光纖通信技術進展
訊石光通訊網
2010/7/21 0:55:32
一 引言 隨著Internet的迅速普及以及寬帶綜合業(yè)務數字網(B-ISDN)的快速發(fā)展，人們對信息的需求呈現出爆炸性的增長，幾乎是每半年翻一番。 在這樣的背景下，信息高速公路建設已成為世界性熱潮。而作為信息高速公路的核心和支柱的光纖通信技術更是成為重中之重。很多國家和地區(qū)不遺余力地斥巨資發(fā)展光纖通信技術及其產業(yè)，光纖通信事業(yè)得到了空前發(fā)展。此外，由于信息的生產、傳播、交換以及應用對國民經濟和國家安全有決定性的影響，所以，與其它行業(yè)相比，光纖通信更具有特殊意義。 光纖通信事業(yè)是一個巨大的系統工程。它的各個組成部分互為依存、互相推動，共同向前發(fā)展。就光纖通信技術本身來說，應該包括以下幾個主要部分:光纖光纜技術、傳輸技術、光有源器件、光無源器件以及光網絡技術等。
二 光纖光纜技術的進展 光纖技術的進步可以從兩個方面來說明: 一是通信系統所用的光纖; 二是特種光纖。 早期光纖的傳輸窗口只有3個，即850nm(第一窗口)、1310nm(第二窗口)以及1550nm(第三窗口)。近幾年相繼開發(fā)出第四窗口(L波段)、第五窗口(全波光纖)以及S波段窗口。其中特別重要的是無水峰的全波窗口。這些窗口開發(fā)成功的巨大意義就在于從1280nm到1625nm的廣闊的光頻范圍內，都能實現低損耗、低色散傳輸，使傳輸容量幾百倍、幾千倍甚至上萬倍的增長。這一技術成果將帶來巨大的經濟效益。 另一方面是特種光纖的開發(fā)及其產業(yè)化，這是一個相當活躍的領域。
特種光纖具體有以下幾種:
1. 有源光纖 這類光纖主要是指摻有稀土離子的光纖。如摻鉺(Er3+)、摻釹(Nb3+)、摻鐠(Pr3+)、摻鐿(Yb3+)、摻銩(Tm3+)等，以此構成激光活性物質。這是制造光纖光放大器的核心物質。不同摻雜的光纖放大器應用于不同的工作波段，如摻餌光纖放大器(EDFA)應用于1550nm附近(C、L波段); 摻鐠光纖放大器(PDFA)主要應用于1310nm波段; 摻銩光纖放大器(TDFA)主要應用于S波段等。這些摻雜光纖放大器與喇曼(Raman)光纖放大器一起給光纖通信技術帶來了革命性的變化。它的顯著作用是: 直接放大光信號，延長傳輸距離; 在光纖通信網和有線電視網(CATV網)中作分配損耗補償; 此外，在波分復用(WDM)系統中及光孤子通信系統中是不可缺少的關鍵元器件。正因為有了光纖放大器，才能實現無中繼器的百萬公里的光孤子傳輸。也正是有了光纖放大器，不僅能使WDM傳輸的距離大幅度延長，而且也使得傳輸的性能最佳化。
2. 色散補償光纖(Dispersion Compesation Fiber，DCF) 常規(guī)G.652光纖在1550nm波長附近的色散為17ps/nm?km。當速率超過 2.5Gb/s時，隨著傳輸距離的增加，會導致誤碼。若在CATV系統中使用，會使信號失真。其主要原因是正色散值的積累引起色散加劇，從而使傳輸特性變壞。為了克服這一問題，必須采用色散值為負的光纖， 即將反色散光纖串接入系統中以抵消正色散值，從而控制整個系統的色散大小。這里的反色散光纖就是所謂的色散補償光纖。 在1550nm處，反色散光纖的色散值通常在-50~200ps/nm?km。為了得到如此高的負色散值，必須將其芯徑做得很小，相對折射率差做得很大，而這種作法往往又會導致光纖的衰耗增加(0.5~1dB/km)。色散補償光纖是利用基模波導色散來獲得高的負色散值，通常將其色散與衰減之比稱作質量因數，質量因數當然越大越好。為了能在整個波段均勻補償常規(guī)單模光纖的色散，最近又開發(fā)出一種既補償色散又能補償色散斜率的"雙補償"光纖(DDCF)。該光纖的特點是色散斜率之比(RDE)與常規(guī)光纖相同，但符號相反，所以更適合在整個波形內的均衡補償。
