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全光通信网络中的光电子器件发展趋势概述

上网日期: 2002年03月30日 ?? 作者: 游善红, 葛文萍, 黄俊 ?? 我来评论 字号:放大 | 缩小 分享到:sina weibo tencent weibo tencent weibo


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关键字:光电子技术? 光电子器件? 全光通信网络?

光电子技术是信息技术发展的关键技术,在未来全光通信网发展中占有举足轻重的地位,本文介绍了有源光器件、光无源器件和光电子集成器件等全光通信中应用的关键光器件的概念及其技术发展和市场趋势。

随着半导体光电子器件和光纤两大基础元件在原理和制造工艺上的突破,光子技术与电子技术开始结合并形成了具有强大生命力的信息光电子技术和产业。光电子器件及其集成技术应用于全光通信网络系统的各个部分。本文介绍的光电子器件主要分为有源光器件、无源光器件和光子集成器件三大类。

有源光器件

光有源器件包括激光器、光电探测器、光放大器等,下面分别介绍激光器和光放大器。

1. 激光器

光通信中常用的是半导体激光器和光纤激光器。目前研究较多并极具发展前景的是垂直腔面发射激光器和量子阱激光器

(1) 垂直腔面发射激光器(VCESL-LD)

垂直腔面发射激光器(VCESL-LD)及其阵列是一种新型半导体激光器,它是光子学器件在集成化方面的重大突破,其特点如下:从其顶部发射出圆柱形射束,射束无需进行不对称矫正或散光矫正,即可调制成用途广泛的环形光束,易与光纤耦合;转换效率非常高,功耗仅为边发射LD的几分之一;调制速度快,在1GHz以上;阈值很低,噪声小;重直腔面有源区很小易于高密度大规模制作和成管前整片检测、封装、组装,成本低。

由于长距离大带宽高速光通信、高速存取光信息处理、高性能低成本光互连器件的需求牵引,VCSEL器件无论从材料、种类还是波长、结构都呈多元化高速发展趋势。目前,0.85μm-0.95μm波段VCSEL较为成熟,已实现了高性能、低成本和大批量生产,并已上市出售。而1.3-1.55μm波段VCSEL作为长程光通信激光光源也呈现出新的增长趋势。但制作1.3μm或1.55μm VCSEL的困难还需进一步解决。许多分析家预测VCSEL将成为光纤到户装置的合适光源。

(2)量子阱激光器(QW-LD)

量子阱激光器与一般的双异质结激光器结构相似,只是有源区的厚度很薄仅为几十埃。理论分析表明:当有源区厚度极小时,有源区与两边邻层的能带将出现不连续现象,即在有源区的异质结上出现了导带和价带的突变,从而使窄带隙的有源区为导带中的电子和价带中的空穴创造了一个势能阱。由此而带来了一系列的优越性质,其名称也由此而来。通常用于半导体激光器的QW结构主要有三种类型,即多量子阱(MQW),缓变折射率波导限制型单量子阱(GRIN-SCH-SQW)和带有超晶格缓冲层的缓变折射率波导限制型单量子阱(SLB-GRIN-SCH-SQW)。QW激光器与一般的双异质结激光器相比,具有阈值电流低、功耗低、温度特性好、线宽变窄、频率啁啾小,以及动态单模特性好、横模控制能力强等许多优点。

2. 光纤放大器

(1)掺铒光纤放大器

掺稀土光纤放大器主要产品则有掺铒光纤放大器(EDFA)、掺镨光纤放大器(PDFA)。一个典型的单级掺铒光纤放大器需要有多个分立器件(见图1)。目前EDFA的技术开发和商品化最成熟;应用广泛的C波段EDFA通常工作在1,530nm到1,565nm光纤损耗最低的窗口,具有泵浦功率低,输出功率大、增益高、与偏振无关、噪声指数低、连接损耗低,且能同时放大多路波长信号等优点。其不足是常规波段的增益带宽只有35nm,制约了光纤可用的波长信道数。目前研究重点是L波段(1570~1605nm)的光纤放大器和增加总的传输带宽。

(2)光纤拉曼放大器

光纤拉曼放大器(FRA)是基于受激拉曼散射机制的一种光放大器。近年来光纤拉曼放大器受到极大关注,重新成为研发的热点,主要是因为它在长距离光纤传输系统中的许多优点适合系统对通信容量及无电再生中继距离的需要,另外,它还有以下优点:(1)传输光纤可以为任何类型;(2)可覆盖很宽的波长范围;(3)增益高、串扰小、噪声指数低、频谱范围宽、温度稳定性好、总成本低。它可以放大掺铒光纤放大器所不能放大的波段,并可在1,292nm到1,660nm光谱范围内进行光放大,获得比EDFA宽的增益带宽;光纤拉曼放大器主要的缺点是需要大功率的泵浦激光器,这可以通过研究降低阈值功率的泵浦激光器、将多个泵浦源激光器的波长复用获得一个大功率输出的泵浦激光器来解决。拉曼光纤放大器具有强大生命力,即将进入实用阶段。

