什麼是可調雷射器

　　目前可調諧雷射器可以分為很多類，如果從可調範圍來講，可分為窄範圍可調雷射器和寬範圍可調雷射器，窄範圍可調雷射器在幾百GHz範圍內可調，而寬範圍可調雷射器在整個C波段可調。如果按照雷射器不同結構來劃分的話，可分為分布反饋（DFB）雷射器、分布布拉格反射（DBR）雷射器、採樣光柵DBR（SG-DBR）雷射器、外腔雷射器（ECL）和垂直腔表面發射雷射器（VCSEL）等等；如果從實現技術上看主要分為：電流控制技術、溫度控制技術和機械控制技術等類型。其中電控技術是通過改變注入電流實現波長的調諧，具有ns級調諧速度，較寬的調諧範圍，但輸出功率較小，基於電控技術的主要有SG-DBR（採樣光柵DBR）和GCSR（輔助光柵定向耦合背向取樣反射）雷射器。溫控技術是通過改變雷射器有源區折射率，從而改變雷射器輸出波長的。該技術簡單，但速度慢，可調帶寬窄，只有幾個nm。基於溫控技術的主要有DFB（分布反饋）和DBR（分布布拉格反射）雷射器。機械控制主要是基於MEMS（微機電系統）技術完成波長的選擇，具有較大的可調帶寬、較高的輸出功率。基於機械控制技術的主要有DFB、ECL和VCSEL等結構。

　　不論可調雷射器有何特殊結構，它們都包含三個基本要素：具有有源增益區和諧振腔的源二極體；一個用來改變和選擇波長的調節機構；穩定波長輸出的工具。除了VCSEL，源二極體通常為Fabry Perot（FP）型的變體；調節機構可以是溫控、電流控制或機械控制的，包括微機電系統(MEMS)。而輸出波長穩定性則是通過採用某種波長鎖定器或在反饋控制迴路中使用標準具來實現的。

　　1.FP雷射二極體

　　FP雷射二極體在光子行業廣為應用。典型的FP二極體是多外延層半導體晶片，含有有源層和某種內部波導結構。外延結構由複合半導體材料組成，如典型的磷化銦（InP）或用於C波段(1525-1565-nm)二極體應用的砷磷銦鎵化合物（InGaAsP）。

　　

　　圖1. 在分布式反饋設計中（a），將衍射光柵集成到二極體的有源區；而在分布式Bragg反射器的設計方案中(b)，光柵被放在與有源區相連的單獨區域，儘管兩種方案中它們都是作為單晶片生產的。

　　通過控制任一端橫截反射面的反射率，可在波導管內形成諧振腔。這些二極體通常寬250微米，長500—1000微米，厚100微米，沿二極體的長軸形成諧振腔。而輸出波長則為增益材料的函數，因為它的折射率控制著光子速度和諧振腔的幾何形狀。

　　實際上，FP二極體在幾個微米的範圍發出幾個間隔極近的波長，輸出對於溫度和輸入電流的細微變化也十分敏感。由於DWDM波長僅間隔0.8mm或更小，為了給光通訊網絡提供必要的控制，對FP二極體的製作精度要求就很高。

　　2.分布式Bragg反射器

　　基於DBR和有關DFB的可調雷射器是最常見的設計方案之一。每一種都用到帶附加衍射光柵的FP增益區。衍射光柵（通常指Bragg光柵或Bragg反射器）為光信號振蕩提供反饋，並能根據光柵間距選擇一個單模或波長。在DFB設計方案中，光柵被集成到二極體的有源區域；而在DBR設計方案中，光柵位於與有源區域相連的獨立區（見圖1）。儘管它們都是作為單塊晶片生產的。

　　調整諧振腔半導體材料的折射率可以改變DFB和DBR的波長，當光子在兩個反射表面間傳播時，折射率影響著雷射發射的條件。折射率可通過溫度控制或調節流過的電流來改變。

　　

　　圖2. 一些商家正將採樣光柵分布式Bragg反射器投入市場，這種反射器通過在諧振腔的另一端增加一個衍射光柵而擴展了調節範圍。

　　DFBs提供良好的功率輸出（~10 mW），但可調範圍限制在2—5 nm。正如富士通（Richardson，TX）所做，把多個DFB二極體排列在單個晶片上和合併它們的輸出，可以拓寬調節範圍。但隨之而來，構造和控制變將得相當複雜，輸出功率也會有所減小。目前在基本性能基礎上進行改進後，已開發出幾種DBR。

　　Agility Communications和Marconi正把取樣光柵分布式Bragg反射器投入市場，它通過在諧振腔另一端增加一個衍射光柵而拓寬了調節範圍（見圖2）。每個光柵有一個微小的間距差，通過改變流經光柵諧振腔的電流來調節輸出波長。它依次改變其折射率、選擇匹配的諧振頻率並產生相應的輸出波長。

　　SGDBRs提供了較寬的調節範圍，可以達到C波段，但它們通常局限在約2 mW低功率輸出。在晶片上增加一個半導體光放大器（SOA）區，可獲得達到10mW的高功率，但這樣做會增加成本和複雜性。

　　DBR的另一個版本是ADC （Minneapolis）的取樣光柵耦合器反射器，它包括四個區域：增益區、Bragg反射器、耦合器和相位調整；採用三個電流信號進行調節。電流控制的波導耦合器工作起來象一個粗調裝置，用來產生從Bragg反射器（電流控制）到相位調整區（也採用電流控制）的窄範圍波長，而相位高速區則好象一個微調區域（見圖2）。正如大部分多區域的雷射二極體，犧牲了功率輸出，即低於2mW。功率輸出也可以增加，但得付出調節區域的代價，即去掉粗調區域。DFB和DBR雷射器的典型線寬範圍是5—20 MHz，這將會導致色散問題。