光电子材料与器件

《光电子材料与器件》由会员分享，可在线阅读，更多相关《光电子材料与器件（7页珍藏版）》请在装配图网上搜索。

1、光电子材料器件在通信中的应用石恒志2016022413摘要：光纤通信技术发展的阶段性飞跃总是伴随新型光电材料和功能器件的突破。文章介绍了光纤、激光器及光放大器等光电子器件在光纤通信的产生、发展中的关键作用，分析了现代光纤几种典型的光电子器件的基本原理、工作特性以及发展现状和趋势，并在回顾传统集成光电子器件发展的同时，展望了以新一代微纳结构光电子器件为基础的光子集成技术的发展趋势。关键词：光纤通信；光电子器件；趋势1 引言没有光纤作为实用的传输介质， 就没有光通信转向光纤通信的发展阶段； 没有激光器、 光纤和相关的光电子器件及技术的更新换代，就没有宽带宽、大容量、长距离光纤通信系统的产生和发展；

2、EDFA带来了光纤通信的新面貌， 解决了多通道的光中继放大， 解决了光孤子的能量损耗等问题,从而支撑着更大容量、 更高速率、更长距离的光纤通信1。因此，光通信的产生、发展离不开光电子器件，有了光电子、微电子技术和器件的创新,才能有光纤通信的创新发展。光纤通信系统主要是由先发送、 光传输和光接收三部分组成（图 1）。光发送器中有光源、驱动器和调制器，它的功能是将要传输的语音、视频、数据等信号通过电端机加到光源（或调制器）上产生调制的光信号，并将其耦合到光纤中去；光传输部分主要由光纤（光缆）和中继器组成，在短距离通信系统中，一般不需要中继器； 由光纤传送来的光波信号入射到光接收部分，那里的光检测器

3、将光信号接收、 解调成电信号， 然后进行电放大处理，还原成原来的信息。通过适当的接口设备， 这样一个光传输单元可以和现有的数字或模拟通信系统、 有线或无线通信系统互连。图 1 光纤通信系统示意图我们看到， 一个完整的光纤通信系统除了它的传输主体-光纤-之外， 还必须有各种光学元件和光电子器件的支持。正是这些功能与技术不同的元器件的研制成功使得光纤通信系统发展到了今天的形态。 光纤通信系统中的元器件大体可分为无源和有源两大类，光耦合器、光滤波器、光开关、光衰减器、光环形器和光隔离器等属于无源元器件，而光源、放大器、光检测器等属于有源器件2,3。有源器件的工作原理都是基于光与电的相互作用，它们是光

4、电子器件的主体。本文将重介绍光纤通信系统的几种主要的光电子器件。2 半导体激光器半导体激光器又称激光二极管，是用半导体材料作为工作物质的激光器。 由于物质结构上的差异， 不同种类产生激光的具体过程比较特殊。 常用工作物质有神化钱（GaAS、硫化镉（CdS、磷化钿（InP）、硫化锌（ZnS）等。激励方式有电注入、电子束激励和光泵浦三种形式4,5o半导体激光器件，可分为同质结、单异质结、双异质结等几种。同质结激光器和单异质结激光器在室温时多为脉冲器件， 而双异质结激光器室温时可实现连续工作。半导体二极管激光器是最实用最重要的一类激光器。它体积小、寿命长，并可采用简单的注入电流的方式来泵浦其工作电压

5、和电流与集成电路兼容， 因而可与之单片集成。 并且还可以用高达 GHZ 勺频率直接进行电流调制以获得高速调制的激光输出。由于这些优点，半导体二极管激光器在激光通信、光存储、光陀螺、激光打印、 测距以及雷达等方面以及获得了广泛的应用。LED 的基本结构如图 2 所示，目前主要采用双异质结结构， 即有源层两侧的包层是宽带隙材料，同时又是低折射率材料， 它不仅能够将注入有源区的载流子限制在一条形窄带内，有利于产生高的增益，还形成光波导，将大部分的光场限制在有源区内。 正是这种结构对载流子和光场的双重限制作用， 有效地降低了激光器的阈值，使得 LD 的室温激射得以实现。E2f导体源上器为了满足不断发展

