余重秀 郑文潇 沈月平
(北京邮电大学 电子工程学院 北京 100876)超高压软管
摘要：本文介绍了光纤、激光器及光放大器等光电子器件在光通信的产生、发展
中的关键作用，分析了现代光纤通信系统中的各种有源、无源光电子器件，并论
述了21世纪全光网发展所需的几种典型光电子或光子器件。
关键词：光电子器件、光纤通信、全光通信网
Optoelectronic Devices in Optical Fiber Communication
YU Chongxiu, ZHENG Wenxiao , SHEN Yueping
Abstract: The optical fiber, the laser, the optical amplifier and so on, which are the
key devices for the generation and development of the optical fiber communication,
are introduced in the paper. Their important role in the modern communication system is analyzed. Some typical optoelectronic devices which are necessary in all-optical networks of 21 century are discussed in deital.
Keywords: optoelectronic device, optical fiber communication,
all-optical communication network导卫
1.光通信的产生、发展离不开光电子器件
我们知道人类曾用火烟信号、信号灯、信号旗传递信息，这些方式不是真正的光通信，而属信号传输的稳定性。光传输介质，从而开辟在世界范围内展开微电子技术和器件的应用和发展，已经形成了五代光纤通信系统，其中四代已进入实用阶段。feed Bragg）激光于目视光通信。1880年A.G.Bell 发明了“光话”。他通过大气用日光传输声音200m 之远，这在19世纪八十年代称得上是一件了不起的事情，但由于日光的强度、可靠性及大气的损耗等问题使这种“光话” 未能得以实用。而当时的电报电话等通信手段发展很快，到二十世纪初期形成了全球范围的电话通信网。光通信的研究由于不到合适的光源和传输介质曾一度处于沉寂。直到二十世纪六十年代，高强度、高相干性的连续波固态激光器——红宝石激光器诞生了，由此引起世界性的激光通信研究热潮。1962年又产生了半导体激光器（LD: Laser diode），它体积小、效率高、工作稳定，很适合于作为通信光源。当时的激光通信仍以 大气作为传输介质，大气的散射损耗、气候、环境严重影响了1966年华裔科学家高锟博士在他的论文中首次提出以光导纤维作为了光通信的新纪元。针对如何提高光纤的传输性能，如何用于光纤通信，了广泛的研究。四年之后，美国Corning 公司研制出世界上第一根低损耗的石英光纤，从而到了适合光通信的传输介质，这在光通信发展史上是一个划时代事件。光通信研究从此转向光纤通信研究，揭开了光纤通信发展的新篇章。
从二十世纪七十年代开始至今，光纤通信的研究和发展经历了三十多年。借助光电子、1970年发明分布反馈布拉格（DFB: Distributed back 器，它具有动态单纵模振荡、窄线宽、波长稳定性好等优点，有助于提高光信号的码速率。在第一代光纤通信系统中，使用的光源就是在室温下连续工作的GaAlAs 半导体激光器，以低损耗短波长λ＝0.85μm 窗口的多模光纤作为传输介质，半导体硅材料的PIN 光电二极管和雪崩二极管（APD:
∗本文的研究工作得到国家863项目的资助
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Avalanche photodiodes）作为光电探测器。美国Bell 实验室于1976年在Atlanta 开通了
