一、量子阱半導(dǎo)體激光器

    光纖通信技術(shù)的發(fā)展已有近30年的歷史，目前廣泛應(yīng)用于光纖通信系統(tǒng)的光源器件是采用III-V族化合物半導(dǎo)體材料1nGaAsp／lnP制作的激光二極管。lnGaAsP／InP材料體系的發(fā)光波長正好滿足了石英光纖的需要，采用這種材料制作的半導(dǎo)體激光器在室溫下表現(xiàn)出了良好的光電特性，可以滿足使用要求。但是，由于材料本身特性的限制，采用lnGaAsP /lnP材料制作的半導(dǎo)體激光器表現(xiàn)出一個明顯的缺點，就是對溫度特別敏感，在室溫下工作得很好的器件，溫度較高時激光輸出會明顯減小，甚至不能正常工作。為此，人們在使用激光器時一般要給它加上半導(dǎo)體熱電制冷器，使其能恒溫工作，還要加上監(jiān)控輸出光強的光電探測器和光控電路使激光輸出功率穩(wěn)定，這使得整個激光模塊的成本增加不少，體積和重量也相應(yīng)增加，同時由于零部件較多，可靠性也會受到影響。還應(yīng)注意到，由于半導(dǎo)體熱電制冷器的耗電較大，一般要超過激光器本身的耗電，這使得使整個模塊所消耗的電能也增加很多，為其供電的電源部分的體積和重量有可能超過激光模塊本身。對于較長距離的干線通信系統(tǒng)，由于系統(tǒng)的投資主要集中在線路方面，端機所占的成本份額較小，端機的工作環(huán)境也較好，這些缺點還可以忍受。但隨著信息量的增長，特別是光纖到戶目標(biāo)的提出，半導(dǎo)體激光器將直接面對數(shù)以億計的個人用戶。要想構(gòu)成一個能夠雙向通信的光纖節(jié)點，每戶至少需要一個半導(dǎo)體激光器和一個光電探測器，這些器件往往有可能在較差的環(huán)境下工作，前述普通InGaAsP／InP半導(dǎo)體激光器的缺點將變得難以忍受。因此，人們迫切希望發(fā)展出能在較寬的溫度范圍內(nèi)正常工作，無需熱電制冷和光控電路的半導(dǎo)體激光器，只有這樣才能簡化系統(tǒng)和降低成本，并保證所需的性能和足夠的可靠性，邁出光纖到戶的關(guān)鍵一步。

    在半導(dǎo)體激光器中引人量子阱結(jié)構(gòu)可以明顯改善其溫度特性。采用先進(jìn)的半導(dǎo)體材料外延生長工藝（如分子束外延生長工藝），將厚度僅為幾十個原子層的半導(dǎo)體發(fā)光材料（作為量子阱）交替生長在光限制材料（作為量子勢壘）之間，使其產(chǎn)生量子限制效應(yīng)，可以使激光器在較低的電流驅(qū)動下就產(chǎn)生較強的激光，從而降低溫度對器件性能的影響。量子阱結(jié)構(gòu)還可同時改善激光器的其他光電性能。在量子阱中引人適當(dāng)?shù)膽?yīng)變，可以進(jìn)一步改善器件的溫度特性；而在量子勢壘材料中引人與量子阱材料中類型相反的應(yīng)變，可以補償應(yīng)變對材料生長質(zhì)量帶來的不利影響。綜合以上這些措施，可以發(fā)展出適用于石英光纖波長范圍，能在較高的溫度下正常工作的半導(dǎo)體激光器。這樣的半導(dǎo)體激光器將無需熱電制冷器和光控電路，對工作環(huán)境溫度也無嚴(yán)格要求，使每個終端的成本大大降低，能夠直接面對未來高速光纖信息平臺最末端的眾多用戶。

    二、波分復(fù)用半導(dǎo)體激光器和光電探測器

    將光纖的可用帶寬范圍象無線電頻率一樣劃分成許多個不同波長的頻道，在每個頻道上互不干擾地傳輸一路光信號，對光波（波長為微米級的無線電波）象對無線電波進(jìn)行頻分復(fù)用一樣按波長進(jìn)行復(fù)用，即為波分復(fù)用（WDM）。采用波分復(fù)用技術(shù)無疑將大大提高光纖的傳輸能力，增加光纖網(wǎng)絡(luò)的容量。采用波分復(fù)用技術(shù)的具體優(yōu)點主要體現(xiàn)在兩個方面：對于長距離和超長距離的干線通信（如海底越洋光纜）系統(tǒng)而言，波分復(fù)用技術(shù)能使人們在基本不增加線路投資的前提下顯著地增加線路的傳輸能力；對于通信距離較短的局部光纖網(wǎng)絡(luò)以及高速光纖信息交換平臺來說，波分復(fù)用技術(shù)除能增加傳輸能力外，還可以將不同波長的光纖頻道用于不同的網(wǎng)絡(luò)、不同的用戶或者不同的服務(wù)種類，所有信息可以在同一根光纖上運行而互不相擾，人們也可以在光纖網(wǎng)絡(luò)上隨意選擇所需的具有很大帶寬的光纖頻道。

    當(dāng)一根光纖只用于傳輸一路光信號時，對半導(dǎo)體激光器的發(fā)光波長可以不作嚴(yán)格要求，光電探測器也不需要對波長具有選擇性。但如多路光信號一起傳輸，顯然每路光信號的波長必須固定在所設(shè)定的頻道上，不能占用其他頻道，其波長也必須十分穩(wěn)定；對于光電探測器，這時往往要求它對波長具有選擇性，即能在不同波長的光信號中選擇出所需要頻道的光信號，這些在技術(shù)上實現(xiàn)起來具有相當(dāng)高的難度。

    用于波分復(fù)用的半導(dǎo)體激光器，必須能夠單頻工作和具有相當(dāng)高的頻率穩(wěn)定度，一般均采用高質(zhì)量的分布反饋結(jié)構(gòu)，即利用制作于激光器結(jié)構(gòu)中的高質(zhì)量光柵對波長的選擇作用來嚴(yán)格限定激光器的發(fā)光波長。在很多應(yīng)用場合，還會要求半導(dǎo)體激光器的工作波長可以調(diào)諧并具有很高的穩(wěn)定度，即同一個激光器能夠穩(wěn)定工作在不同的光纖頻道上，這時往往需要采用多工作區(qū)的激光器結(jié)構(gòu)或者外腔結(jié)構(gòu)。能同時產(chǎn)生不同波長的激光以用于不同的光纖頻道的半導(dǎo)體激光器陣列也是波分復(fù)用技術(shù)中所需要的。目前，光纖頻道的間隔在2ooG