可调谐激光器从实现技术上看主要分为：电流控制技术、温度控制技术和机械控制技术等类型。其中电控技术是通过改变注进电流实现波长的调谐，具有ns级调谐速度，较宽的调谐带宽，但输出功率较小，基于电控技术的主要有SG-DBR(采样光栅DBR)和GCSR(辅助光栅定向耦合背向取样反射)激光器。温控技术是通过改变激光器有源区折射率，从而改变激光器输出波长的。该技术简单，但速度慢，可调带宽窄，只有几个nm。基于温控技术的主要有DFB(分布反馈)和DBR(分布布喇格反射)激光器。机械控制主要是基于MEMS(微机电系统)技术完成波长的选择，具有较大的可调带宽、较高的输出功率。基于机械控制技术的主要有DFB(分布反馈)、ECL(外腔激光器)和VCSEL(垂直腔表面发射激光器)等结构。下面从这几个方面可调谐激光器的原理进行说明。

1、基于电流控制技术

基于电流控制技术的一般原理是通过改变可调谐激光器内不同位置的光纤光栅和相位控制部分的电流，从而使光纤光栅的相对折射率会发生变化，产生不同的光谱，通过不同区域光纤光栅产生的不同光谱的叠加进行特定波长的选择，从而产生需要的特定波长的激光。

一种基于电流控制技术的可调谐激光器采用SGDBR(Sampled Grating Distributed Bragg Reflector)结构。

该类型的激光器主要分为半导体放大区、前布喇格光栅区、激活区、相位调整区和后布拉格光栅区。其中前布喇格光栅区、相位调整区和后布喇格光栅区分别通过不同的电流来改变该区域的分子分布结构，从而改变布喇格光栅的周期特性。

对于在激活区(Active)产生的光谱，分别在前布喇格光栅区和后布喇格光栅区形成频率分布有较小差异的光谱。对于需要的特定波长的激光，可调谐激光器分别对前布喇格光栅和后布喇格光栅施加不同电流，使得在这两个区域产生只有此特定波长重叠其他波长不重叠的光谱，从而使需要的特定波长能够输出。同时该种激光器还包含半导体放大器区，使输出的特定波长的激光光功率达到100mW或者20mW。

2、基于机械控制技术

基于机械控制技术一般采用MEMS来实现。一种基于机械控制技术的可调谐激光器采用MEMs-DFB结构。

可调谐激光器主要包括DFB激光器阵列、可倾斜的MEMs镜片和其他控制与辅助部分。

对于DFB激光器阵列区存在若干个DFB激光器阵列，每个阵列可以产生带宽约为1.0nm内的间隔为25Ghz的特定波长。通过控制MEMs镜片旋转角度来对需要的特定波上进行选择，从而输出需要的特定波长的光。

另一种基于VCSEL结构ML系列系列的可调谐激光器，其设计基于光泵浦垂直腔面发射激光器，采用半对称腔技术，利用MEMS实现连续的波长调谐。同时通过此方法可得到大的输出光功率和宽光谱调谐范围，热敏电阻和TEC封装在一起，以便在宽的温度范围内具有稳定的输出。为了精确频率控制一个宽带波长控制器被集成同一管壳内，前端分接光功率检测器及光隔离器用于提供稳定的输出功率。这种可调激光器可以在C波段和L波段提供10/20mW光功率。

对于这种原理的可调谐激光器主要缺点是调谐时间比较慢，一般需要几秒的调谐稳定时间。

3、基于温度控制技术

基于温度控制技术主要应用在DFB结构中，其原理在于调整激光腔内温度，从而可以使之发射不同的波长。

一种基于该原理技术的可调激光器的波长调节是依靠控制InGaAsP DFB激光器工作在-5--50℃的变化实现的。模块内置有FP标准具和光功率检测，连续光输出的激光可被锁定在ITU规定的50GHz间隔的栅格上。模块内有两个独立的TEC，一个用来控制激光器的波长，另一个用来保证模块内的波长锁定器和功率检测探测器恒温工作。模块还内置有SOA来放大输出光功率。

