第9章 激光在信息技术中的应用众所周知，现今是信息时代。从技术角度看，信息领域是一个十分广阔的领域，它包括信息的产生、发送、传输、探测、存储、显示等许多方面。激光在信息领域的应用，包括以激光为信息载体，将声音、图像、数据等各种信息通过激光传送出去；通过激光存储在光学存储器里；通过激光将信息打印或显示出来等等。因此，本章将涉及激光通信、激光显示、激光存储以及激光打印等许多重要的领域。这些领域已经产生许多成熟的技术和应用，有着光明、广阔的应用和发展前途，是21世纪最活跃的激光应用领域。本章将简要地介绍激光在上述各方面的有关应用概况，特别是一些新思想、新概念、新技术、新进展等。9.1 光纤通信系统中的激光器和光放大器激光器和光导纤维的诞生与发展是光纤通信技术和系统的产生与发展的两个支柱。上世纪60年代以来，半导体激光器的成功研制，实现了连续波工作，工作寿命达百万小时,又由于可以直接调制，功率转换效率高等优点，现已成为光纤通信中必不可少的光源。近年来诞生的掺杂光纤作增益介质的光纤激光器耦合效率高、激光阈值低、散热性好，也越来越多的受到关注和研究。当光纤通信系统向高速率、大容量、长距离方向发展时，受到了光纤的损耗和色散等因素的限制，为了拓长光纤通信的距离，通常是在通信线路中设置一定数量的电中继器进行信号的再生放大。由于采用光电光的转换方式使得系统复杂，成本高，对光信号不透明，20世纪80年代光放大器技术应运而生。它是光纤通信领域的一次革命，具有对光信号进行实时、在线、宽带、高增益、低噪声、低功耗以及波长、速率和调制方式透明的直接放大功能，成为新一代光纤通信系统中不可缺少的关键技术。光源是光纤通信的重要器件，没有光源所有信息就没有传输的载体；而没有光放大器也不可能实现光通信系统长距离、大容量的透明传输。因此，本节主要对这两个器件进行介绍，在9.1.1和9.1.2节分别介绍作为光源的半导体激光器和光纤激光器，在9.1.3节介绍半导体光放大器、掺稀土光纤放大器和非线性光放大器。9.1.1 半导体激光器1.光纤通信对半导体激光器光源的要求半导体激光器是激光器中的一个大家族。它与固体激光器、气体激光器以及其它类型的激光器相比，具有体积小、重量轻、电光转换效率高、可以直接调制、使用方便等优点，因此它非常适用于光纤通信之中。一个完整的光纤通信系统由发端机、光纤信道、收端机以及辅助设备组成。光发射端机的主要任务就是将电信号转变为光信号，即进行E/O变换。图9-1给出了光发射端机的工作原理61。图9-1 光发射端机框图从图中可以看出，光发射端机的关键器件是光源，而提供这一功能的就是激光器。激光器种类很多，下面分别对作为通信光源的半导激光器和光纤激光器作一个简要的介绍。2.作为通信光源的半导体激光器半导体激光器是光纤通信用的主要光源，由于光纤通信系统具有不同的应用层次和结构，因而需要不同类型的半导体激光器。例如信息传输速率在2.5Gbit/s以下的光纤接入网、本地网，需要大量结构简单、性能价格比合适的半导体激光器，如法布里珀罗（FP）激光器。而在中心城市的市区建设城域网中，其传输距离短、信息量大，要求光源速率达2.5Gbit/s乃至10Gbit/s，需要直接调制的分布反馈（DFB）半导体激光器。在干线传输网络中，对光源的调制速率和光信号的传输距离都有较高的要求，目前主要用分布反馈半导体激光器（DFB-LD）加电吸收型（EA）外调制器的集成光源。此外，近几年研制的垂直腔面发射激光器（VCSEL）由于具有二维集成、适于大批量及低成本生产的优点，在光的高速数据传输和接入网等领域有着诱人的应用前景。