全光网的关键元件发展简述

54 阅读 0 评论 36 点赞

我是靠谱客的博主淡定书本，最近开发中收集的这篇文章主要介绍全光网的关键元件发展简述，觉得挺不错的，现在分享给大家，希望可以做个参考。

概述

跨入新世纪，人类社会的信息化建设仍在加速进行。自光纤通信从八十年代中期进入实用化后，尤其是光纤通信的波分复用系统(WDM)进入实际应用阶段后，两根光纤上已可开通32、64甚至100多个通道，每个通道可开通2.5Gb/s系统或10Gb/s系统。目前每两根光纤开通32×10Gb/s系统甚至160×10Gb/s的系统也已进入商业化，在实验室通信中，最高容量已经达到了256×42.7Gb/s共10.2Tb/s，如果按照64Kb/s一个数字话路计算则已达到1亿7千万话路。这在人类通信史上光纤通信容量是空前巨大的，而价格是空前低廉的。可以毫不夸张地说光纤通信网是人类信息社会的基石。

即使是在目前全球经济发展不景气的情况下，通信和信息行业也十分红火。光通信仍在呈现着蓬勃发展的新局面，随着上网人口快速成长，亚洲、中南美洲等许多开发中国家也开始渐渐重视光纤网络建设，全球市场仍然是充满了机会。由于DWDM系统具有易于扩充频宽的特性，其未来在短距离网络市场的商机也不可忽视。根据ＫＭＩ最新的研究结果，虽然在光通讯产业普遍不景气的环境下，2001年全球DWDM设备市场产值衰退了71亿美元，较去年下降14%，然而这一波的衰退主要集中在长途网络设备上，而目前正兴起的城域网络、接入网络等短距离网络，反而较去年成长了63%。光纤网络正朝着高速、超高速光纤传输、超大容量的ＷＤＭ、ＯＴＤＭ以及全光网等方向发展。但这些系统的实现还依赖于相应的光电子技术的进步。一系列的光电子器件将在未来的通信网中起着重要的作用，因而各国从事光电子器件的研究者都在努力开发各种高性能器件，研究其材料及工艺，取得了很多的丰硕成果。

新一代网路的特性

适应未来上网人数的持续增加，在频宽与路由的速度上将有更高的需求，同时各种网路应用服务如存储网络（Storage-area networks ，SANs）等等的导入，也将带动网络朝向更高的调度弹性发展。因此新一代网络除了传输速度、距离的提升之外，还必须对各种信号，如SDH、ATM、IP等等具有通透性，同时能够提供频宽的动态配置，以应付复杂且大量的信息调度。基于这样的概念，新一代网络必将结合DWDM系统、可调式元件技术（Tunable Technology）、积体技术等，建造全光传输的网络，提供一个灵活、可靠、性能稳定的网络。

但目前全光网路发展中最待突破的瓶颈，一是在于光交换技术的发展，二是在于波长监控技术的发展。在光交换技术方面，主要的应用有两种：光交叉连接（OXC）与光分插复用器（OADM）。OXC主要用于长途网路和大型都会网路的汇接点，OADM最佳的使用地点则是大型城域网络的DWDM系统，两者搭配起来可以取代DCS在电层的管理模式，直接在光层进行交叉联结、保护和恢复，以及光通道管理。

在波长监控方面，为了管理复杂的城域网络，服务提供者必须能监测每个波长的行为，才能在光层做频宽的调拨，因此在现行的DWDM系统中，必须在需要大量信息路由（Internet Traffic Routing）的节点上设置光纤监管系统（Optical Performance Monitor，OPM），监控波长的调拨情形，再搭配OADM或OXC的交换功能，使服务提供者得以在实体层次执行波长的路由控制，弹性调度频宽。同时，透过对波长参数如相位飘移、功率变化与讯噪比等的监测，可得知线路劣化情形，达到先期预警、即时故障回复、自愈保护等功能。

借由光光交叉连接（OXC）、光分插复用器（OADM）及光纤监视管理系统（OPM）等设备，可以做到全光层次的波长路由选择、光交叉连接、自愈保护等功能，不但简化了传统光电转换的架构，也解除了电运算的速度瓶颈，正可说是实现全光网络的关键设备。

实现全光网路的关键元器件

目前为止这几种光网络设备还未进入商用化的阶段，究其原因主要是网络传输标准的发展未完善，另一方面则是由于光元件的技术发展也还待突破。从元件的角度来看，未来光网络设备与系统发展的关键元件包含了光开关、可调式激光与可调式滤波器等，下面将针对这些元件分别介绍。

光开关（Optical Switch）

光开关是新一代全光网络的关键元件，主要应用在光交换设备中，实现全光层次的路由选择、波长选择、光交叉连接、自愈保护等功能。在目前也是一个相当热门的研究领域。

在众多技术之中，MEMS技术由于可在极小的晶片上排列大规模机械矩阵，因此解决了OXC发展中容量限制瓶颈的一大问题，同时在技术不断改进之后，MEMS switch的回应速度和可靠性也大大提升。因此，从目前的情况来看，利用MEMS设计的OXC，极有可能成为今后OXC的主要发展方向。按照目前各家大型多通道光开关制造商的研发时程来看，2003至2004年间将可见商用的MEMS光开关应用在OXC系统上。