第一率而第三代光单模光纤，它的损耗和散均比多模光纤低得多，并且可调谐单纵模激光器也被研
制出来，m 的单模光纤，它具有很低的损耗（为制了散位移光纤和非零散位移光纤，1993年又发明并开发了大有效面积光纤、True Wave 用技术，光调制器、光开关进行光信号的高速调率达到了Tb/s 数量级。第五代光纤通信指超长距离、超大容量的光孤1988年人们就涉足第一个光孤子实验研究，最近十多年来，在孤子传输损耗长距离传输及 ampl r）信的多方面发展，它引起了光纤通信革命性的变革。
2.光条4.5Mb/s 的光纤通信系统试验。1977年在Chicago 进行的44.7Mb/s 码速率现场实验是第一代光纤通信的标志。之后，对光纤的进一步研究，发现了它的第二个、第三个低损耗窗口分别是波长λ＝1.3μm 和1.5μm，这样又开展了对应波长的InGaAsP 材料激光光源和光电探测器的研究。八十年代初第二代光纤通信系统利用了1.3μ的多模光纤，其传输距离和码分别被限制在几十km 和几十Mb/s 的水平上，纤通信系统利用1.3μm 的在八十年代中期实现了长中继距离、Gb/s 码率的光纤通信。第四代光纤通信利用的传输介质是1.55μ0.2dB/km）但有较大的散。相继又研光纤，这样使得强度调制/直接探测的光纤通信系统无中继距离达到几十至上百公里，光传输速率达到40Gb/s 的实验室研究水平。经人工改性产生了多量子阱激光器及应变量子阱激光器，它们具有更窄的线宽、更高的调制频率及更高的量子效率，是高速光纤通信中的理想光源。另外器件技术的发展，产生了一些新型的光电子器件，它们推动了光纤通信的新技术研究。如分路/合路器的应用产生了多路信号复制及光交换，光时延器完成光信号的缓存或编码，光滤波器、光偏振控制开关等实现不同的处理功能，形成了空分、时分、波/
频分、码分等光纤通信系统，从而进一步扩大了通信容量和传输距离，目前单路时分复用的数字速率达到了40Gb/s，而波分复用/密集波分复用（WDM/DWDM: Wavelength division multiplexing/Dense wavelength division multiplexing）的速子通信。早在及其放大、散补偿等方面也有了长足的进展。正在研究的孤子通信＋WDM 将光孤子无畸变、WDM 的多路信道复用扩大通信容量这两方面的优势结合起来，使之将成为真正有竞争力的第五代光纤通信。
1989年英国南安普顿大学发明了掺铒光纤放大器（EDFA: Erbium-doped fiber ifie ，这是光纤通信发展史上又一个重要的里程碑。它改变了以往光纤通信系统的光－电－光中继方式，而是直接放大光信号，实现全光中继。EDFA 的宽带宽放大特性非常适用于WDM 系统的多通道同时光中继放大，有利于扩大系统容量。1996年EDFA 的实用使得第四代光纤通信系统取得了重要进展：单波长码率5Gb/s、20个波长复用、总比特率100 Gb/s、传输距离9100km 的波分复用系统获得了成功的实验研究；在长距离的海缆传输系统，利用这种EDFA 延伸了传输距离、降低了建设成本， 1997年环绕地球的27300km （包括横跨海底）的光纤通信网将亚洲、欧洲一些国家连接起来了；EDFA 在光孤子通信中用来补偿线路损耗，以维持光纤非线性和散之间的平衡，保持孤子脉冲形状不变；另外EDFA 还将在光纤到楼、光纤到路边、光纤到户（FTTH: Fiber To The Home）中发挥作用。因此EDFA 推动了光纤通以上我们回顾了光纤、激光器、EDFA 等光电子器件对光纤通信发展所产生的影响，可以说没有光纤作为实用的传输介质，就没有光通信转向光纤通信的发展阶段；没有激光器、光纤和相关的光
电子器件及技术的更新换代，就没有宽带宽、大容量、长距离光纤通信系统的产生和发展；EDFA 带来了光纤通信的新面貌，解决了多通道的光中继放大，解决了光孤子的能量损耗等，从而支撑着更大容量、更高速率、更长距离的光纤通信。因此，光通信的产生、发展离不开光电子器件，有了光电子、微电子技术和器件的创新，才能有光纤通信的创新发展。
