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VCSEL技术已达实用化阶段

2007-02-12 11:11
潇纵
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作者:卢庆儒

VCSEL技术已达实用化阶段(1)
业者陆续推出高速VCSEL抢攻市场 

  
对于光通讯业界而言,漫长的严冬即将结束了,从各光通讯器件的业者可以发现营业额逐渐增加。但是就整个应用市场来看,除了电信以外,对于SAN和LAN的需求也在不断上升。而10GbE等市场的成长,从目前来看,结果还是有点令人失望。再加上,因为收发模块的价格持续下降,对器件的价格压力也在不断地增加,从而引起了价格持续下降。虽然有供应能力VCSEL等的业者不多,但是由于市场上的应用范围不大,相对于需求而言的供给就变得太过于多了,使得对于价格来说,也面对降价的压力。

到目前为止,在这种情况下,对大多数的企业而言,可采取的策略性考虑也就被缩小了,除了退出价格竞争之外。如果期望依照传统市场规模曲线,来全力抢攻市场的话,那么就需要全力开发可以承受价格压力的突破性技术。所以在VCSEL零件的业者当中,也有部分看到了DATACOM市场的极限,争取原先没有被开发的市场作为目标,并开始分别开发适应各种市场的产品,积极地开拓潜力客户。就VCSEL市场而言,已经由传统的DATACOM市场,逐渐转向家庭网络等市场。


图说:VCSEL零件的业者当中,也有部分看到了DATACOM市场的极限,争取原先没有被开发的市场作为目标,并开始分别开发适应各种市场的产品。

 

 

SEIKO EPSON利用较高的ESD耐压结构 实现较高的信赖度

SEIKO EPSON的VCSEL是一种把GaAs多重量子阱结构,作为活性层的850nm波长的多模氧化结构。共振阀值为1.2mA(Typ),能够在驱动电流为5mA的低耗电的情况下,达到5Gbps的高速动作。另外还可以达到氧化型结构的最适化的0.7mW/mA,并且同时控制各个特性对于温度的关联性,可以在-20∼85℃的大范围内进行动作。

VCSEL的最大的特征就是,被认为是VCSEL瞬间无法运作原因之一的ESD(静电)导致破坏,这可以利用高耐压化来降低风险。与一般采用HBM(Human Body Model)的方法,而达到的一般VCSEL本身耐压值为200~300W相比,SEIKO EPSON的VCSEL可以实现1KV的耐压值。因此,即使是高速的数据率下,可信赖度仍然是极高的。另外,利用使用喷墨印刷机技术而形成的喷墨微型镜头(IJML)也是它的特征之一。这是利用喷墨法把镜头的树脂材料喷在器件上,在利用紫外线的照射使其硬化而制成的镜头。因为是在VCSEL的发光部分制成的,所以可以缩小放射角,又因为是在PD的受光部分,所以更可以提高光轴的容许量。

对于未来,SEIKO EPSON把“支持高速化和长波长”作为研究的方向,积极的开发更低成的5Gbps到10Gps的高速器件。另外关于长波长化这一方面,正在开发可以商品化的1310nm波长VCSEL,把中长距离的通讯和内存产品市场作为目标。

 

 

图说:SEIKO EPSON的VCSEL是一种把GaAs多重量子阱结构,作为活性层的850nm波长的多模氧化结构。(资料来源:SEIKO EPSON)

松下电器开发高速12.5Gbps传输速率的850nm VCSEL

松下电器开发出实现12.5Gps的超高速动作的850nm波长AlGaAs VCSEL。10Gps的VCSEL是针对10GbE、SAN、家庭网络等等应用,在成本上各业者也都积极的往低价化做努力。大多无法达到高速化是因为寄生电容所引发的问题,传统的VCSEL是电极Pad覆盖结构,例如SiN的诱电膜Passivation,因为和阻抗基盘侧的电极形成电容,也就成为了产生寄生容量的原因,限制了高速化。一般的电容容量和电极的间隔成反比,和电极间的诱电率成正比,所以利用扩大电极之间的间隔,采用低诱电率的材料的方法就可以降低寄生容量。根据分析的结果,SiN诱电膜的Passivation会造成诱电率太高、厚膜化困难,并且也了解如果期望利用设计面积和厚度来降低寄生容量是不可能的,最后会造成,调制波长为0.8µm厚的SiN诱电膜就会变成5GHz,使得波长域受到限制。