3. 光纖光柵(Fiber Grating) 光纖光柵是利用光纖材料的光敏性在紫外光的照射(通常稱為紫外光"寫入")下，于光纖芯部產生周期性的折射率變化(即光柵)而制成的。使用的是摻鍺光纖，在相位掩膜板的掩蔽下，用紫外光照射(在載氫氣氛中)，使纖芯的折射率產生周期性的變化，然后經退火處理后可長期保存。其制作原理如圖2所示。圖2中的相位掩膜板實際上為一塊特殊設計的光柵，其正負一級衍射光相交形成干涉條紋，這樣就在纖芯逐漸產生成光柵。光柵周期A是模板周期的二分之一。 眾所周知，光柵本身是一種選頻器件，利用光纖光柵可以制作成許多重要的光無源器件及光有源器件。例如: 色散補償器、增益均衡器、光分插復用器、光濾波器、光波復用器、光?；蜣D換器、光脈沖壓縮器、光纖傳感器以及光纖激光器等。
4. 多芯單模光纖(Multi-Coremono-Mode Fiber，MCF) 多芯光纖是一個共用外包層、內含有多根纖芯、而每根纖芯又有自己的內包層的單模光纖。這種光纖的明顯優(yōu)勢是成本較低。4芯的這種光纖的生產成本較普通的光纖約低50%。此外，這種光纖可以提高成纜的集成密度，同時也可降低施工成本。 以上是光纖技術在近幾年里所取得的主要成就。至于光纜方面的成就，我們認為主要表現在帶狀光纜的開發(fā)成功及批量化生產方面。這種光纜是光纖接入網及局域網中必備的一種光纜。目前光纜的含纖數量達千根以上，有力地保證了接入網的建設。
三 光有源器件的進展 光有源器件的研究與開發(fā)本來是一個最為活躍的領域，但由于前幾年已取得輝煌的成果，所以當今的活動空間已大大縮小。超晶格結構材料與量子阱器件，目前已完全成熟，而且可以大批量生產，已完全商品化，如多量子阱激光器(MQW-LD，MQW-DFBLD)。
除此之外，目前已在下列幾方面取得重大成就。
1. 集成器件 這里主要指光電集成(OEIC)已開始商品化，如分布反饋激光器(DFB-LD)與電吸收調制器(EAMD)的集成，即DFB-EA，已開始商品化; 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、金屬?半導體?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. 垂直腔面發(fā)射激光器(VCSEL) 由于便于集成和高密度應用，垂直腔面發(fā)射激光器受到廣泛重視。這種結構的器件已在短波長(ALGaAs/GaAs)方面取得巨大的成功，并開始商品化; 在長波長(InGaAsF/InP)方面的研制工作早已開始進行，目前也有少量商品?？梢詳嘌?，垂直腔面發(fā)射激光器將在接入網、局域網中發(fā)揮重大作用。
3. 窄帶響應可調諧集成光子探測器 由于DWDM光網絡系統信道間隔越來越小，甚至到0.1nm。為此，探測器的響應譜半寬也應基本上達到這個要求。恰好窄帶探測器有陡銳的響應譜特性，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強(RCE)型探測器能提供一個重要的全面解決方案。
4. 基于硅基的異質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點。眾所周知，硅(Si)、鍺(Ge)是簡接帶源材料，發(fā)光效率很低，不適合作光電子器件，但是Si材料的半導體工藝非常成熟。于是人們設想，利用能帶剪裁工程使物質改性，以達到在硅基基礎上制作光電子器件及其集成(主要是實現光電集成，即OEIC)的目的，這方面已取得巨大成就。在理論上有眾多的創(chuàng)新，在技術上有重大的突破，器件水平日趨完善。