纤通信中的光电子器件
一种波分复用＋EDFA 数字通信系统的基本结构如图一所示，它由光信号的发送、 177
传输、中继、接收几部分组成，每部分又由不同的光电子或电子器件构成，它们分别完成不同的功能。其中电发射端机将话音、图像等模拟信号转换成数字信号，并进行信号取样、量化，完成脉码调制（PCM: Pulse-code modulation ）。光发射端机包括了线路编由各发射端机发出的不同信号λ1λ2…λn 经耦合1 EDFA 数字通信系统方框图
通信系统中，激光器、光放大器（EDFA）及光探测器属于有源器件；而耦合器、键器件。 码器、光源及其调制电路和控制电路。器耦合到同一根光纤中传输。通常在光纤主干网中采用G .652单模光纤，为解决散补偿问题制造并应用了G .655光纤。EDFA 光中继器（图中仅画出一个作为代表）完成所有信号的中继、放大。耦合器将来自主干网光纤的合波信号分别送到光波分/复用器中，然后经解复用送至各光接收端机中。光接收端机由光电探测器（PD: Photo detection ）、前置放大器、主放大
器、自动增益控制（AGC: Automatic gain control ）电路、均衡滤波器、时钟恢复电路、判决器、译码器等组成，并完成光电变换、放大均衡、再生等功能。PD （PIN or APD ）实现信号的光－电转换，选择不同的结构和偏置电路可形成不同的前置放大器。AGC 对主放信号（或对PD 的雪崩增益）进行控制，通过均衡滤波处理，使信号在判决时不出现码间干扰。判决器和时钟恢复电路共同完成信号再生。
图波分复用＋在这个光纤波分复用器、以及未画出的光连接器、调制器、滤波器、波长转换器、隔离器、环形器、散补偿器等属于无源器件，这两类器件是构成光纤通信系统的基础。其中无源器件涉及的技术和制造方法丰富，且应用广泛，它们在光纤通信中的地位越来越重要。例如波分复用器因不同的机制和制造技术而产生了光栅型、介质膜滤波型、阵列波导光栅（AWG: Arrayed waveguide grating）型等结构，不同的结构导致其性能指标（如插入损耗、隔离度等）有所差异。不断地改进、
提高器件的性能指标带来了光纤通信的不断进步，需要有更加先进、新型的有源、无源光器件和光子器件来创造未来光纤通信的新面貌。
3. 21世纪全光通信网（AON）中的几种关键器件
全球通信业务量的飞速增长促使着光纤通信容量和速率的大幅度提高，然而传统通信器件的“电子瓶颈”影响了通信容量和速率的提高。为解决这个问题，人们开始研究“全光网”（All Optical Network ），让信息或数据在光域中从源节点传输到目的节点，避免在所经过的各节点上进行光/电－电/光转换和处理。AON 对信号的传输速率、数据格式及调制方式具有透明性、光波长层上的重构性和在网络控制、管理上的可操作性，从而可以扩展网络结构，进一步提高传输码率等。因此，世界各发达国家在90年代中期就开展了以WDM 技术为基础的AON 研究，著名的有美国的MONET 网、NTON 网、WEST 网，欧洲的OPEN 网、PHOTON 网、METON 网，法国的Alcatel 网，日本的光路网。我国在WDM 光通信网研究上已取得了很大的进展，并正在积极建设中国高速信息示范网（CAINONET ）。因此，WDM AON 将成为21世纪通信技术发展的核心。而组成AON 的各种新型光电子器件、光子器件及其制造技术尚处于探索、研发之中。下面，我们仅讨论直接影响AON 实用化的几种关 178
稳压二极管封装
3.1 全波（All Wave ）光纤
光纤是光纤通信网中不可缺少的无源器件，它的巨大带宽（25THz ）引起人们的极大兴趣， 2.5dB/k
