激光二极管一经问世，其与其他类型激光器相比的劣势就如同其优势一样明显。 事实证明，最大的挑战是控制光谱输出。 由同一晶片制成的激光器的波长通常变化 +10 nm，并随激光器的温度变化约 0.3 nm/°C。 对于几个重要的应用，特别是对于光通信，光谱输出基本上是不受控制的。
通过改进外延生长工艺，可以控制二极管批次的波长变化。 精确保持二极管温度的方法很早就被标准化了。 然后，研究人员可以将注意力集中在获得稳定的单模激光输出，用于条码扫描、激光打印和光学读/写系统等应用。 然而，在 1990 年代后期波分复用 (WDM) 的爆炸式增长导致了数十亿美元的频率控制激光二极管市场。 频率稳定的激光器反过来又为高频调制和可调谐激光二极管奠定了基础。
第一代光传输系统使用了当时可用的激光二极管，即工作在 850 nm 附近的砷化铝镓 (AlGaAs) 器件。 这些系统在该波长附近具有石英光纤的高损耗和色散特性。 砷化铟镓 (InGaAsP) 激光器的开发使下一代系统能够利用石英光纤在 1.3 µm（理论上等于零）的低色散。 然而，由于多模光纤内多模激光输出的模态色散，比特传输率仍被限制在 100 Mbit/s 以下。
第三代光通信系统开始依赖单频激光二极管作为传输源。 增益引导和其他宽条纹激光二极管设计以多种横向模式振荡。 1970 年代折射率引导设计的发明，以及随后更复杂的设计，将振荡限制在最低阶横模。
具有法布里-珀罗腔的激光二极管——其中激光振荡由设备末端切割反射面之间的距离决定——通常以至少几个纵向模式振荡。 尽管腔很短，通常小于一毫米，因此纵模间隔很宽，但半导体中的增益非常大，以至于它很容易支持宽频谱的振荡。
在实践中，激光二极管的操作往往会导致单模振荡的自我选择。 温度、电流甚至最小量的回射光的微小变化都会导致激光器在模式之间跳跃或振荡多模。 因此，虽然瞬时带宽可能远小于 0.1 nm，但 2 到 4 nm 是更现实的带宽。
In a groove
从历史上看，稳定激光二极管输出的重要设计有四种。 分布式反馈 (DFB) 激光器、分布式布拉格反射 (DBR) 激光器和外腔激光器都依赖于衍射光栅。 这些设计中的每一个中的光栅都为不希望的频率模式提供了高度的损耗，以选择和缩小振荡频谱。 解理耦合腔 (C3) 激光器将主要活动部分锁定到提供参考频率的单独部分； 每个部分都有自己独立的电流。 对于 DBR 激光器，光栅取代了其中一个反射面以向腔体提供反馈。 虽然该器件仍然是集成的，但将光栅放置在有源区之外可以简化激光器本身的外延。 DBR 仍然需要在光栅上生长一层对激光波长透明的层，这会造成一些困难。
外腔设计可能具有最窄的线宽，但允许激光器在整个增益谱上连续调谐。 与其他设计相比，它们有一个明显的缺点，即它们更大、更昂贵，而且最糟糕的是，对于电信来说，可靠性更低。 然而，应该指出的是，微型表面发射阵列的一些最新研究进展涉及微观外腔机制。
C3 激光器是更复杂设计的前身，目前正在生产和开发中。 C3 设计的主要优点是主激光器主体的电流可以保持恒定，并与为稳定（或调谐）激光器而调整的电流分开。
对于这些设计中的任何一个，功率都不是问题，因为光纤中的非线性效应将源限制在毫瓦范围内的输出。 DFB 激光器的简单性使其成为光网络的压倒性选择，但基于其他方案的设计仍然很重要，因为它们具有可调谐性的潜在优势，这是下一代 WDM 设备的要求。
单频果冻