四 光無源器件 光無源器件與光有源器件同樣是不可缺少的。由于光纖接入網及全光網絡的發(fā)展，導致光無源器件的發(fā)展空前地熱門。常規(guī)的常用器件已達到一定的產業(yè)規(guī)模，品種和性能也得到了極大的擴展和改善。所謂光無源器件就是指光能量消耗型器件、其種類繁多、功能各異，在光通信系統及光網絡中主要的作用是: 連接光波導或光路; 控制光的傳播方向; 控制光功率的分配; 控制光波導之間、器件之間和光波導與器件之間的光耦合; 合波與分波; 光信道的上下與交叉連接等。 早期的幾種光無源器件已商品化。其中光纖活動連接器無論在品種和產量方面都已有相當大的規(guī)模，不僅滿足國內需要，而且有少量出口。光分路器(功分器)、光衰減器和光隔離器已有小批量生產。隨著光纖通信技術的發(fā)展，相繼又出現了許多光無源器件，如環(huán)行器、色散補償器、增益平衡器、光的上下復用器、光交叉連接器、陣列波導光柵CAWG等等。這些都還處于研發(fā)階段或試生產階段，有的也能提供少量商品。 按光纖通信技術發(fā)展的一般規(guī)律來看，當光纖接入網大規(guī)模興建時，光無源器件的需求量遠遠大于對光有源器件的需求。這主要是由于接入網的特點所決定的。接入網的市場約為整個通信市場的三分之一。因而，接入網產品有巨大的市場及潛在的市場。
五 光復用技術 光復用技術種類很多，其中最為重要的是波分復用(WDM)技術和光時分復用(OTDM)技術。光復用技術是當今光纖通信技術中最為活躍的一個領域，它的技術進步極大地推動光纖通信事業(yè)的發(fā)展，給傳輸技術帶來了革命性的變革。 波分復用當前的商業(yè)水平是273個或更多的波長，研究水平是1022個波長(能傳輸368億路電話)，近期的潛在水平為幾千個波長，理論極限約為15000個波長(包括光的偏振模色散復用，OPDM)。據1999年5月多倫多的Light Management Group Inc of Toronto演示報導，在一根光纖中傳送了65536個光波，把PC數字信號傳送到200m的廣告板上，并采用聲光控制技術，這說明了密集波分復用技術的潛在能力是巨大的。 OTDM是指在一個光頻率上，在不同的時刻傳送不同的信道信息。這種復用的傳輸速度已達到320Gb/s的水平。若將DWDM與OTDM相結合，則會使復用的容量增加得更大，如虎添翼。
六 光放大技術 光放大器的開發(fā)成功及其產業(yè)化是光纖通信技術中的一個非常重要的成果，它大大地促進了光復用技術、光孤子通信以及全光網絡的發(fā)展。顧名思義，光放大器就是放大光信號。在此之前，傳送信號的放大都是要實現光電變換及電光變換，即O/E/O變換。有了光放大器后就可直接實現光信號放大。 光放大器主要有3種: 光纖放大器、拉曼放大器以及半導體光放大器。光纖放大器就是在光纖中摻雜稀土離子(如鉺、鐠、銩等)作為激光活性物質。每一種摻雜劑的增益帶寬是不同的(如圖4所示)。摻鉺光纖放大器的增益帶較寬，覆蓋S、C、L頻帶; 摻銩光纖放大器的增益帶是S波段; 摻鐠光纖放大器的增益帶在1310nm附近。而喇曼光放大器則是利用喇曼散射效應制作成的光放大器，即大功率的激光注入光纖后，會發(fā)生非線性效應?喇曼散射。在不斷發(fā)生散射的過程中， 把能量轉交給信號光，從而使信號光得到放大。由此不難理解，喇曼放大是一個分布式的放大過程，即沿整個線路逐漸放大的。其工作帶寬可以說是很寬的，幾乎不受限制。這種光放大器已開始商品化了，不過相當昂貴。半導體光放大器(S0A)一般是指行波光放大器，工作原理與半導體激光器相類似。其工作帶寬是很寬的(見圖4)。但增益幅度稍小一些，制造難度較大。這種光放大器雖然已實用了，但產量很小。