可调式激光源（Tunable Laser）

目前的DWDM系统普遍已经达到32路，甚至40路波长波分复用，若在这种情形下使用固定波长的激光源，则40个波长就要搭配40个激光源，再加上每个波长都要准备3至5个备品，将形成庞大的成本负担，对于系统的可靠度也是挑战。如果采用可调式激光源，就可以1颗激光器取代多个固定波长之激光，同时备品总共也只需要3至5颗即可，大大的降低了系统成本。

能实现可调式的激光源主要有３种，即超周期结构光栅形ＤＢＲ（ＳＳＧＤＢＲ）激光器、取样光栅耦合器反射器（ＧＣＳＲ）激光器和取样光栅ＤＢＲ（ＳＧＤＢＲ）激光器。它们的ＣＷ调谐范围都大于４０ｎｍ，最大可达１００ｎｍ。其中ＳＧＤＢＲ和ＳＳＧＤＢＲ很容易与调制器集成。美加州大学在ＯＦＣ’９９上报道了ＥＡ调制器与宽调谐激光器的集成。激光器采用ＳＧＤＢＲ结构，该集成光源的特性为：Ｉｔｈ为２０ｍＡ，当注入电流为７５ｍＡ时输出功率１．２ｍｗ，ＣＷ可调范围为４１ｎｍ，可产生５１个不同的波长信道，信道间隔１００ＧＨｚ，在整个调谐范围内ＳＭＳＲ＞３５ｄＢ，前后镜面的最大调谐电流分别为２０．５和２３．５ｍＡ，当偏压为－４．０Ｖ时所有波长上的消光比都大于２２ｄＢ。

为了降低ＷＤＭ光源的成本，日本ＮＥＣ公司在一块晶片上制成了具有不同波长的ＤＦＢ激光器／调制器集成光源。该器件的制作工艺有两大改进，一是采用了最近研制成的电场－大小－变化的电子束光刻技术，它能将光栅周期控制在0.0012ｎｍ范围内；二是窄条选择的ＭＯＶＰＥ技术，可以控制每一信道上激光器有源层和调制器吸收层的带隙波长。激光器为ＭＱＷ结构。所制成的集成器件在1.523μｍ～1.585μｍ的波长范围内有４０个信道，间隔为２００ＧＨｚ，标准偏差0.39ｎｍ。具有很均匀的激射特性和调制特性，阈值电流10ｍＡ，－２Ｖ时的消光比为20ｄＢ，ＳＭＳＲ大于35ｄＢ，注入电流100ｍＡ时输出光功率大于４ｍｗ，３ｄＢ调制带宽为3.8ＧＨｚ。该器件经2.5Ｇｂｉｔ／ｓ、６００ｋｍ的光纤传输后的功率代价小于１ｄＢ。

可调式激光技术目前发展并不成熟，大部分产品都处在实验室阶段或试用初期。首先必须在输出功率和调节范围之间做取舍；其次大部分产品还不适合大规模生产。另外如何以便捷的方法来测试如此多的波长，最后控制电路也是个问题，因此在这方面的研究还在进行。

可调式激光在未来光网路中的应用主要表现在动态波长分配，通过可调激光以及可调滤波器等主被动元件，实现基于波长的通道分配。对于小于16个节点的都会网路，利用可调激光可以提供简单可靠的光网络方案，而更大的网络架构可同时结合OXC。目前Alcatel和Marconi均已推出此类光网络方案。

可调式滤波器（Tunable Filter）

可调式滤波器的发展对于推动全光网络架构扮演着决定性的角色。发展全光网络的一个先决条件是必须做到光层面的网络监控与管理，以目前的技术而言，若要对光讯号做控管，必须先将光讯号拾取后，经过光电转换，才能做下一步的讯号监控或路由控制。然而，这种方式不但所需的设备昂贵，且线路复杂、管理不易，随着网络讯务的快速增加，显然是没有经济效益的。利用可调式滤波器为基础的OPM，则不须针对每一个波长分别建置光电转换及监测设备，只需要透过可调式滤波器，将要处理的波长筛选出来即可，因此可大大简化光纤监管系统的架构。

传统的tunable OADM必须用波分复用器将所有波长分别独立，再透过电路控制选择要下载的波长，如果用可调式滤波器来取代波分复用器，则不须将个别波长分别独立，只需使用一个可调式滤波器将要下载的波长筛选出来即可。

