全光通信用关键光电子器件

liqiao · 发表于 2003-3-18 21:22:00

　　近几年来，光纤通信在宽带网络技术急速发展的推动和信息呈爆炸式增长需求的牵引下，发展速度比以往任何时候都更加迅猛。传统语音业务的年增长率只有5%-10%，而以Internet为代表的数据业务的年增长率却达到了20%-30%。与传统的电话相比，Internet的最大特点不是人与人之间的一对一通信，而是人与机器（数据库）之间的一对N的通信。由于将全世界分散的数据库连接起来，使得整个网络中的信息量急剧增加。

　　另一方面，过去几年来，以DWDM为代表的宽带技术使系统带宽的增长比著名的CPU性能增长的摩尔定律（约18个月翻一番）还要快2、3倍，主干光纤通信带宽大约每6-9个月翻一番。由于每Gbit-公里的传送成本迅速下降，可视电话、视频会议等一系列与宽带有关的产品和业务也将迅速增长。与此同时，DWDM在越洋和陆地长途干线不断普及的同时，已在向城域网和接入网延伸，几年后将成为新的发展热点。网络拓扑正从点—点为主逐渐向环行网和网状网发展。最终目标是全光通信。分/插复用器(OADM)和光交叉连接（OXC）等一系列新技术是实现全光通信的关键，而新一代光电子器件是实现全光通信的基础。

　　一、光源

　　用作DWDM光源，最重要的是控制激射波长，其次是成本。目前DWDM的标准间隔为100GHz（0.8nm），更密集型WDM的间隔为50GH(0.4nm)。要防止邻近波道串扰就必须把光源的波长误差控制在波道间隔的10%以内，因此必须把LD的发射波长控制在GHz级的高精度。随着复用的频道越来越多，使用LD量增加，降低成本的主要途径是多波长单片集成。

　　（1）DFBLD+EA阵列

　　目前DWDM广泛使用DFB结构LD，它的激射波长主要靠器件内部形成的折射光栅周期决定。为使多个不同波长的光源覆盖DWDM的波长区，就需要多个不同波长的芯片，如果能在同一芯片上通过控制光栅周期，一次性做出不同波长的光源，将大大降低成本。另一方面，在LD的直接调制中，由于调制时波长变化（啁啾声），经光纤的波长色散引起传输中光波形状失真，并随着WDM密度增加，波道间隔变窄，邻近波道之间产生串扰。为避免此种问题，日电和贝尔实验室研制了外部调制器集成光源。电吸收调制器集成光源采用了有源层与调制器吸收层共用多量子阱（MQW）结构。

　　日电在一个芯片上形成了40种不同的折射光栅（周期：236.00nm-245.69nm），波长范围1530nm-1590nm的40路调制器集成光源，信道间隔为200GHz。LD长40(m、调制器长250(m。用此器件在1.55(m和1.58(m波段进行了2.5Gb/s和10Gb/s传输实验。贝尔实验室与Lucent（朗讯）用类似阵列光源与波分复用/解复用器、AWG、探测器等一起构成了10波长发射机模块。

　　〈2〉等频率间隔多波长光源

　　DFB LD的发射波长受折射光栅端面相位和光波导尺寸的影响，在一般的阵列光源中，频道间隔不可能完全相等。对此，日本H.Yasaka等人提出了等频率间隔发射多波长光源。结构由半导体锁模激光器（MLLD）与石英阵列波导光栅（AWG）滤波器构成。向MLLD加上50GHz的RF信号，MILD将产生振荡频率为50GHz、脉宽3Ps的短脉冲，此时的输出光谱就会以50GHz的等频率间隔排列，输出多模。再把AWG滤波器各输出口光频率间隔设计成100GHz，就能从MLLD的各路输出光谱选出一个单模，从AWG滤波器的各输出口输出，输出的单模间隔就为100GHz。

