB-LD/EA調(diào)制器直接集成的技術(shù)路線，在國內(nèi)最早實(shí)現(xiàn)了2.5 Gbit/s 1.55 *9滋m DFB-LD/EA調(diào)制器單片集成光源[7]。該產(chǎn)品通過了實(shí)際傳輸實(shí)驗(yàn)，傳輸距離可以達(dá)到240 km，器件總體性能和國際產(chǎn)品相當(dāng)。進(jìn)一步優(yōu)化器件結(jié)構(gòu)，還研制出調(diào)制帶寬達(dá)到12 GHz的DFB-LD/EA調(diào)制器的集成光源，能滿足10 Gbit/s干線光纖傳輸?shù)男枰?/p>

由于干線光纖通信繼續(xù)向高速、大容量的方向發(fā)展，40 Gbit/s或更高速率的DFB-LD/EA調(diào)制器集成光源就成為目前的研究熱點(diǎn)。圖2所示為日本NTT公司報(bào)道的調(diào)制速率達(dá)到40Gbit/s的集成光源結(jié)構(gòu)示意圖[8]。該集成光源采用分別外延工藝進(jìn)行制作，其中激光器部分采用六周期壓應(yīng)變InGaAsP量子阱材料作為有源層，而調(diào)制器部分則采用十四周期InGaAsP應(yīng)變補(bǔ)償量子阱作為的吸收層。為了減小器件的電容，該器件采用了半絕緣InP材料對脊波導(dǎo)結(jié)構(gòu)進(jìn)行掩埋，并利用聚酰亞胺材料作為調(diào)制器電極的填充材料，從而實(shí)現(xiàn)40 Gbit/s的高速調(diào)制。

5、波長可選擇光源

由于密集波分復(fù)用(DWDM)技術(shù)的迅猛發(fā)展，對集成光源提出了新的要求，具有波長可調(diào)諧或者波長可選擇特性的集成光源成為新的研究熱點(diǎn)。

波長可調(diào)諧是指激光器波長在一定范圍內(nèi)連續(xù)可調(diào)。目前波長調(diào)諧主要基于布拉格反射光柵，通常通過改變溫度、注入電流等方法，改變光柵的有效折射率，從而改變光柵的布拉格波長。DFB-LD雖然單模特性穩(wěn)定，但是波長調(diào)諧的范圍較小，一般在2 nm左右。目前技術(shù)比較成熟的波長可調(diào)諧激光器主要基于分布布拉格反射器半導(dǎo)體激光器(DBR-LD)。和DFB-LD相似，DBR-LD也是通過內(nèi)含布拉格光柵來實(shí)現(xiàn)光的反饋的。不過在DBR-LD中，光柵區(qū)僅在激光器諧振腔的兩側(cè)或一側(cè)，增益區(qū)沒有光柵，光柵只相當(dāng)于一個(gè)反射率隨波長變化的反射鏡。其中，三電極DBR-LD是最典型的基于DBR-LD的單模波長可調(diào)諧半導(dǎo)體激光器，其原理性結(jié)構(gòu)如圖3。3個(gè)電極分別對DBR-LD的增益區(qū)、相移區(qū)和選模光柵注入電流，其中增益區(qū)提供增益，光柵區(qū)選擇縱模，而相移區(qū)用來調(diào)節(jié)相位，使得激光器的諧振波長和光柵的布拉格波長一致。通過調(diào)節(jié)3個(gè)電極的注入電流，其調(diào)諧范圍可以達(dá)到10 nm左右。另外采用特殊的光柵結(jié)構(gòu)，如超結(jié)構(gòu)光柵(SSG)，DBR-LD的波長調(diào)諧范圍可以達(dá)到103 nm。

和DFB-LD一樣，DBR-LD也需要使用外調(diào)制器才能滿足長距離傳輸?shù)男枰?999年，法國France Telecom公司報(bào)道了他們制作的DBR-LD/EA調(diào)制器集成光源[9]。它由一個(gè)兩段DBR-LD與一個(gè)EA調(diào)制器構(gòu)成，并采用相同的應(yīng)變補(bǔ)償InGaAsP多量子阱層作為DBR-LD的有源區(qū)和Bragg光柵區(qū)以及EA調(diào)制器的吸收層。通過改變Bragg光柵區(qū)的注入電流，其輸出波長可以覆蓋12個(gè)信道，共5.2 nm的波長調(diào)諧范圍。同時(shí)，該集成器件的調(diào)制帶寬達(dá)到15 GHz，可以應(yīng)用于10 Gbit/s通信系統(tǒng)。