6、的光纤通信系统的需求， LD 的特性也在逐步提高。 下面介绍它几个重要的发展阶段。2.1 量子阱半导体激光器量子阱结构 LD 的有源区是由厚度为几个纳米白窄带隙材料（势阱区）和宽带隙材料（势垒区）交替构成（图 3）,20世纪80年代发展起来的分子束外延 （MBE）金属有机化学气相沉积（MOCVD 污新型晶体外延生长新工艺能够精确控制晶体生长厚度达到原子层的精度6,7。势阱中的电子和空穴沿垂直阱壁方向的运动呈现量子化， 电子的状态密度也变为类阶梯状。 这时只需要很小的注入电流就可以达到粒子数反转。 在此基础上发展起来的应变量子阱结构是通过在势阱和势垒的材料生长中引入微量的品格失配量而产生的应力，

7、 进一步改善了量子阱中的电子状态密度。今天，量子阱结构，特别是应变量子阱结构， 已被广泛应用于各种有源半导体器件中。这种人为改变电子的运动状态（即能带结构）以获得所需器件性能的做法被称为是“能带工程”8。-hrtrtrtr图 3 量子阱能带结构2. 2 分布反馈式半导体激光器随着光纤通信的发展，特别是 WDMK术的出现，对作为光源的 LD提出了新的挑战。 WD 映术是在一根光纤上同时传输多个波长，为了增加传输信道，各路波长之间的间隔非常小， 密集 WDM 的波长间隔通常在 200GHz（1。6nm）以下。为了防止各个波长信号彼此之间的申扰，要求每个波长必须拥有非常窄的光谱线宽。这不仅要求光源的

8、光谱线宽要窄，而且，要在 Gb/s 的调制速率下保证单模工作的稳定性，即所谓的动态单模工作9,10。普通结构的 FP 腔 LD 在电信号调制下容易光谱展宽，变成多纵模输出，已经不能满足 WDM 系统的要求， 分布反馈式（distributedfeedback,DFB）LD 则应运而生。DFB-LD图 6（a）是由腔内沿纵向等间隔分布的布拉格光栅来实现光反馈。当有源区注入电流辐射发光时，光波受到有源层近旁光栅的反射， 满足布拉格反射条件的特定模式 （波长） 的光会受到强烈的反射，致使这个模式的谐振腔损耗明显降低， 比其他模式更容易激射。 正是由于这种布拉格光栅的选模作用， 使可能激射的各个模式的

9、阈值差别很大，使得 LD 在高速调制的状态下仍能保持很好的动态单纵模特性。 在光栅的中央引入 1/4 波长相移或在共振腔的轴向形成增益的周期性分布 （增益耦合），能够进一步提高 DFB 一 LD 的单纵模稳定性。与 FP 腔激光器相比，DFB-LD 波长稳定性好， 光谱线宽窄， 是波分复用光网络的最好光源。另一种类似结构的 LD 是布拉格分布反射式 LD,如图 6（b）所示，与 DFB-LD的不同，它的光栅区是在有源区的两侧（或一侧）。由于这种结构的光栅和有源区是分开的， 可以减小在制作时因品格损伤而引起的腔内损耗，但是，需要解决好有源区于光栅区的接续工艺。 DBR-LD 的基本特性与 DFB

10、-LD 相似，但是，动态单模稳定性略逊于 DFBLd 目前， DFB-LD 还是WDM）t 源的主流，DBR 结构则在波长可调谐半导体激光器中有应用的前景。阳分板皿叫耨侬遒光常分布械M反粗脚）耨祥龊器3 光调制器信息从电信号加载到光波上要经过调制过程。调制的方式有两种，一种称为直接调制，即将调制信号直接加到 LD 的驱动电流上，使得 LD 的输出光功率随着调制信号变化。这种调制方式简单灵活，器件的体积小、成本低，是城域网和接入网光源的最佳选择。 直接调制的速率受到激光器本身响应速度的限制，目前 LD 的调制极限是 10GHz 另外， 由于直接调制会产生较大的波长嘱啾，所以，不适合用在长距离的干

