Physics 版 (精华区)

发信人: zjliu (秋天的萝卜), 信区: Physics
标  题: （三）全光网的关键元件发展简述
发信站: 哈工大紫丁香 (Fri Apr 25 20:08:08 2003) , 转信

 

实现全光网路的关键元器件
目前为止这几种光网络设备还未进入商用化的阶段，究其原因主要是网络传输标准的发
展未完善，另一方面则是由于光元件的技术发展也还待突破。从元件的角度来看，未来
光网络设备与系统发展的关键元件包含了光开关、可调式激光与可调式滤波器等，下面
将针对这些元件分别介绍。
光开关（Optical Switch）
光开关是新一代全光网络的关键元件，主要应用在光交换设备中，实现全光层次的路由
选择、波长选择、光交叉连接、自愈保护等功能。在目前也是一个相当热门的研究领域
。
在众多技术之中，MEMS技术由于可在极小的晶片上排列大规模机械矩阵，因此解决了OX
C发展中容量限制瓶颈的一大问题，同时在技术不断改进之后，MEMS switch的回应速度
和可靠性也大大提升。因此，从目前的情况来看，利用MEMS设计的OXC，极有可能成为今
后OXC的主要发展方向。按照目前各家大型多通道光开关制造商的研发时程来看，2003至
2004年间将可见商用的MEMS光开关应用在OXC系统上。
可调式激光源（Tunable Laser）
目前的DWDM系统普遍已经达到32路，甚至40路波长波分复用，若在这种情形下使用固定
波长的激光源，则40个波长就要搭配40个激光源，再加上每个波长都要准备3至5个备品
，将形成庞大的成本负担，对于系统的可靠度也是挑战。如果采用可调式激光源，就可
以1颗激光器取代多个固定波长之激光，同时备品总共也只需要3至5颗即可，大大的降低
了系统成本。
能实现可调式的激光源主要有３种，即超周期结构光栅形ＤＢＲ（ＳＳＧＤＢＲ）激光
器、取样光栅耦合器反射器（ＧＣＳＲ）激光器和取样光栅ＤＢＲ（ＳＧＤＢＲ）激光
器。它们的ＣＷ调谐范围都大于４０ｎｍ，最大可达１００ｎｍ。其中ＳＧＤＢＲ和Ｓ
ＳＧＤＢＲ很容易与调制器集成。美加州大学在ＯＦＣ’９９上报道了ＥＡ调制器与宽
调谐激光器的集成。激光器采用ＳＧＤＢＲ结构，该集成光源的特性为：Ｉｔｈ为２０
ｍＡ，当注入电流为７５ｍＡ时输出功率１．２ｍｗ，ＣＷ可调范围为４１ｎｍ，可产
生５１个不同的波长信道，信道间隔１００ＧＨｚ，在整个调谐范围内ＳＭＳＲ＞３５
ｄＢ，前后镜面的最大调谐电流分别为２０．５和２３．５ｍＡ，当偏压为－４．０Ｖ
时所有波长上的消光比都大于２２ｄＢ。
为了降低ＷＤＭ光源的成本，日本ＮＥＣ公司在一块晶片上制成了具有不同波长的ＤＦ
Ｂ激光器／调制器集成光源。该器件的制作工艺有两大改进，一是采用了最近研制成的
电场－大小－变化的电子束光刻技术，它能将光栅周期控制在0.0012ｎｍ范围内；二是
窄条选择的ＭＯＶＰＥ技术，可以控制每一信道上激光器有源层和调制器吸收层的带隙
波长。激光器为ＭＱＷ结构。所制成的集成器件在1.523μｍ～1.585μｍ的波长范围内
有４０个信道，间隔为２００ＧＨｚ，标准偏差0.39ｎｍ。具有很均匀的激射特性和调
制特性，阈值电流10ｍＡ，－２Ｖ时的消光比为20ｄＢ，ＳＭＳＲ大于35ｄＢ，注入电
流100ｍＡ时输出光功率大于４ｍｗ，３ｄＢ调制带宽为3.8ＧＨｚ。该器件经2.5Ｇｂｉ
ｔ／ｓ、６００ｋｍ的光纤传输后的功率代价小于１ｄＢ。
可调式激光技术目前发展并不成熟，大部分产品都处在实验室阶段或试用初期。首先必
须在输出功率和调节范围之间做取舍；其次大部分产品还不适合大规模生产。另外如何
以便捷的方法来测试如此多的波长，最后控制电路也是个问题，因此在这方面的研究还
在进行。
可调式激光在未来光网路中的应用主要表现在动态波长分配，通过可调激光以及可调滤
波器等主被动元件，实现基于波长的通道分配。对于小于16个节点的都会网路，利用可
调激光可以提供简单可靠的光网络方案，而更大的网络架构可同时结合OXC。目前Alcat
el和Marconi均已推出此类光网络方案。
可调式滤波器（Tunable Filter）
可调式滤波器的发展对于推动全光网络架构扮演着决定性的角色。发展全光网络的一个
先决条件是必须做到光层面的网络监控与管理，以目前的技术而言，若要对光讯号做控