松下电器的VCSEL则是提高整体寄生电容,而引起的断绝频率和活性层的缓和振动频率来实现了高速化。与SiN Passivation诱电率相比降低了1/3,而厚膜化部份使用BCB树脂来进行填充,实现了平坦化的目标,与原来的结构相比,电极Pad下部的绝缘层的膜厚增加到了4倍以上,器件的寄生容量大大地降低到0.2Pf,与原来相比减少到了1/3以下。因此成功地大幅提高了寄生电容的Cut off频率。另外使用BCB的优点是,这与使用诱电率为3.3的聚酰亚胺VCSEL还要低2.5,所以可以得到更广更大的极限。

接下来对于高速化更加重要的就是,活性层缓和振动频率的提高,这样一来,氧化狭窄层的狭窄径就成了关键。松下电器在这次开发的VCSEL里面,利用由铝合金组成高的AlGaAs狭窄层比,由低铝合金成分组成的层氧化速度加快现象,利用氧化控制了电流狭窄径。但是还会有另一个问题,一旦氧化狭窄径变小后,虽然提高了缓和振动频率,同时寄生成分的阻抗也会增大,Cut off频率就会降低,处于一种交替换位的情况中,所以寄生电容使得氧化径明显化的最佳点5~10µm,结论是在6.5µm时,会因为缓和振动频率最接近寄生电容而产生的Cut off频率。

 


图说:松下电器的VCSEL则是提高整体寄生电容,而引起的断绝频率和活性层的缓和振动频率来实现了高速化。(资料来源:松下电器)

 

韩国Optowell的高评价VCSEL

Optowell是从韩国全北国立大学的“光半导体研究所”独立出来专注于激光外延、芯片、各种封装VCSEL和PiN PD的业者。主要产品的包括了780nm、850nm、980nm的多模或单模产品。去年针对欧洲市场的2.5Gbps带VCSEL的销售情况良好,韩国国内的销售情况也非常的景气。在北美市场光纤通道收发器用的4.25Gbps的TOSA/ROSA的销售情况也非常好。

Optowell把针对欧洲的MOST和家庭网络的面发光的RC-LED的芯片,和环氧模开始导入量产,同时也把针对北美的车用网络IEEE1394的S100(Mbps)到S800(Mbps)的VCSEL也导入量产。因为这个系列可承受的温度是在-40~110℃之间,所以不止是多重Media,对耐温特性有很高要求的引擎系统等网络而言,无疑是最适合的器件。传送速率都是1.25Gbps、发光波长为850nm,驱动电压为1.9V,阀值都是1.0Ma,倾斜效率都是0.2Wa,不过最大光输出分为1.0mW和3.0mW两种。另外,发光波长温度变化为0.06nm/℃,对温度变化非常激烈的汽车的应用无疑是最适合的了。Optowell因为把大学的研究所作为母体,所以研究开发的范围非常广,长波长化的研究也相当的积极。

 

OMRON开发90度弯曲型VCSEL TO FIBER MLA

OMRON的90度弯曲型的MLA,是从VCSEL里面出来的光经过镜片,在空气和树脂之间发生90度的全反射。把MT连接器与MLA进行对照比较,在光源里是使用直径为12µm,广角30度以下的VCSEL,单一个通道的时有源调芯连续损失只有1.2∼1.3db,这样的损耗是相当的低。而VCSEL to FIBER的平面聚焦型的性能也相当的高,连续损失在1.2db以下。OMRON的MLA因为它的精密射出成形的制造技术,所以在量产的同时还能保持高良率,在加上可以复合非球面镜片的矩阵、V形槽、齿穴、镜子、自由曲面等技术,成本得以的大幅度地降低。当然,也可以根据用户的需要进行自由的结构设计。此外,镜片单体可以在高温高湿(85度)的环境里,保持5,000小时的安全工作。