　　(3) 波长可调光源

　　波长可调光源由于可任意控制波长，有诸多优点：（I）对器件的选择勿需过多关注波长，（ii）方便准确控制频道间隔，（iii）可望作为光开关器件用于全光网络。使用外反射镜的波长可变光源已经用于测试，这里指机械稳定性和制作成本方面优越的电调谐波长可变LD。最有代表性的是超结构光栅（SSG）LD结构。器件中央是有源层，两边是折射光栅形成的SSG区。由于折射光栅受到周期性间隔调制，SSG区的反射光谱变成梳状峰，又因为间隔调制周期在前后SSG区域不同，梳状峰的间隔设计也稍微不同。所以，前后SSG区域梳状的反射光谱范围的波长发生位移，此时前后SSG区域梳状光谱重合的波长以大的不连续变化，可实现宽范围的波长调谐。随着大约以10nm间隔跳模，可获得约100nm的波长调谐。除SSG LD外，宽波长范围可调LD还有取样光栅，Y分支，垂直耦合腔等结构。

　　(4) Supercontinuum(SC)

　　SC作为一种产生DWDM用多波长皮秒（PS）脉冲光源的新途径，引起了人们越来越大的兴趣。最早是在1993年由NTT报道的，是利用短脉冲经过光纤的非线性效应，产生出很宽的超级连续光谱，再通过滤波器或分波器把各个波长光谱分开，形成多个波长独立的光源。1996年NTT在无放大的40Km光纤链路上演示了1Tbit/s大容量SC-DWDM传输系统。贝尔实验室用这种技术将1546.24nm 与1562.01nm之间的光谱切分为间隔50GHz的40路光源，并进行了光通信实验。

　　二、光纤放大器

　　DWDM技术的迅速崛起，光纤放大器功不可抹。EDFA具备的主要性能完全迎合了DWDM要求，诸如能同时放大多路信号，与传输光纤实现良好的耦合，高增益低噪声等。须解决的主要问题是增益平坦化，其次是扩展增益带宽。

　　（1）1550nm EDFA

　　1550nm（1540-1560nm）EDFA是通过向掺铒的石英光纤同时掺铝和磷，其次是外加增益均衡器实现了增益平坦，它的带宽为20nm，被称为第一代EDFA产品。接着利用光纤布拉格光栅和Mach-Zchnder滤波器，降低EDFA在1530nm波长的增益峰值，同时采用1530nm波长无增益峰值的氟化物EDF，再加上增益均衡器，使EDFA的增益平坦波段扩大到1530nm。人们把1530-1560nm（C波段）EDFA称为第二代产品。这是早期应用最广泛的放大器。但它的带宽只有30nm，仅为石英光纤最低损耗窗口区总带宽的30%。

　　（2）1580nm EDFA

　　EDFA是三能级材料系放大器，放大波长可通过改变反转分布状态控制，具体就是改变EDF的长度和泵浦源的泵浦功率。在低反转分布状态，1580nm增益系数为正值，但由于增益系数小，要达到1550nm的增幅，必须延长光纤。英国南安普顿大学用相当于一般EDFA 5-6倍的EDF，实现了1570-1610nm高增益，EDF延长后，短波区增益急剧下降。因此，EDFA就出现了1530-1560（C）与1570-1610nm（L）两个波段。L波段无须增益均衡（GEQ）也能获得1dB以下增益偏差，6dB噪声系数，但泵浦效率比短波段降低不少。现在普遍将C与L波段合并放大用于商品化系统。此外，碲化物EDF和氟化物EDF也能实现长波长放大。

　　（3）短波长（S波段）放大器

　　S波段位于1450nm与1530nm之间，两种大力开发中的技术有希望解决S波段的问题，即基于非线性拉曼散射效应的拉曼放大器和与EDFA工作原理类似的掺铥光纤放大器（TDFA）。EDFA的可用带宽约为84nm，如与受激拉曼放大器等技术合并放大，将有更大的带宽。因此沉寂一时的拉曼光纤放大器近两三年十分活跃，已进入实用化研究阶段，尤其是S波段。在OFC`97，有人报道了92nm带宽拉曼放大器；在OFC’99，S.V.Chernikov等报道了1480-1620nm光谱范围的宽带拉曼放大器。同时日本的Y.Emori等人用四路复接大功率LD泵浦和增益均衡，使拉曼放大器平坦增益带宽达100nm。贝尔实验室，Lucent和NTT都进行了拉曼放大器100Gb/s以上WDM传输试验。最近，美国的Qtera公司做出了采用拉曼放大技术的长途通信系统，预计2000年底商品化。

