光有源器�,是一種需要外加能源驅(qū)�(dòng)工作的光電子器件,是光傳輸系�(tǒng)的關(guān)鍵器件,在光通信系統(tǒng)中將電信號轉(zhuǎn)換成光信號或?qū)⒐庑盘栟D(zhuǎn)換成電信�。其�,將電信號轉(zhuǎn)換成光信號的器件稱為光源,主要有半導(dǎo)��(fā)光二極管(LED)和激光二極管(LD�;將光信號轉(zhuǎn)換成電信號的器件稱為光檢測器,主要有光電二極�(PIN)和雪崩光電二極�(APD��
光有源器件是光纖通信重要的核心器件之一,受到人們普遍的重視和關(guān)�。目前光纖通信�(lǐng)域應(yīng)用的光有源器件主要有光源[量子阱激光器(QWLD)],垂直腔面�(fā)射激光器(VCSEI.),量子�(diǎn)激光器[(QDI,D)、多波長激光器等],光探測器[光電子二極管(PD)、雪崩光電二極管(APD)等],光�(diào)制器[妮酸�(LiNb03)�(diào)制器、半�(dǎo)體調(diào)制器、聚合物�(diào)制器、微�(jī)械光�(diào)制器等],光放大器[半導(dǎo)體光放大�(SOA)、摻餌光纖放大器(EDFA)、光纖拉曼放大器(RFA)、摻餌光波導(dǎo)放大�(EDWA)等],波長變換器[光電�(OEO)波長變換�、全光波長變換器(AOWC)],光電收�(fā)模塊,光再生�(2R,3R)等�
光有源器件的研究與開�(fā)本來是一�(gè)最為活躍的�(lǐng)�,在集成器件,垂直腔面發(fā)射激光器,窄帶響�(yīng)可調(diào)諧集成光子探測器,基于硅基的異質(zhì)材料的多量子阱器件與集成等方面有著重大的成就�
但由于前幾年已取得輝煌的成果,所以當(dāng)今的活動(dòng)空間已大大縮小。超晶格�(jié)�(gòu)材料與量子阱器件,目前已完全成熟,而且可以大批量生�(chǎn),已完全商品�,如多量子阱激光器(MQW-LD,MQW-DFBLD)�
目前光有源器件已在下列幾方面取得重大成就�
1.集成器件
這里主要指光電集�(OEIC)已開始商品化,如分布反饋激光器(DFB-LD)與電吸收�(diào)制器(EAMD)的集�,即DFB-EA,已開始商品�;其它發(fā)射器件的集成,如DFB-LD、MQW-LD分別與MESFET或HBT或HEMT的集成;接收器件的集成主要是PIN、金�、半�(dǎo)�、金屬探測器分別與MESFET或HBT或HEMT的前置放大電路的集成。雖然這些集成都已獲得成功,但還沒有商品化�
2.垂直腔面�(fā)射激光器(VCSEL)
由于便于集成和高密度�(yīng)用,垂直腔面�(fā)射激光器受到廣泛重視。這種�(jié)�(gòu)的器件已在短波長(ALGaAs/GaAs)方面取得巨大的成�,并開始商品�;在長波�(InGaAsF/InP)方面的研制工作早已開始�(jìn)�,目前也有少量商�。可以斷言,垂直腔面發(fā)射激光器將在接入�(wǎng)、局域網(wǎng)中發(fā)揮重大作��
3.窄帶響應(yīng)可調(diào)諧集成光子探測器
由于DWDM光網(wǎng)�(luò)系統(tǒng)信道間隔越來越小,甚至到0.1nm。為此,探測器的響應(yīng)譜半寬也�(yīng)基本上達(dá)到這�(gè)要求。恰好窄帶探測器有陡銳的響應(yīng)譜特�,能夠滿足這一要求。集F-P腔濾波器和光吸收有源層于一體的共振腔增�(qiáng)(RCE)型探測器能提供一�(gè)重要的全面解決方��
4.基于硅基的異�(zhì)材料的多量子阱器件與集成(SiGe/Si MQW)
這方面的研究是一大熱�(diǎn)。眾所周知,硅(Si)、鍺(Ge)是簡接帶源材�,發(fā)光效率很低,不適合作光電子器�,但是Si材料的半�(dǎo)體工藝非常成�。于是人們設(shè)想,利用能帶剪裁工程使物�(zhì)改�,以�(dá)到在硅基基礎(chǔ)上制作光電子器件及其集成(主要是實(shí)�(xiàn)光電集成,即OEIC)的目�,這方面已取得巨大成就。在理論上有眾多的創(chuàng)�,在技�(shù)上有重大的突�,器件水平日趨完善�
