Physics 版 (精华区)
发信人: cheetah (无边的草原是我的家~~~~~~~~~~~~~~~~), 信区: Physics
标 题: 光通信用器件的发展趋势
发信站: 哈工大紫丁香 (2002年06月20日20:24:56 星期四), 站内信件
一 概述 信息社会的来临，引起了信息爆炸，促进了光纤通信产业的迅猛发展
。虽然近期北美经济衰退的影响已波及光通信产业，通信基础网络的建设速度有所
放慢，但这并不意味着光通信行业的发展前景将不再辉煌。光概念在资本市场的过
渡炒作后，适度调整应属情理当中，这有助于人们更理智地思考行业的发展模式。
通信仍将迅速发展，全光网络是通信的发展方向。
从宏观来看，光纤通信主要包括光纤光缆、光电子器件及光通信系统设备等三
个部分。光电子器件包括有源器件和无源器件。有源器件有光源（发光二级管、激
光器）、光电检测器（光电二极管、雪崩光电二极管）和光放大器（光纤放大器、
半导体激光放大器、光纤喇曼放大器）以及由这些器件组成的各种模块等。无源器
件包括连接器、光耦合器、光衰减器、光隔离器、光开关和波分复用器等。同时还
有光电集成ＯＥＩＣ和光子集成ＰＩＣ器件。光纤通信系统的性能在很大
程度上依赖于光通信元器件的进步。光纤技术的进步使其成为当今社会信息传输的
主要媒介。一般来说，３－５年发明一种新光纤，光纤成缆敷设后，一般要工作２
０年。挖掘光纤潜力，充分利用已敷光纤的带宽是当前科研工作的重点之一。而光
电子器件的进步，直接起到改进光通信系统性能的作用，达到了立竿见影的效果。
掺铒光纤放大器的发明使密集波分复用成为可能。窄谱线激光器及其稳频技术和波
分复用器的进步，使密集波分复用技术迅速达到了实用化。激光器技术的进步，使
单信道速率达到１０Ｇｂｉｔ／ｓ、４０Ｇｂｉｔ／ｓ，甚至数百Ｇｂｉｔ／ｓ（
ＯＴＤＭ）。由有源器件和无源器件组成的光分插复用器和光交叉连接设备，是将
来全光通信网的关键设备。而光电集成和光子集成将使系统性能更好，更加稳定可
靠，体积更小，成本更低。光电子器件的技术创新一直在光通信产业的发展中起着
非常重要的作用，光通信产业的快速发展为光电子器件带来巨大的发展空间。鉴于
光电子器件在电信领域的重要地位，世界各国都把发展光电子器件放在显著位置。
我国更是把发展光电子器件技术和光电子器件产业作为国家信息化的重点，最近国
家把光电子器件作为组织实施国家高技术产业化之一的光电子专项，予以重点支持
。为推动我国光电子产业快速发展，建设光电子产业基地，各地兴起的"光谷"无不
把发展光电子技术和产业作为重中之重，摆在首要位置。
二 光有源器件
２．１ 激光器
分布反馈式激光器是当前使用最多的光源，超高速长距离ＤＷＤＭ系统光源则
要求ＭＱＷ－ＤＦＢ与外调制器相结合。现在，计算机系统的发展迫切需要高水平
的计算机平行互连，光存储器中也需要高速率高密度的存取系统，而以解理腔为基
础的半导体激光器远不能满足这些要求。为此，垂直腔面发射激光器ＶＣＳＥＬ
应运而生。ＶＣＳＥＬ发光效率高，发射波束为圆形，因而耦合效率好，还可与
多层薄膜的光学元件集成，此外，温度稳定性好，工作速率快，寿命长。它的出现
就像当年发光二极管（ＬＥＤ）出现一样受到业界的青睐。 可调谐激光器是
实现宽带测试、ＤＷＤＭ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ＤＢ
Ｒ式结构有些能在８０ｎｍ范围内调谐。通过电流调谐，一个激光器可以调谐
出２４个不同的频率，频率间隔为４０ＧＨｚ甚至可以小到１０ＧＨｚ，使不同
光载波频率数可以多达５００个。已研制出１６个波长可单独精细调谐的增益耦合
光栅型ＭＱ－ＤＦＢ阵列激光器。 ２．２ 光放大器
目前最成熟、使用最广泛的光放大器是掺铒光纤放大器ＥＤＦＡ。利用掺
铒石英光纤作介质，以９８０ｎｍ或１４８０ｎｍ半导体激光器为泵浦源，能使１
５５０ｎｍ波长窗口传输的光信号得到有效放大。其单泵浦的增益典型值为１７ｄ
Ｂ，双泵浦的增益典型值为３５ｄＢ，噪声系数一般为５－７ｄＢ，带宽为３０ｎ
ｍ 在带宽内的增益偏差为１ｄＢ。为了充分利用光纤带宽，除了在Ｃ波段获得
平坦增益外，还希望利用Ｌ波段大约５０ｎｍ的宽度。把Ｃ波段和Ｌ波段联合使用
，就可以得到８５ｎｍ的宽度。现在，不仅独立工作在两个不同波段的ＥＤＦＡ已
开始应用，而且同时覆盖两个波段的ＥＤＦＡ也已经出现。在氟基光纤上掺镨就可
制作出掺镨光纤放大器（ＰＤＦＡ），可应用于工作在１３１０ｎｍ波段的Ｇ．６
５２光纤。还有工作在１４００ｎｍ波段的掺铥光纤放大器（ＴＤＦＡ）。后两种
光纤放大器尚未达到实用水平。 半导体激光放大器（ＳＬＡ）是利用所有激
