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「英文」
「中文」全光网络中的光器件
    21世纪将是"信息时代",随着社会的发展,对通信的需求不断上升,通信技术也在突飞猛进的发展。信息的传输和交换正由电光网络向全光网络发展。全光网络以光纤为传输媒介,采用光波分复用(WDM)技术提高网络的传输容量。然而,WDM技术的进步主要依赖光器件的进步。

光纤通信网络方面的技术与光器件方面的发展是相辅相成的。光通信网络的发展既受限于光器件的发展,同时又对光器件的发展提出更新更高的要求;而光器件的发展又必将推动光通信网络快速发展。

在目前技术状况下,构成全光网的光器件大致可分为三大类,即:有源光器件、无源光器件和光子集成器件。

有源光器件

激光器 DWDM系统是构成全光网的基础。DWDM要求的激光器,应能满足多波长、可调谐、高功率等要求。DWDM光网络有非常严格的波长间隔和标准波长,已实用的LD器件输出光波长包含了C波段(1530~1570)和L波段(1570~1610)目前DWDM光源的技术特点和技术状况如表1所示。

探测器 满足全光网要求的光探测器正向着高灵敏度、宽带接收和高响应速度方向发展。目前,PIN光电管在1550 nm窗口可提供1A/W的灵敏度。基于InP的光电管是宽带接收器件,用于1310nm和1550nm两个传输窗口。

光放大器 光发大器是解决光网络长距离无中继的关键器件。目前已实用化的光放大器有掺铒光纤放大器(EDFA)、半导体激光放大器(SOA)和受激拉曼放大器。EDFA主要是解决增益平坦问题和降低噪声问题。代表EDFA器件最高水平的是已做出在C和L波段的35 nm窗口增益平坦度均优于1.5dB,新一代改进的EDFA的放大范围将大于50 nm,最终目标是研制出可放大整个C+L波段的光放大器。随着通信系统容量的增加,对放大器的质量要求也在不断提高,即要设法降低光放大器的噪声。有关研究表明,拉曼放大器与EDFA器件的结合可能提供虚拟的"无噪声"光放大器。增益为10 dB左右的半导体激光放大器SOA芯片已面世多年,目前正向着构筑InP SOA芯片阵列来完成光选路功能(无损交换),此类器件的交换速度可达秒级,最大优点是阵列规模可变,且当他与平面封装技术结合时,可大大降低成本。

路由选择器 全光路由选择和保护是真正实现全光交换的关键。这种关键器件包括光分插单元(它可以抽出和/或插入一个或多个波长)和光交叉连接(用光交换提供比特率和协议透明性)设备。全光交换机的主要优点在于它具有可扩展性,能降低成本,并能提高业务速度。全光交换机能够在一个端口透明地交换一个任意速率和协议的波长,或一束波长,甚至是包括所有波长的整根光纤。目前的技术进步正在促进光交换技术的不断成熟和向高可靠性和可扩展性方向发展,使之更易于管理。

波长选择器 波长选择器主要是要完成在多个波长选出某个特定波长功能。目前在DWDM系统中多数采用的是选择滤波器,新型的可调谐滤波器将采用SOA列阵与阵列波导技术来制作,有报道这种新型波长选择器可以在16个信道中选择一个或多个信道,每个信道间隔为100GHz,损耗为0 dB。

波长转换器 波长转换器是解决相同波长争同一个端口时的信息阻塞的关键。理想的光波长转换器应具备有较高速率(10Gb/s以上)、较宽的波长转换范围、高的信噪比、高的消光比且与偏振无关。表2给出了现有的几种波长转换器的构成方式及性能比较。

在上述波长转换器方案中,基于LD和光纤的波长转换器与基于SOA的波长转换器相比,存在许多不足,性能也难以同步提高。因此目前研究的主方向是用SOA作非线性器件,并向光学集成化方向发展。

光无源器件和光子集成

在全光网络中,光无源器件包括常规的光连接器、耦合器、光开关、光纤光栅器件和WDM器件。其中最重要的器件是用作传输和路选WDM信号的光滤波器。目前已开发出来的这类器件有以下四种。

● 由多叠层介质构成的介质滤波器,采用层的结构使滤波器工作在特定波长;

● 光纤布拉格(FBG)光栅滤波器;

● 列阵波导滤波器;

● 法-珀微光腔滤波器;

随着平面光波导技术、光纤光栅及其光子集成技术的出现,使应用于基于WDM系统的全光网络的光学器件朝着全光纤化和系统集成化方向发展。

光纤光栅是利用光纤的光敏特性在诱导光的作用下,使光纤内部折射率发生变化而形成的光栅。光纤光栅可分成固定周期光栅和可变周期光栅两类。光纤光栅的周期、长度和调制强度决定光纤光栅的反射率和带宽。由于光纤光栅具有有效的选频特性,故光纤光栅在频域中呈现出丰富的传输特性。自1978年Hill等人用阶跃单模光纤率先制出窄带高反射率Bragg光纤光栅滤波器后,由于光纤光栅与光纤通信系统易于连接且耦合损耗小等优点,而使其成为光纤器件的研究热点。目前用于光纤通信系统中,由光纤光栅构成的光学器件有:光纤激光器、光纤放大器、光纤调制器、光纤滤波器、光纤选频耦合器、可调谐光纤滤波器以及Chirp光栅色散补偿器等。

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、能与光通信光纤兼容、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。作为应用的例子,T. Morioka等人报导了从超连续WDM光源发出的光信号(100Gb/s??0信道),成功地在一个使用400GHz信道间隔的阵列波导光栅构成的波分复用/解复用的WDM系统中传输了40km。系统中使用的是色散位移光纤。I.P. Kaminow 等人也报导了用光子集成器件构成的WDM系统在宽带城域网中的试验情况。这些是光子集成器件的典型应用,随着光子集成器件的不断成熟,将会有更多的实际应用。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、光计算及正开始实施的信息高速公路计划中将有广阔的应用前景。

市场预测

随着信息产业的飞速发展,光网络市场的需求,据预测,光交换系统在全球远程通信市场中将具有长期需求。在光纤网络得到广泛应用的北美和欧洲地区,光交换系统的市场需求在未来5年中,将为设备提供商创造总共10亿美元的市场机会。北美地区的光交换系统市场,在2000年将达到4.27亿美元,到 2004年,预计会超过100亿美元。欧洲的光交换系统市场也将从2000年的l.16亿美元增长至2004年的40亿美元。

CIR(Communications Industry Researchers)公司的一份最新研究报告指出,未来在光器件领域将会有大的发展机会,这些器件包括光交换机、可调谐激光器和光连接器等。在未来一年业务提供商将加快光交换机和光交叉连接设备的应用。CIR预计,在集成光解决方案的推动下,到2004年美国的光交换器件和子系统市场将会从现在的2.47亿美元增加到20亿美元。可调谐激光器是光器件市场中的另一个充满机遇的领域。DWDM和全光设备的发展会使所有的光连接器生产商都得到大的发展机遇。图1是CIR公司给出的光器件领域的增长机遇。

根据光纤市场研究机构KMI公司的一份最新研究报告,到2005年光缆的铺设量将增加40%,传输设备的安装量将增长近一倍,相应的光连接硬件市场将会达到60亿美元。从2001年起到2005年,单模连接器的复合年增长率将达到45%。

总之,新型光器件的出现将促进全光网络的快速发展,而全光网络的实用化又将给光器件的发展带来机遇。我们有理由相信,21世纪是信息时代,也必将是光信息时代。


 

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