光有源器件

概述

　　光有源器件是光纤通信重要的核心器件之一，受到人们普遍的重视和关注。目前光纤通信领域应用的光有源器件主要有光源[量子阱激光器(QWLD)],垂直腔面发射激光器(VCSEI.),量子点激光器[(QDI,D)、多波长激光器等]，光探测器[光电子二极管(PD)、雪崩光电二极管(APD)等]，光调制器[妮酸锉(LiNb03)调制器、半导体调制器、聚合物调制器、微机械光调制器等]，光放大器[半导体光放大器(SOA)、掺饵光纤放大器(EDFA)、光纤拉曼放大器(RFA)、掺饵光波导放大器(EDWA)等]，波长变换器[光电光(OEO)波长变换器、全光波长变换器(AOWC)]，光电收发模块，光再生器(2R,3R)等。

开发

　　光有源器件的研究与开发本来是一个最为活跃的领域，在集成器件，垂直腔面发射激光器，窄带响应可调谐集成光子探测器，基于硅基的异质材料的多量子阱器件与集成等方面有着重大的成就。

　　但由于前几年已取得辉煌的成果，所以当今的活动空间已大大缩小。超晶格结构材料与量子阱器件，目前已完全成熟，而且可以大批量生产，已完全商品化，如多量子阱激光器(MQW-LD，MQW-DFBLD)。

　　目前光有源器件已在下列几方面取得重大成就：

　　1.集成器件

　　这里主要指光电集成(OEIC)已开始商品化，如分布反馈激光器(DFB-LD)与电吸收调制器(EAMD)的集成，即DFB-EA，已开始商品化；其它发射器件的集成，如DFB-LD、MQW-LD分别与MESFET或HBT或HEMT的集成；接收器件的集成主要是PIN、金属、半导体、金属探测器分别与MESFET或HBT或HEMT的前置放大电路的集成。虽然这些集成都已获得成功，但还没有商品化。

　　2.垂直腔面发射激光器(VCSEL)

　　由于便于集成和高密度应用，垂直腔面发射激光器受到广泛重视。这种结构的器件已在短波长(ALGaAs/GaAs)方面取得巨大的成功，并开始商品化；在长波长(InGaAsF/InP)方面的研制工作早已开始进行，目前也有少量商品。可以断言，垂直腔面发射激光器将在接入网、局域网中发挥重大作用。

　　3.窄带响应可调谐集成光子探测器

　　由于DWDM光网络系统信道间隔越来越小，甚至到0.1nm。为此，探测器的响应谱半宽也应基本上达到这个要求。恰好窄带探测器有陡锐的响应谱特性，能够满足这一要求。集F-P腔滤波器和光吸收有源层于一体的共振腔增强(RCE)型探测器能提供一个重要的全面解决方案。

　　4.基于硅基的异质材料的多量子阱器件与集成(SiGe/Si MQW)

　　这方面的研究是一大热点。众所周知，硅(Si)、锗(Ge)是简接带源材料，发光效率很低，不适合作光电子器件，但是Si材料的半导体工艺非常成熟。于是人们设想，利用能带剪裁工程使物质改性，以达到在硅基基础上制作光电子器件及其集成(主要是实现光电集成，即OEIC)的目的，这方面已取得巨大成就。在理论上有众多的创新，在技术上有重大的突破，器件水平日趋完善。

光检测器

　　光信号经过光纤传输到达接收端后，在接收端有一个接收光信号的元件。但是由于我们对光的认识还没有达到对电的认识的程度，所以我们并不能通过对光信号的直接还原而获得原来的信号。在他们之间还存在着一个将光信号转变成电信号，然后再由电子线路进行放大的过程，再还原成原来的信号。这一接收转换元件称作光检测器，或者光电检测器，简称检测器，又叫光电检波器或者光电二极管。

　　常见的光检测器包括：PN光电二极管、PIN光电二极管和雪崩光电二极管（APD）。

雪崩光电二极管

　　光纤通信系统要求光检测器：

　　1.灵敏度高：灵敏度高表示检测器把光功率转变为电流的效率高。在实际的光接收机中，光纤传来的信号及其微弱，有时只有1nw左右。为了得到较大的信号电流，人们希望灵敏度尽可能的高。

　　2.响应速度快：指射入光信号后，马上就有电信号输出；光信号一停，电信号也停止输出，不要延迟。这样才能重现入射信号。实际上电信号完全不延迟是不可能的，但是应该限制在一个范围之内。随着光纤通信系统的传输速率的不断提高，超高速的传输对光电检测器的响应速度的要求越来越高，对其制造技术提出了更高的要求。

