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高速半导体激光器的发展探讨

导读: 当今世界光纤通信网络数据量每年约增加50%,为了应对带宽增加的需求,光纤通信骨干网上已采用了单一信道40 Gbit/s的密集波分复用(DWDM)技术,而单一波长100 Gbit/s的收发技术也开始提上日程。

  当今世界光纤通信网络数据量每年约增加50%,为了应对带宽增加的需求,光纤通信骨干网上已采用了单一信道40 Gbit/s的密集波分复用(DWDM)技术,而单一波长100 Gbit/s的收发技术也开始提上日程。另一方面,光通信技术不断地往短距离数据传输领域拓展以应对数据中心和超级计算机数据传输量剧增的要求。目前,超级计算机已经发展到具有上万个处理器、上百个机柜的超级并行计算系统,并行处理使超级计算机系统性能提高速度高于摩尔定律,但所需的数据传输量极大,面临着提高数据传输和处理速率以及降低能耗的巨大压力。随着微电子器件尺度越来越小,集成度越来越高,芯片的计算功能已相当便宜,特别是随着特征尺寸的降低,芯片门延迟越来越低,但金属互连延迟越来越大,挑战已经从计算问题转移到数据传输问题。2010年7月,英特尔报道了在计算机内部使用光互连代替电互连的首个集成了激光器的硅基光电数据收发集成芯片,采用4个不同波长激光器的波分复用(WDM)技术实现50 Gbit/s的数据传输。人们迫切希望以光互连代替传统的金属互连,实现芯片间,甚至芯片上的光互连,提高信号传输的带宽,并降低能耗。类似于上世纪七、八十年代光纤通信进入长距离通信市场,目前一个光的革命正在计算系统中出现,一个超高性能的计算系统很快将需要高于百万条的光互连。

  在上世纪九十年代具有超高灵敏度的相干光通信技术的研究曾受到很大的重视,但WDM和掺铒光纤放大器等技术的兴起使其受重视程度降低。但随着带宽增加的需要,高级调制格式的相干光通信技术已成为下一步继续提高干线光通信容量的主要技术。目前,DFB半导体激光器与40 Gbit/s光调制器单片集成的发射芯片已达到规模应用的水平,而单一波长100Gbit/s的光通信技术已通过测试试验处于应用的前期阶段。载波相对相位变化的四相相对相移键控(DQPSK)等高级调制技术,相当于多进制的调制格式,能够以较低的码率实现更高的数据传输速度,从而有效地提高频谱利用率。除了相移键控技术外,人们还在研究利用其他各种参数包括偏振变化来传输信息,以进一步提高频谱利用效率。但在提高频谱利用效率的同时,DQPSK的光发射器及接收器都必须是具有调相功能的集成器件,器件结构复杂,制作工艺难度很大。相干接收系统利用本地激光与接收光信号叠加以测量光信号的相位变化,最后还对数据信号进行处理以提高灵敏度。相干光通信技术能够复兴,微电子数据处理芯片的成熟是一个必不可少的条件。另外,DQPSK等相移键控系统发射的信号光功率能保持常量,可以相对降低光纤非线性对传输信号的影响。

  相对于长途干线采用复杂的高级调制技术以提高光通信系统容量,在短距离的光通信系统中,人们总希望利用结构简单的直接调制半导体激光器。半导体激光器的频率响应可以表示为:

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