这几种典型的半导体激光器将在下面介绍。(1) 法布里珀罗激光器法布里珀罗激光器（FP-LD）是最常见、最普通的半导体激光器（参见5.4节），它的谐振腔由半导体材料的两个解理面构成。目前光纤通信上采用的FP-LD的制作技术已经相当成熟。FP-LD半导体激光器存在三个方向的模式问题，沿激光输出方向形成的驻波模式称为纵模，垂直于有源层并和激光输出方向垂直的模式称为垂直横模，平行于有源层并和激光输出方向垂直的模式称为水平横模。在光通信领域中，至少要求激光器工作在横模状态。对于FP-LD来说，基横模实现比较容易，主要通过控制激光器有源层的厚度和条宽来实现，纵模控制有一定的困难。对于一般的FP-LD，当注入电流在阈值电流附近时，可以观察到多个纵模；进一步加大注入电流，谱峰处的某个波长首先超过阈值电流产生受激辐射，消耗了大部分载流子，压制其它模式的谐振，有可能形成单纵模工作，但是对FP-LD进行高速调制时，原有的激光模式就会发生变化，出现多模工作，这就决定了FP-LD不能应用于高速光纤通信系统。但是相对其它结构的激光器来说，FP-LD的结构和制作工艺最简单，成本最低，适用于调制速度小于622Mbit/s的光纤通信系统。目前商用的1.3FP-LD阈值电流（Ith）在10mA以下，输出功率在10mW左右（注入电流为23Ith时），因此它用于在信息传输速率较低的情况62。(2)分布反馈半导体激光器前述的F-P腔型半导体激光器大多在多纵模状态下工作，在光纤传输系统中便出现了由纵模间功率分配瞬时变化引起的模式分配噪声及模式微分时延，从而限制了通信传输距离，所以很需要高速调制时仍保持单纵模工作的半导体激光器(又称动态单纵模激光器)。实现动态单纵模工作的最有效的方法之一就是在半导体内部建立一个布拉格光栅，依靠光栅的选频原理来实现纵模选择。分布反馈布拉格半导体激光器（DFB-LD）的特点在于光栅分布在整个谐振腔中，光波在反馈的同时获得增益，因此其单色性优于一般的FP-LD。在DFBLD中存在两种基本的反馈方式，一种是折射率周期性变化引起的布拉格反射，即折射率耦合；另一种为增益周期性变化引起的分布反馈，即增益耦合。折射率耦合DFB-LD原理上是双模激射的，而增益耦合DFB-LD是单模激射的，这是因为在端面反射为零的理想情况下，折射率耦合DFB-LD在与布拉格波长对称的位置上存在两个谐振腔损耗相同且最低的模式，而增益耦合DFB-LD恰好在布拉格波长上存在着一个谐振腔损耗最低的模式。在DFB-LD制作技术的发展过程中，人们发现直接在有源层刻蚀光栅会引入污染和损伤，于是又提出了图9-2所示的分别限制结构，即将光栅刻制在有源层附近的透明波导层上，这样能有效地降低DFB-LD的阈值电流，这种结构后来被广泛应用。p电极欧姆接触层上限制层布拉格光栅有源层下限制层衬底n电极 图9-2 DFB-LD结构示意图对于实际的DFB-LD来说，光栅两端的端面存在反射，不仅反射率的强度不为零，而且两个端面的反射相位也不确定。这是由于实际器件制作中，端面位于光栅一个周期中的哪一个位置是不可控制的。对于纯折射率耦合DFB-LD来说，在相当一部分相位下，模式简并可以被消除，器件可以实现单模工作。最早的折射率耦合DFB-LD就是通过这种方法实现单模工作的。直接调制DFB-LD的最大优点是在高速调制（2.5Gbit/s-10Gbit/s）的情况下仍能保持动态单模，非常适合高速短距离的光纤通信系统。目前商用的直接调制DFB-LD能够达到阈值5mA左右，在2.5Gbit/s调制速率下能传输上百公里63。