光纖通信中的光源發(fā)展解析

光纖通信中的光源發(fā)展 光纖通信相當(dāng)于有線電通信，是以激光作為信息載體，以光導(dǎo)纖維即光纖作為信息傳遞的傳輸媒介。光纖通信中的光波工作在電磁波頻譜圖中的近紅外線區(qū)域，其中，主要工作波長在0.8um到1.8um之間。一 光纖通信簡史 1960年美國科學(xué)家麥曼（Mailman）發(fā)明了世界上第一臺激光器紅寶石激光器。 1966年，英籍華人高錕（C.K.Kao）和霍克海姆（George.A.Hockham）根據(jù)介質(zhì)波導(dǎo)理論，共同提出了光纖通信的概念，即利用石英玻璃（SiO2）可以制成低損耗的光纖，來作為光通信的傳輸媒介。 1970年美國康寧（Corning）玻璃公司的Maurer等人首次研制出階躍折射率多模光纖，其在波長為630nm處的衰減系數(shù)小于20dB/km。同年，美國貝爾實(shí)驗(yàn)室的Hayashi等人研制出室溫下連續(xù)工作的半導(dǎo)體GaAs/GaAlAs雙異質(zhì)結(jié)注入式激光器。正是光纖和激光器這兩項(xiàng)科研成果的同時問世，拉開了光纖通信的序幕。 1976年，在進(jìn)一步設(shè)法降低玻璃中的氫氧根（OH）含量時發(fā)現(xiàn)，光纖的衰減在長波長區(qū)有1.31um和1.55um兩個窗口。 1980年原材料提純和光纖制備工藝的進(jìn)一步不斷完善，加快了光纖的傳輸窗口由0.85um移至1.31um和1.55um的進(jìn)程。特別是制造出了低損耗光纖，其在1.55um的衰減系數(shù)為0.15dB/km，已接近理論極限值。 1981年以后，世界各發(fā)達(dá)國家才將光纖通信技術(shù)大規(guī)模的推入商用。歷經(jīng)20年突飛猛進(jìn)的發(fā)展，光纖通信傳輸速率已由1978年的45Mbit/s提高到目前的20Tbit/s。 總之，光纖通信的發(fā)展，經(jīng)歷了從20世紀(jì)60年代的準(zhǔn)備階段、20世紀(jì)70年代的實(shí)驗(yàn)和試用階段、20世紀(jì)80年代的實(shí)際商用階段到20世紀(jì)90年代的世界范圍大規(guī)模使用階段的發(fā)展過程。在現(xiàn)代通信方式中，已形成了一個以光纖通信為主，微波和衛(wèi)星通信為輔的格局。二 光纖通信對光源的要求 在光纖通信中，首先要將電信號轉(zhuǎn)變?yōu)楣庑盘?。光纖通信系統(tǒng)對光源的要求分為兩類：必要條件要求和充分條件要求。必要條件要求包括對光源的發(fā)射波長、輸出功率、電/光轉(zhuǎn)換效率、工作可靠性和溫度穩(wěn)定性的要求。充分條件要求包括對光源的光譜寬度（即時間相干性）、光束寬度（即空間相干性）、調(diào)制特性、體積和重量以及經(jīng)濟(jì)效益的要求。具體見表一。 表一條件項(xiàng) 目 要 求指 標(biāo) 必 要 條件發(fā)射波長與光纖的低損耗或低色散的波長相一致一致0. 85um、1.3um、1.55um輸出功率室溫連續(xù)工作、輸出功率穩(wěn)定通常1mW電光效率越高越好10工作可靠性條件1M hours溫度穩(wěn)定性發(fā)射波長和輸出功率隨溫度的變化在允許范圍之內(nèi)通常工作在0 040 充 分 條 件調(diào)制特性最好是能夠直接調(diào)制視光纖通信系統(tǒng)具體要求而定光譜寬度越窄越好光束寬度越窄越好，與光纖的耦合效率要高體積、重量體積小、重量輕（包括電源）經(jīng)濟(jì)效益大批量生產(chǎn)、價格低廉三 LD與LED 的比較 要將電信號轉(zhuǎn)變成光信號需要光源。目前光纖通信系統(tǒng)中常用的光源主要有兩種：發(fā)光二極管（LED）和激光器（LD），這兩種器件都是用半導(dǎo)體材料制成，其主要參數(shù)和性能比較見表二. 表二 激光器與發(fā)光二極管的比較 序號 項(xiàng)目 LD LED 1 調(diào)制速率 X GHz X00 MHz 2 輸出光功率 X0 mW X mW 3 光譜寬度 窄 寬 4 驅(qū)動電路 復(fù)雜 簡單 5 溫度影響 大 小 6 可靠性 較低 較高 7 壽命 較短 較長 8 應(yīng)用 高速長距離 低速短距離 激光器由于在調(diào)制速率和耦合效率方面都明顯優(yōu)于發(fā)光二極管,所以一般適用于大、中容量的長距離通信系統(tǒng)，同時由于電流光輸出特性線性較差，所以多用于光纖數(shù)字傳輸系統(tǒng)。發(fā)光二極管除了沒有光學(xué)諧振腔外，其他與激光器相同。