　　掺铥（Tm）光纤放大器（TDFA）是利用Tm的3H1-3H4能级跃迁，在1440-1500nm进行光放大，它在1443-1484的波长区，增益偏差为3dB，而碲化物EDFA在1532-1608nm的76nm带宽内，增益偏差低于3dB，二者合并可实现113nm的放大波段。NTT用TDFA与EDFA合并构成光纤放大器在1460-1600nm波段进行了54ch*10Gb/s240Km传送实验。

　　三、光复用/解复用器

　　目前生产和使用最活跃的有阵列波导光栅（AWG）和光纤折射光栅（FG）。前者以石英平面光回路（PLC）为基础，因石英玻璃的物理和化学性质稳定，加之与光纤匹配好，又是利用成熟的波导技术，与理论设计一致性好，所以应用和生产非常广泛。聚合物阵列波导也有少量试用报道。

　　1．AWG

　　AWG波导采用光纤生产中应用的火焰水解淀解法（FHD）制作，由多路输入输出波导，两个平板形波导，以及有波导路长差(L的阵列波导构成。在输出一侧平板波路中通过相互干涉，在输出波导聚光。由于阵列波导中引起的相位差产生色散，对应各波长在不同输出波导聚光。因大多数单个器件不是直接连接，利用这样的多光束干涉，AWG中即使大规模增加波路,损耗几乎也能保持一定。这个性质对DWDM多路化非常重要。

　　AWG在系统中用途非常广泛。（1）点—点WDM系统中在发射端用作合波器，在接收端用作分波器；（2）在环形网与大规模网络节点处，AWG合/分波器可用作光插/分复用（OADM）；（3）N×N的波长寻址互连路由器，它的最大特点是以波长数N实现N2的连接；（4）AWG与光放大器(SOA)组合可构成波长选择器和光开关等。目前国外AWG技术已经很成熟，全世界有十数家公司出售波分复用/解复用器，其中有近二十多家能提供8-128路产品，频道间隔0.4、0.8、1.6nm；串扰23-25dB；方向性50-55dB。日电最近采用并列方式实用了312路复用器。

　　(2) 光纤折射光栅（FG）

　　FG是利用紫外线照射，在纤芯形成周期性光栅，让特定波长的光通过反射或衰减，实现波长选择的一种光纤型元件。根据折射率变化周期，FG分短周期和长周期两种。折射率变化周期在1(m以下为短周期FG，与入射方向相反地反射特定波长光信号，所以也叫反射型FG；另一种折射率变化周期达数十(m-数百(m，叫长周期FG，特定波长的光通过射出纤芯产生损耗。

　　反射型FG的用途主要有两个：一是OADM,目前的DWDM系统信号波长间隔都在1nm以下，用以前的多层膜光滤波器难以获得好的隔离度。反射波长区的区域内外变化非常陡峭，适合用作OADM滤波器，但在ADM-FG的前后需加光循环器。二是采用反射波长在长度方向连续变化的FG，作色散补偿器件。补偿的色散量可通过FG的制作长度限定带宽来实现，现在制作长1米以上的光栅，以10nm带宽，补偿1350Ps/nm色散的结果已报道。

　　长周期FG的主要应用是EDFA增益均衡器。EDFA存在着增益的波长相关问题,尤其在多个EDFA级联使用的长途系统中表现尤为突出。利用FG的波长衰减特性正好抵消EDFA的波长增益峰值特性，从而在较宽的波长区实现平坦增益。用长周期FG不会发生反射光，也有利于改善EDFA的性能易受反射光影响的情况。目前FG已在EDFA中大量使用。人们最关心FG中心波长的温敏性问题也正得到解决。

