光纤光子器件与光波传输系统.doc

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1、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

2、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

3、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（Laser

4、Diode，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（single　frequency　laser），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

5、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

6、（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

7、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

8、潜在容量远