光電器件研究進展和發(fā)展趨勢

3/3光電器件研究進展和發(fā)展趨勢光電器件研究進展和發(fā)展趨勢

原榮信息產(chǎn)業(yè)部電子第三十四研究所研究員

1.3.1摻鉺光纖激光器

利用光纖成柵技術(shù)把摻鉺光纖相隔一定長度的兩處寫入光柵,兩光柵之間相當(dāng)于諧振腔,用980nm或1480nm泵浦激光激發(fā),鉺離子就會產(chǎn)生增益放大。由于光柵的選頻作用,諧振腔只能反饋某一特定波長的光,輸出單頻激光,再經(jīng)過光隔離器即能輸出線寬窄、功率高和噪聲低的激光。光纖激光器的優(yōu)點是,輸出激光的穩(wěn)定性及光譜純度都比半導(dǎo)體激光器的好,與半導(dǎo)體激光器相比,光纖激光器具有較高的光功率輸出,較低的閾值和相對強度噪聲(RIN),極窄的線寬,以及較寬的調(diào)諧范圍,并且與光纖直接對接,耦合效率高。光纖激光器的輸出功率可達10mW以上,其RIN為發(fā)射噪聲極限。光纖激光器的線寬可做到小于2.5kHz,顯然優(yōu)于線寬10MHz的分布反饋激光器。WDM傳輸系統(tǒng)一個很重要的參量就是可調(diào)諧性,光纖激光器不但很容易實現(xiàn)調(diào)諧,而且調(diào)諧范圍可達50nm,遠(yuǎn)大于半導(dǎo)體激光器(1-2nm)。

1.3.2光纖光柵分布反饋式(DFB)激光器

除全光纖激光器外,若把光纖布拉格光柵作為半導(dǎo)體激光二極管的外腔反射鏡,就可以制出性能優(yōu)異的光纖光柵DFB激光器。這種激光器不僅輸出激光的線寬窄,易與光纖耦合,而且通過對光柵加以縱向拉伸力或改變LD的調(diào)制頻率就能控制輸出激光的頻率和模式。光纖光柵DFB激光器,其線寬小于15kHz,甚至可達1kHz,邊模抑制比大于30dB,當(dāng)用1.2Gb/s的信號調(diào)制時,啁啾小于0.5MHz,信噪比高達60dB。

光纖光柵外腔不僅提供受限的富里葉變換光窄脈沖,而且,因為外腔的長度與波長有關(guān),所以也可以改變光纖光柵外腔的長度,實現(xiàn)波長調(diào)諧。改變半導(dǎo)體激光器的電信號調(diào)制頻率,也可以改變光纖光柵激光器的波長,實驗表明,當(dāng)調(diào)制頻率從440.5MHz變化到444.5MHz時,波長也從1523.5nm變化到1509.0nm,調(diào)諧范圍達14.5nm。對于波分復(fù)用應(yīng)用,不同的激光器調(diào)制頻率是固定的,為了改變波長,不同激光器的外腔要選擇不同長度的光纖光柵。

IONASA/S公司、美國Optigain公司和SDL公司已有產(chǎn)品出售。

二、光交換器件

光交換器件是SDH網(wǎng)絡(luò)的保護切換、光傳送網(wǎng)中光交叉連接(OXC)和光分插復(fù)用(OADM)所必需的關(guān)鍵器件,也是多路光監(jiān)控系統(tǒng)及光傳感多點監(jiān)測系統(tǒng)的重要器件。對光開關(guān)的要求是,一方面必須在插入損耗、隔離度、消光比、偏振敏感性、開關(guān)時間、開關(guān)規(guī)模和開關(guān)尺寸等方面具有良好的性能,另一方面必須能夠集成為大規(guī)模的開關(guān)矩陣,以適應(yīng)現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)的要求。