光器的输出光在达到阈值之前都对输入光信号进行放大这一机理，对传输光信号进
行有效放大。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的增益而且既可以工作在１
３１０ｎｍ窗口，又可用于１５５０ｎｍ窗口。 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被单片集成在一起。但是它们在实用化之前还必须解决
增益受偏振影响、信道交叉串扰以及耦合损耗较大等问题。 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这一非线性效应
构成的。光纤喇曼放大器与电泵浦提供增益的半导体激光放大器不同必须用光泵
浦来提供增益。泵浦光束和信号光束通过波长选择耦合器注入同一根光纤当两束
光沿着光纤同向传输时通过受激喇曼散射能量从泵浦光束转移到信号光束，信
号光即可得到放大。
光纤喇曼放大器有两种类型，一种为集总式，另一种为分布式。集总式喇曼放
大器所用的光线介质比较短，泵浦功率要求很高，可产生４０ｄＢ以上的高增益。
分布式光纤喇曼放大器所用得光纤比较长，泵浦功率可降到几百毫瓦。 光纤
喇曼放大器有以下特点：首先，它可覆盖的光谱范围宽，比泵浦光波长大约长１０
０ｎｍ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，所以对于开发光纤的整个低损耗区１
２７０－１６９０ｎｍ具有无可替代的作用；其次，它适用于任何种类的光纤。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，另外还可通过减小
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。这种分布式喇曼放大技术由于系统传输容量升级的需要而得
到快速的发展。
掺铒光纤放大器取代传统的光－电－光中继方式，实现了对一根光纤中多波长
光信号同时进行放大，大大降低了成本，极大地增加了传输容量和传输距离。但是
，对于更多的信道，更高的速率，更宽的带宽和更远的传输距离，ＥＤＦＡ尚存在
诸多不足。随着大功率泵浦激光器和光纤光栅技术的发展，光纤喇曼放大器以其固
有的全波段放大特性和可利用传输光纤作为在线放大的优点，一经成功应用，就立
即受到广泛关注，已经成为光通信领域中新的热点，是继掺铒光纤放大器之后在光
中继技术方面的又一硕果，以其诱人的商业价值，一举成为光放大器家族的新宠。
２．３ 光纤激光器
掺铒光纤激光器是利用光纤光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。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。
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分布反馈式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。
三 光无源器件
３．１ 光连接器
大芯数带状光缆的普遍应用，采用群焊或Ｖ形槽模块技术来连接光纤带已经难
于胜任，国外已在开发新一代的光纤连接器。其基本设计思想是减小体积、提高性
能、便于安装、降低成本。这些连接器在结构上大体可分为四类，第一类是在 ２
．５ｍｍ连接器的基础上加以改进，它采用了预抛光工艺，所以降低了现场安装的
时间和费用，它的插入损耗一般小于０．４ｄＢ其尺寸是标准的ＳＴ或ＳＣ型连
接器的一半，外型为ＲＪ－４５；第二类是光纤带状连接器，其平均插入损耗为０
．１５ｄＢ，相当于单芯光纤陶瓷套管连接器的性能，最多可容纳８芯；第三类是
插头直径为 １．２５ｍｍ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
制造耦合器的传统方法是采用熔融拉锥技术。熔融拉锥法制作光纤耦合器的主
要优点是简单，易于批量生产，过渡损耗低（典型值小于０．５ｄＢ），串扰也比
较低，并可以适合任何光纤类型和几何尺寸。主要缺点是分路比与模式和波长有关
，导致不同的损耗。单模光纤熔融拉锥式耦合器的波长依赖性在０．８－１．５μ
ｍ波长范围呈现正弦特性，利用这一特性可以制作ＷＤＭ耦合器和４－８路粗波分
复用器。 如将这种器件用于传感器，在很多情况下要求采用偏振保持光纤系
统，因而需要保偏光纤耦合器。保偏光纤耦合器的制造难点是：光纤偏振轴的检测
、耦合光纤偏振轴取向和平行的调整、熔融过程中各光纤受力平衡无转动等。解决