VCSEL技术已达实用化阶段(2)
波长1300nm的VCSEL可实现去光隔离器目标

Vertical-Cavity Surface-Emitting Lasers(VCSEL面发光激光器)最早是由日本东京工业大学名誉教授伊贺健一发明的一种激光技术,与一般半导体激光器二极管,使用的FP激光器(Fabry- Perot Laser)有所不同。这是一种利用基板表面来发光的半导体激光二极管。所以因为这样的发光原理,VCSEL具有一些与其它激光二极管不同的特色,包括了,因为不需要切割,所以有可能实现低成本化的目标、由于VCSEL所激发出来的光束是圆形,相当容易实现与光纤的耦合效果,在原理上与一般激光二极管不同的地方是VCSEL属垂直Single Mode,且VCSEL的活性层体积相当的小,因此对于功耗的需求相当的低,以及相当容易实现一维或二维的列阵结构。因此就应用而言,由于VCSEL具有上述的特点,所以到目前为止,一直被产业界期待作为DataCom或者数据传输存取,以及光Interconnection用的光源。


在90年代末,波长为850nm的VCSEL,已经实现了被光纤产业用来作为DataCom传输等用途,但是另一方面,与单模光纤的整合性良好的波长1300∼1500nm(光通讯波长带宽或者长波长带宽),虽然长久以来一直在期待它商用化的实现,但是要达到商用化水平的生产设备依旧有一定程度困难,所以迟迟都无法实现。

 


图说:在90年代末,波长为850nm的VCSEL,已经实现了被光纤产业用来作为DataCom传输等用途。(资料来源:Semiconductor Equipment Corp)

 

材料本身的问题难以突破

这个问题的关键点就在于,因为在光通讯用的激光二极管(FP、DFB-LD等)中,一般所使用的GaInAsP/InP等结构,因为材料本身的问题,要形成高反射率的半导体DBR和电流狭窄构造是相当的困难。所以波长为1300∼1500nm的VCSEL,以目前而言还处于技术突破的阶段,研究方面大体上分为两方向在进行,一种是活性层依旧使用原来的GaInAsP/InP结构的材料,并且在反射方面提高效率,透过晶圆的结合方式,把AlGaAs DBR结构的材料,覆贴在InP的材料上,以及和Metamorphic结晶成长的方式等技术,进而观察室温下运作。

另外一种方法是,在GaAs基板上,利用长波长来发光的材料生长技术。在这样的情况下,存在有850nm波长的AlGaAs半导体DBR,以及共振器等的结构,优点是可以直接转用AlAs半导体氧化电流狭窄结构等的技术,而在GaAs基板上长波长发光材料,可以使用GaInNAs、GaInNAsSb、GaAsSb、In(Ga)As量子点等的材料。

利用Gas Source MBE(GSMBE)法,透过Sb结合层在GaInNAs中,里面添加五元化合晶体GaInNAsSb的方法,能够控制三维成长的模式,并可以简单地生成良好的结晶。因为这种技术可以成功地,大幅度降低FP激光二极管的阀值电流密度,实现采用这种活性层的高性能1300nm VCSEL。

 

GaInNAsSb的活性层与GSMBE的成长

GaInNAs系列的材料,是在原来的980nm波长的激光二极管里使用的GaInNAs活性层里添加了数%单位以下的微量的氮(N),而可以在波长1300nm或者是波长1550nm时,变成也能够发光的材料。因为N和As的原子半径差别很大,所以透过添加微量的N,可以大大地减少Band gap,所以才能够在GaAs基板上的1300nm波长变得可能发光,而850nm波长VCSEL技术也得以继续使用。GaInNAs材料的结晶成长方面,也不断的深入研究MBE、CBE、MOCVD等技术方法,MBE和CBE都是采取了利用RF等离子气体来提供原子状态的氮气,透过减轻等离子损伤的方法和成长温度的最佳化,在实验室中已经可以开发出保持室温激光器二极管共振质量水平的活性层。另一方面,使用MOCVD方面,利用DMHy等等的有机材料,也可以实现波长1300nm以上的激光器二极管的共振。

所以无论是使用的哪一种成长法,都会发现因为退火之后,使得PL的特性得以改善。但是,退火的同时也产生了有利波长的短波转换,所以结晶成长的条件还是需要进一步的研究。

 

图说:因为N和As的原子半径差别很大,所以透过添加微量的N,可以大大地减少Band gap。(资料来源:University of Southern California)

 

透过合适的波长来得到质地优良结晶的方式非常有限,而在使用MBE的状况下,如果离开适合成长条件的范围,就会产生三维成长,其结果就会使得非发光中心的PL特性和激光器特性出现劣化现象。利用GSMBE的话,如果在Sb的结合层上,在GaInNAs中添加了五元混晶GaInANsSb,就可以控制三维成长模式,并且可以很容易地生成平坦,且质地良好的结晶。同样的平坦化效果,在固态源MBE的1200nm波长GaInAsSb量子阱的制程中也可以发现。

