VCSEL技術(shù)已達(dá)實(shí)用化階段

作者:盧慶儒

VCSEL技術(shù)已達(dá)實(shí)用化階段(1)
業(yè)者陸續(xù)推出高速VCSEL搶攻市場 

  
對于光通訊業(yè)界而言，漫長的嚴(yán)冬即將結(jié)束了，從各光通訊器件的業(yè)者可以發(fā)現(xiàn)營業(yè)額逐漸增加。但是就整個(gè)應(yīng)用市場來看，除了電信以外，對于SAN和LAN的需求也在不斷上升。而10GbE等市場的成長，從目前來看，結(jié)果還是有點(diǎn)令人失望。再加上，因?yàn)槭瞻l(fā)模塊的價(jià)格持續(xù)下降，對器件的價(jià)格壓力也在不斷地增加，從而引起了價(jià)格持續(xù)下降。雖然有供應(yīng)能力VCSEL等的業(yè)者不多，但是由于市場上的應(yīng)用范圍不大，相對于需求而言的供給就變得太過于多了，使得對于價(jià)格來說，也面對降價(jià)的壓力。

到目前為止，在這種情況下，對大多數(shù)的企業(yè)而言，可采取的策略性考慮也就被縮小了，除了退出價(jià)格競爭之外。如果期望依照傳統(tǒng)市場規(guī)模曲線，來全力搶攻市場的話，那么就需要全力開發(fā)可以承受價(jià)格壓力的突破性技術(shù)。所以在VCSEL零件的業(yè)者當(dāng)中，也有部分看到了DATACOM市場的極限，爭取原先沒有被開發(fā)的市場作為目標(biāo)，并開始分別開發(fā)適應(yīng)各種市場的產(chǎn)品，積極地開拓潛力客戶。就VCSEL市場而言，已經(jīng)由傳統(tǒng)的DATACOM市場，逐漸轉(zhuǎn)向家庭網(wǎng)絡(luò)等市場。

圖說：VCSEL零件的業(yè)者當(dāng)中，也有部分看到了DATACOM市場的極限，爭取原先沒有被開發(fā)的市場作為目標(biāo)，并開始分別開發(fā)適應(yīng)各種市場的產(chǎn)品。

SEIKO EPSON利用較高的ESD耐壓結(jié)構(gòu)　實(shí)現(xiàn)較高的信賴度

SEIKO EPSON的VCSEL是一種把GaAs多重量子阱結(jié)構(gòu)，作為活性層的850nm波長的多模氧化結(jié)構(gòu)。共振閥值為1.2mA（Typ），能夠在驅(qū)動電流為5mA的低耗電的情況下，達(dá)到5Gbps的高速動作。另外還可以達(dá)到氧化型結(jié)構(gòu)的最適化的0.7mW/mA，并且同時(shí)控制各個(gè)特性對于溫度的關(guān)聯(lián)性，可以在-20∼85℃的大范圍內(nèi)進(jìn)行動作。

VCSEL的最大的特征就是，被認(rèn)為是VCSEL瞬間無法運(yùn)作原因之一的ESD（靜電）導(dǎo)致破壞，這可以利用高耐壓化來降低風(fēng)險(xiǎn)。與一般采用HBM（Human Body Model）的方法，而達(dá)到的一般VCSEL本身耐壓值為200~300W相比，SEIKO EPSON的VCSEL可以實(shí)現(xiàn)1KV的耐壓值。因此，即使是高速的數(shù)據(jù)率下，可信賴度仍然是極高的。另外，利用使用噴墨印刷機(jī)技術(shù)而形成的噴墨微型鏡頭（IJML）也是它的特征之一。這是利用噴墨法把鏡頭的樹脂材料噴在器件上，在利用紫外線的照射使其硬化而制成的鏡頭。因?yàn)槭窃赩CSEL的發(fā)光部分制成的，所以可以縮小放射角，又因?yàn)槭窃赑D的受光部分，所以更可以提高光軸的容許量。

對于未來，SEIKO EPSON把“支持高速化和長波長”作為研究的方向，積極的開發(fā)更低成的5Gbps到10Gps的高速器件。另外關(guān)于長波長化這一方面，正在開發(fā)可以商品化的1310nm波長VCSEL，把中長距離的通訊和內(nèi)存產(chǎn)品市場作為目標(biāo)。

圖說：SEIKO EPSON的VCSEL是一種把GaAs多重量子阱結(jié)構(gòu)，作為活性層的850nm波長的多模氧化結(jié)構(gòu)。（資料來源：SEIKO EPSON）

松下電器開發(fā)高速12.5Gbps傳輸速率的850nm VCSEL

松下電器開發(fā)出實(shí)現(xiàn)12.5Gps的超高速動作的850nm波長AlGaAs VCSEL。10Gps的VCSEL是針對10GbE、SAN、家庭網(wǎng)絡(luò)等等應(yīng)用，在成本上各業(yè)者也都積極的往低價(jià)化做努力。大多無法達(dá)到高速化是因?yàn)榧纳�電容所引發(fā)的問題，傳統(tǒng)的VCSEL是電極Pad覆蓋結(jié)構(gòu)，例如SiN的誘電膜Passivation，因?yàn)楹妥杩够�盤側(cè)的電極形成電容，也就成為了產(chǎn)生寄生容量的原因，限制了高速化。一般的電容容量和電極的間隔成反比，和電極間的誘電率成正比，所以利用擴(kuò)大電極之間的間隔，采用低誘電率的材料的方法就可以降低寄生容量。根據(jù)分析的結(jié)果，SiN誘電膜的Passivation會造成誘電率太高、厚膜化困難，并且也了解如果期望利用設(shè)計(jì)面積和厚度來降低寄生容量是不可能的，最后會造成，調(diào)制波長為0.8µm厚的SiN誘電膜就會變成5GHz，使得波長域受到限制。