m 降到了、长距离、高质量地传输位于大的散(18~20已开发的三个低损耗窗口为波长λ＝0.85μm 、1.31μm 和1.55μm ，损耗从0.2dB/km 以下，其长波长的损耗特性优于短波长。为了大容量信息，不但要求光纤低损耗，还要它具有低散。初期人们设计常规单模光纤的零散1μm ，而在1.55μm 处有较km ps/nm ⋅)），其1.3。将零散点移至1.54nm 处，产生了散位移光纤（DSF: Dispersion shifted fiber 散值在1.525～1.565nm 范围为-统时，光纤的非线性、四波混频引起零可以克服这个问题，这样又产生了非零散光（NZDF: Non Zero Dispersion Fiber ）。为适应更长距离、更大容量的WDM 系统需要，研制一种大有效面积（达72μm 2）光纤，它可承受较大的光功率且有效地克服非线性。但这光纤的散斜率较大，经进一步研究，产生了散平坦（斜率较小）的True Wave 光纤，是目前宽带WDM 系统最理想的传输介质。
为充分利用光纤的带宽潜力，人们利用现代超纯光纤制造技术正在研究光纤低损耗的第
、第五个窗口，即λ＝1.625μm 和1.400μm 。将光纤的这几个窗口连成一片，就形成了宽为1.28～1.65nm 的全波光纤，利用它在如此之宽的波长范围内，可获得更大的通信容。21世纪AON 更加宽阔的信息高速公路建设将大量地应用它，所以我们有必要大力地开这种全波光纤。
光放大器
光放大器包括半导体光放大器（SOA: Semiconductor optical amplifer ）、各种掺杂的光纤EDFA 、掺
镨光纤放大器PDFA: Praseodymium-doped fiber amplifier 、NDFA 等）
SOA 由于采用了应变量子阱结构，其输出功率、小信号增益、增益的偏振灵敏度、噪能均有大幅度的提高，而且通过改变半导体材料（InGaAsP ）的组分可以在00~1600nm 的一个特定波长范围内获得信号增益，这些优点使其适用于光纤接入网、FTTH SOA 的交叉相位调制（XPS: Cross-phase modulation ）和交叉增益调制（XGM: n modulation ）及其四波混频（FWM: Four wave mixing ）可实现波长转换，它是AON 实现波长路由、波长开关的关键器件；SOA 的FWM 还适用于超长距离光纤传输系统的利用SOA 的非线性可实现光的再生、放大和整形，与非线性光纤环镜（NLOM: nlinear optical loop mirror ）结合还可实现光时钟提取、解复用器和光开关等功能；另外便于与其它半导体光电子器件集成，构成大容量光器件阵列等。因此，SOA 类似于晶AON 之中。
EDFA 作为光功率放大、光中继放大、光前置放大等已经在波/频分长距离光纤通信系高速用户网以及海底光缆中发挥着很大作用。它工作在1550nm 窗口的增益带宽达30～nm ，可以同时放大多个波长信号，且与信号的比特率无关。这个特性使EDFA 成为DWDM 1997年美国Bell 实验室研制了超带宽EDFA ，其带宽达84.3nm ，它C 段（中心波长1536.6～1560.2nm 段）和L 段（长波长1569.4～1601.4nm 段）容纳0、40路光通路，两段共100路，从而更加大了DWDM 的通信容量。AON 必将大量地采EDFA ，并要求EDFA 进一步提高增益及平坦性、增加带宽、降低噪声指数等，这些要求EDFA 的努力方向。
硅铁合金
另外，PDFA 是掺镨光纤放大器，它工作在1.31波段，主要用作为泵浦源。掺铝（Al ）A 工作在1550nm 波段，它可加大增益带宽、提高增益平坦度，掺钇（y ）EDFA 工作在2～，但是这种光纤和EDFA 一起用于WDM 系3km ps/nm ⋅信道间相互干扰。光纤散小但不为纤出种它四带量发3.2 放大器（如及非线性（受激喇曼和受激布里渊散射等）光纤放大器。声指数等性13等领域中；Cross-gai 中散补偿；No SOA 体管在电子系统中的地位，具有多方面、重要的作用，它必将广泛地应用于统、40系统的关键器件之一。分别在6用正是我们今后研发EDF 179
792nm 波长，主要用于高功好的增益平坦度，氟化物EDFA 具有极好的增益平坦度N 极具吸引力，也是值得我们进一步研发的。
3.3 OADM/OXC