经过实际试作,利用GaInNAsSb量子阱,开发出具有3∼5QW的多重量子阱,在波长1270nm左右时,一个量子阱曾经得到阀值电流密度150∼160A/cm²,这个数值和原来的材料已经大约等同,所以可以完全能够作为VCSEL的活性层来使用。

 

1300nm波长GaInNAsSb-VCSEL的特性

透过利用上述的量子阱层所产出的VCSEL其结构是,在n-GaAs基板上,有35对的n-AIGaAs/GaAs DBR,而其上面则是包含了三层GaInNAsSb的λ-共振器和24对p-AIGaAs/GaAs DBR积层,λ-共振器上部的p-DBR中,所插入的AIAs会在水蒸气中进行氧化,并进行电流狭窄运作,利用聚酰亚胺(polyimide)把Mesa埋起来,藉此降低寄生容量,让光从上部射出来。

根据实验,温度会使得波长1300nm的VCSEL改变特性,例如在25度、0.7mW的情况下,会呈现单模的状态,如果超过了这个数值的话,那么光输出就变成了多模的情况,25度的共振波长在偏电流为5.5mA时为1262nm。另一方面,如果在85度的情况下,所有的共振领域都是单模,光输出为0.32mW,偏压电流为5.5mA时波长则为1267nm。

 

古河电工确认去光隔离器的可能性与高传输质量

产业会如此期待1300nm的VCSEL实用化,就特性面上波长1300nm的VCSEL是具有相当的特点,古河电工在SMF中进行受光的实验,条件是在偏压电流为6mA,以及调制电压使消光比为10dB,当以2.5Gbps的速率进行back to back和10km传送后,发现不会出现Error Floor的现象,并且达到了1/10¹º,这时的功率损失为0.14dB,情况非常好,所以从这样的结果,就可以看出1300nm的VCSEL应用在传输光源方面的特性相当的好。

通常使用DFB激光器二极管作为光收发模块时,为了防止杂音都会选择比芯片更加昂贵的光隔离器(Isolator),但是如此一来就会增加许多成本,成了实现低价光收发模块的一大障碍。所以为了实现不使用光隔离器,所以必须对波长1300nm的VCSEL的反光耐性进行一些研究。

通常在激光器二极管中,如果出现射入反光的话,当反光达到一定量时,相对的就会使杂音强度(RIN)急剧恶化,这个阀值被称为反光临界值。不过,并非无计可施,根据古河电工的研究,发现反光量和缓和震动频率具有关联性的,更进一步的确定反光临界值及缓和震动频率之间关系,可以利用增加缓和震动频率,来强化反光耐性。

经过古河电工的实验以及确认,可以在GaInNAs的Sb结合层上加入GaInNAsSb,得到了平坦并且高质量GaAs的1300nm波长发光结构,和1300nm的VCSEL,并且能够在2.5Gbps-10km的条件下,无误的进行光数据传送。更重要的是在缓和震动频率与反光耐性中取得一平衡点后,可以完全不使用光隔离器达到降低整体成本的理想。(参考数据:古河电工 影山建生「1300带VCSEL」)

VCSEL技术已达实用化阶段(3)
高速化的光纤技术推动INTERCONNECT、HNW等的新市场


光纤激光器产业从2000年开始,出现业者相竞投入开发,虽然因为近年产业不景气,导致整体的进展与规模有些衰弱,但是因为光束的质量和能源效果良好,所以在光通讯的领域中,一直被期待着。就目前的应用来看,数据传输速度稳定的以四倍来成长,相信在40Gbps的传输速率之后,接下来的就是160Gbit/s。目前在全球也已经有相关的研发进度与少量产品,这全都是因为光通讯器件业者为了期望在2010年实现160Gbit/s的光电通讯目标所作的努力。

2010年  全球用户皆可享受光纤服务

自从10Gbit/s的传送技术被应用到商业领域,已经过10年的时间,随着价格的下降,频率范围需求的增加,相信在短期的将来,即将进入大量普及期。我们可以这样的期待或观察,当10Gbit/s被大量引入,作为进行多重传送的WDM系统中,相信40Gbps的速率将会变得更加有效,而当40Gbps被商业化以后,紧随其后有关160Gbit/s商品化的研发也将全面展开。