松下電器的VCSEL則是提高整體寄生電容，而引起的斷絕頻率和活性層的緩和振動頻率來實(shí)現(xiàn)了高速化。與SiN Passivation誘電率相比降低了1/3，而厚膜化部份使用BCB樹脂來進(jìn)行填充，實(shí)現(xiàn)了平坦化的目標(biāo)，與原來的結(jié)構(gòu)相比，電極Pad下部的絕緣層的膜厚增加到了4倍以上，器件的寄生容量大大地降低到0.2Pf，與原來相比減少到了1/3以下。因此成功地大幅提高了寄生電容的Cut off頻率。另外使用BCB的優(yōu)點(diǎn)是，這與使用誘電率為3.3的聚酰亞胺VCSEL還要低2.5，所以可以得到更廣更大的極限。

接下來對于高速化更加重要的就是，活性層緩和振動頻率的提高，這樣一來，氧化狹窄層的狹窄徑就成了關(guān)鍵。松下電器在這次開發(fā)的VCSEL里面，利用由鋁合金組成高的AlGaAs狹窄層比，由低鋁合金成分組成的層氧化速度加快現(xiàn)象，利用氧化控制了電流狹窄徑。但是還會有另一個(gè)問題，一旦氧化狹窄徑變小后，雖然提高了緩和振動頻率，同時(shí)寄生成分的阻抗也會增大，Cut off頻率就會降低，處于一種交替換位的情況中，所以寄生電容使得氧化徑明顯化的最佳點(diǎn)5~10µm，結(jié)論是在6.5µm時(shí)，會因?yàn)榫徍驼駝宇l率最接近寄生電容而產(chǎn)生的Cut off頻率。

圖說：松下電器的VCSEL則是提高整體寄生電容，而引起的斷絕頻率和活性層的緩和振動頻率來實(shí)現(xiàn)了高速化。（資料來源：松下電器）

韓國Optowell的高評價(jià)VCSEL

Optowell是從韓國全北國立大學(xué)的“光半導(dǎo)體研究所”獨(dú)立出來專注于激光外延、芯片、各種封裝VCSEL和PiN PD的業(yè)者。主要產(chǎn)品的包括了780nm、850nm、980nm的多模或單模產(chǎn)品。去年針對歐洲市場的2.5Gbps帶VCSEL的銷售情況良好，韓國國內(nèi)的銷售情況也非常的景氣。在北美市場光纖通道收發(fā)器用的4.25Gbps的TOSA/ROSA的銷售情況也非常好。

Optowell把針對歐洲的MOST和家庭網(wǎng)絡(luò)的面發(fā)光的RC-LED的芯片，和環(huán)氧模開始導(dǎo)入量產(chǎn)，同時(shí)也把針對北美的車用網(wǎng)絡(luò)IEEE1394的S100(Mbps)到S800(Mbps)的VCSEL也導(dǎo)入量產(chǎn)。因?yàn)檫@個(gè)系列可承受的溫度是在-40~110℃之間，所以不止是多重Media，對耐溫特性有很高要求的引擎系統(tǒng)等網(wǎng)絡(luò)而言，無疑是最適合的器件。傳送速率都是1.25Gbps、發(fā)光波長為850nm，驅(qū)動電壓為1.9V，閥值都是1.0Ma，傾斜效率都是0.2Wa，不過最大光輸出分為1.0mW和3.0mW兩種。另外，發(fā)光波長溫度變化為0.06nm/℃，對溫度變化非常激烈的汽車的應(yīng)用無疑是最適合的了。Optowell因?yàn)榘汛髮W(xué)的研究所作為母體，所以研究開發(fā)的范圍非常廣，長波長化的研究也相當(dāng)?shù)姆e極。

OMRON開發(fā)90度彎曲型VCSEL TO FIBER MLA

OMRON的90度彎曲型的MLA，是從VCSEL里面出來的光經(jīng)過鏡片，在空氣和樹脂之間發(fā)生90度的全反射。把MT連接器與MLA進(jìn)行對照比較，在光源里是使用直徑為12µm，廣角30度以下的VCSEL，單一個(gè)通道的時(shí)有源調(diào)芯連續(xù)損失只有1.2∼1.3db，這樣的損耗是相當(dāng)?shù)牡�。而VCSEL to FIBER的平面聚焦型的性能也相當(dāng)?shù)母�，連續(xù)損失在1.2db以下。OMRON的MLA因?yàn)樗�的精密射出成形的制造技術(shù)，所以在量產(chǎn)的同時(shí)還能保持高良率，在加上可以復(fù)合非球面鏡片的矩陣、V形槽、齒穴、鏡子、自由曲面等技術(shù)，成本得以的大幅度地降低。當(dāng)然，也可以根據(jù)用戶的需要進(jìn)行自由的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。此外，鏡片單體可以在高溫高濕（85度）的環(huán)境里，保持5,000小時(shí)的安全工作。

VCSEL技術(shù)已達(dá)實(shí)用化階段(2)
波長1300nm的VCSEL可實(shí)現(xiàn)去光隔離器目標(biāo)

Vertical-Cavity Surface-Emitting Lasers（VCSEL面發(fā)光激光器）最早是由日本東京工業(yè)大學(xué)名譽(yù)教授伊賀健一發(fā)明的一種激光技術(shù)，與一般半導(dǎo)體激光器二極管，使用的FP激光器（Fabry- Perot Laser）有所不同。這是一種利用基板表面來發(fā)光的半導(dǎo)體激光二極管。所以因?yàn)檫@樣的發(fā)光原理，VCSEL具有一些與其它激光二極管不同的特色，包括了，因?yàn)椴恍枰�切割，所以有可能�?shí)現(xiàn)低成本化的目標(biāo)、由于VCSEL所激發(fā)出來的光束是圓形，相當(dāng)容易實(shí)現(xiàn)與光纖的耦合效果，在原理上與一般激光二極管不同的地方是VCSEL屬垂直Single Mode，且VCSEL的活性層體積相當(dāng)?shù)男�，因此對于功耗的需求相�?dāng)?shù)牡�，以及相�?dāng)容易實(shí)現(xiàn)一維或二維的列陣結(jié)構(gòu)。因此就應(yīng)用而言，由于VCSEL具有上述的特點(diǎn)，所以到目前為止，一直被產(chǎn)業(yè)界期待作為DataCom或者數(shù)據(jù)傳輸存取，以及光Interconnection用的光源。