管，必须先将光讯号拾取后，经过光电转换，才能做下一步的讯号监控或路由控制。然
而，这种方式不但所需的设备昂贵，且线路复杂、管理不易，随着网络讯务的快速增加
，显然是没有经济效益的。利用可调式滤波器为基础的OPM，则不须针对每一个波长分别
建置光电转换及监测设备，只需要透过可调式滤波器，将要处理的波长筛选出来即可，
因此可大大简化光纤监管系统的架构。
传统的tunable OADM必须用波分复用器将所有波长分别独立，再透过电路控制选择要下
载的波长，如果用可调式滤波器来取代波分复用器，则不须将个别波长分别独立，只需
使用一个可调式滤波器将要下载的波长筛选出来即可。
由于技术尚未完全成熟，可调式滤波器的价格目前仍然相当昂贵，这同时也是OPM还无法
商用化的原因。目前最被看好的技术是声光式可调滤波器（AOTF，Acousto-Optic Tuna
ble Filter），其原理是将声波信号加于光的传播介质，使光在特定的正交方向产生绕
射现象，此时使用偏振器即可从入射光束（主信号）中分离出一个或多个波长的光信号
。当一次取出多个波长的光信号，便可重复使用多个AOTF，以获得各个所需波长的光信
号。除AOTF之外 ，其他的技术还包含微机电式（MEMS）、阵列波导式（AWG）及布拉格
光纤光栅式（FBG）等，都各有厂商投入研发，预期在一两年内，将可以达到商用化阶段
，届时透过可调式滤波器与OPM、OADM或OXC的结合，全光网路系统的强大功能将可以完
全发挥出来。
光接收器件
光接收器件是高速大容量传输系统中必不可少的器件，对其研究从未间断，其中日本尤
为突出，速率为2.5Ｇｂｉｔ／ｓ、10Ｇｂｉｔ／ｓ的接收器件已实用化，最高研制速率
为100Ｇｂｉｔ／ｓ。低成本、塑料光纤ＬＡＮ用和光接入系统用的2.5Ｇｂｉｔ／ｓ的
收、发模块等也已研制成功，已可满足高速大容量干线系统、中短距离等传输系统的需
求。
日本ＮＥＣ公司研制成可用于光接入系统、干线系统的波导型光电二级管。与常规表面
受光的光电二极管相比，波导型光电二极管具有适于表面安装、成本低、在低偏压情况
下量子效率高和在高速响应时可实现高量子效率等优点。该器件的特性是：波长1.55μ
ｍ时，外量子效率为77％；Ｐｎ结电容非常小，约30ｆＦ；３ｄＢ截止频率为41ＧＨｚ
，用于40Ｇｂｉｔ／ｓ光接收机中具有足够的带宽。
日本电气公司研制的ＩｎＧａＡｓ四元量子阱台面型及平面型ＳＬ（超晶格）－ＡＰＤ
可用于10Ｇｂｉｔ／ｓ系统。Ｐ－ＩｎＡｌＧａＡｓ光吸收层、ｎ－ＩｎＧａＡｓ／Ｉ
ｎＡｌＡｓ超晶格倍增层及Ｐ＋－ＩｎＰ缓冲层为其基本结构。台面型器件的特点是采
用聚酰亚胺钝化工艺，容易操作；而平面型器件是采用Ｔｉ离子注入保护环结构，特点
是可靠性高，但它的暗电流比台面型器件的稍大。
为了使器件结构最佳，需考虑的因素如下：10Ｇｂｉｔ／ｓ系统要求所用器件的增益带
宽乘积在120ＧＨｚ以上，根据超晶格倍增层厚度与增益带宽乘积的关系，倍增层厚度应
小于0.25μｍ。由于倍增层薄，倍增上升时间缩短而得到高速特性。但在实际的器件中
，当倍增层薄时，随着倍增电场强度增加，隧道电流明显增加，因此，倍增层厚度不能
小于0.23μｍ；根据光吸收层厚度与量子效率η和最小接收灵敏度的关系，为了提高量
子效率和接收灵敏度，光吸收层的厚度应在１～1.5μｍ之间；根据Ｐ＋－ＩｎＰ缓冲层
的载流子浓度与ＧＢ乘积的关系，为了抑制由ＩｎＰ引起的有效离化率比的干扰，10Ｇ
ｂｉｔ／ｓ系统用的器件要求其Ｐ浓度大于5×1017ｃｍ－３（层厚70ｎｍ以下），Ｉｎ
Ｐ缓冲层的作用是控制ＩｎＧａＡｓ光吸收层的外加电场。因为最佳外加电场为50ｋｖ
／ｃｍ～１００ｋｖ／ｃｍ，所以浓度必须严格控制在±２％以内。
近期ＮＴＴ报道的一种ＵＴＣ－ＰＤ的３ｄＢ频带为152ＧＨｚ，是目前长波长ＰＤ中的
最高水平，具有可接收100Ｇｂｉｔ／ｓ光信号的性能。该器件具有高速、高饱和输出、
低偏压工作等优点，用作40Ｇｂｉｔ／ｓ光接收端时不使用宽带电放大器便可得到良好
的误码特性。该器件的用途很广，与其它器件一起可构成光解复用器、波长转换器、光
变换器等，将它作为光驱动器与其它光电器件集成在一起可用于经济、稳定的超高速信
号处理。
 




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