光信號經(jīng)過光纖傳�?shù)竭_(dá)接收端后,在接收端有一�(gè)接收光信號的元件。但是由于我們對光的�(rèn)識還沒有�(dá)到對電的�(rèn)識的程度,所以我們并不能通過對光信號的直接還原而獲得原來的信號。在他們之間還存在著一�(gè)將光信號�(zhuǎn)變成電信號,然后再由電子線路�(jìn)行放大的過程,再還原成原來的信號。這一接收�(zhuǎn)換元件稱作光檢測�,或者光電檢測器,簡稱檢測器,又叫光電檢波器或者光電二極管�
常見的光檢測器包括:PN光電二極�、PIN光電二極管和雪崩光電二極管(APD��
雪崩光電二極�
光纖通信系統(tǒng)要求光檢測器�
1.靈敏度高:靈敏度高表示檢測器把光功率�(zhuǎn)�?yōu)殡娏鞯男矢?。在?shí)際的光接收機(jī)�,光纖傳來的信號及其微弱,有�(shí)只有1nw左右。為了得到較大的信號電流,人們希望靈敏度盡可能的��
2.響應(yīng)速度快:指射入光信號�,馬上就有電信號輸出;光信號一停,電信號也停止輸出,不要延�。這樣才能重現(xiàn)入射信號。實(shí)際上電信號完全不延遲是不可能�,但是應(yīng)該限制在一�(gè)范圍之內(nèi)。隨著光纖通信系統(tǒng)的傳輸速率的不斷提�,超高速的傳輸對光電檢測器的響�(yīng)速度的要求越來越高,對其制造技�(shù)提出了更高的要求�
3.噪聲小:為了提高光纖傳輸系統(tǒng)的性能,要求系�(tǒng)的各�(gè)組成部分的噪聲要求足夠小。但是對于光電檢測器要求特別�(yán)�,因?yàn)樗窃跇O其微弱的信號條件下工作,又處于光接收�(jī)的最前端,如果在光電變換過程中引入的噪聲過大,則會使信號噪聲比降�,影響重�(xiàn)原來的信��
4.�(wěn)定可靠:要求檢測器的主要性能盡可能不受或者少受外界溫度變化和�(huán)境變化的影響,以提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性�
光纖放大器是光有源器件的新秀,當(dāng)前大量應(yīng)用的是摻鉺光纖放大器(EDFA�,很有應(yīng)用前景的是拉曼光纖放大器�
拉曼光纖放大�
光纖放大器有摻雜光纖放大�(摻稀土元素,如EDFA,PDFA,YDFA�),非線性光纖放大器(喇曼光纖放大�(RFA)、布里淵光纖放大�(BFA)、光纖參量放大器(OPA)�),塑料光纖放大器(POFA),摻餌光波導(dǎo)放大�(EDWA)等之分。主要技�(shù)指標(biāo)有帶寬特�、噪聲特性、增益特性等。EDFA是最早開�(fā),目前應(yīng)用最廣泛并且已完全商用化的光纖放大器,具有高增益、大功率、寬頻帶、低噪聲、增益特性與偏振無關(guān)、對�(shù)�(jù)速率與格式透明、插損小、多信道放大�?dāng)_低等特點(diǎn)。泵浦光波長主要�980nm(三能級系�(tǒng))�1480nm(二能級系�(tǒng)),泵浦方式有同向、反�、雙向等三種基本方式;EDFA的級�(lián)可構(gòu)成多級EDFA系統(tǒng)。普通的石英基EDFA工作波段�1535-1565nm(G波段),一般增益可�(dá)30dB以上,增益帶寬為20^-40nm,輸出功率為+20dBm左右,噪聲系�(shù)(NF)小于5dB,EDFA可用于線�(中繼)、功�、前�,LAN等形式的放大。為了�(jìn)一步提高EDFA的性能,可以在�(Si)基摻餌玻璃光纖中加人其它摻雜元素。例如摻�(Al),�(Sm),�(Yb)、氮(N)、磷(P)、銻(Bi)�,以改善放大器的增益帶寬和平坦化特�。