由于DBR-LD是通過改變光柵區(qū)的注入電流實(shí)現(xiàn)調(diào)諧的，這導(dǎo)致了較大的譜線展寬。另外DBR-LD需要調(diào)節(jié)至少兩個(gè)以上電極的電流，才能將激射波長固定下來，不利于實(shí)際應(yīng)用，而且DBR-LD縱模的模式穩(wěn)定性相對較差，極易出現(xiàn)跳?，F(xiàn)象，所以近年來有關(guān)波長可調(diào)諧DBR-LD的研究活動(dòng)有所減弱。而由于DFB-LD的激射波長相對穩(wěn)定，人們就將多個(gè)波長不同的DFB-LD集成起來，組成波長可選擇光源。2000年，日本NEC公司報(bào)道了他們制作的波長可選擇集成光源[10]。光源含有8個(gè)具有不同輸出波長的DFB-LD，并采用一個(gè)EA調(diào)制器對輸出光信號進(jìn)行調(diào)制。光源中還集成有一個(gè)多模干涉型(MMI)耦合器與一個(gè)半導(dǎo)體光放大器(SOA)，用來對8個(gè)激光器的輸出光進(jìn)行耦合并對損耗進(jìn)行補(bǔ)償。該器件采用介質(zhì)膜選擇性區(qū)域外延進(jìn)行制作，可以作為2.5Gbit/s DWDM光纖網(wǎng)絡(luò)的光源，能夠有效地提高系統(tǒng)的靈活性與可靠性。但是這種光源需要在同一襯底上制作不同激射波長的DFB-LD，其無論對材料的外延生長工藝還是對器件的后加工工藝，都有非常高的要求。

6、垂直腔面發(fā)射激光器

以上所說的各種激光器都是邊發(fā)射激光器，激光從激光器的側(cè)面輸出，只能進(jìn)行一維集成，很難制作二維集成器件。但是，光數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌l(fā)展需要能夠二維集成的器件，而垂直腔面發(fā)射激光器(VCSEL)是一個(gè)很好的選擇。與邊發(fā)射激光器最大的不同點(diǎn)是，它的出射光垂直于器件的外延表面，即平行于外延生長的方向。圖4為其典型結(jié)構(gòu)圖。其上下分別為分布布拉格反射(DBR)介質(zhì)反射鏡，中間為量子阱有源區(qū)，氧化層有助于形成良好的電流及光場限制結(jié)構(gòu)，電流由P、N電極注入，光由箭頭方向發(fā)出。

與側(cè)面發(fā)光激光器相比，VCSEL在原理上有如下優(yōu)點(diǎn)：由于其有源區(qū)體積極小從而具有極低閾值電流；采用DBR結(jié)構(gòu)，從而能動(dòng)態(tài)單模工作；由于有源區(qū)內(nèi)置而導(dǎo)致很長壽命(如107 h)；光束質(zhì)量高，容易與光纖耦合；可在片測試，極大降低成本；可形成高密度二維陣列；與LSI集成兼容。在這些優(yōu)點(diǎn)當(dāng)中，最吸引人的是它的制造工藝和發(fā)光二極管(LED)兼容，大規(guī)模的制造成本很低，且容易二維集成，并能在片測試。人們預(yù)言，VCSEL將主要在以下幾方面獲得廣泛應(yīng)用。

(1)光互連

如果在印刷電路板上使用金屬連接電路，則在將來很難滿足中等距離(60 cm)、大吞吐量(1 Gbit/s)的點(diǎn)對點(diǎn)的互連。如果使用光互連器件，則可在各個(gè)方面滿足要求。目前已發(fā)表了很多此方面的研究成果。例如，David V.Plant等報(bào)道了將VCSEL與0.35 *9滋m CMOS 驅(qū)動(dòng)電路集成在同一襯底上，并實(shí)現(xiàn)了256路光雙向互連[11]。目前上百吉比特每秒的并行光互連產(chǎn)品已經(jīng)商業(yè)化，主要用于計(jì)算機(jī)及通信系統(tǒng)芯片級、板級、設(shè)備級的高速并行連接。

(2)吉比特局域網(wǎng)

吉比特局域網(wǎng)將是未來VCSEL的一個(gè)前途廣闊的應(yīng)用領(lǐng)域。VCSEL在其中凸現(xiàn)其光束特性好、易耦合、調(diào)制速率高、價(jià)格低廉的優(yōu)勢，很多人認(rèn)為VCSEL必將取代LED、FP-LD在局域網(wǎng)中的地位。Kenichi Nishi 等報(bào)道了用于10 Gbit/s以太網(wǎng)的VCSEL，其材料為GaAsSb/GaAs[12]，這是一種能工作在1 300 nm附近的新型材料。在光纖吉比特以太網(wǎng)中，VCSEL(850 nm)主要用于工作在250 m距離范圍內(nèi)的多模光纖的光源。如IEEE 802.3千兆以太網(wǎng)1000BASE-SX 系列標(biāo)準(zhǔn)中采用低成本VCSEL作為光源。最近Petar Pepeljugoski等報(bào)道了成功地采用下一代多模光纖進(jìn)行15.6 Gbit/s，1 km和20 Gbit/s，200 m的傳輸試驗(yàn)[13]，試驗(yàn)系統(tǒng)性能指標(biāo)符合粗波分復(fù)用(CWDM) 2×20 Gbit/s以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)。此外，隨著VCSEL在短波及長波方面的進(jìn)展，它還可用于高密度光存儲(chǔ)、平面顯示、照明、二維光信息處理等應(yīng)用領(lǐng)域。