这种控制技术的缺点是单个模块的调谐的宽度不宽，一般只有几个nm，而且调谐时间比较长，一般需要几秒的调谐稳定时间。

目前可调谐激光器基本上均采用电流控制技术、温度控制技术或机械控制技术，有的供给商可能会采用这些技术的一种或两种。当然随着技术的发展，也可能会出现其他新的可调谐激光器控制技术。

可调谐激光器因其优异的性能、越来越低价格而正引起系统商和运营商的关注,从近两年的发展路程我们可以看到,可调激光器的应用正日趋广泛,技术也日益成熟,而可调激光器也是可调器件中最重要的器件,因此本文即就当前可调激光器的现状和未来做一简单探讨。

前言

目前可调谐激光器可以分为很多类,假如从可调范围来讲,可分为窄范围可调激光器和宽范围可调激光器,窄范围可调激光器在几百GHz范围内可调,而宽范围可调激光器在整个C波段可调。;假如按照激光器不同结构来划分的话,可分为分布反馈(DFB)激光器、分布布拉格反射(DBR)激光器、采样光栅DBR(SG-DBR)激光器、外腔激光器(ECL)和垂直腔表面发射激光器(VCSEL)等等;假如从实现技术上看主要分为：电流控制技术、温度控制技术和机械控制技术等类型。其中电控技术是通过改变注进电流实现波长的调谐,具有ns级调谐速度,较宽的调谐范围,但输出功率较小,基于电控技术的主要有SG-DBR(采样光栅DBR)和GCSR(辅助光栅定向耦合背向取样反射)激光器。温控技术是通过改变激光器有源区折射率,从而改变激光器输出波长的。该技术简单,但速度慢,可调带宽窄,只有几个nm。基于温控技术的主要有DFB(分布反馈)和DBR(分布布拉格反射)激光器。机械控制主要是基于MEMS(微机电系统)技术完成波长的选择,具有较大的可调带宽、较高的输出功率。基于机械控制技术的主要有DFB、ECL和VCSEL等结构。

在2.5G市场,可调激光器相比固定波长激光器的上风也许没有那么明显,不过在10G市场,可调激光器与固定波长激光器的差距就拉大了,目前有多个供给商在该领域展开激烈竞争。他们提供的解决方案包括了连续波可调激光器,这种激光器一般与LiNbO3调制器协同工作。到目前为止,只有两种可调技术通过了Telecordia GR-468认证测试。

对电信系统供给商而言,在选择那种技术最重要的考虑要素是看其稳定性如何。性能上的差别还可以通过其他措施补救,但可靠性很差的话就无法补救了。SG-DBR是一种固态激光器,可以通过电流控制来调谐波长,装配工艺与DFB工艺类似,目前代表性厂商是Agility。而其他竞争技术,如外腔激光器(ECL)则依靠机械调节方式来调谐波长,这会引起可靠性的降低,而且装配复杂性也大大增加(相对SG-DBR)。

利用VCSEL同样也可以制成可调激光器,这种方式通常要集成光泵浦芯片和分离SOA芯片。这种三芯片结构会导致相当高的封装复杂性。其调谐方式也通过机械方式,如MEMS。

现在还无法确定那种可调激光器技术会最后胜出,由于每种技术都有其独特的优点和缺点,应该说现在不同的应用就需要不同的技术,那种靠一种可调激光器技术就能打遍天下的神话是不会发生的。

在2003年和2004年,可调激光器一度被人们炒的很热,不过从目前的情况来看可调激光器市场逐渐恢复平静和稳定,可调激光器的应用相当广泛,包括库存/备份,动态波长供给和保护倒换,测试丈量等。不过其最吸引的一个应用是可重配置光分插复用器(ROADM)。从2005年Surpercomm展会上我们可以看到,ROADM的市场已经踏进快速增长的快车道,多个系统大厂纷纷推出最新研制的ROADM新品,这无疑为苦苦等待的可调激光器厂商注进了一针强心剂。

库存/备份

三四年前,可调激光器还是市场上的热门,被以为实现智能光网络的关键因子,可以为运营商提供更大弹性、更快波长供给速度,并终极实现更低的本钱。不过在当前电信泡沫的阴影还未完全消除的时候,心有余悸的运营商仍对新技术的应用保持谨慎态度,从过往更关心技术先进程度到如今的本钱节约为中心的策略说明,那些不能帮助运营商节省资金的技术是没有前途的。

尽大部分系统供给商依旧相信未来长途光网络将是波长动态系统的天下,这些网络可以在很短的时间内实现新的波长分配,由于采用超长间隔传输技术而无须使用再生器,从而节省大笔开支。现在唯一的题目是——这些系统什么时候才能投进实际贸易展设?