 

图说:随着价格的下降,相信在短期的将来,10Gbit/s的传送技术即将进入大量普及期。(资料来源:Meier & Loftus Telecommunication)

 

在2005年European Conference on Optical Communication的Tutorial papers中,预测160Gbit/s的商业化应用预计要在2010年左右才能实现,相信到了2010年,将会是一个全球用户都能享受到光纤服务的时代,此外还有其它的宽带用户也加进去以后,即使出现对Tbit/s的速度的需求也不再是什么不可思议的事。为什么需要如此高速的速率,因为综合考虑到建筑物的空间、电力的消耗,冷却器件,带宽的利用率、频率范围的利用率等等之后,就很难说10Gbit/s的速度,便能够实现几百个通道的多重系统应用。

为了实现160Gbit/s OTDM的未来理想,全球通讯业和系统供货商正积极的进行开发与实验,目前大多进行的是把40Gbit/s的数据,利用时分复用(OTDM)的方式,进而可达到数公里传送的系统为目标,不过首先信号发出源必须要能够提供短脉冲的能力,这是因为160Gbit/s的bit周期是6.25ps,为了不让tail重迭,其中三分之一以下如果没有FWHM(Full Width at Half Maximum)脉冲幅度的话,那么就会出现Penalty问题。这种短脉冲技术包括,ModeLock半导体激光器、ModeLock光纤激光器、CW+ Cascade EMA等等技术。如果再加上考虑脉冲的幅度、JITTER、位相的稳定性、消光比、RIN等因素的话,就需要对脉冲源做更深入的选择。要实现160Gbit/sOTDM系统,在发送讯系统中,首先必须把短脉冲进行调制,在收讯方透过光Gate进行DEMUX的处理,除此之外还需要进行补偿、变频格式等各种各样的技术。

 

图说:面对不远的将来,160Gbit/s OTDM的实现,全球通讯业和系统供货商正积极的进行开发与实验。(资料来源:Analog Devices, Inc)

 

无源ModeLock光纤激光技术

把连续光当作脉冲来使用的方法有,Q Switching技术与ModeLock等技术。Q Switching是一种利用激光器进行短波输出的技术。虽然是用非常高的峰值功率来产生光脉冲,但是与ModeLock相比较而言,因为Q Switching脉冲的回送速度更慢一些,使得脉冲能量能够更高,并且也会让脉冲持续时间变得更长。

Ti:蓝宝石激光器以前就已存在,目前也有许多业者积极的开发相关的技术,目前有些产品就是采用Q Switching。这种飞秒激光器(Femto-second Laser)应用于通讯方面的可能性很小,并且现阶段还无法引入到生产线当中,所以渐渐地就会引进利用了SESAM(semiconductor saturable absorber mirror)技术的无源ModeLock技术,当然,要达到商品化还需要一段相当长的时间。

ModeLock技术当中,有有源ModeLock技术和无源ModeLock技术两种。所谓有源ModeLock技术是指从外部引入信号,对Cavity内的光进行调制的技术。而无源ModeLock技术则是指在外部没有进行任何操作,在Cavity内放置可饱和吸收体(saturable absorber),让其自动地进行调制操作的技术。

可饱和吸收体当中的光器件,对于强度弱的光会吸收,对于有足够强度的光则会让其穿过。因为有这样的一种功能,所以CW(连续)光会被转换成脉冲。在这个器件中使用了,SESAM、碳纤管等技术。


图说:ModeLock技术当中,有有源ModeLock技术和无源ModeLock技术两种。(资料来源:Agiltron)

 

使用SWNT技术的ModeLock

AIST、 Alnair、RCAST等业者,在2003年的OFC PDP中,发表关于应用在可饱和吸收体的连接型、线性型ModeLock激光技术,从此之后Cavity变成了主要由高浓度的保护层的Er:Yb光纤和CNT构成。2003年当时使用的EDF很长,Cavity长度也很大,所以回送频率是在MHz左右。但是最近已经有报导指出,因为Cavity长度可以控制在几厘米以下,所以回送频率已经可以达到几GHz了。

