光波通信

祝军生，信息产业部电子第三十四研究所

光电子器件的技术创新一直在光通信产业的发展中起着非常重要的作用，光通信产业的快速发展为光电子器件带来巨大的发展空间。鉴于光电子器件在电信领域的重要地位，世界各国都把发展光电子器件放在显著位置。

垂直腔面发射激光器

垂直腔面发射激光器（VCESL）及其阵列是一种新型半导体激光器，它是光子学器件在集成化方面的重大突破。其特点如下：从其顶部发射出圆柱形光束，无需进行不对称矫正或散光矫正，即可调制成用途广泛的环形光束，易与光纤耦合；转换效率非常高，功耗仅为边发射LD的几分之一；调制速度快，在1GHz以上；阈值很低，噪声小；重直腔面有源区很小，易于高密度大规模制作和成管前整片检测、封装、组装，成本低。由于长距离高带宽高速光通信、高速存取光信息处理、高性能低成本光互连器件的需求牵引，VCSEL器件无论从材料、种类还是波长、结构都呈多元化高速发展趋势。

目前，0.85－0.95μm波段VCSEL较为成熟，已实现了高性能、低成本和大批量生产，并已上市出售。而1.3－1.55μm波段VCSEL作为长途光通信激光光源也呈现出新的增长趋势。但制作1.3μm或1.55μm VCSEL还存在困难。许多分析家预测VCSEL将成为光纤到户的合适光源。

量子阱激光器HNK光波通信

量子阱激光器（QWL）与一般的双异质结激光器结构相似，只是有源区的厚度很薄，仅为几十埃。理论分析表明：当有源区厚度极小时，有源区与两边邻层的能带将出现不连续现象，即在有源区的异质结上出现了导带和价带的突变，从而使窄带隙的有源区为导带中的电子和价带中的空穴创造了一个势能阱。由此而带来了一系列的优越性质，其名称也由此而来。通常用于半导体激光器的QW结构主要有三种类型，即多量子阱（MQW）、缓变折射率波导限制型单量子阱（GRIN-SCH-SQW）和带有超晶格缓冲层的缓变折射率波导限制型单量子阱（SLB-GRIN-SCH-SQW）。QWL与一般的双异质结激光器相比，具有阈值电流低、功耗低、温度特性好、线宽变窄、频率啁啾小，以及动态单模特性好、横模控制能力强等许多优点。

可调激光器

可调谐激光器的作用和制造难度都最大，因而也是最受关注的器件。目前已有一些厂商推出了产品，它们采用不同的原理，在性能和价格上分别具有各自的长处和弱点。采用温度调谐的DFB激光器最早被商品化，其原理和结构都简单易行，但波长调谐的速度慢、可调范围窄，仅3－9nm。多段结构的DBR激光器采用电流注入实现波长调谐，调谐的速度快，但范围仍有限，约8－10nm。采用复杂的光栅结构能够大大地扩展波长调谐范围。除了继续改进可调谐激光器的基本性能，厂商们还进一步将电子或光电子器件集成到可调谐激光器中，使之成为具有多功能集成的光源模块。

总体来讲，可调谐激光器在光网络中的广泛应用，仍有待其性能价格比的提高。但其发展和应用的前景是不容置疑的，随着智能光网络的进展，它将迅速形成一个大产业。

光纤拉曼放大器

光纤拉曼放大器（FRA）近年来受到极大关注，重新成为研发的热点，主要是因为它在长距离光纤传输系统中的许多优点适合系统对通信容量及无电再生中继距离的需要，另外，它还有以下优点：1）传输光纤可以为任何类型；2）可覆盖很宽的波长范围；3）增益高、串扰小、噪声指数低、频谱范围宽、温度稳定性好、总成本低。它可以放大掺铒光纤放大器所不能放大的波段，可在1,292nm到1,660nm光谱范围内进行光放大。光纤拉曼放大器主要的缺点是需要大功率的泵浦激光器，这可以通过研究降低阈值功率的泵浦激光器、将多个泵浦源激光器的波长复用获得一个大功率输出的泵浦激光器来解决。拉曼光纤放大器具有强大生命力，即将进入实用阶段。