近期用于L帶的氟基摻餌光纖放大�(F-EDFA),蹄基摻餌光纖放大�(Te-EDFA),秘基摻餌光纖放大�(Bi-EDFA)等以及在氟化物玻璃光纖、硅酸鹽玻璃光纖、磅酸鹽玻璃光纖中摻�(Tm)等,用于S帶的摻鐵光纖放大�(TDFA)成為光纖放大器的研究熱點(diǎn)。摻欽光纖放大器(NDFA)和摻餌光纖放大器(PDFA)可以工作�1310nm波長,對提高和改�(jìn)�(xiàn)有光纖通信系統(tǒng)的性能具有重要的現(xiàn)�(shí)意義。NDFA和PDFA都是以摻�(Nd)和摻�(cuò)(Pr)氟玻璃光纖作為放大增益介�(zhì),但NDFA由于放大自發(fā)輻射(ASE)限制因素,不易做高增益的1310nm放大�,泵浦波�795nm;PDFA放大效率�、工作不�(wěn)�,已研制出增益為40dB、噪聲系�(shù)(NF)�5dB,輸出功率�+20dBm的PDFA,NDFA和PDFA的結(jié)�(gòu)性能和可靠性等還有待�(jìn)一步的改善和提�,以利于完全的商用化。喇曼光纖放大器(RFA)�(yīng)用了光纖中的喇曼效應(yīng)來實(shí)�(xiàn)光信號放��
RFA最主要的優(yōu)�(diǎn)是噪聲系�(shù)�、全波段可放�、對溫度不敏�、在線放大等。RFA有分立式和分布式之分,以適應(yīng)不同的需�。分立式RFA主要采用拉曼增益高的特種光纖(如高摻鍺(Ge)光纖�),長度約1一2km,泵浦功率幾�,泵浦波�1.06um激光產(chǎn)生的三級斯托克斯(Stakes)線可泵浦放大1.3t.m波長的光信號;1.55rlm波長的光纖通信系統(tǒng)可使�1.48t.m泵浦激光。分立式RFA可產(chǎn)�40dB以上的小信號增益,飽和輸出功�+25dBm左右,作為高增益、大功率放大,主要用在需要高增益、易于控制的通信系統(tǒng)�。分布式RFA直接用傳輸光纖作為放大增益介�(zhì),具有分布式放大、噪聲系�(shù)�、利用系�(tǒng)升級等特�(diǎn),主要作為光纖系�(tǒng)分布式補(bǔ)償放大,可以用在�(yuǎn)程泵�、寬帶、遠(yuǎn)距離�1.3pm�1.55f4m光纖傳輸系統(tǒng)和網(wǎng)�(luò)�。RFA的噪聲系�(shù)(NF)比EDFA明顯要小,分布式RFA的NF一般在0.5一1dB之間。RFA相對于EDFA在寬帶特�、增益特�、光信噪�(QSNR)和配置靈活性方面都具有明顯的優(yōu)�,更適合大容�、高速率和遠(yuǎn)距離的傳輸系�(tǒng)和網(wǎng)�(luò)。另�,已出現(xiàn)RFA和EDFA相結(jié)合,�(gòu)成混合式光纖放大�(HFA)的趨�,HFA吸收了RFA和EDFA的長�,�(jìn)一步提升了光纖放大器的性能�
光纖激光器光纖通信中主要應(yīng)用半�(dǎo)體激光器作為光源,近年來隨著光纖及其相關(guān)技�(shù)的深人發(fā)�,光纖激光器(FI,)的研�(fā)正成為光電子技�(shù)等領(lǐng)域內(nèi)一�(gè)熱點(diǎn)。光纖激光器具有�(jié)�(gòu)緊湊、轉(zhuǎn)換效率高、設(shè)�(jì)簡單、輸出光束質(zhì)量好、散熱表面大、閡值低、高可靠性等�(yōu)�(diǎn)??梢愿鶕?jù)諧振腔結(jié)�(gòu)、增益介�(zhì)、輸出波�、激光模�、摻雜元�、工作機(jī)制、光纖結(jié)�(gòu)等加以分�。如果以泵浦抽運(yùn)方式來分,可以分為纖芯端面泵浦(coreendpumping)(單包層結(jié)�(gòu))、包層端面泵�(claddingendpumping)(雙包層結(jié)�(gòu))和包層側(cè)面泵�(claddingsidepumping)(光纖�(jié)�(gòu))光纖激光器三大��
光纖激光器