在2006年的OFC/NFOEC上,更有业者公布了5公分、2公分、1公分三种类型的Er:Yb光纤比较测试结果。根据公布的资料,当Bump的功率调整到100Mw左右时,激光器会Self-Start并进行ModeLock,分别在2GHz、5GHz、10GHz的基本回送频率处产生脉冲。而平均的输出分别是-3dBm、-7.6dBm、-17dBm,光谱幅度分别是,~2.1nm、~4.7nm、~0.63nm,脉冲的幅度是~2.0ps、0.68ps、6.2ps。从这次试验的结果可以看出来,Cavity长度为2公分时,它的性能最佳优良。目前产业大多利用Er:Yb来达到支持1550波长的光纤,但是有光纤业者的CEO认为,如果只提高Er的掺杂浓度,也有可能提高到1公分。

 

薄膜可饱和吸收体

SWNT的用途可做为,全光Switch、超短脉冲的ModeLock、超高速通讯的脉冲整形、信号放大器的噪音消除等。SWNT是利用在光纤端进行溅镀而形成保护层成为可饱和吸收体。因为这种方式的散乱损失较大,因此日本产业技术总合研究所在2003年的ECOC上发表了SWNT高分子聚合物奈米复合薄膜(Polymer Nano Composites Film)。并且在2006年2月的奈米科技展上,发表了「CNT奈米聚酰亚胺(Nano polyimide)」。但是早在国际奈米科技展(Nano Tech 2006)之前,AIST就已经宣布可以把奈米碳管均匀地分布在聚酰亚胺(Polyimide)树脂中。

通常的CNT的材料因为它是粉末状,所以光学性的质量并不好,另外,也不能对器件的结构进行加工,这就成了开发成为光学器件的一大障碍。所以就有业者针对透明性,耐热性,牢固性,加工性等各方面都比较优良的聚酰亚胺树脂,和CNT材料而进行的奈米合成材料开发,如此一来就可以成功的生产出奈米合成材料。

另外在OFC/NFOEC2006上AIST发表,因为用这种材料开发出的薄膜器件,并且添加了铒离子的光纤激光器,可以成功达到脉冲幅度为165fs的短脉冲、波长为1.56µm、回送速度为23.2MHz、平均输出为1.2mW等等特性的器件,AIST表示所产生的脉冲幅度165fs,已经几乎是这种类型的激光器可以达到的极限的长度。

可以实现这种短脉冲是因为,CNT以奈米尺寸均匀、均质地分布,所以因为光的散乱而引起的器件损耗就变得少了很多,此外,还由于聚酰亚胺是一种耐热性的树脂,所以即使器件温度升高,依然能够稳定地持续地工作。另外在OFC上,有业者把这种材料作为可饱和吸收体反射镜器件,开发出可以放置于Er/Yb玻璃固体激光器Cavity中的结构,这种结构的特性是,波长为1.57µm,脉冲幅度为68fs,回送频率为85MHz,平均输出为10mW。事实上,碳奈米管的用途可以相当多样化,可饱和吸收体只是其中之一,所以当CNT可以和高浓度的吸收剂光纤组合起来,就可以预期到实现价格便宜,且使用方便的超短脉冲源的可能性大为提高了。

 

SC光源利用短脉冲和光纤的非线性器件

OCT(Optical Coherence Tomography)是一种具有高分解能的µm结构技术,在研究室外面无法使用OCT。因为这种技术,必须在紧密并且具有高性能的光源、以及充足的能量和稳定性的情况下,才能拍摄出实时的速率。


图说:OCT(Optical Coherence Tomography)是一种具有高分解能的µm结构技术。(资料来源:Ocular Oncology Centre at the Royal Liverpool University)

超连续(Supercontinuum)技术OCT用光源的一个应用目标,并且SC(Supercontinuum)技术的产品早已被一些大型光纤业者予以商品化了,但是在实际应用上,还是出现一些期望改善的要求,包括了宽带化、紧密化以及稳定运行等。在光纤的结构中使用到DSF、SC用光纤、PCF等,在光纤里面加入脉冲,透过光纤内的非线性相互作用,可以得到宽幅频谱。例如使用飞秒激光器,光纤内部因为自我相位调制(SPM)之后频谱就会扩大。包括拉曼撞击和FWM也被利用在里面,不过这些会因为分散、seed光源,峰值功率等的不同而不同。就研究的热络度来说,SC Source的研究在韩国非常盛行,经常在OFC以外的学会上看到韩国研究者的报告相关的资料与成果。

