半导体激光器在超高速光网络中应用

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1、半导体激光器在超高速光网络中应用　　光通信的快速发展对光电子器件提出了更高的要求。基于超高速光传输网络、光以太网及接入网对通信用半导体激光器的性能要求，结合中国光电子器件具体情况，对半导体激光器的性能、研究状态及应用进行了探讨。超高速光网络；半导体激光器；线宽；可调谐；直接调制Forfurtherdevelopmentofopticalnetworks，moreisrequiredofoptoelectronicdevices.Inthispaper，weanalyzehigh-speedopticaltransmission，opticalEthernet，andopt

2、icalaccessnetworksanddeterminetherequirementsondiodelasers.WediscussoptoelectronicdevicesinChina，inparticular，researchonandapplicationsofdiodelasers.ultrahigh-speedopticalnetwork；semiconductordiodelasers；linewidthtunable；directmodulation1光网络的发展趋势及对激光器的要求16由于因特网业务的爆炸式增长，全球对网络带宽的需求日益增加。因此，作

3、为信息承载和传输的光纤通信网络发展呈现一个重要趋势：即业界对超高速率、超大容量光纤通信系统的需求愈加急迫。在骨干光传输网方面，在相干检测和先进的多级调制技术的推动下，目前商用密集波分复用（DWDM）系统中每个通道的速率也从10Gb/s上升到40Gb/s，并快速越过40Gb/s技术直接向100Gb/s甚至更高速率的系统升级[1-3]；在光以太网方面，由于大量视频业务导致的带宽需求急剧增加，40G/100G以太网的标准化被迅速提上了日程；而在光接入网方面，基于波分复用技术的无源光网络（WDM-PON）系统被大规模应用从而提高用户的接入带宽，部分系统的速率已经能够到达10Gb/

4、s以上[4]。而光网络的飞速发展毫无疑问地对相关光电器件的性能提出了更高的要求。1.1基于多级调制格式的相干光通信系统在骨干光传输网方面，有关组织已经规定了基于相干检测技术的偏振复用正交相移键控（PM-QPSK）调制格式作为100Gb/s超长距离传输侧的首选。采用PM-QPSK的系统具有灵敏度高、传输距离远的优点；另外，相干检测对接收端的信号进行线性的变换，因此光纤线路中引入的线性损伤，如色度色散、偏振模色散以及偏振相关损耗等都可以通过数字信号处理的方式进行补偿，也就是说基于相干检测技术的PM-QPSK系统对这些损伤有更大的容限。16虽然相干检测技术能够带来诸多好处，但它

5、对相关的光电器件要求较高。最为典型的就是在相干光通信系统中，一般用载波的相位来携带传输的比特信息，而系统的发送和接收端都需要一个激光光源，因此，具有低相位噪声的可调谐激光器才是相干光通信系统中的理想光源[5]。考虑到激光器的线宽与相位噪声成正比关系，为了保证相干光通信系统的性能，窄线宽可调谐激光器变得不可或缺。在40Gb/s的相干光通信系统中，如果使用经典的M阶相位估计方法，为保证在误码率（BER）为10-4时线宽引入的光信噪比（OSNR）代价小于1dB，使用QPSK调制格式对线宽的容限是4.4MHz。系统对线宽的容限会随着调制格式复杂度的增加而降低，特别是当相位状态数多

6、于8种状态时，比如对于8-PSK、16-PSK调制，系统需要激光器的线宽分别小于330kHz、50kHz。在100Gb/s的PM-QPSK系统的实际应用中，为了保险起见，一般要求激光器的线宽小于500kHz。另外，除了对激光器的线宽有较为严格的要求外，对于50GHz的DWDM系统，还需要激光器的输出波长精确度能够在±2.5GHz范围内，这就需要在激光器模块中加入波长锁定的装置。1.2相干光正交频分复用系统为了实现更高速率的传输，一个研究重点是在PM-QPSK技术上进行扩展，采用编码效率更高的调制格式，如M阶正交幅度调制（M-ary16QAM）[6]，这种方式的好处在于能够

7、在现有系统上进行平滑升级；另一个热门研究方向是基于相干检测的光正交频分复用（CO-OFDM）技术，通过带宽复用的方式，CO-OFDM能够支持太比特每秒的速率传输数千公里，它也被认为是超100Gb/s光传输技术中最有前景的方案[7]。在CO-OFDM系统中，由于同样采用相干检测的方式对多个子载波进行解调，因此在需要激光器具有低相位噪声的同时还需具备大范围连续调节的能力。1.3高速以太网及接入网随着宽带业务的密集应用及云服务的快速发展，为满足运营骨干网，企业数据中心对更高带宽的要求，平滑升级的100Gb/s以太网将是最佳提升带宽的