在90年代末，波長為850nm的VCSEL，已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了被光纖產(chǎn)業(yè)用來作為DataCom傳輸?shù)扔猛荆�但是另一方面，與單模光纖的整合性良好的波長1300∼1500nm（光通訊波長帶寬或者長波長帶寬），雖然長久以來一直在期待它商用化的實(shí)現(xiàn)，但是要達(dá)到商用化水平的生產(chǎn)設(shè)備依舊有一定程度困難，所以遲遲都無法實(shí)現(xiàn)。

圖說：在90年代末，波長為850nm的VCSEL，已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了被光纖產(chǎn)業(yè)用來作為DataCom傳輸?shù)扔猛�。（資料來源：Semiconductor Equipment Corp）

材料本身的問題難以突破

這個(gè)問題的關(guān)鍵點(diǎn)就在于，因?yàn)樵诠馔ㄓ嵱玫募す舛�極管（FP、DFB-LD等）中，一般所使用的GaInAsP/InP等結(jié)構(gòu)，因?yàn)椴牧媳旧淼膯栴}，要形成高反射率的半導(dǎo)體DBR和電流狹窄構(gòu)造是相當(dāng)?shù)睦щy。所以波長為1300∼1500nm的VCSEL，以目前而言還處于技術(shù)突破的階段，研究方面大體上分為兩方向在進(jìn)行，一種是活性層依舊使用原來的GaInAsP/InP結(jié)構(gòu)的材料，并且在反射方面提高效率，透過晶圓的結(jié)合方式，把AlGaAs DBR結(jié)構(gòu)的材料，覆貼在InP的材料上，以及和Metamorphic結(jié)晶成長的方式等技術(shù)，進(jìn)而觀察室溫下運(yùn)作。

另外一種方法是，在GaAs基板上，利用長波長來發(fā)光的材料生長技術(shù)。在這樣的情況下，存在有850nm波長的AlGaAs半導(dǎo)體DBR，以及共振器等的結(jié)構(gòu)，優(yōu)點(diǎn)是可以直接轉(zhuǎn)用AlAs半導(dǎo)體氧化電流狹窄結(jié)構(gòu)等的技術(shù)，而在GaAs基板上長波長發(fā)光材料，可以使用GaInNAs、GaInNAsSb、GaAsSb、In(Ga)As量子點(diǎn)等的材料。

利用Gas Source MBE（GSMBE）法，透過Sb結(jié)合層在GaInNAs中，里面添加五元化合晶體GaInNAsSb的方法，能夠控制三維成長的模式，并可以簡單地生成良好的結(jié)晶。因?yàn)檫@種技術(shù)可以成功地，大幅度降低FP激光二極管的閥值電流密度，實(shí)現(xiàn)采用這種活性層的高性能1300nm VCSEL。

GaInNAsSb的活性層與GSMBE的成長

GaInNAs系列的材料，是在原來的980nm波長的激光二極管里使用的GaInNAs活性層里添加了數(shù)%單位以下的微量的氮（N），而可以在波長1300nm或者是波長1550nm時(shí)，變成也能夠發(fā)光的材料。因?yàn)镹和As的原子半徑差別很大，所以透過添加微量的N，可以大大地減少Band gap，所以才能夠在GaAs基板上的1300nm波長變得可能發(fā)光，而850nm波長VCSEL技術(shù)也得以繼續(xù)使用。GaInNAs材料的結(jié)晶成長方面，也不斷的深入研究MBE、CBE、MOCVD等技術(shù)方法，MBE和CBE都是采取了利用RF等離子氣體來提供原子狀態(tài)的氮?dú)�，透過減輕等離子損傷的方法和成長溫度的最佳化，在實(shí)驗(yàn)室中已經(jīng)可以開發(fā)出保持室溫激光器二極管共振質(zhì)量水平的活性層。另一方面，使用MOCVD方面，利用DMHy等等的有機(jī)材料，也可以實(shí)現(xiàn)波長1300nm以上的激光器二極管的共振。

所以無論是使用的哪一種成長法，都會發(fā)現(xiàn)因?yàn)橥嘶鹬�后，使得PL的特性得以改善。但是，退火的同時(shí)也產(chǎn)生了有利波長的短波轉(zhuǎn)換，所以結(jié)晶成長的條件還是需要進(jìn)一步的研究。

圖說：因?yàn)镹和As的原子半徑差別很大，所以透過添加微量的N，可以大大地減少Band gap。（資料來源：University of Southern California）

透過合適的波長來得到質(zhì)地優(yōu)良結(jié)晶的方式非常有限，而在使用MBE的狀況下，如果離開適合成長條件的范圍，就會產(chǎn)生三維成長，其結(jié)果就會使得非發(fā)光中心的PL特性和激光器特性出現(xiàn)劣化現(xiàn)象。利用GSMBE的話，如果在Sb的結(jié)合層上，在GaInNAs中添加了五元混晶GaInANsSb，就可以控制三維成長模式，并且可以很容易地生成平坦，且質(zhì)地良好的結(jié)晶。同樣的平坦化效果，在固態(tài)源MBE的1200nm波長GaInAsSb量子阱的制程中也可以發(fā)現(xiàn)。