以上，我們系統、全面地評論了光纖通信技術的重大進展，至于光纖通信技術的發(fā)展方向，可以概括為兩個方面: 一是超大容量、超長距離的傳輸與交換技術; 二是全光網絡技術．
二 光纖光纜技術的進展 光纖技術的進步可以從兩個方面來說明: 一是通信系統所用的光纖; 二是特種光纖。 早期光纖的傳輸窗口只有3個，即850nm(第一窗口)、1310nm(第二窗口)以及1550nm(第三窗口)。近幾年相繼開發(fā)出第四窗口(L波段)、第五窗口(全波光纖)以及S波段窗口。其中特別重要的是無水峰的全波窗口。這些窗口開發(fā)成功的巨大意義就在于從1280nm到1625nm的廣闊的光頻范圍內，都能實現低損耗、低色散傳輸，使傳輸容量幾百倍、幾千倍甚至上萬倍的增長。這一技術成果將帶來巨大的經濟效益。 另一方面是特種光纖的開發(fā)及其產業(yè)化，這是一個相當活躍的領域。
特種光纖具體有以下幾種:
1. 有源光纖 這類光纖主要是指摻有稀土離子的光纖。如摻鉺(Er3+)、摻釹(Nb3+)、摻鐠(Pr3+)、摻鐿(Yb3+)、摻銩(Tm3+)等，以此構成激光活性物質。這是制造光纖光放大器的核心物質。不同摻雜的光纖放大器應用于不同的工作波段，如摻餌光纖放大器(EDFA)應用于1550nm附近(C、L波段); 摻鐠光纖放大器(PDFA)主要應用于1310nm波段; 摻銩光纖放大器(TDFA)主要應用于S波段等。這些摻雜光纖放大器與喇曼(Raman)光纖放大器一起給光纖通信技術帶來了革命性的變化。它的顯著作用是: 直接放大光信號，延長傳輸距離; 在光纖通信網和有線電視網(CATV網)中作分配損耗補償; 此外，在波分復用(WDM)系統中及光孤子通信系統中是不可缺少的關鍵元器件。正因為有了光纖放大器，才能實現無中繼器的百萬公里的光孤子傳輸。也正是有了光纖放大器，不僅能使WDM傳輸的距離大幅度延長，而且也使得傳輸的性能最佳化。
2. 色散補償光纖(Dispersion Compesation Fiber，DCF) 常規(guī)G.652光纖在1550nm波長附近的色散為17ps/nm?km。當速率超過 2.5Gb/s時，隨著傳輸距離的增加，會導致誤碼。若在CATV系統中使用，會使信號失真。其主要原因是正色散值的積累引起色散加劇，從而使傳輸特性變壞。為了克服這一問題，必須采用色散值為負的光纖， 即將反色散光纖串接入系統中以抵消正色散值，從而控制整個系統的色散大小。這里的反色散光纖就是所謂的色散補償光纖。 在1550nm處，反色散光纖的色散值通常在-50~200ps/nm?km。為了得到如此高的負色散值，必須將其芯徑做得很小，相對折射率差做得很大，而這種作法往往又會導致光纖的衰耗增加(0.5~1dB/km)。色散補償光纖是利用基模波導色散來獲得高的負色散值，通常將其色散與衰減之比稱作質量因數，質量因數當然越大越好。為了能在整個波段均勻補償常規(guī)單模光纖的色散，最近又開發(fā)出一種既補償色散又能補償色散斜率的"雙補償"光纖(DDCF)。該光纖的特點是色散斜率之比(RDE)與常規(guī)光纖相同，但符號相反，所以更適合在整個波形內的均衡補償。
