光纤光子器件与光波传输系统

光纤、光子器件与光波传输系统光纤自从发明至今将近30年，已历经几代革新。现在大家有了共识：光纤在通信领域，尤其在高速数字通信，单模光纤（singlemodefiber，简写SMF）起着主力作用，而且是工作于两个波长窗口，即1.3μm和1.55μm，后一波长的光纤损耗最小，0.2dB/km。常规单模光纤（conventionalSMF）的标志是零色散波长位于1.3μm，此波长的光纤损耗约为0.4dB/km，而最低损耗波长1.55μm的色散约为20ps/nm·km。一般地说，光纤色散越低，则光纤的带宽容量越大。为了尽量提高光纤在最低损耗波长1.55μm的带宽容量，特地研制一种色散移位光纤（DispersionShiftedSMF，简称DSF），使零色散波长从1.3μm移位至1.55μm。这样，单模光纤在波长1.55μm兼有低损耗和大带宽容量两大优点，1.55μm成为高速光纤通信最主要的工作波长。尤其是在1.55μm窗口运用的光纤放大器首先研制成实用产品，在短短几年期间证明确实非常有用，而工作于1.3μm窗口的光纤放大器仍处于实验室阶段，使波长1.3μm的应用前景相形见绌。因此，人们对高速光纤通信寄托于重点开发波长1.55μm。不久前，为了更有效地挖掘光纤潜在的巨大容量，开始在同一光纤上同时传输不同波长但间隔很近的多路光载波，即波分多路，使总的传输数字速率相应地增为每一路数字速率的多倍。但是，在研究试验的过程中，遇到光纤非线性特性引起路际串扰的麻烦，有必要重新彻底考虑光纤色散特性的影响，力求色散特性能抵消非线性特性的不良影响。所谓“色散管理”和“色散补偿”，就是最近设想和试验的一些具体措施。研制负色散单模光纤，与原已敷设的常规正色散单模光纤互相配合使用，而使零色散波长不是准确位于1.55μm，却是位于其它更适宜的波长，有可能消除光纤非线性特性的不良影响。光纤通信所用半导体光子有源器件，最基本的有四种：光源器件的发光管（LightEmittingDiode，简写LED）和激光管（LaserDiode，简写LD），光检测器件的光电管（PhotoDiode，简写PD，或称PIN）和雪崩管（AvalanchePD，简写APD）它们都用Ⅲ-Ⅴ族化合物，短波长0.85μm，光源用GaAlAs/GaAs，长波长光源和光检测都用InGaAsP/InP（仅短波长光检测用Si）。这是从光纤通信开始使用一直如此，现阶段单模光纤系统以LD和PIN使用最多，将来高速光纤通信仍将如此。尤其是单频激光管（singlefrequencylaser），可以说是光纤通信系统中最关键、最精密，也是成本最贵和最易损坏的光子器件，它的性能决定传输系统能力和总体质量。因此，它们的结构工艺在近年仍继续不断改进，层出不穷。主要是追求输出线谱窄、线性区域大、门限电流低、噪声小、输出功率大等。在结构上利用光栅的分布反馈（DistributedFeedback，简写DFB或DistributedBraggReflector，简写DBR），以及激活区利用多量子阱（Multi-pleQuantumWell，简写MQW），已成为必然趋势。高速数字通信单模光纤的工作波长既然决定使用1.55μm，则单频激光管的重点必将放在波长1.55μm。激光管本来可以使用直接的光强调制（IM），但如调制信号的数字速率较高，则为了避免发生频率扫动（chirp），宜于加装外部调制器（externalmodulator）。至于1.3μmDFB激光管，因为能够做到线性区域较大和输出功率较大，所以光纤多路模拟电视在目前仍倾向于使用波长1.3μm。仅在5年前研制成功的掺铒石英光纤放大器（Erbium-dopedFiberAmplifier，简写EDFA），在波长0.98μm或1.48μm半导体激光二极管足够大输出功率的抽引（pump）下，能够对波长1.55μm窗口不小的带宽范围内提供稳定可靠和不太小的有用增益。这被公认为光纤通信技术近年的重大突破。在光纤光缆线路中间每隔一定距离设置这种光纤放大器，以淘汰传统再生中继机的光/电和电/光转换，使线路成为全光传输系统。这种光纤放大器还可以在线路发送端用作激光管输出功率放大器，也可以在线路接收端用作光检测管输入接收预行放大器，起很大作用。对于波长1.3μm正在实验室研制掺镨氟化物光纤放大器（Praseodymium－dopedFluorideglassFiberAmplifier，简称PDFA），因光纤强度等问题，尚未能保证制成实用产品。适合于高速光纤通信的新一代光波传输系统，正是利用上述的单模光纤（工作波长1.55μm）、DFB激光管、EDFA光纤放大器，再加上波分多路WDM。由于微电子集成片的限度，每一光载波载荷的数字信号速率目前最快只能是10Gb/s，而光纤的潜在容量远大于此数，这就引起上面提到的波长划分的多路光载波同时传输方式，常称波分多路（WavelengthDivisionMultiplex，简写WDM）。例如n路WDM光纤传输的总速率将为每一光载波传输速率的n倍，例如n×10Gb/s。路数较多，如n＝20，就为密集的WDM，此例中总速率达200Gb/s。WDM系统在发送端有多路不同波长的激光管输出经过由光纤制成的合波器（mul-tiplexer），由一根光纤输出。接收端有一根光纤输入，经过分波器（demultiplexer）分别接至多路光检测管及预放大器的输入。对这样的系统，光电子集成（optoelectronicintegratedcircuit，简写OEIC）或光子集成（photonicintegratedcircuit，简写PIC）是必需的。发送端n路不同波长的激光管应该排成阵列，合用同一温度控制，用一只合波器和一只光纤放大器，最后同一封装，一根光纤输出。相应地，接收端一根光纤输入，一只分波器后，n路光检测管及预放大器排成阵列，也是同一封装。另外，发送端必须做到精确调谐每一路激光管的发射波长和精密控制各路波长的间隔。而在接收端，必须做到精确选择各路的波长，包括滤波器和放大器。其它如波长路由器（router），交叉连接（cross-connect）以及波长转换器（converter），都要做到有可调谐和可选择波长能力。