这些难点的最终效果是耦合器的插入损耗和分光比等技术参数应与一般耦合器相当
，而其消光比应≥２０ｄＢ。 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。
３．３ 波分复用器
ＷＤＭ器件有多种制造方法，不同方法制造的器件各有特点。目前已广泛商用
的ＷＤＭ器件可以分为三大类，即角色散器件、干涉膜滤波器以及光纤耦合器。前
两者属于芯区交互型器件，即轴向对准型，第３种属于表面交互型，即横向对准型
。其余类型往往是上述两种类型的结合。集成光波导型ＷＤＭ则是一种仍然处于开
发阶段和小批量商用、却前途无量的ＷＤＭ器件。 所谓角色散型ＷＤＭ器件
就是利用角色散元件来分离和合并不同波长的光信号，从而实现ＷＤＭ功能的器件
。角色散元件有棱镜和光栅。
干涉膜滤波器型ＷＤＭ器件采用微光元件组合技术，在平型光束中插入多层介
质膜滤光片，使某一波长的光通过，其它波长的光反射。现在可以将多层介质膜滤
光器制成超窄带型的ＤＷＤＭ器件，其复用信道间隔可小于１ｎｍ。
在ＤＷＤＭ网络中采用ＷＤＭ器件的目的是对网络传输的多波长进行复用／解
复用。对于干涉膜滤光型ＤＷＤＭ器件和光纤光栅型ＤＷＤＭ器件而言，前者更适
合４波长、８波长复用的ＤＷＤＭ网络应用。但是，在１６波长或更多波长复用／
解复用时，其隔离度高和插入损耗低的优势就没有了，而且各波的插入损耗极不均
衡，不利于网络应用ＥＤＦＡ。光纤光栅型ＤＷＤＭ器件用作４波长、８波长复用
／解复用时，隔离度低、插入损耗大、成本高。但是在１６波长或更多波长复用／
解复用时，其隔离度可做得更高些，各波长的插入损耗也比较均衡，有利于与ＥＤ
ＦＡ联合使用，而且设计与制造周期短，易于批量生产，成本低，在市场的激烈竞
争中有明显的价格优势。 目前比较常用的器件是角色散器件和干涉膜滤波器
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。但最有发展前途的是光纤光栅型器件，因为它可与石英光纤高效耦合使
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。特别是阵列波导光栅ＡＷＧ已成为
当前研究的热点。
３．４ 光开关
光开关是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。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。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，集成在单片硅基衬底上，特别适合于光通
信应用，将成为未来全光网络中的一种关键器件。
四 光电子集成器件
利用现代微电子技术与光电子技术相结合，将光器件、光部件和微电子器件集
成在同一块半导体衬底上，就是光电集成电路ＯＥＩＣ。而将光有源器件和光
无源器件同光波导集成在一起，就是光子集成电路ＰＩＣ。这些光电子集成器
件工作速率高、稳定、功能强、大规模生产的重复性好、可靠性高、潜在价格低，
是光电子器件的长远发展方向。 目前利用光电子集成技术已制成了应用于Ｗ
ＤＭ系统的多波长激光器阵列、光检测器阵列、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激光器阵列集成在
一起，则可以制成多波长激光器阵列星形耦合器，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。 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、光计算及全光网络
中将有广阔的应用前景。
五 结束语
随着技术的进步、电信管理体制的改革以及电信市场的逐步开放，信息激增、
新经济的来临使得通信的畅通变得愈益重要，因此人们对宽带通信的需求也日益增
加。光纤通信的速率越来越高，以ＤＷＤＭ为基础的全光网络对光电子器件提出了
更高的要求。光电子器件的技术发展趋势是：体块型器件向波导型器件发展；独立
元件向阵列组件发展；离散器件向集成化发展；固定参数向参数可调发展；人工操
作向自动化装配发展。下一代光子器件的核心技术是集成光学，包括：光波导和阵
列技术；光电集成与光子集成技术；多功能（有源，无源，参数可调等）；自动化
和大批量生产技术。其实质内容，就是性能越来越高，体积越来越小，成本越来越
低
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