經(jīng)過實(shí)際試作，利用GaInNAsSb量子阱，開發(fā)出具有3∼5QW的多重量子阱，在波長1270nm左右時(shí)，一個(gè)量子阱曾經(jīng)得到閥值電流密度150∼160A/cm²，這個(gè)數(shù)值和原來的材料已經(jīng)大約等同，所以可以完全能夠作為VCSEL的活性層來使用。

1300nm波長GaInNAsSb-VCSEL的特性

透過利用上述的量子阱層所產(chǎn)出的VCSEL其結(jié)構(gòu)是，在n-GaAs基板上，有35對的n-AIGaAs/GaAs DBR，而其上面則是包含了三層GaInNAsSb的λ-共振器和24對p-AIGaAs/GaAs DBR積層，λ-共振器上部的p-DBR中，所插入的AIAs會在水蒸氣中進(jìn)行氧化，并進(jìn)行電流狹窄運(yùn)作，利用聚酰亞胺（polyimide）把Mesa埋起來，藉此降低寄生容量，讓光從上部射出來。

根據(jù)實(shí)驗(yàn)，溫度會使得波長1300nm的VCSEL改變特性，例如在25度、0.7mW的情況下，會呈現(xiàn)單模的狀態(tài)，如果超過了這個(gè)數(shù)值的話，那么光輸出就變成了多模的情況，25度的共振波長在偏電流為5.5mA時(shí)為1262nm。另一方面，如果在85度的情況下，所有的共振領(lǐng)域都是單模，光輸出為0.32mW，偏壓電流為5.5mA時(shí)波長則為1267nm。

古河電工確認(rèn)去光隔離器的可能性與高傳輸質(zhì)量

產(chǎn)業(yè)會如此期待1300nm的VCSEL實(shí)用化，就特性面上波長1300nm的VCSEL是具有相當(dāng)?shù)奶攸c(diǎn)，古河電工在SMF中進(jìn)行受光的實(shí)驗(yàn)，條件是在偏壓電流為6mA，以及調(diào)制電壓使消光比為10dB，當(dāng)以2.5Gbps的速率進(jìn)行back to back和10km傳送后，發(fā)現(xiàn)不會出現(xiàn)Error Floor的現(xiàn)象，并且達(dá)到了1/10¹º，這時(shí)的功率損失為0.14dB，情況非常好，所以從這樣的結(jié)果，就可以看出1300nm的VCSEL應(yīng)用在傳輸光源方面的特性相當(dāng)?shù)暮谩?/P>

通常使用DFB激光器二極管作為光收發(fā)模塊時(shí)，為了防止雜音都會選擇比芯片更加昂貴的光隔離器（Isolator），但是如此一來就會增加許多成本，成了實(shí)現(xiàn)低價(jià)光收發(fā)模塊的一大障礙。所以為了實(shí)現(xiàn)不使用光隔離器，所以必須對波長1300nm的VCSEL的反光耐性進(jìn)行一些研究。

通常在激光器二極管中，如果出現(xiàn)射入反光的話，當(dāng)反光達(dá)到一定量時(shí)，相對的就會使雜音強(qiáng)度（RIN）急劇惡化，這個(gè)閥值被稱為反光臨界值。不過，并非無計(jì)可施，根據(jù)古河電工的研究，發(fā)現(xiàn)反光量和緩和震動頻率具有關(guān)聯(lián)性的，更進(jìn)一步的確定反光臨界值及緩和震動頻率之間關(guān)系，可以利用增加緩和震動頻率，來強(qiáng)化反光耐性。

經(jīng)過古河電工的實(shí)驗(yàn)以及確認(rèn)，可以在GaInNAs的Sb結(jié)合層上加入GaInNAsSb，得到了平坦并且高質(zhì)量GaAs的1300nm波長發(fā)光結(jié)構(gòu)，和1300nm的VCSEL，并且能夠在2.5Gbps-10km的條件下，無誤的進(jìn)行光數(shù)據(jù)傳送。更重要的是在緩和震動頻率與反光耐性中取得一平衡點(diǎn)后，可以完全不使用光隔離器達(dá)到降低整體成本的理想。（參考數(shù)據(jù)：古河電工 影山建生「1300帶VCSEL」）

VCSEL技術(shù)已達(dá)實(shí)用化階段(3)
高速化的光纖技術(shù)推動INTERCONNECT、HNW等的新市場

光纖激光器產(chǎn)業(yè)從2000年開始，出現(xiàn)業(yè)者相競投入開發(fā)，雖然因?yàn)榻�年產(chǎn)業(yè)不景氣，導(dǎo)致整體的進(jìn)展與規(guī)模有些衰弱，但是因?yàn)楣馐�的質(zhì)量和能源效果良好，所以在光通訊的領(lǐng)域中，一直被期待著。就目前的應(yīng)用來看，數(shù)據(jù)傳輸速度穩(wěn)定的以四倍來成長，相信在40Gbps的傳輸速率之后，接下來的就是160Gbit/s。目前在全球也已經(jīng)有相關(guān)的研發(fā)進(jìn)度與少量產(chǎn)品，這全都是因?yàn)楣馔ㄓ嵠骷�業(yè)者為了期望在2010年實(shí)現(xiàn)160Gbit/s的光電通訊目標(biāo)所作的努力。

2010年  全球用戶皆可享受光纖服務(wù)

自從10Gbit/s的傳送技術(shù)被應(yīng)用到商業(yè)領(lǐng)域，已經(jīng)過10年的時(shí)間，隨著價(jià)格的下降，頻率范圍需求的增加，相信在短期的將來，即將進(jìn)入大量普及期。我們可以這樣的期待或觀察，當(dāng)10Gbit/s被大量引入，作為進(jìn)行多重傳送的WDM系統(tǒng)中，相信40Gbps的速率將會變得更加有效，而當(dāng)40Gbps被商業(yè)化以后，緊隨其后有關(guān)160Gbit/s商品化的研發(fā)也將全面展開。