發(fā)光二極管的特性不如激光管，主要區(qū)別表現(xiàn)在發(fā)光二極管發(fā)出的是螢光，不象激光那樣具有較好的單色性和方向性，同時調(diào)制速度較低，譜線寬度較大，與光纖的耦合效率低，但是發(fā)光二極管也有不少優(yōu)點(diǎn)，例如電流光輸出特性曲線線性好，使用壽命長、成本低、可靠性高，因此特別適用于中、小容量數(shù)字和模擬光纖傳輸系統(tǒng)。 四 激光器的種類及特性 激光器是光纖通信中最有前途的光源。激光器可分為半導(dǎo)體激光器和非半導(dǎo)體激光器。目前光纖通信系統(tǒng)中的光源主要是半導(dǎo)體激光器，而非半導(dǎo)體激光器在接入網(wǎng)（例如CATV網(wǎng)）中已獲得應(yīng)用。激光器的種類和特性見表三。 表三 激光器的種類和特性 光 源 特 性半導(dǎo)體激光器半導(dǎo)體激光器多縱模激光器 （MLM） 1 多個縱模同時工作的激光器，激光器輸出光譜中包含若干個離散的縱模，其多縱模與光纖中的傳導(dǎo)模式無關(guān)，因而既可用于多模光纖，也可用于單模光纖；2 其波長可覆蓋三個光纖低損窗口，但主要用于1310nm窗口，其典型均方根譜寬為1.4nm4nm單模激光器單模激光器分布反饋 （DFB）1. 只有一個主模能夠正常工作，其它模都受到抑制，實(shí)現(xiàn)激光器的單模工作，動態(tài)單縱模窄線寬振蕩，適用于高速度、大容量、長距離的系統(tǒng)；2. 典型20為0.2nm0.8nm，比MLM激光器窄的多；3. 峰值波長的溫度穩(wěn)定性好，約為0.1nm/，比MLM好5倍；4. 輸出功率的線性比較好，也適用于線性系統(tǒng)分布布拉 格反射（DBR）擾動區(qū)與源區(qū)分離，不需要端面反射鏡，易于制造，波長可調(diào)協(xié)性較好，晶格損傷損耗小，其余特性與DFB相同量子阱 （QW）MQW量子阱1. 閾值電流低、功耗低、溫度特性好；2. 譜線寬度更窄；3. 頻率啁啾小，動態(tài)單縱模特性好，橫?？刂颇芰?qiáng) GRINSCHSQW帶緩變折射率波導(dǎo)限制型單量子阱SLBGRINSCHSQW帶有超晶格緩沖層的緩變折射率波導(dǎo)限制型單量子阱波長可調(diào)諧激光器波長或頻率可調(diào)諧；是波分復(fù)用系統(tǒng)、相干光通信系統(tǒng)及光交換網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵器件非半導(dǎo)體激光器NdYAG激光器高功率、低強(qiáng)度噪聲；譜線寬度窄（小于0.01nm）；輸出輸入特性為非線性，但不隨時間溫度而變化，易于補(bǔ)償；需要額外的泵浦源和外調(diào)制器，成本偏高玻璃光纖激光器摻稀土離子的玻璃光纖制成，壽命長、譜線寬度窄、結(jié)構(gòu)緊湊與光纖一體化五 光纖通信中的光源材料 光纖通信中用的半導(dǎo)體發(fā)光材料，基本上是由族化合物構(gòu)成的，通常是砷化鎵（GaAs）為中心，與周圍相鄰元素Al、In、P、Sb等混晶而成三元或四元化合物半導(dǎo)體。由于它們禁帶寬度Eg隨組成材料的克分子濃度不同而異，可制出適應(yīng)不同波長的半導(dǎo)體發(fā)光器件。 短波長范圍內(nèi)，一般用砷鎵鋁（AlGaAs）半導(dǎo)體作光源，而在長波長范圍，一般磷砷鎵銦（InGaAsP）半導(dǎo)體做光源。六 光孤子通信 光孤子通信被人們稱做是第五代光纖通信。光孤子是指經(jīng)過長距離傳輸而形狀保持不變的光脈沖。光孤子通信是利用強(qiáng)光信號在光纖中傳播時的非線性散射以抵消光纖線性色散的影響，從而維持光脈沖在傳輸過程中保持形狀不變，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離光傳輸?shù)囊环N光纖通信方式，對應(yīng)的光脈沖稱為光孤子脈沖，或簡稱光孤子。孤子是非線性波動方程的一個孤立波解，它在與其他同類孤立波相遇后，其幅度與形狀不變。 光孤子通信的關(guān)鍵是產(chǎn)生皮秒級光孤子脈沖的光源，目前鎖模激光器已能產(chǎn)生幾十皮秒的光孤子?？梢灶A(yù)見，光孤子通信將在全光傳輸系統(tǒng)中發(fā)揮重要作用。 近年來，國內(nèi)外都在積極研制一種新型的光纖孤子激光器，并已取得了卓有成效的研究成果。如：1993年美國貝爾實(shí)驗(yàn)室研制的鎖模攙鉺光纖環(huán)形孤子激光器（ML-ED-FRL）,發(fā)出的孤子脈沖的寬度為18ps;1995年日本NTT實(shí)驗(yàn)室研制的ML-ED-FRL,孤子脈寬為10ps,并且已成功的用于孤子環(huán)路傳輸實(shí)驗(yàn)或現(xiàn)場傳輸實(shí)驗(yàn)；華中理工大學(xué)正在研究一種被動鎖模攙鉺光纖激光器，它是采用非線性放大復(fù)合環(huán)形鏡（NACLM）構(gòu)成的，結(jié)合諧頻鎖模，有可能獲得重復(fù)頻