11、线网上。 另一种调制方式是间接调制，或称为外部调制。即调制电信号不作用于光源本身， 另外有调制器对光源输出的光波进行调制。 间接调制的方式有许多种，如电光调制，声光调制和磁光调制等，其中电光调制技术比较成熟。间接调制的优点是调制速度高， 调制对光源本身的工作不产生影响，所以嘱啾小。但器件较为复杂、成本高，仅在要求很高调制特性的情况下使用，例如，大容量、长距离的光纤干线系统等。 下面介绍两种最常用的电光调制器。3. 1MachZehnder 外部调制器MachZehnder(MZ)外部调制器的材料一般选用锂酸锂化合物(LiNbO),也有采用半导体材料的。 其工作原理为当光信号从 A 端输入后，

12、由 Y 分歧波导一分为二， 导入 B 段和 C 段。 在没有外加电压时，B 段和 C 段的入射光波的相位不发生变化，在 D 段叠加后还原为最初的波形。如有外加电压， 锂酸锂材料的折射率在外加电压下会发生变化， 调整电压使得 B 段和C 段的光波反相，这两部分的光叠加后相互抵消。于是，通过变化外加电压控制输出端的光输出，实现光强度的调制。这种结构的调制器响应速度快，目前 40Gb/s的器件已经发展到了实用化的阶段。 缺点是驱动电压高(约 5V)、体积大(10cm)、插入损耗高等，另外，它难于和 LD 光源集成。4. 2 电吸收外部调制器即能保持直接调制的优点又没有嘱啾的理想调制方式是将外部调制器

13、与半导体激光器集成到一个芯片上。 电吸收外部调制器(eleclrabs0rption、EA)的出现实现了这一理想的调制方式。 EA 调制器的结构是以截止波长小于入射光波长的半导体材料形成的波导，它对入射光是透明的11,120在外加调制电压时，由于 FranzKeldysh 效应导材料的带隙变窄，导致截止波长红移，波导材料对入射光信号产生吸收。于是， 调制电压通过控制波导的吸收特性实现了对光波强度的调制。 EA 调制器所需的调制电压比 LiNbO 的 M-z 调制器要低得多，一般只要 2V,它的最大优点是很容易与 LD 光源的半导体激光器集成，实际上速率 2。 5Gb/s 的 EA 集成 DFB

14、 光源已经有了成熟的产品， lOGb/s 的产品也正在推向市场。虽然目前 EA 调制器达到的调制速率还不是很高，但它在集成能力上的优势，使它成为最有前途的调制器，在 WD陈统的应用中显示了巨大的发展潜力。4 光检测器由于受激吸收仅仅发生在 PN 吉附近，远离 PN 结的地方没有电场存在，因此就决定了 PN 光电二极管 （PNPhotodiode,PNPD或 PN 光电检测器的光电变换效率非常低下及响应速度很慢。 目前常用的半导体光电检测器有两种，PIN 光电二极管和 APD雪崩光电二极管。其中，PIN 光电二极管响应频率高，可高达 10GHZ 响应速度快，供电电压低，工作十分稳定。雪崩二极管灵

15、敏度高，响应快，但雪崩二极管需要上百伏的工作电压， 而且性能和入射光功率有关，当入射光功率大时，增益引起的噪声大，带来电流失真。另外，70 年代末还出现了 MSM（金属-半导体-金属）光检测器。5 光放大器放大器按其功能分为后置放大器， 在线放大器，前置放大器三种。后置放大器也称为增强放大器， 是用来放来自发送器的光信号， 提高传输前光信号的功率使其传送距离加大； 在线放大器是在光纤传输线路中间补偿光信号的衰减； 前置放大器则在接收器前对传输后的光信号进行放大。 不同的功能对光放大器特性的要求是不同的。 后置放大器要求产生最大的输出功率，前置放大器则要求高增益、良好的灵敏度和低噪声， 而在线放

16、大器希望的是在整个 WD 胧段上的稳定性、增益特性的相似性等等。光放大器包括半导体光放大器、 各种掺杂的光纤放大器，如 EDFA 掺错光纤放大器 PDFA）氟化物（flouride）掺饵光纤放大器（F-EDFA 等）及非线性（受激拉曼和受激布里渊散射等）光纤放大器。SOA*于采用了应变量子阱结构其输出功率、 小信号增益、 增益的偏振灵敏度、噪声指数等性能均有大幅度的提高， 而且通过改变半导体材料 （In-GaAsP） 的组分，可以在 13001600nm 的一个特定波长范围内获得信号增益， 这些优点使其适用于光纤接入网 FTTH领域中；SOA 的交叉相位调制（XPS 剂交叉增益调制（XGM）及