圖說：隨著價(jià)格的下降，相信在短期的將來，10Gbit/s的傳送技術(shù)即將進(jìn)入大量普及期。（資料來源：Meier & Loftus Telecommunication）

在2005年European Conference on Optical Communication的Tutorial papers中，預(yù)測160Gbit/s的商業(yè)化應(yīng)用預(yù)計(jì)要在2010年左右才能實(shí)現(xiàn)，相信到了2010年，將會是一個(gè)全球用戶都能享受到光纖服務(wù)的時(shí)代，此外還有其它的寬帶用戶也加進(jìn)去以后，即使出現(xiàn)對Tbit/s的速度的需求也不再是什么不可思議的事。為什么需要如此高速的速率，因?yàn)榫C合考慮到建筑物的空間、電力的消耗，冷卻器件，帶寬的利用率、頻率范圍的利用率等等之后，就很難說10Gbit/s的速度，便能夠?qū)崿F(xiàn)幾百個(gè)通道的多重系統(tǒng)應(yīng)用。

為了實(shí)現(xiàn)160Gbit/s OTDM的未來理想，全球通訊業(yè)和系統(tǒng)供貨商正積極的進(jìn)行開發(fā)與實(shí)驗(yàn)，目前大多進(jìn)行的是把40Gbit/s的數(shù)據(jù)，利用時(shí)分復(fù)用（OTDM）的方式，進(jìn)而可達(dá)到數(shù)公里傳送的系統(tǒng)為目標(biāo)，不過首先信號發(fā)出源必須要能夠提供短脈沖的能力，這是因?yàn)?60Gbit/s的bit周期是6.25ps，為了不讓tail重迭，其中三分之一以下如果沒有FWHM（Full Width at Half Maximum）脈沖幅度的話，那么就會出現(xiàn)Penalty問題。這種短脈沖技術(shù)包括，ModeLock半導(dǎo)體激光器、ModeLock光纖激光器、CW+ Cascade EMA等等技術(shù)。如果再加上考慮脈沖的幅度、JITTER、位相的穩(wěn)定性、消光比、RIN等因素的話，就需要對脈沖源做更深入的選擇。要實(shí)現(xiàn)160Gbit/sOTDM系統(tǒng)，在發(fā)送訊系統(tǒng)中，首先必須把短脈沖進(jìn)行調(diào)制，在收訊方透過光Gate進(jìn)行DEMUX的處理，除此之外還需要進(jìn)行補(bǔ)償、變頻格式等各種各樣的技術(shù)。

圖說：面對不遠(yuǎn)的將來，160Gbit/s OTDM的實(shí)現(xiàn)，全球通訊業(yè)和系統(tǒng)供貨商正積極的進(jìn)行開發(fā)與實(shí)驗(yàn)。（資料來源：Analog Devices, Inc）

無源ModeLock光纖激光技術(shù)

把連續(xù)光當(dāng)作脈沖來使用的方法有，Q Switching技術(shù)與ModeLock等技術(shù)。Q Switching是一種利用激光器進(jìn)行短波輸出的技術(shù)。雖然是用非常高的峰值功率來產(chǎn)生光脈沖，但是與ModeLock相比較而言，因?yàn)镼 Switching脈沖的回送速度更慢一些，使得脈沖能量能夠更高，并且也會讓脈沖持續(xù)時(shí)間變得更長。

Ti:藍(lán)寶石激光器以前就已存在，目前也有許多業(yè)者積極的開發(fā)相關(guān)的技術(shù)，目前有些產(chǎn)品就是采用Q Switching。這種飛秒激光器（Femto-second Laser）應(yīng)用于通訊方面的可能性很小，并且現(xiàn)階段還無法引入到生產(chǎn)線當(dāng)中，所以漸漸地就會引進(jìn)利用了SESAM（semiconductor saturable absorber mirror）技術(shù)的無源ModeLock技術(shù)，當(dāng)然，要達(dá)到商品化還需要一段相當(dāng)長的時(shí)間。

ModeLock技術(shù)當(dāng)中，有有源ModeLock技術(shù)和無源ModeLock技術(shù)兩種。所謂有源ModeLock技術(shù)是指從外部引入信號，對Cavity內(nèi)的光進(jìn)行調(diào)制的技術(shù)。而無源ModeLock技術(shù)則是指在外部沒有進(jìn)行任何操作，在Cavity內(nèi)放置可飽和吸收體（saturable absorber），讓其自動地進(jìn)行調(diào)制操作的技術(shù)。

可飽和吸收體當(dāng)中的光器件，對于強(qiáng)度弱的光會吸收，對于有足夠強(qiáng)度的光則會讓其穿過。因?yàn)橛羞@樣的一種功能，所以CW（連續(xù)）光會被轉(zhuǎn)換成脈沖。在這個(gè)器件中使用了，SESAM、碳纖管等技術(shù)。

圖說：ModeLock技術(shù)當(dāng)中，有有源ModeLock技術(shù)和無源ModeLock技術(shù)兩種。（資料來源：Agiltron）

使用SWNT技術(shù)的ModeLock

AIST、 Alnair、RCAST等業(yè)者，在2003年的OFC PDP中，發(fā)表關(guān)于應(yīng)用在可飽和吸收體的連接型、線性型ModeLock激光技術(shù)，從此之后Cavity變成了主要由高濃度的保護(hù)層的Er:Yb光纖和CNT構(gòu)成。2003年當(dāng)時(shí)使用的EDF很長，Cavity長度也很大，所以回送頻率是在MHz左右。但是最近已經(jīng)有報(bào)導(dǎo)指出，因?yàn)镃avity長度可以控制在幾厘米以下，所以回送頻率已經(jīng)可以達(dá)到幾GHz了。

