光纤通信中的光源发展解析

精选优质文档-倾情为你奉上光纤通信中的光源发展 光纤通信相当于有线电通信，是以激光作为信息载体，以光导纤维即光纤作为信息传递的传输媒介。光纤通信中的光波工作在电磁波频谱图中的近红外线区域，其中，主要工作波长在0.8um到1.8um之间。一 光纤通信简史 1960年美国科学家麦曼（Mailman）发明了世界上第一台激光器红宝石激光器。 1966年，英籍华人高锟（C.K.Kao）和霍克海姆（George.A.Hockham）根据介质波导理论，共同提出了光纤通信的概念，即利用石英玻璃（SiO2）可以制成低损耗的光纤，来作为光通信的传输媒介。 1970年美国康宁（Corning）玻璃公司的Maurer等人首次研制出阶跃折射率多模光纤，其在波长为630nm处的衰减系数小于20dB/km。同年，美国贝尔实验室的Hayashi等人研制出室温下连续工作的半导体GaAs/GaAlAs双异质结注入式激光器。正是光纤和激光器这两项科研成果的同时问世，拉开了光纤通信的序幕。 1976年，在进一步设法降低玻璃中的氢氧根（OH）含量时发现，光纤的衰减在长波长区有1.31um和1.55um两个窗口。 1980年原材料提纯和光纤制备工艺的进一步不断完善，加快了光纤的传输窗口由0.85um移至1.31um和1.55um的进程。特别是制造出了低损耗光纤，其在1.55um的衰减系数为0.15dB/km，已接近理论极限值。 1981年以后，世界各发达国家才将光纤通信技术大规模的推入商用。历经20年突飞猛进的发展，光纤通信传输速率已由1978年的45Mbit/s提高到目前的20Tbit/s。 总之，光纤通信的发展，经历了从20世纪60年代的准备阶段、20世纪70年代的实验和试用阶段、20世纪80年代的实际商用阶段到20世纪90年代的世界范围大规模使用阶段的发展过程。在现代通信方式中，已形成了一个以光纤通信为主，微波和卫星通信为辅的格局。二 光纤通信对光源的要求 在光纤通信中，首先要将电信号转变为光信号。光纤通信系统对光源的要求分为两类：必要条件要求和充分条件要求。必要条件要求包括对光源的发射波长、输出功率、电/光转换效率、工作可靠性和温度稳定性的要求。充分条件要求包括对光源的光谱宽度（即时间相干性）、光束宽度（即空间相干性）、调制特性、体积和重量以及经济效益的要求。具体见表一。 表一条件项 目 要 求指 标 必 要 条件发射波长与光纤的低损耗或低色散的波长相一致一致0. 85um、1.3um、1.55um输出功率室温连续工作、输出功率稳定通常1mW电光效率越高越好10工作可靠性条件1M hours温度稳定性发射波长和输出功率随温度的变化在允许范围之内通常工作在0 040 充 分 条 件调制特性最好是能够直接调制视光纤通信系统具体要求而定光谱宽度越窄越好光束宽度越窄越好，与光纤的耦合效率要高体积、重量体积小、重量轻（包括电源）经济效益大批量生产、价格低廉三 LD与LED 的比较 要将电信号转变成光信号需要光源。目前光纤通信系统中常用的光源主要有两种：发光二极管（LED）和激光器（LD），这两种器件都是用半导体材料制成，其主要参数和性能比较见表二. 表二 激光器与发光二极管的比较 序号 项目 LD LED 1 调制速率 X GHz X00 MHz 2 输出光功率 X0 mW X mW 3 光谱宽度 窄 宽 4 驱动电路 复杂 简单 5 温度影响 大 小 6 可靠性 较低 较高 7 寿命 较短 较长 8 应用 高速长距离 低速短距离 激光器由于在调制速率和耦合效率方面都明显优于发光二极管,所以一般适用于大、中容量的长距离通信系统，同时由于电流光输出特性线性较差，所以多用于光纤数字传输系统。发光二极管除了没有光学谐振腔外，其他与激光器相同。发光二极管的特性不如激光管，主要区别表现在发光二极管发出的是萤光，不象激光那样具有较好的单色性和方向性，同时调制速度较低，谱线宽度较大，与光纤的耦合效率低，但是发光二极管也有不少优点，例如电流光输出特性曲线线性好，使用寿命长、成本低、可靠性高，因此特别适用于中、小容量数字和模拟光纤传输系统。 