單包層結(jié)�(gòu)的光纖激光器是最早研究的一類光纖激光器,可以追溯到60年代。采用的增益材料有摻NdzO:的硅酸鹽系玻�、摻欽石英光�、摻稀土的石英光纖、氟化物玻璃光纖�,激光輸出功率在毫瓦到瓦量級,激光波長在0.48^-2.7pm范圍�(nèi)。雙包層�(jié)�(gòu)光纖激光器(DCFIL)�80年代末發(fā)展起來的一類光纖激光器,是目前的研�(fā)重點(diǎn)和熱�(diǎn)。由于泵浦方式的改變,這類光纖激光器的激光輸出功率明顯提高,已能�(dá)到數(shù)瓦到近百瓦量級的輸出光功�,使用的增益光纖有摻稀土元�(如Er'�、Yb3�、Nd3+�)的石英光�、摻稀土元素的氟化�(ZBLAN)玻璃光纖、光子晶體光�(PCF)�。為了提高輸出功�,設(shè)�(jì)出了對稱圓形、偏心圓彀D�、矩彀六邊形、梅
花形等內(nèi)包層�(jié)�(gòu),其中以長方形內(nèi)包層�(jié)�(gòu)�(zhuǎn)換效�。巳有餌-共摻雙包層光纖激光器輸出功率�(dá)103W、波長為1565nm的報(bào)�,以及鎖模摻餌光纖激光器脈沖寬度已達(dá)3fs的報(bào)道,這些都為全光纖高速通信的實(shí)�(xiàn)打下了基�(chǔ)。目前該類光纖激光器從成熟的光纖通信�(lǐng)域向工業(yè)加工、醫(yī)�(xué)、印刷業(yè)、國防等激光應(yīng)用領(lǐng)域擴(kuò)��
光纖�(jié)�(gòu)光纖激光器是近年來提出的泵浦新方法,實(shí)際上它是包層端面泵浦方式的一種改�(jìn),它從包層側(cè)面射人抽�(yùn)�,從而構(gòu)成了“任意形狀”光纖激光器概念,使千瓦級的高功率光纖激光器得以�(shí)�(xiàn)?,F(xiàn)在已有輸出功率達(dá)2000W,激射波長為1.060um的摻�(Yb)石英光纖激光器�(chǎn)�。包層側(cè)面泵浦也有多種方式,如V型槽�(cè)面泵�、全拼接�(cè)面泵�、光纖束�(cè)面泵浦等。采用光�(xué)相位陣列(OPA)技�(shù)可以得到高能的光纖脈沖激�,這種光纖激光器在激光武器系�(tǒng)、光電對�、激光有源干擾等國防、軍事領(lǐng)域有著十分重要的�(yīng)�,美國、德國等已有相應(yīng)的軍用高功率光纖激光器研制�(jì)劃和�(shí)施項(xiàng)�?,F(xiàn)在已研發(fā)的光纖激光器的諧振腔腔形�(jié)�(gòu)主要有法布里一拍羅(F-P)腔、環(huán)行腔、v形腔,8字形腔�??怂挂皇访�?Fox-Smith)腔以及一些復(fù)合腔等。光纖激光器是一類新型的激光器,光纖激光器的研究與開發(fā)將把包括光纖通信在內(nèi)的光纖及其相�(guān)技�(shù)推�(jìn)到一�(gè)新高�,與半導(dǎo)體激光相比,至少在結(jié)�(gòu)�,光纖激光器與光纖通信系統(tǒng)和網(wǎng)�(luò)藕合匹配程度更好�
光纖激光器是全光纖化的光源,它將逐漸成為光纖通信�(lǐng)域重要的候選光源。此�,無諧振腔的超熒光光纖光�(SFS)、光子晶體光纖激光器(PCFL)等也是近期活躍的研究課題之一。摻餌光纖放大器(EDFA)的研�(fā)成功�80-90年代光纖通信�(lǐng)域內(nèi)一�(xiàng)重大的技�(shù)突破,具有十分重要的意義。近年來,隨著光纖放大器技�(shù)的不斷完善和�(fā)展以及與WDM技�(shù)的融�,光纖通信的長(超�)距離�(�)大容��(�)高�、密集波分復(fù)�(DWDM)等正成為國際上長途高速光纖通信、越洋光纖通信等領(lǐng)域的主要技�(shù)�(fā)展方��
維庫電子通,電子知識,一查百��
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