在2006年的OFC/NFOEC上，更有業(yè)者公布了5公分、2公分、1公分三種類型的Er:Yb光纖比較測試結(jié)果。根據(jù)公布的資料，當(dāng)Bump的功率調(diào)整到100Mw左右時(shí)，激光器會Self-Start并進(jìn)行ModeLock，分別在2GHz、5GHz、10GHz的基本回送頻率處產(chǎn)生脈沖。而平均的輸出分別是-3dBm、-7.6dBm、-17dBm，光譜幅度分別是，~2.1nm、~4.7nm、~0.63nm，脈沖的幅度是~2.0ps、0.68ps、6.2ps。從這次試驗(yàn)的結(jié)果可以看出來，Cavity長度為2公分時(shí)，它的性能最佳優(yōu)良。目前產(chǎn)業(yè)大多利用Er:Yb來達(dá)到支持1550波長的光纖，但是有光纖業(yè)者的CEO認(rèn)為，如果只提高Er的摻雜濃度，也有可能提高到1公分。

薄膜可飽和吸收體

SWNT的用途可做為，全光Switch、超短脈沖的ModeLock、超高速通訊的脈沖整形、信號放大器的噪音消除等。SWNT是利用在光纖端進(jìn)行濺鍍而形成保護(hù)層成為可飽和吸收體。因?yàn)檫@種方式的散亂損失較大，因此日本產(chǎn)業(yè)技術(shù)總合研究所在2003年的ECOC上發(fā)表了SWNT高分子聚合物奈米復(fù)合薄膜（Polymer Nano Composites Film）。并且在2006年2月的奈米科技展上，發(fā)表了「CNT奈米聚酰亞胺（Nano polyimide）」。但是早在國際奈米科技展（Nano Tech 2006）之前，AIST就已經(jīng)宣布可以把奈米碳管均勻地分布在聚酰亞胺（Polyimide）樹脂中。

通常的CNT的材料因?yàn)樗�是粉末狀，所以光學(xué)性的質(zhì)量并不好，另外，也不能對器件的結(jié)構(gòu)進(jìn)行加工，這就成了開發(fā)成為光學(xué)器件的一大障礙。所以就有業(yè)者針對透明性，耐熱性，牢固性，加工性等各方面都比較優(yōu)良的聚酰亞胺樹脂，和CNT材料而進(jìn)行的奈米合成材料開發(fā)，如此一來就可以成功的生產(chǎn)出奈米合成材料。

另外在OFC/NFOEC2006上AIST發(fā)表，因?yàn)橛眠@種材料開發(fā)出的薄膜器件，并且添加了鉺離子的光纖激光器，可以成功達(dá)到脈沖幅度為165fs的短脈沖、波長為1.56µm、回送速度為23.2MHz、平均輸出為1.2mW等等特性的器件，AIST表示所產(chǎn)生的脈沖幅度165fs，已經(jīng)幾乎是這種類型的激光器可以達(dá)到的極限的長度。

可以實(shí)現(xiàn)這種短脈沖是因?yàn)椋珻NT以奈米尺寸均勻、均質(zhì)地分布，所以因?yàn)楣獾纳�亂而引起的器件損耗就變得少了很多，此外，還由于聚酰亞胺是一種耐熱性的樹脂，所以即使器件溫度升高，依然能夠穩(wěn)定地持續(xù)地工作。另外在OFC上，有業(yè)者把這種材料作為可飽和吸收體反射鏡器件，開發(fā)出可以放置于Er/Yb玻璃固體激光器Cavity中的結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)的特性是，波長為1.57µm，脈沖幅度為68fs，回送頻率為85MHz，平均輸出為10mW。事實(shí)上，碳奈米管的用途可以相當(dāng)多樣化，可飽和吸收體只是其中之一，所以當(dāng)CNT可以和高濃度的吸收劑光纖組合起來，就可以預(yù)期到實(shí)現(xiàn)價(jià)格便宜，且使用方便的超短脈沖源的可能性大為提高了。

SC光源利用短脈沖和光纖的非線性器件

OCT（Optical Coherence Tomography）是一種具有高分解能的µm結(jié)構(gòu)技術(shù)，在研究室外面無法使用OCT。因?yàn)檫@種技術(shù)，必須在緊密并且具有高性能的光源、以及充足的能量和穩(wěn)定性的情況下，才能拍攝出實(shí)時(shí)的速率。

圖說：OCT（Optical Coherence Tomography）是一種具有高分解能的µm結(jié)構(gòu)技術(shù)。（資料來源：Ocular Oncology Centre at the Royal Liverpool University）

超連續(xù)（Supercontinuum）技術(shù)OCT用光源的一個(gè)應(yīng)用目標(biāo)，并且SC（Supercontinuum）技術(shù)的產(chǎn)品早已被一些大型光纖業(yè)者予以商品化了，但是在實(shí)際應(yīng)用上，還是出現(xiàn)一些期望改善的要求，包括了寬帶化、緊密化以及穩(wěn)定運(yùn)行等。在光纖的結(jié)構(gòu)中使用到DSF、SC用光纖、PCF等，在光纖里面加入脈沖，透過光纖內(nèi)的非線性相互作用，可以得到寬幅頻譜。例如使用飛秒激光器，光纖內(nèi)部因?yàn)樽晕蚁辔徽{(diào)制（SPM）之后頻譜就會擴(kuò)大。包括拉曼撞擊和FWM也被利用在里面，不過這些會因?yàn)榉稚ⅰ�seed光源，峰值功率等的不同而不同。就研究的熱絡(luò)度來說，SC Source的研究在韓國非常盛行，經(jīng)常在OFC以外的學(xué)會上看到韓國研究者的報(bào)告相關(guān)的資料與成果。