在2006OFC上,韩国的KIST Photonic研究中心和东京大学RCAST共同公布了200nm的宽带域Source,内容是关于研发出简单的Fiber Base的SC Source,系统是由EDF Base的Fiber Link Laser和非线性分散转换光纤(HNL-DSF)构成。EDF的长度为5m,HNL-DSF的长度为2Km。结构为:Link Cavity内利用EDF的Link Laser和~2.2W的拉曼光纤激光器1480nm共同组成Bump,HNL-DSF也被编入Link中。输出功率是利用80:20的光纤耦合器中20%,在2.2W下可以输出83mW。关于稳定性方面,经由把Bump的功率调到最大值2.2W,每隔15分钟观察一次,经过两个小时的观测之后,并没有出现频谱的波动变化。

另外,东京大学RCAST、JST、丹麦大学以及香港大学等的共同发表PCF(photonic crystal fiber)中使用的SC的研究成果。这个研究使用的是Crystal Fiber A/S的分散平坦的PCF,透过对小孔和倾斜度的调整,可以设计出分散特性,并且按照设计,通讯带宽1500∼1600nm的整体分散都相当均匀(-3ps/km•ns),核心为1.5µm、光纤的损失为10Db/km(@1550nm)。

系统是由有源ModeLock光纤激光器(MLFL)、EDFA、SMF、PCF以及测量用的OSA组成。SMF是用来负责进行压缩脉冲的,MLFL中产生的脉冲是使用EDFA增幅,然后再利用2m的SMF把脉冲进行压缩,再用非线性Media 64m的PCF产生SC。 从MLFL中产生的脉冲为0.1Mw,然后经过被放大为10mw(相当于峰值功率的3.3kw)。透过这样的结构,得到了1470∼1655nm,也就是185nm的平坦的光,SC的波动在5dB以下,并且持续运作一个小时后,系统并没有发生什么变化。

虽然PCF、Holey光纤等,现在还处在寻找最佳用途的阶段,但是简洁、低成本的SC Source很可能成为其很有前途的应用之一。例如,英国Southampton大学的光电子研究中心,制作了改变零分散值的四种光纤,并公布了作为SC产生光纤的结果。PCF因为它可以使外形设计变得柔软,所以Southampton大学的研究者,把它设计成了1µm但是可以生成SC的结构。

但是制作低成本的SC Source并非是最佳的选择,因为如果采用ASE光源作为Seed光源使用的话,就可以有效地且低成本地产生SC。因为以SC的产生为目的基本结构是:Seed光源,放大器,非线性Media三个部分。Seed光源也可以是短脉冲激光器、CW窄幅激光器或者CW ASE等。因为与其使用短脉冲,倒不如使用CW Bump的SC更加简洁,更加低成本、稳定性和信赖度也比较高,频谱功率的密度也较高。

 

高输出光纤激光器中的AEFF

OFC会上,关于光纤激光器的论文是从2005年开始开始增加的,根据光纤激光器领导业者的说法,光纤激光器的出货数量开始激增是从2004年开始,2005年继续增加,到了2006年,市场还是处于供不应求的状态。


图说:光纤激光器的出货数量从2004年开始激增,但至今市场仍供不应求。(资料来源:Vocus PRW Holdings, LLC)

光纤激光器是由添加了稀土类的光纤和光源共同组成,在加工用途方面,对大功率的要求非常强烈,因此激起欧美研究机关的研发热潮。并且KW级别的光纤激光器也已经正式商品化。因为激光器的大功率化、核心尺寸的扩大、Air guide的Photonic Bandgap的引入等,引起了众多研究者的研发竞争。所以在2006年的OFC/NFOE上,设置了「Active and High Power Fibers:高输出光纤」的演讲活动,基本演讲也包括在内一共有七篇的研究报告,其中与LMA(Large Mode Area)光纤相关的有三篇,到今天LMA变成了与光纤激光器的高输出相连的重要的一点。除此之外,在Photonic Bandgap等的会期中,也有五篇与LMA相关的报告。2005年的OFC上,这种类型的报告只有三篇而已,2003年则是一篇都没有。