与此同时,可调激光器供给商正在努力地证实这种技术照样可以帮助静态网络节省开支,由于在可预见的未来,这些静态网络仍会占据主导地位。可调激光器供给商以为短期内的最首要应用是备份和一次性供给(OTP)。

为了演示备份应用,我们可以假设一种简单小型的网络(如图1)。该网络拥有4个节点,各个节点在每个方向都有32路波长(速率为OC-48/STM-16,2.5-Gbit/sec)。现在假设网络上一个节点上的发射/接收(T/R)电路包已经出现故障,假如这个T/R对采用固定波长技术,如DFB技术,每一个波长对应一个备份,假如一个T/R市面上的价格按10000美元计算的话,那单单就库存一项投资就高达32万美元,假如在加上运输和库存场地的本钱,这个数字还会更高。 假如这个T/R采用宽范围可调激光器的话,那所需备份T/R卡的数目将会大大减少。在每个节点配置一个备份可调激光器所提供的安全性不会低于那些采用固定波长激光器方案的水准。

假如一个可调T/R市面价格为11000美元,仅比固定波长T/R高10%,那所需的总备份开支仅为44000美元,相比上述的32万美元节省86%的开支。这些备份可立即应用到这些节点上,甚至省掉了场地用度和运输用度。

假如这些可调T/R现在可以配置到网络每一个节点上,来用于一次编程(OTP)领域,这将会节省更多本钱。总的可调T/R本钱(排除备份开支)将达到282万美元,尽管使用固定波长T/R的本钱将是256万美元,少26万美元。不过假如考虑备份所节约本钱的话,可调方案仍有很大上风,尤其适合10G系统。

除了上述我们谈到的因素外,可调激光器仍有很多其他值得关注的潜伏上风,如在先前的例子里,使用可调T/R方案的每个节点每年维护用度大约在1万美元左右,而固定波长方案的维护用度将达到31万美元。由于采用可调激光器技术,可以适应未来智能光网络的需求,满足新兴业务要求等等。

正如人们所预期的那样,将可调激光器作为备件应用也许是运营商们最关注的。“备件对我们来说确实是一块本钱,对我们的设备供给商也是”,MCI副总裁Jack Wimmer说,“在一个地点只需存放一两个备件而不是160个的主意真的非常棒。我们采购的可调激光器的第一项应用就是作为备件。”

2004年MCI公布打造一条新的超长途(ULH)DWDM光网络,这条下一代传输网络主要设备来自CIENA和西门子,进选的设备如CIENA的 Corestream光传输和交换平台以及西门子的SURPASS hiT 7500 DWDM设备都采用了可调激光器技术。CIENA表示其可调激光器完全符合10G 收发信机标准,可通过精简激光硬件降低网络投资、通过远程设置简化治理,同时明显降低维护和零部件要求。

实在早在2003年7月,德国电信和西门子公布开始对包含SUPASS hiT 7500的1000公里光网络进行区域性试验。西门子SUPASS hiT 7500当时采用的是Agility 3105/3106CW连续波宽范围可调激光器。

AT&T也同样将可调激光器作为备件使用,还有一些固定波长的应用也使用可调激光器,即在系统安装的时候调到指定波长,之后就不再改变了。AT&T也已经部署了西门子的SURPASS hiT 7500系统,该系统配有智能光交换机和能在80个信道范围内调节的转发器。由于不需要预定光波长,所以可以更快地为用户提供波长备份,而且需要的转发器数目减少了,本钱也会降低。 “我们相信可调激光器将帮助我们节约库存”,AT&T发言人表示,“我们可以在任何系统中采用任何转发器,调到任何波长。”该运营商表示,可调激光器使得开通业务的速度更快了,由于不再需要为每个波长单独定制器件了。

