光电器件研究进展和发展趋势

光电器件研究进展和发展趋势

原 荣 信息产业部电子第三十四研究所研究员

摘要：建设光纤接入网和DWDM系统离不开各种光学材料和器件，诸如光纤和光缆、连接器和耦合器、光发射/接收器、光波分复用/解复用器、光滤波器、光放大器、光开关以及光分插复用器等。本文就光纤通信系统用到的光电器件的研究进展和发展趋势作一个简要介绍。

一、光有源器件

1.1 可调谐激光器

　　可调谐激光器是实现宽带测试、WDM和光纤放大器泵浦的最重要的器件,近年制成的单频激光器都用多量子阱(MQW)结构、分布反馈(DFB)式或分布布喇格反射(DBR)式结构,有些能在80nm范围内调谐。在半导体激光器后面加上一个光纤布喇格光栅,可使波长稳定,如美国E-TEK研制的980nm泵浦激光器,输出光功率达220mW,又如法国alcatel Optronics公司研制的1480nm泵浦激光器,不但在半导体激光器后面加了一个光纤布喇格光栅,而且尾纤采用保偏光纤,既使波长稳定,又使功率也稳定。美国MPB公司推出的EBS-4022宽带光源,其输出功率达22dBm,在C波段40nm的带宽上,其平坦度≤1dB。美国Santec公司推出的TSL-220可调谐激光器,为保证pm数量级的波长精度,内置一个波长监测器；为去除ASE啐噪声,还内置一个可调谐滤波器,可调谐范围竟达80nm。

1.2光放大器

目前广泛使用的是光纤放大器,它有掺铒和掺氟2种,其单泵浦的增益典型值为17dB,双泵浦的增益典型值为35dB,噪声系数一般为5~7dB,带宽为30nm,在带宽内的增益偏差为1dB。在氟基光纤上掺镨就可制作出掺镨光纤放大器（PDFFA）,可应用于工作在1.3mm波段上的G.652光纤。

半导体激光放大器（SLA）芯片具有高达30～35dB的增益,除输入和输出端存在总共8～10dB的耦合损耗外,还有22～25dB的增益,另外行波半导体激光器具有很宽的带宽,可以对窄至几个ps的超窄光脉冲进行放大。SLA的另一个重要优点是它可与光发射机和接收机一起被单片集成在一起。欧洲ACTS KEOPS计划资助的全光分组交换系统采用的全光分组交换节点,在输入输出接口、光交换矩阵中都使用了半导体光放大器,在ns量级范围内实现了光门电路波长选择和波长转换器件的功能。

1.2.3 光纤喇曼放大器

当强激光通过光纤时,将产生受激喇曼散射(SRS)。光纤喇曼放大器（FRA）就是利用强泵浦光束通过光纤传输产生的受激喇曼散射。光纤喇曼放大器可覆盖的光谱范围宽,比泵浦光波长大约长100nm的波长区均可获得最大的增益,目前增益带宽已达132nm。这样通过选择泵浦光波长,就可实现任意波长的光放大,所以喇曼放大器是目前唯一能实现1290~1660nm光谱放大的器件。另外,它适用于任何种类的光纤。

光纤喇曼放大器由于其自身固有的全波段可放大的特性和可利用传输光纤做在线放大的优点,1999年已成功地应用于DWDM系统中。使用分布光纤喇曼放大器,可以增大传输距离,提高传输比特率,另外还允许通过加密信道间隔,提高光纤传输的复用程度和传输容量。传输跨距的延伸,有时可免除在两地之间安装昂贵的3R中继器,特别是在大陆和海岛、海岛和海岛间的海缆通信中,具有特别的意义。富士通在211×10Gb/s的DWDM系统中,使无中继传输距离从50km增加到80km,使系统传输距离达到7200km。朗讯和阿尔卡特也有类似的实验。阿尔卡特报道已将32×40Gb/s的无中继DWDM系统的传输距离延伸到250km。

1.3 光纤激光器

1.3.1 掺铒光纤激光器

利用光纤成栅技术把掺铒光纤相隔一定长度的两处写入光栅,两光栅之间相当于谐振腔,用980nm或1480nm泵浦激光激发,铒离子就会产生增益放大。由于光栅的选频作用,谐振腔只能反馈某一特定波长的光,输出单频激光,再经过光隔离器即能输出线宽窄、功率高和噪声低的激光。光纤激光器的优点是,输出激光的稳定性及光谱纯度都比半导体激光器的好,与半导体激光器相比,光纤激光器具有较高的光功率输出,较低的阈值和相对强度噪声(RIN),极窄的线宽,以及较宽的调谐范围,并且与光纤直接对接,耦合效率高。光纤激光器的输出功率可达10mW以上,其RIN为发射噪声极限。光纤激光器的线宽可做到小于2.5kHz,显然优于线宽10MHz的分布反馈激光器。WDM传输系统一个很重要的参量就是可调谐性,光纤激光器不但很容易实现调谐,而且调谐范围可达50nm,远大于半导体激光器(1-2nm)。