3. 光纖光柵(Fiber Grating) 光纖光柵是利用光纖材料的光敏性在紫外光的照射(通常稱為紫外光"寫入")下，于光纖芯部產生周期性的折射率變化(即光柵)而制成的。使用的是摻鍺光纖，在相位掩膜板的掩蔽下，用紫外光照射(在載氫氣氛中)，使纖芯的折射率產生周期性的變化，然后經退火處理后可長期保存。其制作原理如圖2所示。圖2中的相位掩膜板實際上為一塊特殊設計的光柵，其正負一級衍射光相交形成干涉條紋，這樣就在纖芯逐漸產生成光柵。光柵周期A是模板周期的二分之一。 眾所周知，光柵本身是一種選頻器件，利用光纖光柵可以制作成許多重要的光無源器件及光有源器件。例如: 色散補償器、增益均衡器、光分插復用器、光濾波器、光波復用器、光?；蜣D換器、光脈沖壓縮器、光纖傳感器以及光纖激光器等。
4. 多芯單模光纖(Multi-Coremono-Mode Fiber，MCF) 多芯光纖是一個共用外包層、內含有多根纖芯、而每根纖芯又有自己的內包層的單模光纖。這種光纖的明顯優(yōu)勢是成本較低。4芯的這種光纖的生產成本較普通的光纖約低50%。此外，這種光纖可以提高成纜的集成密度，同時也可降低施工成本。 以上是光纖技術在近幾年里所取得的主要成就。至于光纜方面的成就，我們認為主要表現在帶狀光纜的開發(fā)成功及批量化生產方面。這種光纜是光纖接入網及局域網中必備的一種光纜。目前光纜的含纖數量達千根以上，有力地保證了接入網的建設。
三 光有源器件的進展 光有源器件的研究與開發(fā)本來是一個最為活躍的領域，但由于前幾年已取得輝煌的成果，所以當今的活動空間已大大縮小。超晶格結構材料與量子阱器件，目前已完全成熟，而且可以大批量生產，已完全商品化，如多量子阱激光器(MQW-LD，MQW-DFBLD)。
除此之外，目前已在下列幾方面取得重大成就。
1. 集成器件 這里主要指光電集成(OEIC)已開始商品化，如分布反饋激光器(DFB-LD)與電吸收調制器(EAMD)的集成，即DFB-EA，已開始商品化; 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、金屬?半導體?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. 垂直腔面發(fā)射激光器(VCSEL) 由于便于集成和高密度應用，垂直腔面發(fā)射激光器受到廣泛重視。這種結構的器件已在短波長(ALGaAs/GaAs)方面取得巨大的成功，并開始商品化; 在長波長(InGaAsF/InP)方面的研制工作早已開始進行，目前也有少量商品?？梢詳嘌?，垂直腔面發(fā)射激光器將在接入網、局域網中發(fā)揮重大作用。
3. 窄帶響應可調諧集成光子探測器 由于DWDM光網絡系統信道間隔越來越小，甚至到0.1nm。為此，探測器的響應譜半寬也應基本上達到這個要求。恰好窄帶探測器有陡銳的響應譜特性，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強(RCE)型探測器能提供一個重要的全面解決方案。
4. 基于硅基的異質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點。眾所周知，硅(Si)、鍺(Ge)是簡接帶源材料，發(fā)光效率很低，不適合作光電子器件，但是Si材料的半導體工藝非常成熟。于是人們設想，利用能帶剪裁工程使物質改性，以達到在硅基基礎上制作光電子器件及其集成(主要是實現光電集成，即OEIC)的目的，這方面已取得巨大成就。在理論上有眾多的創(chuàng)新，在技術上有重大的突破，器件水平日趨完善。