光纤激光器

掺铒光纤激光器是利用光纤光栅技术把掺铒光纤相隔一定长度的两处写入光栅。两光栅之间相当于谐振腔，用980nm或1480nm泵浦激光激发，铒离子就会产生增益放大。光纤激光器的优点是，输出激光的稳定性及光谱纯度都比半导体激光器好。与半导体激光器相比，光纤激光器具有较高的光功率输出、较低的阈值和相对强度噪声（RIN）、极窄的线宽以及较宽的调谐范围，并且与光纤直接对接耦合效率高。

除全光纤激光器外若把光纤布拉格光栅作为半导体激光二极管的外腔反射镜，就可以制出性能优异的光纤光栅分布反馈式DFB激光器。这种激光器不仅输出激光的线宽窄，易与光纤耦合，而且通过对光栅加以纵向拉伸力或改变LD的调制频率，就能控制输出激光的频率和模式。

光开关

新一代光开关是光交叉连接的核心器件，也是目前开发研究最为深入的无源光电子器件。其应用范围主要有：保护倒换；网络监视；光器件的测试；光信号的上下路；网络故障愈合。近几年，随着光传送网技术的发展，新型的光开关技术不断出现，矩阵光开关、热光开关、液晶光开关和微机械等光开关在器件技术和集成化方面都取得了很大的突破。未来的光开关对交换速度提出路更高的要求（纳秒数量级）。大容量、高速交换、透明、低损耗的光开关将在光网络发展中起到更为重要的作用。

在光交叉连接及需要支持大容量交换的系统中，基于MEMS技术的解决方案似乎已是主要潮流。MEMS的基本原理是通过静电作用使微镜面发生转动，从而改变输入光的传播方向。一些公司正在积极开发三维光开关，实现微镜面连续转动以实现更大的交叉连接。MEMS光开关具有机械光开关和波导光开关的优点，又克服了它们所固有的缺点，因为它采用了机械光开关的原理，但又能像波导开关那样，集成在单片硅衬底上，特别适合于光通信应用，将成为未来全光网络中的一种关键器件。

波分复用器

WDM器件有多种制造方法，不同方法制造的器件各有特点。目前已广泛商用的WDM器件可以分为三大类，即角色散器件、干涉膜滤波器以及光纤耦合器。前两者属于芯区交互型器件，即轴向对准型，第3种属于表面交互型，即横向对准型。其余类型往往是上述两种类型的结合。集成光波导型WDM则是一种仍然处于开发阶段和小批量商用、却前途无量的WDM器件。所谓角色散型WDM器件就是利用角色散元件来分离和合并不同波长的光信号，从而实现WDM功能的器件。角色散元件有棱镜和光栅。

干涉膜滤波器型WDM器件采用微光元件组合技术，在平行光束中插入多层介质膜滤光片，使某一波长的光通过，其它波长的光反射。现在可以将多层介质膜滤光器制成超窄带型的DWDM器件，其复用信道间隔可小于1nm。

对于干涉膜滤波型DWDM器件适合4波长、8波长复用的DWDM网络应用。但是，在16波长或更多波长复用／解复用时，其隔离度高和插入损耗低的优势就没有了，而且各波的插入损耗极不均衡，不利于网络应用EDFA。光纤光栅型DWDM器件用作4波长、8波长复用／解复用时，隔离度低、插入损耗大、成本高。但是在16波长或更多波长复用／解复用时，其隔离度可做得更高些，各波长的插入损耗也比较均衡，有利于与EDFA联合使用，而且设计与制造周期短，易于批量生产，成本低，在市场的激烈竞争中有明显的价格优势。

目前比较常用的器件是角色散器件和干涉膜滤波器件。光纤光栅型器件因性能受环境温度影响，要想实际应用，还有待进一步改进。但最有发展前途的还是光纤光栅型器件，因为它可与石英光纤高效耦合，使插入损耗很低，又适合低成本大规模集成，同时它也是构成OADM和OXC的关键器件，特别是阵列波导光栅（AWG）已成为当前研究的热点。