OFS研究所,并不只是发表OFC的报告,有关OAA和ECOC等与光纤相关的先进报告也在不断地发表,例如,OFS发表AEFF2100的LMA光纤已经开发出来,并且可以达到商品化的阶段,在AEFF中的结构是500∼700µ㎡,即使是Micro structure fiber都是1400µ㎡,所以就阶段性来说,OFS研究所的成果是非常具有意义的。AEFF之所以被设置上了界限,是因为导波模式数量的增加。在OFC这份报告中,是利用LPG,对AEFF2100µ㎡的LP07进行选择性的活性化操作。在实验中,64fs的非线性斜free脉冲压缩下,522kw的峰值功率都已经得到了确认。而功率被设定了界限,主要因为试验中使用的放大器,他们推测没有非线性歪斜的情况下,可以一直设置到60fs、0.9MW,所以报告中称MW级别的光纤激光器的实现是可能的。另外,利用这种选择模式的方法,也可以将Aef扩大到比现在纪录更高的水平。

Dope领域最佳化 带来增幅效率提高

在“Amplifier and Laser Physics增幅器和激光器物理”的会期中,OFS研究所一直在追求Dope领域的最优化,来提高增幅效率。在LMA光纤当中,光纤的模式范围,和核心范围相比要小了很多。LMA Yb Dope Fiber的基本模式范围中透过集中Dope,就可以改善输出输入的比率。一般LMA Yb Dope Fiber(FDF)和光纤的基本模式最大值的1/2里,集中Dope的confined dopant fiber(CDF)也已经被开发出来。FDF的中心径为29µm,CDF的中心径为28µm。FDF的Dope直径为29µm,CDF里面Dope直径有21.3µm(CDF1)和17.4µm(CDF2)两种。而根据OFS研究所的报告中指出,在Bump的功率为9W和15.5W下进行,无论哪一种都高出CDF效率的10%。在光纤激光器的开发领域,光纤本身的开发自然毋庸赘言,既存技术的换置开发和新应用领域的开发也都在积极的进行着。

 

在160Gbit/sOTDM的传送试验中   实现了635km的传送

冲电气工业在接受日本情报通讯研究机构(NICT)的委托,研究「整体光通讯技术的研究和开发」,实现了635km的传送。为了证明研究成果,冲电气利用光试验网络,进行世界上首次成功包括高解析影像在内的,利用8小时,在160Gbit/s速率下,传输了四部电影数据。这是光试验网络历史上距离最长的实地传送试验。

在2005年12月,由NICT负责试验,灵活运用JGNⅡ的NICT京阪奈信息通讯公开实验室进行了实验。JGNⅡ光实验网络是设置在Open Lab与堂岛中继局(大阪市北区)之间的光纤网络(单模光纤63.5km×10芯),并且透过变更传输线路的折回次数可以改变传输距离。每个连接点设置了与10Gbit/s光通讯商用中继局相同的光放大器及色散补偿光纤。

冲电气表示,每63.5KM设置两段光放大器,在段与段之间插入色散补偿光纤(DCF)。每个接点的损失大约为15dB(包含连续损失)。传送路线全程的平均分散和分散斜面,基本上可以得到100%的补偿。在实验网里,进行了635km的传输之后,因为PMD可以引起最大为7ps的DGD产生,所以为了对其进行补偿,在信号接收器的正前方设置由偏波面控制器、可变DGD发生器和偏光度计所构成的PMD补偿器。

验证实验首先使用两次折回的254km传输线路,进行了同时传输数据信号评估用(BERT)数据与高解析影像的传送实验。对于长距离传输,透过不断增加线路折回次数,最终经由5次折回线路,实现了JGNⅡ实验网最大传输距离635km的光传输。冲电气所开发的160Gbit/s的数据的光收发模块到现在为止,透过80km的多次试验成功实现了640km的传送。实验为了达到实用化,利用改变环境温度等改变环境条件的实验,达到评估传输线路及在实际传输数据的状态下,确认能够无误差传输的目的。

160Gbit/s光收发模块采用单独设计的OTDM产生光数据信号。此次实验中使用的模块为了缩短光的空间结合距离进行了一些改变,光的结合损耗因此可以降低到一半以下,体积减少至过去的三分之一,达到了小型化、高实用性的目标。此次现场实验成功实现了635km长距离传输,验证了16倍于目前商用10Gbit/s光传输速率的超高速光通讯,在东京-大阪之间(大约500km)等干线上的实用可行性。160Gbit/s的光通讯可望在2010年以后,投入商用化的下一代超高速光通讯技术。


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