四 光無源器件 光無源器件與光有源器件同樣是不可缺少的。由于光纖接入網及全光網絡的發(fā)展，導致光無源器件的發(fā)展空前地熱門。常規(guī)的常用器件已達到一定的產業(yè)規(guī)模，品種和性能也得到了極大的擴展和改善。所謂光無源器件就是指光能量消耗型器件、其種類繁多、功能各異，在光通信系統及光網絡中主要的作用是: 連接光波導或光路; 控制光的傳播方向; 控制光功率的分配; 控制光波導之間、器件之間和光波導與器件之間的光耦合; 合波與分波; 光信道的上下與交叉連接等。 早期的幾種光無源器件已商品化。其中光纖活動連接器無論在品種和產量方面都已有相當大的規(guī)模，不僅滿足國內需要，而且有少量出口。光分路器(功分器)、光衰減器和光隔離器已有小批量生產。隨著光纖通信技術的發(fā)展，相繼又出現了許多光無源器件，如環(huán)行器、色散補償器、增益平衡器、光的上下復用器、光交叉連接器、陣列波導光柵CAWG等等。這些都還處于研發(fā)階段或試生產階段，有的也能提供少量商品。 按光纖通信技術發(fā)展的一般規(guī)律來看，當光纖接入網大規(guī)模興建時，光無源器件的需求量遠遠大于對光有源器件的需求。這主要是由于接入網的特點所決定的。接入網的市場約為整個通信市場的三分之一。因而，接入網產品有巨大的市場及潛在的市場。
五 光復用技術 光復用技術種類很多，其中最為重要的是波分復用(WDM)技術和光時分復用(OTDM)技術。光復用技術是當今光纖通信技術中最為活躍的一個領域，它的技術進步極大地推動光纖通信事業(yè)的發(fā)展，給傳輸技術帶來了革命性的變革。 波分復用當前的商業(yè)水平是273個或更多的波長，研究水平是1022個波長(能傳輸368億路電話)，近期的潛在水平為幾千個波長，理論極限約為15000個波長(包括光的偏振模色散復用，OPDM)。據1999年5月多倫多的Light Management Group Inc of Toronto演示報導，在一根光纖中傳送了65536個光波，把PC數字信號傳送到200m的廣告板上，并采用聲光控制技術，這說明了密集波分復用技術的潛在能力是巨大的。 OTDM是指在一個光頻率上，在不同的時刻傳送不同的信道信息。這種復用的傳輸速度已達到320Gb/s的水平。若將DWDM與OTDM相結合，則會使復用的容量增加得更大，如虎添翼。
六 光放大技術 光放大器的開發(fā)成功及其產業(yè)化是光纖通信技術中的一個非常重要的成果，它大大地促進了光復用技術、光孤子通信以及全光網絡的發(fā)展。顧名思義，光放大器就是放大光信號。在此之前，傳送信號的放大都是要實現光電變換及電光變換，即O/E/O變換。有了光放大器后就可直接實現光信號放大。 光放大器主要有3種: 光纖放大器、拉曼放大器以及半導體光放大器。光纖放大器就是在光纖中摻雜稀土離子(如鉺、鐠、銩等)作為激光活性物質。每一種摻雜劑的增益帶寬是不同的(如圖4所示)。摻鉺光纖放大器的增益帶較寬，覆蓋S、C、L頻帶; 摻銩光纖放大器的增益帶是S波段; 摻鐠光纖放大器的增益帶在1310nm附近。而喇曼光放大器則是利用喇曼散射效應制作成的光放大器，即大功率的激光注入光纖后，會發(fā)生非線性效應?喇曼散射。在不斷發(fā)生散射的過程中， 把能量轉交給信號光，從而使信號光得到放大。由此不難理解，喇曼放大是一個分布式的放大過程，即沿整個線路逐漸放大的。其工作帶寬可以說是很寬的，幾乎不受限制。這種光放大器已開始商品化了，不過相當昂貴。半導體光放大器(S0A)一般是指行波光放大器，工作原理與半導體激光器相類似。其工作帶寬是很寬的(見圖4)。但增益幅度稍小一些，制造難度較大。這種光放大器雖然已實用了，但產量很小。
以上，我們系統、全面地評論了光纖通信技術的重大進展，至于光纖通信技術的發(fā)展方向，可以概括為兩個方面: 一是超大容量、超長距離的傳輸與交換技術; 二是全光網絡技術．
新聞來源：中國光學網