由于技术尚未完全成熟，可调式滤波器的价格目前仍然相当昂贵，这同时也是OPM还无法商用化的原因。目前最被看好的技术是声光式可调滤波器（AOTF，Acousto-Optic Tunable Filter），其原理是将声波信号加于光的传播介质，使光在特定的正交方向产生绕射现象，此时使用偏振器即可从入射光束（主信号）中分离出一个或多个波长的光信号。当一次取出多个波长的光信号，便可重复使用多个AOTF，以获得各个所需波长的光信号。除AOTF之外，其他的技术还包含微机电式（MEMS）、阵列波导式（AWG）及布拉格光纤光栅式（FBG）等，都各有厂商投入研发，预期在一两年内，将可以达到商用化阶段，届时透过可调式滤波器与OPM、OADM或OXC的结合，全光网路系统的强大功能将可以完全发挥出来。

光接收器件

光接收器件是高速大容量传输系统中必不可少的器件，对其研究从未间断，其中日本尤为突出，速率为2.5Ｇｂｉｔ／ｓ、10Ｇｂｉｔ／ｓ的接收器件已实用化，最高研制速率为100Ｇｂｉｔ／ｓ。低成本、塑料光纤ＬＡＮ用和光接入系统用的2.5Ｇｂｉｔ／ｓ的收、发模块等也已研制成功，已可满足高速大容量干线系统、中短距离等传输系统的需求。

日本ＮＥＣ公司研制成可用于光接入系统、干线系统的波导型光电二级管。与常规表面受光的光电二极管相比，波导型光电二极管具有适于表面安装、成本低、在低偏压情况下量子效率高和在高速响应时可实现高量子效率等优点。该器件的特性是：波长1.55μｍ时，外量子效率为77％；Ｐｎ结电容非常小，约30ｆＦ；３ｄＢ截止频率为41ＧＨｚ，用于40Ｇｂｉｔ／ｓ光接收机中具有足够的带宽。

日本电气公司研制的ＩｎＧａＡｓ四元量子阱台面型及平面型ＳＬ（超晶格）－ＡＰＤ可用于10Ｇｂｉｔ／ｓ系统。Ｐ－ＩｎＡｌＧａＡｓ光吸收层、ｎ－ＩｎＧａＡｓ／ＩｎＡｌＡｓ超晶格倍增层及Ｐ＋－ＩｎＰ缓冲层为其基本结构。台面型器件的特点是采用聚酰亚胺钝化工艺，容易操作；而平面型器件是采用Ｔｉ离子注入保护环结构，特点是可靠性高，但它的暗电流比台面型器件的稍大。

为了使器件结构最佳，需考虑的因素如下：10Ｇｂｉｔ／ｓ系统要求所用器件的增益带宽乘积在120ＧＨｚ以上，根据超晶格倍增层厚度与增益带宽乘积的关系，倍增层厚度应小于0.25μｍ。由于倍增层薄，倍增上升时间缩短而得到高速特性。但在实际的器件中，当倍增层薄时，随着倍增电场强度增加，隧道电流明显增加，因此，倍增层厚度不能小于0.23μｍ；根据光吸收层厚度与量子效率η和最小接收灵敏度的关系，为了提高量子效率和接收灵敏度，光吸收层的厚度应在１～1.5μｍ之间；根据Ｐ＋－ＩｎＰ缓冲层的载流子浓度与ＧＢ乘积的关系，为了抑制由ＩｎＰ引起的有效离化率比的干扰，10Ｇｂｉｔ／ｓ系统用的器件要求其Ｐ浓度大于5×1017ｃｍ－３（层厚70ｎｍ以下），ＩｎＰ缓冲层的作用是控制ＩｎＧａＡｓ光吸收层的外加电场。因为最佳外加电场为50ｋｖ／ｃｍ～１００ｋｖ／ｃｍ，所以浓度必须严格控制在±２％以内。

近期ＮＴＴ报道的一种ＵＴＣ－ＰＤ的３ｄＢ频带为152ＧＨｚ，是目前长波长ＰＤ中的最高水平，具有可接收100Ｇｂｉｔ／ｓ光信号的性能。该器件具有高速、高饱和输出、低偏压工作等优点，用作40Ｇｂｉｔ／ｓ光接收端时不使用宽带电放大器便可得到良好的误码特性。该器件的用途很广，与其它器件一起可构成光解复用器、波长转换器、光变换器等，将它作为光驱动器与其它光电器件集成在一起可用于经济、稳定的超高速信号处理。

集成模块

为满足大容量接入网、宽带业务等对低成本、小型器件的需求，Ｃ＆ＣＭｅｄｉａ研究所研制成以ＰＬＣ技术为基础的高速收发模块。此模块的特点是使用了ＰＬＣ、ＳＬ－ＡＰＤ和一块３Ｒ－ＩＣ芯片，可减小体积、降低成本。模块中的ＳＬ－ＡＰＤ在２．５Ｇｂｉｔ／ｓ时接收灵敏度高，量子效率为６０％，部分光栅波导激光器在2.5Ｇｂｉｔ／ｓ下行传输时可产生大于＋６ｄＢｍ的输出。。为了保持低功耗，ＩＣ电源为3.3Ｖ，芯片用Ｓｉ双
本篇文章来源于黑客基地-全球最大的中文黑客站原文链接：http://www.hackbase.com/lib/2005-09-23/36425.html