近幾年,半導(dǎo)體光邏輯門、熱光開關(guān)、機械光開關(guān)、液晶光開關(guān)和微機械光開關(guān)等光開關(guān)技術(shù)和集成化方面都取得了很大的突破。機械光開關(guān)在插入損耗、隔離度、消光比和偏振敏感性方面具有良好的性能,但開關(guān)時間較長（幾十毫秒到毫秒量級）,開關(guān)尺寸較大,而且不易集成。而波導(dǎo)開關(guān),開關(guān)時間短（毫秒到亞毫秒量級）,體積非常小,而且易于大規(guī)模集成,但其插入損耗、隔離度、消光比和偏振敏感性指標(biāo)都比較差。微機械光開關(guān)具有機械光開關(guān)和波導(dǎo)光開關(guān)的優(yōu)點,卻克服了它們所固有的缺點,因為它采用了機械光開關(guān)的原理,但又能象波導(dǎo)開關(guān)那樣,集成在單片硅基底上。主要開發(fā)商有美國Lucent、德克薩斯儀表公司和康寧等公司。

微機械光開關(guān)的工作原理如下：互相準(zhǔn)直的輸入和輸出光纖間插入一個可以旋轉(zhuǎn)的杠桿,桿的一端有一個鍍金的鏡子,鏡端就安裝在對準(zhǔn)的輸入和輸出光纖之間的間隙中,該間隙相當(dāng)小,大約為人的頭發(fā)絲的十分之一。當(dāng)鏡子處于二根光纖的中心下方時,光開關(guān)允許光信號從輸入光纖的纖芯傳輸?shù)捷敵龉饫w的纖芯,開關(guān)呈接通狀態(tài)；當(dāng)電壓加到光開關(guān)時,靜電力將與旋轉(zhuǎn)桿相連的板推下,旋轉(zhuǎn)桿升起,使反射鏡子處于二根光纖之間,將輸入光反射掉,不讓其進入輸出光纖,光開關(guān)呈斷開狀態(tài)。

美國LIGHTechFiberpoptics公司研制出LT200系列光開關(guān),這是一種扁形的1?單模光開關(guān)模塊,可安裝在印刷電路板上。安捷倫科技公司已能提供16×16和32×32液晶光開關(guān)器件。美

國Corning公司研制出了40個通道的液晶波長選擇光開關(guān),通道波長間隔為100GHz或200GHz,通道均勻性優(yōu)于1dB。該開關(guān)可應(yīng)用于光的分插復(fù)用上。日本NTT的研究人員利用二維陣列的液晶控制器實現(xiàn)了超過1000個輸入通道的自由空間光交換實驗系統(tǒng)。另外日本NEC的研究人員采用5級開關(guān)矩陣實現(xiàn)了128路輸入、128路輸出的空分交換。

三、光無源器件

3.1光連接器

連接器是光纖通信系統(tǒng)使用最多的光無源器件。鑒于目前通常使用的φ2.5mm陶瓷插針的FC、ST和SC型連接器體積較大,價格較貴,為適應(yīng)光纖接入網(wǎng)的要求,國外已在開發(fā)新一代的光纖連接器。這些連接器在結(jié)構(gòu)上大體可分為四類,第一類是在φ2.5mm連接器的基礎(chǔ)上加以改進,減小外形尺寸；第二類是光纖帶狀連接器；第三類是插頭直徑為φ1.25mm的小型連接器；第四類是無套管的光纖連接器。

3.2光耦合器

耦合器有樹形和星形耦二種。耦合器對線路的影響是附加插入損耗、反射和串?dāng)_。制造耦合器的傳統(tǒng)方法是采用熔融拉錐技術(shù),近來有一種新的技術(shù),它采用集成光學(xué)結(jié)構(gòu),即在扇形的輸入和輸出波導(dǎo)陣列之間插入一塊聚焦平板波導(dǎo)區(qū),即自由空間區(qū),該區(qū)可用硅平面波導(dǎo)電路技術(shù)制成,它的作用是將輸入光功率均勻地分配到每個輸出端。這種技術(shù)適合構(gòu)成大規(guī)模的N×N星形耦合器。