1.3.2 光纤光栅分布反馈式(DFB)激光器

除全光纤激光器外,若把光纤布拉格光栅作为半导体激光二极管的外腔反射镜,就可以制出性能优异的光纤光栅DFB激光器。这种激光器不仅输出激光的线宽窄,易与光纤耦合,而且通过对光栅加以纵向拉伸力或改变LD的调制频率就能控制输出激光的频率和模式。光纤光栅DFB激光器,其线宽小于15kHz,甚至可达1kHz,边模抑制比大于30dB,当用1.2Gb/s的信号调制时,啁啾小于0.5MHz,信噪比高达60dB。

光纤光栅外腔不仅提供受限的富里叶变换光窄脉冲,而且,因为外腔的长度与波长有关,所以也可以改变光纤光栅外腔的长度,实现波长调谐。改变半导体激光器的电信号调制频率,也可以改变光纤光栅激光器的波长,实验表明,当调制频率从440.5MHz变化到444.5MHz时,波长也从1523.5nm变化到1509.0nm,调谐范围达14.5nm。对于波分复用应用,不同的激光器调制频率是固定的,为了改变波长,不同激光器的外腔要选择不同长度的光纤光栅。

IONAS A/S公司、美国Optigain公司和SDL公司已有产品出售。

二、光交换器件

光交换器件是SDH网络的保护切换、光传送网中光交叉连接(OXC)和光分插复用(OADM)所必需的关键器件,也是多路光监控系统及光传感多点监测系统的重要器件。对光开关的要求是,一方面必须在插入损耗、隔离度、消光比、偏振敏感性、开关时间、开关规模和开关尺寸等方面具有良好的性能,另一方面必须能够集成为大规模的开关矩阵,以适应现代网络的要求。

近几年,半导体光逻辑门、热光开关、机械光开关、液晶光开关和微机械光开关等光开关技术和集成化方面都取得了很大的突破。机械光开关在插入损耗、隔离度、消光比和偏振敏感性方面具有良好的性能,但开关时间较长（几十毫秒到毫秒量级）,开关尺寸较大,而且不易集成。而波导开关,开关时间短（毫秒到亚毫秒量级）,体积非常小,而且易于大规模集成,但其插入损耗、隔离度、消光比和偏振敏感性指标都比较差。微机械光开关具有机械光开关和波导光开关的优点,却克服了它们所固有的缺点,因为它采用了机械光开关的原理,但又能象波导开关那样,集成在单片硅基底上。主要开发商有美国Lucent、德克萨斯仪表公司和康宁等公司。

微机械光开关的工作原理如下：互相准直的输入和输出光纤间插入一个可以旋转的杠杆,杆的一端有一个镀金的镜子,镜端就安装在对准的输入和输出光纤之间的间隙中,该间隙相当小,大约为人的头发丝的十分之一。当镜子处于二根光纤的中心下方时,光开关允许光信号从输入光纤的纤芯传输到输出光纤的纤芯,开关呈接通状态；当电压加到光开关时,静电力将与旋转杆相连的板推下,旋转杆升起,使反射镜子处于二根光纤之间,将输入光反射掉,不让其进入输出光纤,光开关呈断开状态。

美国LIGHTech Fiberpoptics公司研制出LT200系列光开关,这是一种扁形的1?单模光开关模块,可安装在印刷电路板上。安捷伦科技公司已能提供16×16和32×32液晶光开关器件。美国Corning公司研制出了40个通道的液晶波长选择光开关,通道波长间隔为100GHz或200GHz,通道均匀性优于1dB。该开关可应用于光的分插复用上。日本NTT的研究人员利用二维阵列的液晶控制器实现了超过1000个输入通道的自由空间光交换实验系统。另外日本NEC的研究人员采用5级开关矩阵实现了128路输入、128路输出的空分交换。

三、光无源器件

3.1光连接器

连接器是光纤通信系统使用最多的光无源器件。鉴于目前通常使用的φ2.5mm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。这些连接器在结构上大体可分为四类,第一类是在φ2.5mm连接器的基础上加以改进,减小外形尺寸；第二类是光纤带状连接器；第三类是插头直径为φ1.25mm的小型连接器；第四类是无套管的光纤连接器。