17、其四波混频 （FWM 可实现波长转换它是 AON实现波长路由、 波长开关的关键器件； SOA的 FWME 适用于超长距离光纤传输系统的色散补偿； 利用 SOA 勺非线性可实现光的再生、放大和整形，与非线性光纤环镜（NLOM）结合还可实现光时钟提取、解复用器和光开关等功能；另外 SOA1 于与其他半导体光电子器件集成， 构成大容量光器件阵列等。 因此,SOA 类似于晶体管在电子系统中的地位，具有多方面、重要的作用，它必将广泛地应用于 AONfc 中130光纤放大器的工作原理也是受激辐射，通过光能抽运获得增益。抽运光的波长为 980nm 或 1480nm 抽运功率的典型值为 lO-400mW1 当

18、抽运激光耦合到掺饵光纤中， 它所提供的能量将激发饵离子去较高的能级，到较低能级， 并同时发出与信号光同样波长的光子辐射， 从而实现信号光的放大。 EDFAR 有许多 SO 厮难以比拟的优良特性，例如增益与偏振方向无关、信道用扰低、 带宽大、 噪声低等14,15o 正因为如此，EDFA 成为光通信系统中的最佳放大器，可以说，它的应用弓 I 发了光纤通信发展史上的一场革命，使得 WDMt 纤通信系统成为现实。6 结束语历史表明， 光纤通信技术发展的阶段性飞跃总是伴随新型光电材料和功能器件的突破。20 世纪 60 年代激光的问世导致新交叉学科一光电子学的迅速崛起； 70年代异质结半导体激光器和光导纤

19、维的突破为现代光通信奠定了基石； 80 年代量子阱、动态单模 LD 和 90 年代 EDFA 的出现又推动 WDMt 通信技术的迅速发展。今天， 对于以微纳结构为代表的新一代光电子器件的探索研究， 必将推动未来光纤通信技术新的时代。参考文献：1.孙览江，GaAs/InP、Si/GaAs 异质外延生长技术及其在集成光电子器件中的应用.2009,北京邮电大学.2.李秀清， GaN 蓝光-紫外光光电子材料与器件的研究现状.微纳电子技术，2000(2):p.58-64.3.王琦，黄辉，王兴妍，etal.,低温晶片键合技术及在通信光电子器件中的应用.半导体技术，2004.2929(10):信号光入射后则

20、激发受激离子落回4.黄翊东 andHUANGYi-Dong,第一讲光电子器件在光纤通信中的应用.物理，2005.3434(10):p.739-747.5.齐晓玲，蔡志岗，徐宇科，etal.,光耦合理论及其在通信元器件中的应用.光学学报，2004.2424(4):p.521-526.6.王传林，余重秀，忻向军，etal.,光通信中的光电子器件讲座第四讲光通信中的波分复用技术及关键器件的原理和应用.物理，2002.3131(9):p.596-600.7.余重秀，光通信中的光电子器件讲座第一讲光电子器件在光纤通信中的应用与发展*物理，2001.3030(8):p.501-505.8.辛雨and张茹，

21、 光通信中的光电子器件讨座：第二讲光纤光栅器件在光纤通信中的应用.物理，2001.3030(9):p.571-574.9.钟卫平，光纤通信系统中的集成光电子器件及其发展状况.半导体技术，1992(6):p.20-23.10.王立斌，日本微电子和光电子工业中激光组装技术的应用及展望.光机电信息，2003(5):p.3-10.11.刘玉敏，通信光电子学材料与器件理论及其技术的研究.2005,北京邮电大学.12.陈益新.微光-电-机器件和系统的技术及其在光纤通信中的应用.in全国集成光学学术会议.1997.13.陈智辉，微纳光子结构中的光子操控与光伏特性研究.2012，北京邮电大学.14.石洋，新形势下纳米技术在光通信中的应用研究.西江月，2013.秦冠仕，刘来，贾志旭，etal.荆高非线性光纤及其应用.in 中匡能玻璃学术研讨会暨新型光电子材料国际论坛.2014.15.p.3-7.