由于EDFA的噪声和非线性,每个EDFA都会给光链路带来积累噪声,同时由于光放大的作用,光纤中光功率很高,引起非线性效应,现有EDFA产品并不能满足40G系统的要求,面对不断增长的对传输容量的要求,极具吸引力的方案是采用EDFA与分布拉曼放大器(DRA)结合,在提高光信噪比的同时纤芯保持低光功率,从而避免非线性效应的发生。

光无源器件

在全光网络中,光无源器件包括常规的光连接器、耦合器、光开关、光衰减器、光隔离器、光纤光栅器件和WDM器件等。市场上现有的很多无源器件满足2.5bps和10Gbps系统,对于40Gbps系统,无源器件要求有更低的色散、更高带宽和极低的偏振模色散。

1. 光连接器

连接器是把实现光纤端面之间结合的无源光器件,是光纤通信系统使用最多的光无源器件。目前通常使用的是2.5mm陶瓷插针的FC、ST和SC型连接器,体积较大,价格较贵,为适应光纤接入网的要求,国外已在开发新一代的光纤连接器。瑞士Diamond公司的连接器具有独特的技术,采用独有的双质料插芯,外层为陶瓷,内层为铜镍合金,利用合金的延伸特点,配合独有的纤芯对中工艺(Active Core Alignment),透过改变合金的形状,调节纤芯在插芯中的位置,以减少纤芯与轴心间的偏离,确保每一个连接器的极好的插入损耗。

2. 光开关

新一代光开关是光交叉连接的核心器件,也是目前开发研究最为深入的无源光电子器件。其应用范围主要有:保护倒换功能;网络监视功能;光器件的测试功能;光信号的上下路功能;网络故障愈合功能。近几年,随着光传送网技术的发展,新型的光开关技术不断出现,矩阵光开关、热光开关、液晶光开关和微机械等光开关在器件技术和集成化方面都取得了很大的突破。未来的光开关对交换速度提出更高的要求(纳秒数量级)。大容量、高速交换、透明、低损耗的光开关将在光网络发展中起到更为重要的作用。

在光交叉连接及需要支持大容量交换的系统中,基于MEMS技术的解决方案似乎已是主要潮流。MEMS的基本原理是通过静电的作用使微镜面发生转动,从而改变输入光的传播方向。一些公司正在积极开发所谓的三维(3D)光开关,可以实现微镜面连续转动的产品以实现更大的交叉连接。具有代表性的三维MEMS光开关制造商有Calient、朗讯、北电和OMM公司。MEMS最大的问题在于其性能稳定性,受到轻微振动微镜的转向都会发生变化。

光电子集成器件

光集成集成器件(OEIC)多年来一直是热门研究课题,OEIC器件利用光电子技术和微电子技术将光子器件和电子器件集成在同一衬底的单片上构成。

OEIC器件主要包括OEIC光发射机、OEIC光接收机和光收发机。OEIC光发射机是由激光二极管(LD)、发光管(LED)及驱动电路构成,光源与驱动电路及探测器集成。OEIC光接收机器件主要由探测器与电子放大电路(晶体管放大器)构成,要获得高灵敏度、高量子效率的OEIC光接收机,则要提高探测器和晶体管放大器的性能。OEIC光接收机的发展趋势是高数字速率和宽频带响应。OEIC光收发机是高带宽光通信网络的一个关键器件,网络中每个节点,路由器或交换机每个端口,都要用到收发机。光收发机将光发射器件、光接收器件和放大电路器件集成在一起,兼有光发射、接收和放大功能。光收发机的生产商首推安捷伦,其小封装收发机属世界领先,销量达250万只之多,有各种速率、距离、温度范围、封装的产品,每类产品都经过Bellcore标准测试。

光通信器件市场

从全球范围看,无源器件在过去的25年里,市场份额始终很小,2000年也只有9%,据预计在今后的25年里它将有强劲的增长,2025年的市场份额将达到19%。

连接器在光纤通信中占据重要地位的器件,据预测到2004年时全球连接器市场将达到17亿美元,且将以更高的年增幅增长,2009年时达到49亿美元。值得特别注意的是小封装(SFF)连接器对于推进光纤到x(FTTX,x表示家庭、接线箱、路边、大楼、办公室)具有革命性意义。用于FTTX的SFF连接器市场值,预计到2009年时,用于FTTX的SFF连接器将会占连接器市场总值的50%以上。

随着光电子技术和光电集成技术的提高,有源器件的市场份额愈来愈大,预计到2025年达到52%。据预测2004年,光放大器(OA)的市场值将超过70亿美元、EDFA市场将达到96亿美元、拉曼放大器将市场将达到7.50亿美元。拉曼增益模块、40Gbps有源器件和可调谐激光器以及光带宽管理产品将以200%以上的年增幅猛增,到2004年时销售40亿美元以上。

结束语

现在光纤通信研究正向大容量、低成本和集成化方向发展。单路高速技术、拉曼光放大、L波段的开发利用、色散补偿、色散斜率补偿、偏振模色散补偿、波长转换、多级复用、高速器件等都是针对大容量光纤通信研究的。今后,为更大规模地将光传输技术向更广阔的领域拓展,器件低价格、低成本是一个必然的要求。目前器件的低价格和集成化是技术发展的主流,采用微电子技术的器件研究继续是一个热点。

作者:游善红、葛文萍、黄俊

上海交通大学光纤技术研究所

邮编:200030






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