3.2 光耦合器

耦合器有树形和星形耦二种。耦合器对线路的影响是附加插入损耗、反射和串扰。制造耦合器的传统方法是采用熔融拉锥技术,近来有一种新的技术,它采用集成光学结构,即在扇形的输入和输出波导阵列之间插入一块聚焦平板波导区,即自由空间区,该区可用硅平面波导电路技术制成,它的作用是将输入光功率均匀地分配到每个输出端。这种技术适合构成大规模的N×N星形耦合器。

3.3 波分复用/解复用器

根据波长选择机理的不同,波分复用器件可以分为四种类型：角色散器件、薄膜滤波器件、光纤光栅器件和平板阵列波导光栅（AWG）器件。目前比较常用的器件是角色散器件和介质薄膜滤波器件。光纤光栅型器件因特性受环境温度变化影响,要想应用在实际中,还有待进一步改进。最有发展前途的是第四种,因为它可与石英光纤高效耦合使步事业插入损耗很低,又适合低成本大规模集成,同时它也是作为核心器件构成OADM和OXC的关键器件,所以很有发展前途。

人们不但已制出各种各样的平板波导光栅波分复用解复用器件,而且有人已把光电探测二极管阵列也与它集成在一起,从而使体积进一步减小,可靠性进一步提高。

为了减小插入损耗,可在硅片上集成具有复用器或解复用器的发射机或接收机。用光电集成电路(OEIC)技术,已做成多波长的单片集成发射机和接收机。

为了满足中短距离局域网和城域网WDM市场的需求,有的公司开发出了1.3mm或多模光纤的波分复用器件,如美国Wavesplitter公司和APA等公司。为了减小体积,使WDM器件直接装在印制电路板上,APA公司还研制出了小型化的DWDM复用/解复用器件。

四、波长变换器件

使用波长转换可扩大全光网络的规模,节约光纤和波长等资源、简化网络管理,并降低网络互联的复杂性。波长转换的基理可以分为光电、光栅和波混合三种类型。光栅基理器件有半导体光放大器交叉相位调制、非线性光环路反射镜和半导体光放大器交叉增益调制。但是前两种只能提供有限的透明性,只有第三种才能提供完全的透明性。

五、光纤光栅型器件

光纤光栅具有有效的选频特性,因此光纤光栅在频域中呈现出丰富的传输特性。光纤光栅与光纤通信系统易于连接且耦合损耗小等优点,而使其成为光纤器件的研究热点。目前用于光纤通信系统中,由光纤光栅构成的光学器件有光纤激光器、光纤放大器、光纤调制器、光纤滤波器、光纤选频耦合器、可调谐光纤滤波器以及Chirp光栅色散补偿器等。

六、光子集成器件

目前利用光子集成技术已制成了应用于WDM系统的多波长激光器列阵、光探测器列阵、硅基平面波导光星形耦合器、波导光栅路由器等光学器件。使用这样的IC芯片不仅可以合用同一温度控制,而且还可以将复用/解复用器都集成在同一芯片上。

如果把光纤放大器与波导星形耦合器集成在一起,则可以制成无损耗的集成星形耦合器。如果进一步把这种无损耗的集成星形耦合器与DFB激光器列阵集成在一起,则可以制成多波长激光器列阵星形耦合器,这种器件在光传送网和未来的全光网络中将发挥重要的作用。利用平面光波导技术,还可以制成波导调制器、薄膜波导光隔离器等。薄膜波导光隔离器目前研究的类型有平面介质波导型、模式转换型和45o法拉第旋转型。由于后者在器件性能上和结构复杂程度上均优于前两种,是近年来的研究重点。随着集成光学技术的发展,实用化的薄膜波导光隔离器逐渐成熟。

利用光纤光栅可以制成具有各种功能的全光器件,如果再将这些器件集成在一根光纤中,就可构成具有相关性能的光子器件或光子系统,这就是全光纤一维光子集成。这是一种具有响应速度快、信息容量大、功能全、效率高以及可超微型化、能与光通信光纤兼容、无插入损耗等一系列优异特性的全光纤器件。应用这样的器件构成光纤通信系统与常规的光纤通信系统相比,在组网方式上必将发生深刻的变化。可以说,光纤光栅、全光纤光子器件、平面波导器件及其集成的出现是光纤通信发展史上的一个重要里程碑,在未来的光通信、光计算及正开始实施的信息高速公路计划中将有广阔的应用前景。

本文来源：https://www.2haoxitong.net/k/doc/15aaad4aa76e58fafab003a3.html