光纤耦合器HNK光波通信

当前，能大批量生产单模光纤耦合器的方法是熔融拉锥，当光纤纤芯变细形成双锥时，由于模场直径的扩大，使一根光纤的信号可以耦合到另一根中去。在这种方法中，由于光纤之间的耦合系数与波长有关，所以光传输波长发生变化时，耦合系数也会发生变化，即耦合器的分光比发生变化，一般分光比随波长的变化率为0.2%/nm。这种耦合器允许的带宽一般只有±20nm，称为标准型耦合器。显然，在允许的带宽范围内，分光比的变化≤。这种耦合器可称为波长平坦型耦合器。所以宽带化是耦合器的一个重要发展方向。

为制造宽带耦合器，许多公司在深入研究熔融双锥耦合理论或进行大量实践的基础上，对熔融拉锥的工艺进行了改进。例如，考虑到熔融双锥的耦合是周期性的，耦合周期愈多，耦合系数与传输波长的关系愈大，所以应尽量减少熔融拉锥中的耦合次数，最好在一个周期内完成耦合。又如，改变两根光纤的传播常数也可减小耦合系数与传输波长的关系，所以可选择两根不同纤芯直径的光纤进行熔融拉锥，也可对一根光纤腐蚀或预拉伸后再与另一根光纤一起进行熔融拉锥。

采用分立元件和平面波导组合结构，可以从根本上改善耦合器的带宽特性。在分立元件结构的耦合器中，一般采用半透膜进行分光，可以通过膜层的设计和制造达到需要的带宽特性，在平面波导结构的宽带耦合器，带宽可以达到350nm，这是目前熔融锥法难以达到的。

光电子集成器件

光电子集成器件（OEIC）多年来一直是热门研究课题。OEIC器件利用光电子技术和微电子技术将光子器件和电子器件集成在同一衬底的单片上。

目前利用光电子集成技术已制成了应用于WDM系统的多波长激光器阵列、光检测器阵列、硅基平面波导光星形耦合器、波导光栅路由器等光学器件。

如果把光纤放大器与波导星形耦合器集成在一起，则可以制成无损耗的集成星形耦合器。如果进一步把这种无损耗的集成星形耦合器与DFB激光器阵列集成在一起，则可以制成多波长激光器阵列星形耦合器，这种器件在光传送网和未来的全光网络中将发挥重要的作用。利用平面光波导技术，还可以制成波导调制器、薄膜波导光隔离器等。

利用光纤光栅可以制成具有各种功能的全光器件，如果再将这些器件集成在一根光纤中，就可构成具有相关性能的光子器件或光子系统，这就是全光纤一维光子集成。这是一种具有响应速度快、信息容量大、功能全、效率高以及可超微型化、能与光纤兼容、无插入损耗等一系列优异特性的全光纤器件。应用这样的器件构成光纤通信系统与常规的光纤通信系统相比，在组网方式上必将发生深刻的变化。可以说，光纤光栅、全光纤光子器件、平面波导器件及其集成的出现是光纤通信发展史上的一个重要里程碑，在未来的光通信、光计算及全光网络中将有广阔的应用前景。

光通信器件市场

从全球范围看，无源器件在过去的25年里，市场份额始终很小，2000年也只有9%，据预计在今后的25年里它将有强劲的增长，2025年的市场份额将达到19%。

连接器是在光纤通信中占据重要地位的器件，据预测，2006年全球连接器市场将达到17亿美元，且将以更高的速度增长，2009年时将达到49亿美元。值得注意的是小封装（SFF）连接器对于推进FTTX具有革命性意义。预计到2009年时，用于FTTX的SFF连接器将会占连接器市场总值的50%以上。

随着光电子技术和光电集成技术的提高，有源器件的市场份额愈来愈大，预计到2025年达到52%。据预测，2006年光放大器市场将超过70亿美元、EDFA市场将达到96亿美元、拉曼放大器市场将达到7.50亿美元。拉曼增益模块、40Gbps有源器件和可调谐激光器以及光带宽管理产品将以每年200%以上的速度猛增，到2007年时，销售额将40亿美元以上。

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