　　3.噪声小：为了提高光纤传输系统的性能，要求系统的各个组成部分的噪声要求足够小。但是对于光电检测器要求特别严格，因为它是在极其微弱的信号条件下工作，又处于光接收机的最前端，如果在光电变换过程中引入的噪声过大，则会使信号噪声比降低，影响重现原来的信号。

　　4.稳定可靠：要求检测器的主要性能尽可能不受或者少受外界温度变化和环境变化的影响，以提高系统的稳定性和可靠性。

光纤放大器

　　光纤放大器是光有源器件的新秀，当前大量应用的是掺铒光纤放大器（EDFA），很有应用前景的是拉曼光纤放大器。

拉曼光纤放大器

　　光纤放大器有掺杂光纤放大器(掺稀土元素，如EDFA,PDFA,YDFA等)，非线性光纤放大器(喇曼光纤放大器(RFA)、布里渊光纤放大器(BFA)、光纤参量放大器(OPA)等)，塑料光纤放大器(POFA)，掺饵光波导放大器(EDWA)等之分。主要技术指标有带宽特性、噪声特性、增益特性等。EDFA是最早开发，目前应用最广泛并且已完全商用化的光纤放大器，具有高增益、大功率、宽频带、低噪声、增益特性与偏振无关、对数据速率与格式透明、插损小、多信道放大串扰低等特点。泵浦光波长主要是980nm(三能级系统)和1480nm(二能级系统)，泵浦方式有同向、反向、双向等三种基本方式；EDFA的级联可构成多级EDFA系统。普通的石英基EDFA工作波段在1535-1565nm(G波段)，一般增益可达30dB以上，增益带宽为20^-40nm，输出功率为+20dBm左右，噪声系数(NF)小于5dB,EDFA可用于线路(中继)、功率、前置,LAN等形式的放大。为了进一步提高EDFA的性能，可以在硅(Si)基掺饵玻璃光纤中加人其它掺杂元素。例如掺铝(Al),衫(Sm),德(Yb)、氮(N)、磷(P)、锑(Bi)等，以改善放大器的增益带宽和平坦化特性。近期用于L带的氟基掺饵光纤放大器(F-EDFA),蹄基掺饵光纤放大器(Te-EDFA),秘基掺饵光纤放大器(Bi-EDFA)等以及在氟化物玻璃光纤、硅酸盐玻璃光纤、磅酸盐玻璃光纤中掺铭(Tm)等，用于S带的掺铁光纤放大器(TDFA)成为光纤放大器的研究热点。掺钦光纤放大器(NDFA)和掺饵光纤放大器(PDFA)可以工作在1310nm波长，对提高和改进现有光纤通信系统的性能具有重要的现实意义。NDFA和PDFA都是以掺钦(Nd)和掺错(Pr)氟玻璃光纤作为放大增益介质，但NDFA由于放大自发辐射(ASE)限制因素，不易做高增益的1310nm放大器，泵浦波长795nm;PDFA放大效率低、工作不稳定，已研制出增益为40dB、噪声系数(NF)为5dB,输出功率为+20dBm的PDFA,NDFA和PDFA的结构性能和可靠性等还有待进一步的改善和提高，以利于完全的商用化。喇曼光纤放大器(RFA)应用了光纤中的喇曼效应来实现光信号放大。

　　RFA最主要的优点是噪声系数小、全波段可放大、对温度不敏感、在线放大等。RFA有分立式和分布式之分，以适应不同的需求。分立式RFA主要采用拉曼增益高的特种光纤(如高掺锗(Ge)光纤等)，长度约1一2km，泵浦功率几瓦，泵浦波长1.06um激光产生的三级斯托克斯(Stakes)线可泵浦放大1.3t.m波长的光信号;1.55rlm波长的光纤通信系统可使用1.48t.m泵浦激光。分立式RFA可产生40dB以上的小信号增益，饱和输出功率+25dBm左右，作为高增益、大功率放大，主要用在需要高增益、易于控制的通信系统中。分布式RFA直接用传输光纤作为放大增益介质，具有分布式放大、噪声系数小、利用系统升级等特点，主要作为光纤系统分布式补偿放大，可以用在远程泵浦、宽带、远距离的1.3pm和1.55f4m光纤传输系统和网络中。RFA的噪声系数(NF)比EDFA明显要小，分布式RFA的NF一般在0.5一1dB之间。RFA相对于EDFA在宽带特性、增益特性、光信噪比(QSNR)和配置灵活性方面都具有明显的优势，更适合大容量、高速率和远距离的传输系统和网络。另外，已出现RFA和EDFA相结合，构成混合式光纤放大器(HFA)的趋势，HFA吸收了RFA和EDFA的长处，进一步提升了光纤放大器的性能。