SBC实验室的Phil Wisseman说,SBC正在考察的尽大多数DWDM系统都使用可调激光器。他不能想象在大规模部署DWDM系统时不使用可调激光器,原因很简单,就是大量固定激光器的备件要占用很多本钱。

对于备件和固定波长的应用,窄范围可调激光器已经足够了。“有趣的是,过往几个月,我们发现运营商们真正感爱好的是全C波段可调的激光器”,IDC高级分析师Sterling Perrin报告说,“这让我以为可调激光器的初衷——波长可重配置或者动态调整波长的功能——正合运营商的心思。固然运营商们还没有实现可重配置的目标,但它似乎已经在它们的蓝图中了。它们对能让它们的设施尽可能适应未来需要的技术总是很感爱好。”

ROADM

可重构的光分插复用器(ROADM)是目前业界的热门话题,在2004/2005年的OFC会议以及Surpercomm展会上, Surpercomm逐渐成为人们关注的焦点,很多厂商都纷纷推出最新研制的ROADM设备和相关子系统和器件,不过ROADM在网络中大规模采用还要等待价格的下降和技术的进一步成熟。

Heavy Reading在日前发布的ROADM调查报告中指出,超过60%的服务提供商计划和预备采用这种技术。Heavy Reading的报告并没有给出清楚的时间表,但他们以为光网络向智能交换城域光网络转变的趋势不可避免。

相比传统OADM,可重构的ROADM具有如下优点：一是运营公司可根据需要在任意节点上/下波长,仅仅通过操纵键盘即可实现远程控制,这不仅大大简化了网络,而且节省了人工配置所需的用度; 二是ROADM采用了交换矩阵,可将环形的网络变成灵活的网状结构;适当的单波长功率控制也是ROADM重要功能,可以帮助运营商更好地进行功率治理。所有这些都是运营商喜欢ROADM的原因。除此之外,ROADM可以在整个波长内实现信号噪声均衡,将残余色散保持在转发器答应范围内……

运营公司一直盼看着可配置的DWDM系统能在网络中采用,但不能忍受有关设备的高昂用度,但这种情况可能或者已经有所改善。在2005年的OFC和Surpercomm展会上,多家厂商推出新一代基于WSS技术的低本钱ROADM,使其价格逐步接近于传统的OADM的价格,可以预言,ROADM取代OADM的脚步将逐渐加快。事实上一些运营公司如AT&T、SBC公司和Verizon公司都已经推出了ROADM设备的需求建议书。Verizon在日前发布的10亿美元光网络设备RFP 中就特别夸大ROADM功能,预计这部分设备需求约2亿美元,为了争夺这一丰厚的光网络设备大餐,多家设备供给商参与了竞争,富士通、思科、泰乐以及Mahi等公司均展开浑身解数来争夺该合同。

AT&T也正在部署ROADM。该公司的发言人表示：“我们以为可调功能和可重配置功能都很有价值。可调发射器解决了库存/备件题目并缩短了业务开通时间。ROADM提供了灵活性并进一步缩短了业务开通时间。波长完全可调再加上自由配置上下路将终极实现按需使用波长。”

厂商情况

目前可调激光器市场依然面临供给商过多的局面,包括Intel、Bookham、Agility、Iolon、Opnext、Santur、Princeton Optronics、Vitesse、NEL以及QDI等厂商,分析师以为这并非是一个好现象,吞并不可避免。事实上已经有多家供给商公布退出该市场。国内好象并没有公司涉猎此领域。但是国外近年来生产可调滤波器、可调衰减器等配套厂家的数目有增加的趋势。

在这里限于篇幅我们仅介绍一些比较有代表性的厂商和产品,我们先以Agility通讯公司的产品为例,该公司的可调激光器是一款集采样光栅DBR激光器(SG-DBR)、一个半导体光放大器(SOA)以及一个MZ调制器(MZM)于一体的新型整合发射器芯片,所有这些部件均集成在一个InP芯片上。通过调节MZM两个悬臂上的驱动电压就可以获得零啁啾或负啁啾。