　　四、光开关

　　随着数据通信和DWDM技术的迅速发展，复杂的网络拓扑对可靠、灵活的网管方式产生了强烈的需求。DWDM在城域和接入应用对具有插/分和交换功能的光开关的需求更加迫切。随着网络转向全光平台，光域优化、路由、保护和自愈的网络功能已成为关键。目前通信系统绝大多数开关是由电来完成的，它无法承受巨大的信息交换功能并降低复杂系统带来的成本。已报道的光开关大致可分为电光(EO)、热光（TO）和光机（OM）三大类。

　　1．铌酸锂MZI开关

　　铌酸锂March-Zhnder干涉仪电光开关由电光晶体材料铌酸锂（LiNbO3）波导构成，结构类似3dB耦合器一类的双分支波导，在输入和输出端由两个波导连接成March-Zhnder干涉仪（MZI）。这种结构能取得1×2、2×2开关结构。由加到干涉仪结构的一个或两个驱动电压来控制两路之间不同的相位，把信号送到需要的输出端。EO开关的主要优点是开关速度快，方便集成。不足是高偏振相关损耗，高串扰。他们对电漂移敏感，一般需要高工作电压。因此，EO开关是非锁定形，这限制了他们在网络保护和重组方面的应用，高的生产成本也防碍广泛的商用。

　　最近用MBE技术开发成功电钛酸钡构成的波导开关，这些开关由硅组成，用磁—氧淀积形成电极。它们的电驱动功率比一般LiNbO3开关小得多。LiNbO3材料的光开关结构达到十余种，已有2×2、4×4、8×8、16×16、32×32的系列样品,研制水平可达到64×64,但DWDM系统应用较少。近几年来用Ⅲ-Ⅴ 族材料做开关的公司也很多，结构和工作原理与铌酸锂相同。

　　2．MEMS开关

　　光机械开关的发展依赖于先进的微细加工技术和传统的光学技术，是目前最成熟开关产品。其代表是微机电系统（MEMS）。MEMS是一种微小而活动的机械系统，成功地应用已达10年以上，其身影可从气囊到可调激光器中找到。过去3-4年来，光纤网络系统设计者赋予它新的生命，大量用于光开关或其它光电子器件技术。

　　MEMS的结构是采用IC标准工艺在硅封底上制作的集成化静电控制转动反射镜,反射镜的尺寸为300μm左右,比头发丝还细，通常做成矩阵。其工作原理非常直观：输入光信号通过移动输入光纤端的棱镜和反射镜，机械地把光束（波长）引向式反射到开关中的不同输出光纤。但具体工作方式和结构各公司不尽相同。贝尔实验室和Lucent公司开发了多种光MEMS产品。

　　MEMS虽然只能以毫秒级开关速度工作，但它们因为成本低，设计简便以及良好的光学性能而获Lucent、北电、西门子等一些大公司的青睐。2×2 MEMS开关的插损0.6dB，串扰-60dB，速度5ms，PMD o.1ps，回损55dB ，PDL 0.05dB。

　　3．液晶光开关

　　1999年，安捷伦（Agilent）公司将它成熟的喷墨打印机技术与硅平面光路结合，推出喷墨液晶开关器件。该器件是在Si材料中做出偏振光束分支波导(PBS)，再在每个分支波导交叉点刻蚀出成某种角度的槽，沟槽内装上折射匹配的液晶，液晶槽下面是电热器。不加电时光束直通；当加热硅片中相关点的电热器时，其上面的液晶体内产生一种气泡，经过它全反射，使来自输入波导的光改变方向，反射到要求输出的光波导。PBS起路由器作用,把信号引向要求的出口。据说安捷伦科技公司就是利用喷墨打印机中的定位技术，来控制各交叉点光的直通与反射，以达到交叉连接的目的。它宣布了以这种技术为基础的两种产品，32×32和16×32光开关组件。两种产品都将在2000年用于光交叉连接系统。组件插损7.5dB，沟道隔离度 50dB，背反射 50dB，开关时间 10ms，PDL 25dB，功耗25W。另两家公司也推出了类似产品，将对MEMS和其他开关器件构成有力的竞争。