雖然VCSEL在上述領(lǐng)域中得到了很好的應(yīng)用，但由于器件結(jié)構(gòu)及生長材料的原因，其依然存在著基橫模輸出功率不高、散熱困難、極化控制困難及在長波長方面表現(xiàn)不理想等問題，這限制了它在長途干線通信等領(lǐng)域中的應(yīng)用。VCSEL還需要在克服上述困難方面作進(jìn)一步努力。

7、小結(jié)

以上介紹了目前光纖通信系統(tǒng)具有代表性的幾種光源。我們可以看出，對于光通信來說，這些光源都具有各自的特點(diǎn)，適用于光纖通信的不同領(lǐng)域，可以說是光纖通信的基礎(chǔ)器件，是推動(dòng)光纖通信發(fā)展的基本要素。全球光通信發(fā)展要求開發(fā)大量的、各個(gè)層次要求的光電子基礎(chǔ)器件，未來的市場前景非常廣闊。

中國對光電子技術(shù)和產(chǎn)業(yè)的發(fā)展非常重視，經(jīng)過十幾年的發(fā)展，光電子產(chǎn)業(yè)已有一定的規(guī)模。但是對基礎(chǔ)器件的研究開發(fā)力度還不夠，核心技術(shù)大部分還依賴國外廠商，現(xiàn)有產(chǎn)業(yè)多在下游產(chǎn)品發(fā)展，利潤小、受制于人且發(fā)展空間受限。進(jìn)一步深入研究和開發(fā)光電子基礎(chǔ)器件，發(fā)展具有自主知識產(chǎn)權(quán)的核心光電子器件產(chǎn)業(yè)，是中國光通信產(chǎn)業(yè)和學(xué)科未來發(fā)展的必由之路?！?/p>

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12 Nishi K, Anan T. GaAsSb/GaAs 1.3-/spl mu/m-VCSELs for 10 G-bit Ethernet, Advanced Semiconductor Lasers and Applications/Ultraviolet and Blue Lasers and Their Applications/Ultralong Haul DWDM Transmission and Networking/WDM Components 2001. Digest of the LEOS Summer Topical Meetings, 2001:2

13 Petar Pepeljugoski. 15.6-Gb/s Transmission over 1 km of Next Generation Multimode Fiber. IEEE Photon Technol Lett, 2002,14(5)

(收稿日期：2002-06-10)

作者簡介

羅毅，工學(xué)博士，1983年畢業(yè)于清華大學(xué)無線電電子學(xué)系電子物理與激光專業(yè)，分別于1987年和1990年在日本國東京大學(xué)工學(xué)部電子工學(xué)科獲工學(xué)碩士與博士學(xué)位，1990年4月—1992年3月在日本國光計(jì)測技術(shù)開發(fā)株式會(huì)社中央研究所任研究員。1992年4月回國，同年因?qū)W術(shù)成就突出被破格提拔為清華大學(xué)電子工程系教授，1995年晉升為博士生導(dǎo)師，現(xiàn)擔(dān)任集成光電子學(xué)國家重點(diǎn)聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室主任、教育部長江特聘教授。已發(fā)表各類論文150余篇，其中國際著名雜志論文34篇、國際會(huì)議論文近54篇、中文核心雜志論文19篇。申請并獲得了日本專利18項(xiàng)、北美及歐洲專利各1項(xiàng)。

王健，清華大學(xué)電子工程系物理電子學(xué)專業(yè)在讀博士，研究方向?yàn)镈FB-LD/EA調(diào)制器高速集成光源、端面刻蝕半導(dǎo)體激光器等。

蔡鵬飛，清華大學(xué)電子工程系物理電子學(xué)專業(yè)在讀博士。

孫長征，清華大學(xué)電子工程系物理電子學(xué)專業(yè)講師，博士。主要研究方向包括DFB激光器物理及其制作工藝、高速集成光源的設(shè)計(jì)與制作、氮化鎵(GaN)材料的生長與特性評估以及發(fā)光器件的制作等。