光纖通訊網路是資料中心和洲際海底纜線的通訊網路關鍵，而雷射是推動此類網路運作和進行測試的關鍵要素。隨著全球資料量暴增，積極部署光纖網路以傳輸海量資料，已成當務之急。可調式雷射(Tunable Laser)能夠協助提高網路容量和效能，成為潛力解方。
可調式雷射光源
(承前文)可調式雷射可分為多個類別。根據其結構和操作原理，可調式雷射又可細分為以下類型：
．半導體雷射：體積輕巧、效率高，被廣泛用於電子裝置和通訊系統。可調式二極體雷射是一種半導體雷射，具有輕巧的外形和高效率的電光轉換率。如果基於外腔進行建構，其連續調諧範圍可超過中心波長的10%。
．固態雷射：藍寶石雷射等固態雷射以藍寶石作為增益介質，其中加入鈦等摻雜物，以實現寬調諧範圍和高光束品質，被廣泛用於高解析度顯微鏡和光譜儀。
．分布回授型(DFB)雷射：將雷射介質與週期結構整合在一起，可當作繞射光柵使用。可藉由調整光柵的間距或溫度，來改變發射波長。DFB雷射提供穩定的輸出和較窄的線寬，是光纖通訊的理想選擇。它們提供窄調諧範圍。
．垂直腔面發射雷射(VCSEL)：一種半導體雷射，其特性為雷射光束採垂直發射，而非傳統雷射二極體的邊緣發射。
．染料雷射：可在寬廣的波長範圍內運作，是光譜學和化學分析必備的多功能可調光源。
．光纖雷射：使用光纖來引導光線並形成諧振器。
此外，根據發射波長的解析度，可分類為單模雷射和寬線寬雷射兩類型。單模雷射為最精密的雷射，具有極窄的線寬(從GHz以下到僅僅幾Hz)；寬線寬雷射則能夠以更低的成本用於各種不同的應用，例如化學物質和污染物檢測。
可調式雷射運作機制
可調式雷射光源包含產生雷射所需的必要元件，其一為增益介質，包含電子，當電子改變能量狀態時會發射光子；其二為光學腔諧振器機制，此機制將來回反射光子，以實現受激放射(Stimulated Emission)，作用類似於光學訊號放大器。
如前所述，許多機制皆可實現可調式波長，以下分述：
．電流注入調諧：對於VCSEL和DFB等半導體雷射，只要改變注入電流，增益特性和折射率就會跟著改變，如此便可調整發射波長。
．量子井混合：對於半導體雷射，這涉及修改量子井能隙，藉以改變發射波長。此方式可透過在製造過程中或製造後，使用雜質擴散或離子注入等技術來實現。
．機械調諧：旋轉或平移繞射光柵和棱鏡，以改變進入雷射腔之特定波長的回授。通常使用微機電系統(MEMS)，對元件進行精密調諧。
．腔體長度調整：可改變雷射共振器的實體長度，來改變共振模式，進而改變雷射波長。
．液晶調諧：液晶元件可用於改變光束的偏振，以便選擇性地放大或抑制某些波長。
．熱調諧：藉由調整增益介質或雷射腔中光學元件的溫度來改變折射率，以便影響波長。
．非線性光學技術：非線性光學晶體可藉由混合頻率較低的泵浦光子(Pump Photon)和訊號光子(Signal Photon)，來產生不同頻率的光線。
．拉曼頻移：利用氣體、液體或固體介質中的拉曼效應，將波長調諧為更長(斯托克斯位移)或更短(反斯托克斯位移)的波長。
．無跳模(Mode-hop-free)調諧：上述某些調諧機制會出現跳模，也就是波長在雷射增益分布的離散值之間跳躍。無跳模調諧功能可確保無間隙的波長轉換，避免可能導致敏感量測或通訊中斷的突然跳模。
除了主要的調諧機制，可調式雷射光源還具備光學放大器和光學振盪器兩要件。光學放大器可在不改變特性的狀況下提高發射訊號功率；光學振盪器則透過光學回授和放大來產生同調光。
針對可調式雷射光源的主要規格，無論採用何種調諧機制，可調式雷射模組或雷射光源的關鍵特性包括：
- 波長調諧範圍，即可操作的波長範圍。
- 波長解析度，也就是可調整頻率的精準度，單位為奈米(nm)或皮米(pm)，也可以用GHz或MHz來表示。
- 光輸出功率，單位通常為分貝毫瓦(dBm)。
- 掃描速度，也就是雷射改變波長的速率，單位為每秒nm(nm/s)。
與固定波長雷射相比，可調式雷射具有更多的優點，但也有一些常見的挑戰，若無法克服，可能會變成缺點。舉例來說，若要實現較窄的有效線寬和低雜訊，有賴於精密的光學、電子和機械設計，而如果要在整個調諧範圍內維持穩定、充足的功率輸出，通常需要創新的工程設計。此外，可調式雷射光源的可靠性和一致性，主要取決於驅動電路的品質(必須提供穩定而準確的電流)，以及雷射腔的機械和電子控制能力，以維持最佳的雷射效能。
可調式雷射光源前景可期
可調式雷射技術迎來各種新興趨勢，除了砷化鎵和磷化銦等III-V半導體具有直接能隙特性外，可調式雷射光源也開始使用新的結構和合金，以提高效能、提供新的波長範圍，進一步改善可調性。
此外，諸如量子點和量子井等量子限制系統(Quantum-confined System)的新配置發展，可為各種光學系統提供更高的輸出功率、更好的波長解析度、更大的靈活性，以及更多的整合可能性。可調式腔體的微型化，則可為通訊網路提供更快的熱調諧和更高密度的封裝。
本文說明可調式雷射光源及其工作原理。可調式雷射光源可節省成本，並且用途廣泛，因此適用於任何需要雷射光源的應用。目前，可調式雷射技術仍具有一些缺點和挑戰。然而，隨著半導體研究、量子工程和MEMS技術突飛猛進，未來十年內，現有的問題將迎刃而解，使其成為未來通訊網路中無所不在的元件。
圖2 可調式雷射光源產品示意圖
相關解決方案有助業者善用可調式雷射的諸多優勢，例如是德科技便提供高精密度桌上型可調式雷射量測產品和可調式雷射光源(圖2)，能夠測試和量測各種高速光通訊網路、科學儀器及光纖系統。
(本文由是德科技Keysight Technologies提供)
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