摘要：随着人们对通信网络传输容量需求的加大，可调谐激光器技术在光通信用的应用不断增加。本文主要对可调谐激光器的现状做了相应研究，并重点介绍了半导体可调谐激光器的应用。总结了可调谐激光器的发展前景和趋势。
关键词：光通信；可调谐激光器；半导体激光器；半导体
1.可调谐激光器的研究现状
随着通信市场的逐步好转，可调谐激光器得到了一定的发展。这项研究引起了人们的广泛关注。通信设备供应商们不仅在寻找更新设备的技术，而且还在寻找一种可以降低网络长途通信成本的技术。一种远程和都市通信都需要的快速高效的通信网络。这种网络拥有实时开关、快速高效等特性。而具有高输出功率，窄线宽、低噪声、高边模抑制比的新一代的可调谐激光器正好能满足这种需求。
目前，可调谐激光在通信市场上的份额还比较少，但有一个日益增长的趋势。可调谐激光器最厉害的还是属于德国的Two Chip Phootnic公司。该公司主要生产电泵浦和光泵浦可调谐垂直腔面发射激光器。二者相比虽然光泵浦调谐垂直腔
面发射激光器比电泵浦可调谐垂直腔面发射激光器的输出功率高，但科学家们相信，尽管电泵浦可调谐垂直腔面发射激光器的输出功率甚至比不上具有边发射器的激光器。但由于它拥有连续，单模无模跳跃调谐等优点，低输出功率不会影响它的通信中的应用。
2.可调谐激光器的原理及分类
2.1 可调谐激光器的原理
可调谐激光器由相位调谐元件、模式选择滤波器、两个激光器谐振腔端面和半导体增益带组成，如下图。可调谐激光器的调谐波长范围满足：
(2.1)
可调谐激光器波长调谐是通过调谐折射率、选择纵向模式、改变腔长来进行相应调谐，小范围内的波长调谐能通过调谐折射率和改变腔长完成，而在大范围内的波长调谐则需要用到模式选择滤波器。依照上述的调谐原理用不同的元件，就可以组成各种结构的可调谐激光器。
2.2可调谐激光器的分类
目前所研究的可调谐激光器基于材料上的不同可区分为两大类，分别是光纤可调谐激光器和半导体可调谐激光器。光纤激光器不仅可以产生连续的激光输出,而且能够实现ps一fs超短光脉冲的产生,这是光通信领域中的一项新技术。而半导体激光器因为具备省电、体积小、转换效率高等优点成为目前光通信系统中最为重要的光源，成为国际社会研究的主流。
3.针对半导体可调谐激光器在光通信用中的研究
3.1 半导体激光器的发光原理
3.1.1半导体中的量子跃迁
在光电子学中，所有与光有关的现象本质上可以被认为是量子现象，或者是物质相互作用下量子和能量相互转换的结果，这和量子跃迁有关。一般来说，两个能级系统的跃迁发生在离散的电子能级之间，跃迁中的能量转换符合玻尔定律。
3.1.2辐射条件
通过半导体激光器的发光原理我们知道受激辐射是需要一定的激励的，而分析这种激励条件则需要用到半导体材料的能带理论。在一个晶体中，电子的公共运动最初将每一个原子分裂成一个接近原始能级的新能级，而这些密集的新能级被认为是连续的。通常，半导体的电子由低能量价带填充，在高能态的传导带填充之前填充价带，空穴则是相反的。
3.2 半导体激光器的结构
半导体可分为N型半导体和P型半导体。激光器二极管就是利用两种半导体之间的PN结所组成。当两种半导体连接在一起时，N型的电子就会扩散到P型中去，而P型的空穴会向N型扩散，而在交界的两侧就会形成空间电荷区。
双异质结半导体激光器结构中的两种半导体之间的间隙有助于限制电子和空穴对中间活动层的到达，使载体浓度增加并增加增益。此外，中间区具有比周围区域更小的带隙，因此其折射率稍大。这样，活性层就可以形成介质波导。此外，对称折射率分布减小了光波导的传输损耗。正是这些特点使得半导体激光器得到了广泛的应用。光纤通信中常用的激光器是异质结和量子阱结构。
3.3 半导体激光器的工作特性
3.3.1 半导体激光器的阈值特性
当粒子数反转到一定程度时，空腔的损失等于增益，净增益开始出现。增益或到达增益的驱动电流和输入载体浓度，可以用来表征半导体激光器的阈值特性。阈值是衡量激光是否被激发或自发发射占主导地位的分水岭，它的大小被用来测量和比较不同激光器的质量的重要参数，LD输出光功率是驱动电流和光电转换效率的函数。阈值电流随温度升高而变大，由于光电转换效率随温度降低，输出功率会随温度的增加而变小。
3.3.2 半导体激光器的模式与远场特性
垂直于LD连接面的平面是横向模式(TE)，平行于连接平面的平面是横玆模(TM)。传播方向为纵向模式，分别用横向模式指数m、n和纵向模式q指数表示。LD的远场是与输出腔有一定距离的光束在空间中的分布，一般用光束发散角来表示远程特征。在实际应用中，输出光束的空间分布特性是非常重要的。因为LD有源区域厚度和条宽的线度是完全不同的。LD的远场点是不对称的，有大束发散角。而LD的横模特性决定光束发散角。图六是基横模的辐射场，激光器在平面方向上的发散角为半宽度θ1，发散角θ2为垂直于平面方向的半宽度。为了获得单横模和小阈值电流密度，有源层的厚度很小。从光的狭缝衍射理论可知，θ2是较大的。所以，基横模辐射场的横截面的光场为椭圆光斑。
3.4 半导体激光器的工作条件
许多应用对其半导体激光器输出模式提出了严格的要求，在大容量单模光纤通信系统中，所需的激光器需要具备线宽很窄、在高速调制下仍能单纵模工作的功能。稳定的单纵模操作有助于降低模式分配噪声，单横模式保证了有效耦合。单横向模式的条件很容易实现，而纵向模式分布很容易受到空腔结构、温度、自发辐射因子和增益特性等因素的影响。纵向模式分析和单纵模的工作条件比较复杂。
4.可调谐激光器的前景和趋势
随着可调谐激光器技术的成熟，世界各个国家和公司都在大力发展对可调谐激光器的研究，同时也在这一领域中取得了不少的突破。传统的波长可调谐激光器一般是通过控制电流、机械、温度等来进行调谐。而目前在微机电系统中，可调谐激光器的波长调谐范围变宽，输出功率变高。而且在器件尺寸、加工成本、能量损耗等方面也具有巨大的优势，同时促进了可调谐徼光器在光通信用中应用的进程。在未来全光网络中，技术的发展必将推动可调谐激光器的发展。
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论文作者:付健
论文发表刊物:《电力设备》2018年第22期
论文发表时间:2018/12/5
标签：激光器论文; 半导体论文; 模式论文; 增益论文; 能级论文; 阈值论文; 波长论文; 《电力设备》2018年第22期论文;