3.3波分復(fù)用/解復(fù)用器

根據(jù)波長選擇機理的不同,波分復(fù)用器件可以分為四種類型：角色散器件、薄膜濾波器件、光纖光柵器件和平板陣列波導(dǎo)光柵（AWG）器件。目前比較常用的器件是角色散器件和介質(zhì)薄膜濾波器件。光纖光柵型器件因特性受環(huán)境溫度變化影響,要想應(yīng)用在實際中,還有待進一步改進。最有發(fā)展前途的是第四種,因為它可與石英光纖高效耦合使步事業(yè)插入損耗很低,又適合低成本大規(guī)模集成,同時它也是作為核心器件構(gòu)成OADM和OXC的關(guān)鍵器件,所以很有發(fā)展前途。

人們不但已制出各種各樣的平板波導(dǎo)光柵波分復(fù)用解復(fù)用器件,而且有人已把光電探測二極管陣列也與它集成在一起,從而使體積進一步減小,可靠性進一步提高。

為了減小插入損耗,可在硅片上集成具有復(fù)用器或解復(fù)用器的發(fā)射機或接收機。用光電集成電路(OEIC)技術(shù),已做成多波長的單片集成發(fā)射機和接收機。

為了滿足中短距離局域網(wǎng)和城域網(wǎng)WDM市場的需求,有的公司開發(fā)出了1.3mm或多模光纖的波分復(fù)用器件,如美國Wavesplitter公司和APA等公司。為了減小體積,使WDM器件直接裝在印制電路板上,APA公司還研制出了小型化的DWDM復(fù)用/解復(fù)用器件。

四、波長變換器件

使用波長轉(zhuǎn)換可擴大全光網(wǎng)絡(luò)的規(guī)模,節(jié)約光纖和波長等資源、簡化網(wǎng)絡(luò)管理,并降低網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)的復(fù)雜性。波長轉(zhuǎn)換的基理可以分為光電、光柵和波混合三種類型。光柵基理器件有半導(dǎo)體光放大器交叉相位調(diào)制、非線性光環(huán)路反射鏡和半導(dǎo)體光放大器交叉增益調(diào)制。但是前兩種只能提供有限的透明性,只有第三種才能提供完全的透明性。

五、光纖光柵型器件

光纖光柵具有有效的選頻特性,因此光纖光柵在頻域中呈現(xiàn)出豐富的傳輸特性。光纖光柵與光纖通信系統(tǒng)易于連接且耦合損耗小等優(yōu)點,而使其成為光纖器件的研究熱點。目前用于光纖通信系統(tǒng)中,由光纖光柵構(gòu)成的光學(xué)器件有光纖激光器、光纖放大器、光纖調(diào)制器、光纖濾波器、光纖選頻耦合器、可調(diào)諧光纖濾波器以及Chirp光柵色散補償器等。

六、光子集成器件

目前利用光子集成技術(shù)已制成了應(yīng)用于WDM系統(tǒng)的多波長激光器列陣、光探測器列陣、硅基平面波導(dǎo)光星形耦合器、波導(dǎo)光柵路由器等光學(xué)器件。使用這樣的IC芯片不僅可以合

用同一溫度控制,而且還可以將復(fù)用/解復(fù)用器都集成在同一芯片上。

如果把光纖放大器與波導(dǎo)星形耦合器集成在一起,則可以制成無損耗的集成星形耦合器。如果進一步把這種無損耗的集成星形耦合器與DFB激光器列陣集成在一起,則可以制成多波長激光器列陣星形耦合器,這種器件在光傳送網(wǎng)和未來的全光網(wǎng)絡(luò)中將發(fā)揮重要的作用。利用平面光波導(dǎo)技術(shù),還可以制成波導(dǎo)調(diào)制器、薄膜波導(dǎo)光隔離器等。薄膜波導(dǎo)光隔離器目前研究的類型有平面介質(zhì)波導(dǎo)型、模式轉(zhuǎn)換型和45o法拉第旋轉(zhuǎn)型。由于后者在器件性能上和結(jié)構(gòu)復(fù)雜程度上均優(yōu)于前兩種,是近年來的研究重點。隨著集成光學(xué)技術(shù)的發(fā)展,實用化的薄膜波導(dǎo)光隔離器逐漸成熟。

利用光纖光柵可以制成具有各種功能的全光器件,如果再將這些器件集成在一根光纖中,就可構(gòu)成具有相關(guān)性能的光子器件或光子系統(tǒng),這就是全光纖一維光子集成