在2006OFC上，韓國的KIST Photonic研究中心和東京大學(xué)RCAST共同公布了200nm的寬帶域Source，內(nèi)容是關(guān)于研發(fā)出簡單的Fiber Base的SC Source，系統(tǒng)是由EDF Base的Fiber Link Laser和非線性分散轉(zhuǎn)換光纖（HNL-DSF）構(gòu)成。EDF的長度為5m，HNL-DSF的長度為2Km。結(jié)構(gòu)為：Link Cavity內(nèi)利用EDF的Link Laser和~2.2W的拉曼光纖激光器1480nm共同組成Bump，HNL-DSF也被編入Link中。輸出功率是利用80：20的光纖耦合器中20%，在2.2W下可以輸出83mW。關(guān)于穩(wěn)定性方面，經(jīng)由把Bump的功率調(diào)到最大值2.2W，每隔15分鐘觀察一次，經(jīng)過兩個(gè)小時(shí)的觀測之后，并沒有出現(xiàn)頻譜的波動變化。

另外，東京大學(xué)RCAST、JST、丹麥大學(xué)以及香港大學(xué)等的共同發(fā)表PCF（photonic crystal fiber）中使用的SC的研究成果。這個(gè)研究使用的是Crystal Fiber A/S的分散平坦的PCF，透過對小孔和傾斜度的調(diào)整，可以設(shè)計(jì)出分散特性，并且按照設(shè)計(jì)，通訊帶寬1500∼1600nm的整體分散都相當(dāng)均勻（-3ps/km•ns），核心為1.5µm、光纖的損失為10Db/km(@1550nm)。

系統(tǒng)是由有源ModeLock光纖激光器（MLFL）、EDFA、SMF、PCF以及測量用的OSA組成。SMF是用來負(fù)責(zé)進(jìn)行壓縮脈沖的，MLFL中產(chǎn)生的脈沖是使用EDFA增幅，然后再利用2m的SMF把脈沖進(jìn)行壓縮，再用非線性Media 64m的PCF產(chǎn)生SC。 從MLFL中產(chǎn)生的脈沖為0.1Mw，然后經(jīng)過被放大為10mw（相當(dāng)于峰值功率的3.3kw）。透過這樣的結(jié)構(gòu)，得到了1470∼1655nm，也就是185nm的平坦的光，SC的波動在5dB以下，并且持續(xù)運(yùn)作一個(gè)小時(shí)后，系統(tǒng)并沒有發(fā)生什么變化。

雖然PCF、Holey光纖等，現(xiàn)在還處在尋找最佳用途的階段，但是簡潔、低成本的SC Source很可能成為其很有前途的應(yīng)用之一。例如，英國Southampton大學(xué)的光電子研究中心，制作了改變零分散值的四種光纖，并公布了作為SC產(chǎn)生光纖的結(jié)果。PCF因?yàn)樗�可以使外形設(shè)計(jì)變得柔軟，所以Southampton大學(xué)的研究者，把它設(shè)計(jì)成了1µm但是可以生成SC的結(jié)構(gòu)。

但是制作低成本的SC Source并非是最佳的選擇，因?yàn)槿绻�采用ASE光源作為Seed光源使用的話，就可以有效地且低成本地產(chǎn)生SC。因?yàn)橐許C的產(chǎn)生為目的基本結(jié)構(gòu)是：Seed光源，放大器，非線性Media三個(gè)部分。Seed光源也可以是短脈沖激光器、CW窄幅激光器或者CW ASE等。因?yàn)榕c其使用短脈沖，倒不如使用CW Bump的SC更加簡潔，更加低成本、穩(wěn)定性和信賴度也比較高，頻譜功率的密度也較高。

高輸出光纖激光器中的AEFF

OFC會上，關(guān)于光纖激光器的論文是從2005年開始開始增加的，根據(jù)光纖激光器領(lǐng)導(dǎo)業(yè)者的說法，光纖激光器的出貨數(shù)量開始激增是從2004年開始，2005年繼續(xù)增加，到了2006年，市場還是處于供不應(yīng)求的狀態(tài)。

圖說：光纖激光器的出貨數(shù)量從2004年開始激增，但至今市場仍供不應(yīng)求。（資料來源：Vocus PRW Holdings, LLC）

光纖激光器是由添加了稀土類的光纖和光源共同組成，在加工用途方面，對大功率的要求非常強(qiáng)烈，因此激起歐美研究機(jī)關(guān)的研發(fā)熱潮。并且KW級別的光纖激光器也已經(jīng)正式商品化。因?yàn)榧す馄鞯拇蠊β驶�、核心尺寸的擴(kuò)大、Air guide的Photonic Bandgap的引入等，引起了眾多研究者的研發(fā)競爭。所以在2006年的OFC/NFOE上，設(shè)置了「Active and High Power Fibers:高輸出光纖」的演講活動，基本演講也包括在內(nèi)一共有七篇的研究報(bào)告，其中與LMA（Large Mode Area）光纖相關(guān)的有三篇，到今天LMA變成了與光纖激光器的高輸出相連的重要的一點(diǎn)。除此之外，在Photonic Bandgap等的會期中，也有五篇與LMA相關(guān)的報(bào)告。2005年的OFC上，這種類型的報(bào)告只有三篇而已，2003年則是一篇都沒有。

OFS研究所，并不只是發(fā)表OFC的報(bào)告，有關(guān)OAA和ECOC等與光纖相關(guān)的先進(jìn)報(bào)告也在不斷地發(fā)表，例如，OFS發(fā)表AEFF2100的LMA光纖已經(jīng)開發(fā)出來，并且可以達(dá)到商品化的階段，在AEFF中的結(jié)構(gòu)是500∼700µ㎡，即使是Micro structure fiber都是1400µ㎡，所以就階段性來說，OFS研究所的成果是非常具有意義的。AEFF之所以被設(shè)置上了界限，是因?yàn)閷?dǎo)波模式數(shù)量的增加。在OFC這份報(bào)告中，是利用LPG，對AEFF2100µ㎡的LP07進(jìn)行選擇性的活性化操作。在實(shí)驗(yàn)中，64fs的非線性斜free脈沖壓縮下，522kw的峰值功率都已經(jīng)得到了確認(rèn)。而功率被設(shè)定了界限，主要因?yàn)樵囼?yàn)中使用的放大器，他們推測沒有非線性歪斜的情況下，可以一直設(shè)置到60fs、0.9MW，所以報(bào)告中稱MW級別的光纖激光器的實(shí)現(xiàn)是可能的。另外，利用這種選擇模式的方法，也可以將Aef擴(kuò)大到比現(xiàn)在紀(jì)錄更高的水平。