　　4．热光开关

　　热光开关是由制作在硅芯片上的塑料分支波导阵列与其上的薄膜加热元件构成。开关由淀积在塑料迭层内的薄膜加热元控制，当电流通过加热器时，便在整个波导分支区产生横向热梯度，改变波导的折射率。这种改变引起主波导与需要的分支光波导之间的光耦合。此开关体积小、可获得msec级开关速度，但他们的缺点是插损高，串扰性能差，消光比低、功耗大，需要适当的散热,目前未成气候。另一种热开关是PLC波导基3dB耦合器MZI与加热器构成，它已经用于系统实验。

　　5．SOAG开关

　　1）此开关由分支波导与半导体光放大器（SOA）构成。可用平面光波导与SOA单片集成，也可用光纤等无源器件SOA散件连接而成。工作原理和结构相对较简单。加上电压的SOA的支路实现直通，另一支路的SOA对光吸收，不导通。日本NEC开发了Tbps级超大容量光通信开关，做了吞吐量为2.56Tb的光开关实验，全部16路波长，证实在BER=10-14以下稳定工作,通过光开关输出信号无大的畸变。其次对波分/空分开关的切换工作特性进行了评价，证明全部SOA都能以1纳秒以下速度切换。

　　五、可调波长滤波器

　　作为系统结构和业务控制的关键技术，是能在传输途中以各波长为单位插入和分出光信号的OADM和切换线路的OXC装置。实现这些目标需要各种控制波长的器件，其中人们对可调波长滤波器的期望值十分高。以前用于OADM的两项技术是光薄膜干涉滤波器和光纤布拉格光栅。两种器件均以无源器件为基础，插/分波长要依赖硬件，无法提供重组网络的灵活性。

　　现在最看好的是利用铌酸锂波导技术的声光可调滤波器(AOTF)。它的分下波长与SAW变换器的控制信号频率（170-180MHz）存在关系，人们就用这种关系来完成波长分下功能。如同时激励频率不同的几个SAW，就能同时分下几个波长。由于波长选择性通过外加不同频率的RF信号完成，这种性能提供了实现远程重组的关键功能。器件结构还可实现单片集成。

　　六、波长变换器

　　在大规模DWDM组网，特别是在相同波长争通道时，可能需要把某一波长变换成另一波长，或者把某一高次群数字信号变成几个不同波长的较低次群信号。波长变换的原理主要利用半导体光放大器（SOA）的非线性现象，如增益交叉调制（XGM）和相位交叉调制（XPM），以及四波混频（FWM）以及LN波导二次谐波产生（SHG）。如瑞士研究所利用带March-Zehnder干涉器件的平面光波导和SOA构成的半导体光放大器，通过加上四个不同波长的时钟信号，将输入波长为λо速率为40Gbit/s的光数字信号变成了四个不同波长的4×10Gbit/s低次群信号。Lucent则用铌酸锂光波导变换器，把1550-1560nm波段的A、B、C、D四个波长信号变换成了A`B`C`D`四个波长信号。表3总结了下一代全光通信主要的光电子器件种类以及所要求的特性、技术课题。

　　七、结束语

　　文中介绍了下一代全光通信用关键光电子器件，国外这些器件大部分已商品化，其余的也已进入实验系统。国内在许多方面仍处在基础研究阶段，差距较大，须加大投入，否则与国外的差距将不是一代的问题。

fcchen · 发表于 2003-4-17 05:19:00

老大，你好前啊，这本是啥书？
能告诉我书名吗？

kudzu2002 · 发表于 2003-7-31 22:49:00

好东东啊～

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