在波分复用AON /分复用器（OADM: Optical Add 信息的功能，因此它也是关阵列＋合波器，偏振分束器＋声光调谐滤波器＋偏振分束器等。了另一种核心器件——交叉连结器信号进行处理，也无需进行光/电/光转换，具有信道交换、波长转换、虚波长路由、功率均衡等功能。OXC 结构分成两类：一类基于空间交换（光开关矩阵＋波分复用/解复用器空间光开关矩阵＋可调谐滤波器，分送耦合器or 平行波长开关＋波长变换器）；另一类基于波长交换（阵列波导光栅复用器（AWGM ）＋波长变换器，可调光器、光栅耦合器、件的成功研发。衡量及上容量、阻塞性、链路模块性、波长模块性、广播发
送能力等方面，它可实现网络的动态重构、自愈恢要花大力3.4 OEIC 光电子集成回路（将光电子和电子元件单片集成在同一衬底上的集成回路， d circuit 速度快的过程，所以它们一直是光纤通信领域中的研究热点。已经研制了长、短波长的/发机和40 Gb/s ，它们的大容量地发展，必然IC/PIC 更加高速、多功能和高度集成化。今后的OEIC 发射机不但包括激光光源及其驱动电路，还要集成光调制器、光波分复用器等。具有低阈值和量子增益结构的、DBR 分路/合路器，耦合器等。金属－半导体－金属光电探测器（MSM －PD: 性能优异的OEIC 和PIC ，它们将为AON 的应用和发展产生深远的影响。秸秆发酵剂
5g通讯模块率激光泵浦源，可提供大功率输出及很。…… 这些光纤放大器的特性对AO 中，为了将若干路信息从全光网中取下或加上，研制了一种光插/Drop Mutiplexer ），它无需进行光/电/光转换就能实现上下路AON 中的关键器件之一。现已研究的OADM 结构有：分波器＋光开光耦合器＋滤波器阵列＋合波器，光开关＋波导光栅路由器＋光开关以及为完成网络中信道之间的交换与连结还形成（OXC: Optical cross-connection ），它是在光域中对WDM 目前已研究的or ＋波长变换器，谐滤波器＋波长变换器）。
在OADM 及OXC 中还包括MZI （Mach －Zehnder 干涉）和MMI （多介质膜干涉）分光环形器等新型光器件，OADM 、OXC 在很大程度上依赖于新型光器OADM 的主要参数有插入损耗、隔离度、上/下路时延，它的良好性能/下路的灵活性使其在AON 中将有着更大的应用范围。而OXC 的主要性能包
括节点复及扩展、升级，有利于AON 的业务量升级、高度灵活性和生存性。所以我们需气发展OADM 和OXC 。
/PIC
OEIC: Optoelectronic Integrated Circuit ）是利用光电子、微电子技术光子回路（PIC: Photonics integrate ）是利用量子阱技术开发的光子集成回路，它们具有体积小、功率小、信息容量大、、可靠性高等优点，而且不象分立元件那样还需要焊接、引线、对准、组装等复杂OEIC 光收PIC 发射机。目前OEIC 发射机的速率达到10Gb/s ，接收机的响应速率达到宽带达到30～40GHz 。21世纪AON 通信超高速、宽带宽、超要求OE /DFB 激光器及量子阱LD 是光发射机的理想光源，低电流的垂直腔面发射机激光器（VCSEL: Vertical Cavity Surface Emission Laser ）可提供超高速、大增益、高量子效率，具有低互阻、高跨导和低噪声的双异质结晶体管（HBT ）和高电子迁移率晶体管（HEMT: High electri mo ）替代目前的各种场效应管（FET: Field Effect Tube ），将使OEIC 光发射的性能得到极大提高。OEIC 接收机同样地从集成光电探测器和晶体管放大器电路扩展到集成光波导、光开关、光Metal-Semiconductor-Metal ）具有超高速、高响应度、低暗电流、易于与光纤或波导对准耦合等特点，它用于OEIC 接收机可进一步提高性能。OEIC 及PIC 的性能在很大程度上取决于所用的材料及制作工艺技术。GaAs 、InP 及Si 材料具有很好的光电特性，利用Ⅲ－Ⅴ族材料、硅材料和先进的晶体生长技术、亚微米级微加工技术将制作出集多种功能于一身的、 180