Dope領(lǐng)域最佳化　帶來增幅效率提高

在“Amplifier and Laser Physics增幅器和激光器物理”的會期中，OFS研究所一直在追求Dope領(lǐng)域的最優(yōu)化，來提高增幅效率。在LMA光纖當(dāng)中，光纖的模式范圍，和核心范圍相比要小了很多。LMA Yb Dope Fiber的基本模式范圍中透過集中Dope，就可以改善輸出輸入的比率。一般LMA Yb Dope Fiber（FDF）和光纖的基本模式最大值的1/2里，集中Dope的confined dopant fiber（CDF）也已經(jīng)被開發(fā)出來。FDF的中心徑為29µm，CDF的中心徑為28µm。FDF的Dope直徑為29µm，CDF里面Dope直徑有21.3µm（CDF1）和17.4µm（CDF2）兩種。而根據(jù)OFS研究所的報(bào)告中指出，在Bump的功率為9W和15.5W下進(jìn)行，無論哪一種都高出CDF效率的10%。在光纖激光器的開發(fā)領(lǐng)域，光纖本身的開發(fā)自然毋庸贅言，既存技術(shù)的換置開發(fā)和新應(yīng)用領(lǐng)域的開發(fā)也都在積極的進(jìn)行著。

在160Gbit/sOTDM的傳送試驗(yàn)中   實(shí)現(xiàn)了635km的傳送

沖電氣工業(yè)在接受日本情報(bào)通訊研究機(jī)構(gòu)（NICT）的委托，研究「整體光通訊技術(shù)的研究和開發(fā)」，實(shí)現(xiàn)了635km的傳送。為了證明研究成果，沖電氣利用光試驗(yàn)網(wǎng)絡(luò)，進(jìn)行世界上首次成功包括高解析影像在內(nèi)的，利用8小時(shí)，在160Gbit/s速率下，傳輸了四部電影數(shù)據(jù)。這是光試驗(yàn)網(wǎng)絡(luò)歷史上距離最長的實(shí)地傳送試驗(yàn)。

在2005年12月，由NICT負(fù)責(zé)試驗(yàn)，靈活運(yùn)用JGNⅡ的NICT京阪奈信息通訊公開實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)。JGNⅡ光實(shí)驗(yàn)網(wǎng)絡(luò)是設(shè)置在Open Lab與堂島中繼局（大阪市北區(qū)）之間的光纖網(wǎng)絡(luò)（單模光纖63.5km×10芯），并且透過變更傳輸線路的折回次數(shù)可以改變傳輸距離。每個(gè)連接點(diǎn)設(shè)置了與10Gbit/s光通訊商用中繼局相同的光放大器及色散補(bǔ)償光纖。

沖電氣表示，每63.5KM設(shè)置兩段光放大器，在段與段之間插入色散補(bǔ)償光纖（DCF）。每個(gè)接點(diǎn)的損失大約為15dB（包含連續(xù)損失）。傳送路線全程的平均分散和分散斜面，基本上可以得到100%的補(bǔ)償。在實(shí)驗(yàn)網(wǎng)里，進(jìn)行了635km的傳輸之后，因?yàn)镻MD可以引起最大為7ps的DGD產(chǎn)生，所以為了對其進(jìn)行補(bǔ)償，在信號接收器的正前方設(shè)置由偏波面控制器、可變DGD發(fā)生器和偏光度計(jì)所構(gòu)成的PMD補(bǔ)償器。

驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)首先使用兩次折回的254km傳輸線路，進(jìn)行了同時(shí)傳輸數(shù)據(jù)信號評估用（BERT）數(shù)據(jù)與高解析影像的傳送實(shí)驗(yàn)。對于長距離傳輸，透過不斷增加線路折回次數(shù)，最終經(jīng)由5次折回線路，實(shí)現(xiàn)了JGNⅡ?qū)嶒?yàn)網(wǎng)最大傳輸距離635km的光傳輸。沖電氣所開發(fā)的160Gbit/s的數(shù)據(jù)的光收發(fā)模塊到現(xiàn)在為止，透過80km的多次試驗(yàn)成功實(shí)現(xiàn)了640km的傳送。實(shí)驗(yàn)為了達(dá)到實(shí)用化，利用改變環(huán)境溫度等改變環(huán)境條件的實(shí)驗(yàn)，達(dá)到評估傳輸線路及在實(shí)際傳輸數(shù)據(jù)的狀態(tài)下，確認(rèn)能夠無誤差傳輸?shù)哪康摹?/P>

160Gbit/s光收發(fā)模塊采用單獨(dú)設(shè)計(jì)的OTDM產(chǎn)生光數(shù)據(jù)信號。此次實(shí)驗(yàn)中使用的模塊為了縮短光的空間結(jié)合距離進(jìn)行了一些改變，光的結(jié)合損耗因此可以降低到一半以下，體積減少至過去的三分之一，達(dá)到了小型化、高實(shí)用性的目標(biāo)。此次現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)成功實(shí)現(xiàn)了635km長距離傳輸，驗(yàn)證了16倍于目前商用10Gbit/s光傳輸速率的超高速光通訊，在東京－大阪之間（大約500km）等干線上的實(shí)用可行性。160Gbit/s的光通訊可望在2010年以后，投入商用化的下一代超高速光通訊技術(shù)。