Intel的可调激光器是基于已收购的新福克斯(new focus)技术的宽范围可调激光器,其激光器能提供20mW的功率输出,可调范围达40nm,可满足C波段(1525nm to 1565nm )任意通道的调制。适合于骨干网络应用。英特尔C 波段可调激光器设计由一个外腔半导体激光器(ECDL) 组成。此激光器完全装配在14 针蝶型定尺寸封装的热电冷却器(TEC) 的陶瓷平台上。ECDL 采用了基于标准具的宽可调谐范围的热激活滤波器的专用设计,从而能实现可选波长单模操纵。在此设计内部没有活动部件。英特尔可调激光器的部件数目和装配复杂程度与标准的分布反馈式(DFB) 激光器不相上下。

作为一个领先的可调激光器制造商Santur公司在2004年推出了SFF可调激光器,并公布其可调激光器已经销售给Opnext公司了,在2005年OFC上又发布其最新研制的30mW宽范围C波段全可调激光器,据称这是目前商用可调激光器中功率最高的一款产品。这些产品均在小型化和本钱节省方面下足了工夫。新的可调激光器是建立在Santur已获成功的宽范围可调DFB阵列技术上,该技术已经广泛用在Santur的各类产品上。新的可调激光器可用在城域和长途DWDM领域。该产品原理示意图参看图4。

Santur表示其新型可调激光器固然采用DFB阵列技术,但与传统的排列方式不同的是,这款30mW的可调激光器内部增加了一个SOA,同时采用外部MEMS反射镜取代combiner来挑选适当的DFB波长。这种反射镜放在了校准透镜的焦平面位置上,这种方法可以大大简化芯片的结构,由于无须进行有源/无源转换,这种芯片可以做到跟固定波长DFB一样的尺寸,同时输出功率的损耗大大减少。

该DFB阵列芯片包含12个激光器,波长间隔在2.8nm,这些激光器共享同一增益介质,如前所述,新芯片尺寸与固定波长DFB激光器类似,而且无须额外的处理工序——只不过mask工艺略有不同而已。

除此之外,iolon公司作为第一家提供优异性能和高输出功率的宽范围可调激光器生产厂家,其可调激光器采用外腔设计,在整个可调范围内都具有很高的输出功率,单模纯净度和稳定性。完全符合Telcordia认证,可在C和L波段调节,iolon三年前就开始为全球电信设备商量产这些产品。目前已成功展设在北美或欧洲的网络中。

Bookham的可调激光器是一种DS-DBR(数字超模分布布拉格发射仪)激光器。NTT电子(NEL)在2004OFC上展示了一个SSG-DBR激光器,可调范围涵盖C波段。

对可调激光器的制造商而言,他们必须竭尽全力满足客户的需求、建立稳定的设计和制造基地。对宽带和窄带可调激光器而言,它们的价格与固定波长激光器相比应当更具竞争力才行。

到目前为止,很多生产收发器和转发器的厂商都签署了MSA(多源协议),同时光互联论坛(OIF)正努力使众多的规范达成一致。

就市场而言,目前可调激光器的厂商仍将主要精力放在长途市场,尽管近期可调激光器在城域市场已经获得了不少应用,但这仍不能打破可调激光器厂商的既设观念。

Santur负责市场的副总裁Julian Osinski就指出该公司的主要业务仍集中在长途市场。同时当前可调激光器在城域市场上仍不能与低本钱(或者固定)激光器相竞争, Osinsk表示,目前市场上的直接调制WDM激光器价格一般在400到500美元之间,而一个可调激光器的价格一般在1000美元,加上500美元的外调制器,价格就更没竞争力了。“一般而言,我以为可调激光器在城域市场不会有进进太深。”当然,仍有很多厂商坚持城域市场仍将是可调激光器的重要应用市场。

总之,不管人们可调激光器有什么样的看法,都不能阻碍其发展的脚步。从近两年市场的发展状况可以看到,可调器件已得到供给商们越来越多的认同和重视,我们相信凭借着优异的性能和越来越低的本钱,可调器件尤其是可调激光器终究会迎来其应用的黄金时代。