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光纤通信技术集结号

2010-07-22 09:29
Timeless落尘
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  随着Internet的迅速普及以及宽带综合业务数字网(B-ISDN)的快速发展,人们对信息的需求呈现出爆炸性的增长,几乎是每半年翻一番。 在这样的背景下,信息高速公路建设已成为世界性热潮。而作为信息高速公路的核心和支柱的光纤通信技术更是成为重中之重。很多国家和地区不遗余力地斥巨资发展光纤通信技术及其产业,光纤通信事业得到了空前发展。此外,由于信息的生产、传播、交换以及应用对国民经济和国家安全有决定性的影响,所以,与其它行业相比,光纤通信更具有特殊意义。 光纤通信事业是一个巨大的系统工程。它的各个组成部分互为依存、互相推动,共同向前发展。就光纤通信技术本身来说,应该包括以下几个主要部分:光纤光缆技术、传输技术、光有源器件、光无源器件以及光网络技术等。

  一 光纤光缆技术的进展

  光纤技术的进步可以从两个方面来说明: 一是通信系统所用的光纤; 二是特种光纤。 早期光纤的传输窗口只有3个,即850nm(第一窗口)、1310nm(第二窗口)以及1550nm(第三窗口)。近几年相继开发出第四窗口(L波段)、第五窗口(全波光纤)以及S波段窗口。其中特别重要的是无水峰的全波窗口。这些窗口开发成功的巨大意义就在于从1280nm到1625nm的广阔的光频范围内,都能实现低损耗、低色散传输,使传输容量几百倍、几千倍甚至上万倍的增长。这一技术成果将带来巨大的经济效益。 另一方面是特种光纤的开发及其产业化,这是一个相当活跃的领域。

  特种光纤具体有以下几种:

  1. 有源光纤 这类光纤主要是指掺有稀土离子的光纤。如掺铒(Er3+)、掺钕(Nb3+)、掺镨(Pr3+)、掺镱(Yb3+)、掺铥(Tm3+)等,以此构成激光活性物质。这是制造光纤光放大器的核心物质。不同掺杂的光纤放大器应用于不同的工作波段,如掺饵光纤放大器(EDFA)应用于1550nm附近(C、L波段); 掺镨光纤放大器(PDFA)主要应用于1310nm波段; 掺铥光纤放大器(TDFA)主要应用于S波段等。这些掺杂光纤放大器与喇曼(Raman)光纤放大器一起给光纤通信技术带来了革命性的变化。它的显著作用是: 直接放大光信号,延长传输距离; 在光纤通信网和有线电视网(CATV网)中作分配损耗补偿; 此外,在波分复用(WDM)系统中及光孤子通信系统中是不可缺少的关键元器件。正因为有了光纤放大器,才能实现无中继器的百万公里的光孤子传输。也正是有了光纤放大器,不仅能使WDM传输的距离大幅度延长,而且也使得传输的性能最佳化。

  2. 色散补偿光纤(Dispersion Compesation Fiber,DCF) 常规G.652光纤在1550nm波长附近的色散为17ps/nm?km。当速率超过 2.5Gb/s时,随着传输距离的增加,会导致误码。若在CATV系统中使用,会使信号失真。其主要原因是正色散值的积累引起色散加剧,从而使传输特性变坏。为了克服这一问题,必须采用色散值为负的光纤, 即将反色散光纤串接入系统中以抵消正色散值,从而控制整个系统的色散大小。这里的反色散光纤就是所谓的色散补偿光纤。 在1550nm处,反色散光纤的色散值通常在-50~200ps/nm?km。为了得到如此高的负色散值,必须将其芯径做得很小,相对折射率差做得很大,而这种作法往往又会导致光纤的衰耗增加(0.5~1dB/km)。色散补偿光纤是利用基模波导色散来获得高的负色散值,通常将其色散与衰减之比称作质量因数,质量因数当然越大越好。为了能在整个波段均匀补偿常规单模光纤的色散,最近又开发出一种既补偿色散又能补偿色散斜率的"双补偿"光纤(DDCF)。该光纤的特点是色散斜率之比(RDE)与常规光纤相同,但符号相反,所以更适合在整个波形内的均衡补偿。

  3. 光纤光栅(Fiber Grating) 光纤光栅是利用光纤材料的光敏性在紫外光的照射(通常称为紫外光"写入")下,于光纤芯部产生周期性的折射率变化(即光栅)而制成的。使用的是掺锗光纤,在相位掩膜板的掩蔽下,用紫外光照射(在载氢气氛中),使纤芯的折射率产生周期性的变化,然后经退火处理后可长期保存。相位掩膜板实际上为一块特殊设计的光栅,其正负一级衍射光相交形成干涉条纹,这样就在纤芯逐渐产生成光栅。光栅周期A是模板周期的二分之一。 众所周知,光栅本身是一种选频器件,利用光纤光栅可以制作成许多重要的光无源器件及光有源器件。例如: 色散补偿器、增益均衡器、光分插复用器、光滤波器、光波复用器、光模或转换器、光脉冲压缩器、光纤传感器以及光纤激光器等。

  4. 多芯单模光纤(Multi-Coremono-Mode Fiber,MCF) 多芯光纤是一个共用外包层、内含有多根纤芯、而每根纤芯又有自己的内包层的单模光纤。这种光纤的明显优势是成本较低。4芯的这种光纤的生产成本较普通的光纤约低50%。此外,这种光纤可以提高成缆的集成密度,同时也可降低施工成本。 以上是光纤技术在近几年里所取得的主要成就。至于光缆方面的成就,我们认为主要表现在带状光缆的开发成功及批量化生产方面。这种光缆是光纤接入网及局域网中必备的一种光缆。目前光缆的含纤数量达千根以上,有力地保证了接入网的建设。

  二 光有源器件的进展

  光有源器件的研究与开发本来是一个最为活跃的领域,但由于前几年已取得辉煌的成果,所以当今的活动空间已大大缩小。超晶格结构材料与量子阱器件,目前已完全成熟,而且可以大批量生产,已完全商品化,如多量子阱激光器(MQW-LD,MQW-DFBLD)。

  除此之外,目前已在下列几方面取得重大成就。

  1. 集成器件 这里主要指光电集成(OEIC)已开始商品化,如分布反馈激光器(DFB-LD)与电吸收调制器(EAMD)的集成,即DFB-EA,已开始商品化; 其它发射器件的集成,如DFB-LD、MQW-LD分别与MESFET或HBT或HEMT的集成; 接收器件的集成主要是PIN、金属?半导体?金属探测器分别与MESFET或HBT或HEMT的前置放大电路的集成。虽然这些集成都已获得成功,但还没有商品化。

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