(3)分布布拉格反射半导体激光器密集波分复用（DWDM）技术的迅猛发展对集成光源提出了新的要求，具有波长可调谐或者波长可选择特性的集成光源成为新的研究热点。波长可调谐是指激光器波长在一定范围内连续可调。目前波长调谐主要基于布拉格反射光栅，通常通过改变温度、注入电流等方法，改变光栅的有效折射率，从而改变光栅的布拉格波长。DFB-LD虽然单模特性稳定，但是波长调谐的范围比较小，一般在2nm左右。因此，考虑到布拉格光栅反射性好的特点，将光栅置于激光器谐振腔的两侧或一侧，增益区没有光栅，光栅只相当于一个反射率随波长变化的反射镜，这样就构成了DBR-LD。其中，三电极DBR-LD是最典型的基于DBR-LD的单模波长可调谐半导体激光器，其原理性结构如图9-3。3个电极分别对应DBR-LD的增益区、相移区和选模光栅注入电流，其中增益区提供增益，光栅区选择纵模，而相移区用来调节相位，使得激光器的谐振波长和光栅的布拉格波长一致。通过调节3个电极的注入电流，其调谐范围可达到10nm左右。另外采用特殊的光栅结构，如超结构光栅（SSG），DBR-LD的波长调谐范围还可扩大到103nm。 增益区 相位控制区 选择光栅区 有源区 光栅图9-3三电极DBR-LD结构示意图DBR-LD通过改变光栅区的注入电流实现调谐，这就导致了较大的谱线展宽。此外，DBR-LD需要调节至少两个以上的电极电流，才能将激射波长固定下来，不利于实际应用，而且DBR-LD纵模的模式稳定性相对较差，极易出现跳模现象，所以近几年来有关波长可调谐DBR-LD的研究有所减少63。(4)垂直腔面发射激光器以上所说的各种激光器都是边发射器，即激光从激光器的侧面输出，因此只能进行一维集成。但是，光数据传输和交换的多通道往往需要能够二维集成的器件，而垂直腔面发射激光器（VCSEL）是一个很好的选择。它与边发射激光器最大的不同点是：出射光垂直于器件的外延表面，即平行于外延生长的方向。图9-4为其典型结构图，其上下分别为分布布拉格反射（DBR）介质反射镜，中间（InGaAsN）为量子阱有源区，氧化层有助于形成良好的电流及光场限制结构，电流由P、N电极注入，光由箭头方向发出。氧化层反射镜InGaAsN反射镜面NNP反射镜面 PN 图9-4 VCSEL的典型示意图与侧面发光激光器相比，VCSEL在原理上有如下优点：其有源区体积极小因而具有极低阈值电流；采用DBR结构能动态单模工作；由于有源区内置而导致其寿命很长（如107小时）；光束质量高，容易与光纤耦合；可极大降低成本；可形成高密度二维阵列。在这些优点当中，最吸引人的是其制造工艺和发光二极管（LED）兼容，大规模制造成本很低，且容易二维集成，并能在片测试。VCSEL的一个前途广阔的应用领域是吉比特局域网络，由于它具有光束特性好、易耦合、调制速率高、价格低廉的优势，很多人认为VCSEL必将取代LED、FP-LD在局域网中的地位。在光纤吉比特以太网中，VCSEL（850nm）主要用于工作在250m距离范围内的光源，如IEEE802.3千兆以太网1000BASE-SX系列标准中采用低成本VCSEL作为光源。此外，随着VCSEL在短波及长波方面的进展，它还可用于大容量光交换、高密度光存储、平面显示、照明、二维光信息处理等应用领域。然而由于器件结构及生长材料等原因，VCSEL依然存在着基横模输出功率不高、散热困难、极化控制困难及在长波长方面表现不理想等问题63，这就限制了其在长途干线通信等领域中的应用。（5）基于光子晶体的新型激光器光子晶体是近年来的研究热点，它的折射率呈空间周期性变化，可产生一定的光学能带间隙（