四 激光器的种类及特性 激光器是光纤通信中最有前途的光源。激光器可分为半导体激光器和非半导体激光器。目前光纤通信系统中的光源主要是半导体激光器，而非半导体激光器在接入网（例如CATV网）中已获得应用。激光器的种类和特性见表三。 表三 激光器的种类和特性 光 源 特 性半导体激光器半导体激光器多纵模激光器 （MLM） 1 多个纵模同时工作的激光器，激光器输出光谱中包含若干个离散的纵模，其多纵模与光纤中的传导模式无关，因而既可用于多模光纤，也可用于单模光纤；2 其波长可覆盖三个光纤低损窗口，但主要用于1310nm窗口，其典型均方根谱宽为1.4nm4nm单模激光器单模激光器分布反馈 （DFB）1. 只有一个主模能够正常工作，其它模都受到抑制，实现激光器的单模工作，动态单纵模窄线宽振荡，适用于高速度、大容量、长距离的系统；2. 典型20为0.2nm0.8nm，比MLM激光器窄的多；3. 峰值波长的温度稳定性好，约为0.1nm/，比MLM好5倍；4. 输出功率的线性比较好，也适用于线性系统分布布拉 格反射（DBR）扰动区与源区分离，不需要端面反射镜，易于制造，波长可调协性较好，晶格损伤损耗小，其余特性与DFB相同量子阱 （QW）MQW量子阱1. 阈值电流低、功耗低、温度特性好；2. 谱线宽度更窄；3. 频率啁啾小，动态单纵模特性好，横模控制能力强 GRINSCHSQW带缓变折射率波导限制型单量子阱SLBGRINSCHSQW带有超晶格缓冲层的缓变折射率波导限制型单量子阱波长可调谐激光器波长或频率可调谐；是波分复用系统、相干光通信系统及光交换网络的关键器件非半导体激光器NdYAG激光器高功率、低强度噪声；谱线宽度窄（小于0.01nm）；输出输入特性为非线性，但不随时间温度而变化，易于补偿；需要额外的泵浦源和外调制器，成本偏高玻璃光纤激光器掺稀土离子的玻璃光纤制成，寿命长、谱线宽度窄、结构紧凑与光纤一体化五 光纤通信中的光源材料 光纤通信中用的半导体发光材料，基本上是由族化合物构成的，通常是砷化镓（GaAs）为中心，与周围相邻元素Al、In、P、Sb等混晶而成三元或四元化合物半导体。由于它们禁带宽度Eg随组成材料的克分子浓度不同而异，可制出适应不同波长的半导体发光器件。 短波长范围内，一般用砷镓铝（AlGaAs）半导体作光源，而在长波长范围，一般磷砷镓铟（InGaAsP）半导体做光源。六 光孤子通信 光孤子通信被人们称做是第五代光纤通信。光孤子是指经过长距离传输而形状保持不变的光脉冲。光孤子通信是利用强光信号在光纤中传播时的非线性散射以抵消光纤线性色散的影响，从而维持光脉冲在传输过程中保持形状不变，实现远距离光传输的一种光纤通信方式，对应的光脉冲称为光孤子脉冲，或简称光孤子。孤子是非线性波动方程的一个孤立波解，它在与其他同类孤立波相遇后，其幅度与形状不变。 光孤子通信的关键是产生皮秒级光孤子脉冲的光源，目前锁模激光器已能产生几十皮秒的光孤子。可以预见，光孤子通信将在全光传输系统中发挥重要作用。 近年来，国内外都在积极研制一种新型的光纤孤子激光器，并已取得了卓有成效的研究成果。如：1993年美国贝尔实验室研制的锁模搀铒光纤环形孤子激光器（ML-ED-FRL）,发出的孤子脉冲的宽度为18ps;1995年日本NTT实验室研制的ML-ED-FRL,孤子脉宽为10ps,并且已成功的用于孤子环路传输实验或现场传输实验；华中理工大学正在研究一种被动锁模搀铒光纤激光器，它是采用非线性放大复合环形镜（NACLM）构成的，结合谐频锁模，有可能获得重复频率很高的被动锁模脉冲输出。光纤孤子激光器的研制成功将对进一步提高光孤子通信系统的性能和实现全光纤孤子通信系统起到巨大的推动作用。 参考文献 1 光纤通信技术 北京：国防工业出版社 2002 22 光纤通信系统 北京：北京邮电大学出版社 19993 光通信设备基础 天津：天津科学技术出版社 19924 电力系统通信期刊 2002 第5期 专心-专注-专业