频率控制的建议和理论比制造能力领先了几年。 Kogelnik 和 Yariv 等人在 1970 年代初期对分布式反馈振荡进行了深入研究。 第一个 DFB 激光器由在玻璃基板上掺杂激光染料的明胶制成。 Xerox PARC（加利福尼亚州帕洛阿尔托）的 Scifres 小组使用单异质结 DFB 设计制造了 AlGaAs 器件。 贝尔实验室（新泽西州默里山）的研究人员于 1975 年实现了第一个连续波室温 DFB 设备。
为了形成 DFB 激光器，在有源层旁边形成一个间距为几百纳米（例如，等于激光波长的三分之一）且深度仅为几纳米的光栅。 为了避免在制作光栅时损坏有源层，插入了一个单独的光子限制层。
对于 DFB 激光器，与传统的法布里-珀罗腔不同，人们担心单模振荡可能会随着时间的推移而退化。 广泛的经验已经证实，光栅波纹的小高度与光学限制层的放置相结合可以防止劣化。
尽管 DFB 设计在实现单模操作方面取得了成功，但光通信规范仍需要更高的稳定性。 可能需要一个源在广泛的环境条件下保持 3 GHz 的精度。 DFB 激光器的稳定性通常最多比这个低 10 倍左右。 为了保持所需的精度，一小部分激光输出被发送到标准具，如果波长偏离，则会产生校正反馈信号。
万物皆可调制
具有讽刺意味的是，激光二极管相对于其他类型的首要优势之一是能够直接调制激光。 高速通信系统的调制现在主要由外部手段提供。 直接调制在源脉冲中引起的啁啾对于高速网络中的小色散来说太大了。 现在，使用电吸收调制激光器 (EML) 和使用铌酸锂 (LiNbO3) 进行外部调制已成为这些系统的标准做法。
在指定调制设计时，速度是最大的考虑因素，而 LiNbO3 是最高速应用的首选。 然而，由于 EML 尺寸更小、成本更低的固有优势，研究正在推动这些真正集成的光电器件赶上铌酸锂。
最近在光谱控制方面的一项主要开发工作是生产可调谐激光二极管。 可调谐激光器对于非技术性但仍然至关重要的 WDM 问题（库存控制）至关重要。 在 WDM 系统中拥有 80 个或更多单独的通道或频率并不少见。 为每个单独的通道提供备用激光器，或在服务中心维护替换清单，是一项非常重要的任务，因为一个或几个模块的可用性可以大大简化，而不是可以就地调整到所需的频率。
可调谐激光器
可调谐激光器还将增强 WDM 系统的分插能力，允许在不改变系统硬件的情况下远程向系统添加新通道（或移除旧通道）。此外，最近的实验工作表明，可调谐激光器可以将信息包引导到同一网络上的不同目的地，完全基于信号的频率，只使用无源光学元件。
制作可调谐激光二极管的三种基本方法是使用外腔、温度调谐和电流调谐。前面提到的外腔方法目前太大且不可靠，不实用。温度调谐是一种不优雅的方法，虽然速度慢且范围有限，但它的优点是它可以与已安装的 DFB 激光器一起使用。现代设计依赖于 C3 概念与 DBR 模块相结合，从而提供单独的光生成和波长选择部分，并提供宽波长调谐和低啁啾操作。
这些设计可以在单个设备中包含两个、三个或四个部分。如果仅使用增益部分和光栅部分，则需要通过对腔进行温度调谐来使腔模式的相位与光栅部分中的相位匹配。添加第三个电流调谐相位匹配部分消除了温度调谐。
一个示例使用折射率引导模块通过波导从有源层发射光以分离相位和波长控制部分。 这些部分不包含有源层，但是当它们的电流变化时，它们的折射率会发生变化。 选定的波长被反射回放大部分并通过输出面发射。
更精确
在光通信发展的早期，科学家们设想该技术在相干检测的使用方面类似于无线电。 WDM在提升和简化网络容量方面的成功抵消了相干通信的吸引力，但要充分利用光纤网络的太赫兹潜力，很可能需要某种形式的相干通信。 此类系统可能需要比当前设计稳定三个数量级的二极管源。
光学知事隅 