光纤激光器

　　光纤激光器光纤通信中主要应用半导体激光器作为光源，近年来随着光纤及其相关技术的深人发展，光纤激光器(FI,)的研发正成为光电子技术等领域内一个热点。光纤激光器具有结构紧凑、转换效率高、设计简单、输出光束质量好、散热表面大、阂值低、高可靠性等优点。可以根据谐振腔结构、增益介质、输出波长、激光模式、掺杂元素、工作机制、光纤结构等加以分类。如果以泵浦抽运方式来分，可以分为纤芯端面泵浦（coreendpumping)(单包层结构)、包层端面泵浦(claddingendpumping)(双包层结构)和包层侧面泵浦(claddingsidepumping)(光纤结构)光纤激光器三大类。

光纤激光器

　　单包层结构的光纤激光器是最早研究的一类光纤激光器，可以追溯到60年代。采用的增益材料有掺NdzO:的硅酸盐系玻璃、掺钦石英光纤、掺稀土的石英光纤、氟化物玻璃光纤等，激光输出功率在毫瓦到瓦量级，激光波长在0.48^-2.7pm范围内。双包层结构光纤激光器(DCFIL)是80年代末发展起来的一类光纤激光器，是目前的研发重点和热点。由于泵浦方式的改变，这类光纤激光器的激光输出功率明显提高，已能达到数瓦到近百瓦量级的输出光功率，使用的增益光纤有掺稀土元素(如Er'十、Yb3十、Nd3+等)的石英光纤、掺稀土元素的氟化物(ZBLAN)玻璃光纤、光子晶体光纤(PCF)等。为了提高输出功率，设计出了对称圆形、偏心圆形、D形、矩形、六边形、梅

　　花形等内包层结构，其中以长方形内包层结构转换效率。巳有饵-共掺双包层光纤激光器输出功率达103W、波长为1565nm的报道，以及锁模掺饵光纤激光器脉冲宽度已达3fs的报道，这些都为全光纤高速通信的实现打下了基础。目前该类光纤激光器从成熟的光纤通信领域向工业加工、医学、印刷业、国防等激光应用领域扩展。

　　光纤结构光纤激光器是近年来提出的泵浦新方法，实际上它是包层端面泵浦方式的一种改进，它从包层侧面射人抽运光，从而构成了“任意形状”光纤激光器概念，使千瓦级的高功率光纤激光器得以实现。现在已有输出功率达2000W,激射波长为1.060um的掺德(Yb)石英光纤激光器产品。包层侧面泵浦也有多种方式，如V型槽侧面泵浦、全拼接侧面泵浦、光纤束侧面泵浦等。采用光学相位阵列(OPA)技术可以得到高能的光纤脉冲激光，这种光纤激光器在激光武器系统、光电对抗、激光有源干扰等国防、军事领域有着十分重要的应用，美国、德国等已有相应的军用高功率光纤激光器研制计划和实施项目。现在已研发的光纤激光器的谐振腔腔形结构主要有法布里一拍罗(F-P)腔、环行腔、v形腔,8字形腔、福克斯一史密斯(Fox-Smith)腔以及一些复合腔等。光纤激光器是一类新型的激光器，光纤激光器的研究与开发将把包括光纤通信在内的光纤及其相关技术推进到一个新高度，与半导体激光相比，至少在结构上，光纤激光器与光纤通信系统和网络藕合匹配程度更好。

　　光纤激光器是全光纤化的光源，它将逐渐成为光纤通信领域重要的候选光源。此外，无谐振腔的超荧光光纤光源(SFS)、光子晶体光纤激光器(PCFL)等也是近期活跃的研究课题之一。掺饵光纤放大器(EDFA)的研发成功是80-90年代光纤通信领域内一项重大的技术突破，具有十分重要的意义。近年来，随着光纤放大器技术的不断完善和发展以及与WDM技术的融合，光纤通信的长（超长)距离、(超)大容量、(超)高速、密集波分复用(DWDM)等正成为国际上长途高速光纤通信、越洋光纤通信等领域的主要技术发展方向。