8.3WDM系统中的关键器件 8.31WDM系统中的光源 1.WDM系统对光源的要求 日前的光纤通信系统所采用的光源一般有半导体发光二极管(LED)和 半导体激光器(LD)。通过学习第一章和第三章的内容我们已经知道, LED与LD的特性有很大的不同。LED所产生的光不是单波长的光,谱线 很宽,约为50~100nm;LED的输出功率比激光器低很多;LED的最高 调制速率约为几百Mbts。因此,LED不适合作为WDM系统的光源。 LD输出虽然不是理想的单波长的光,但其谱线宽度却可以达到很窄 虽然普通的FP腔LD的谱宽约为8nm,但具有布拉格光栅的高质量的 DFB或 DBR LD的谱宽可达10-3nm,即使考虑因调制而产生的啁啾所导 致的谱线展宽,其调制后的输出谱线宽度最大也不超过0.2nm。所以, 只有LD才能满足WDM系统对于光源波长的要求。另一方面,LD的调制 频率可达数Gbt/s,特别适合于高速传输系统。与此同时,LD输出的光 功率要比LED高很多,而且由于输出的光为相干光,大部分光能量很容 易被耦合进光纤中,因而信号可以传输更远的距离 國p
1．WDM系统对光源的要求 目前的光纤通信系统所采用的光源一般有半导体发光二极管(LED)和 半导体激光器(LD)。通过学习第一章和第三章的内容我们已经知道， LED与LD的特性有很大的不同。LED所产生的光不是单波长的光，谱线 很宽，约为50~100nm；LED的输出功率比激光器低很多；LED的最高 调制速率约为几百Mbit/s。因此，LED不适合作为WDM系统的光源。 LD输出虽然不是理想的单波长的光，但其谱线宽度却可以达到很窄。 虽然普通的F-P腔LD的谱宽约为8nm，但具有布拉格光栅的高质量的 DFB或DBR LD的谱宽可达10-3nm，即使考虑因调制而产生的啁啾所导 致的谱线展宽，其调制后的输出谱线宽度最大也不超过0.2nm。所以， 只有LD才能满足WDM系统对于光源波长的要求。另一方面，LD的调制 频率可达数Gbit/s，特别适合于高速传输系统。与此同时，LD输出的光 功率要比LED高很多，而且由于输出的光为相干光，大部分光能量很容 易被耦合进光纤中，因而信号可以传输更远的距离
具体说来,WDM系统对激光器的要求除了象在普通的光纤通信系统中的一般 要求外,还有其特殊的要求,即: (1)具有波长调谐特性和尽可能窄的线宽。如表8.1所示的那样,WDM系统 中各发射机工作的频率及相互间的频率间隔(或波长间隔)有严格的规定, 激光器的工作波长必须按照∏TU-T的相关规定,而线宽必须小于所规定的频率 间隔。 (2)尽可能高的边模抑制比。一般要求至少大于35dB或40dB (3)激光器必须单纵模工作 (4)激光器的频率啁啾必须尽可能小。我们知道,半导体激光器的直接调制 会引起频率啁啾,即发射波长随调制电流的变化而变化。在WDM系统中,该 啁啾会引起串扰,必须被消除。由于啁啾,直接调制不适合于传输速率大于 10Gbis的WDM系统。可通过采用外调制器的办法来避免啁啾的影响。 (5)激光器的波长和输出功率必须稳定。但是, DEB LD的激射波长对温度 和反射光很敏感。温度的变化和反射光会引起LD中心波长的漂移,对相邻通 道的信号造成串扰。因此,波分复用系统特别是密集波分复用系统对光源波 长的稳定性提出了很高的要求。通常,在封装好的LD中有温度传感和制冷装 置,与外加控制电路相接可使LD工作在恒定温度上以实现对波长的控制。而 反射光的控制可以通过在LD的前面放置隔离器及在尾纤输出端采用带有角度 的连接器APC( Angle Polishing Connector)来实现。 (6)尽可能的小的相对强度噪声R|N (7)尽可能低的功耗 目前在大多数WDM系统中使用的光源为 DEB LD 國p
具体说来，WDM系统对激光器的要求除了象在普通的光纤通信系统中的一般 要求外，还有其特殊的要求，即： （1）具有波长调谐特性和尽可能窄的线宽。如表8.1所示的那样，WDM系统 中各发射机工作的频率及相互间的频率间隔（或波长间隔）有严格的规定， 激光器的工作波长必须按照ITU-T的相关规定，而线宽必须小于所规定的频率 间隔。 （2）尽可能高的边模抑制比。一般要求至少大于35dB或40dB。 （3）激光器必须单纵模工作。 （4）激光器的频率啁啾必须尽可能小。我们知道，半导体激光器的直接调制 会引起频率啁啾，即发射波长随调制电流的变化而变化。在WDM系统中，该 啁啾会引起串扰，必须被消除。由于啁啾，直接调制不适合于传输速率大于 10Gbit/s的WDM系统。可通过采用外调制器的办法来避免啁啾的影响。 （5）激光器的波长和输出功率必须稳定。但是，DFB LD的激射波长对温度 和反射光很敏感。温度的变化和反射光会引起LD中心波长的漂移，对相邻通 道的信号造成串扰。因此，波分复用系统特别是密集波分复用系统对光源波 长的稳定性提出了很高的要求。通常，在封装好的LD中有温度传感和制冷装 置，与外加控制电路相接可使LD工作在恒定温度上以实现对波长的控制。而 反射光的控制可以通过在LD的前面放置隔离器及在尾纤输出端采用带有角度 的连接器APC（Angle Polishing Connector）来实现。 （6）尽可能的小的相对强度噪声RIN。 （7）尽可能低的功耗。 目前在大多数WDM系统中使用的光源为DFB LD
2.可作为WDM系统光源的激光器件 WDM系统对激光器有如此严格的要求,那么,如何使LD发射的波长恰好满足 ITU-T的规定呢?我们从半导体激光器的工作原理知道,LD发射的光波波长范 围取决于半导体材料的带隙,而精确的波长则由LD的谐振腔决定。在设计制 作器件时,通过调节 DEB LD中布拉格光栅的周期来调节中心波长,使其工作 在规定的波长上。同时由于材料的折射率随着电流和温度的变化而变化,导 致等效腔长发生变化。通过改变电流和温度参数可实现工作波长的精细调节。 但是,调节工作电流无疑会改变激光器的输出功率。实际WDM系统中常通过 微调各个分立的LD的温度来实现波长的调谐。也可将这些分立的LD集成在 个芯片上,形成激光器阵列。但是,如何将这样的阵列所发出的光耦合到 根光纤中是一个必须解决的问题。采用阵列波导光栅AWG作复用器,与激光 器阵列集成在一个芯片上,将有可能解决上述问题。关于激光器阵列以及与 AWG集成的研究正在进行之中
2. 可作为WDM系统光源的激光器件 WDM系统对激光器有如此严格的要求，那么，如何使LD发射的波长恰好满足 ITU-T的规定呢？我们从半导体激光器的工作原理知道，LD发射的光波波长范 围取决于半导体材料的带隙，而精确的波长则由LD的谐振腔决定。在设计制 作器件时，通过调节DFB LD中布拉格光栅的周期来调节中心波长，使其工作 在规定的波长上。同时由于材料的折射率随着电流和温度的变化而变化，导 致等效腔长发生变化。通过改变电流和温度参数可实现工作波长的精细调节。 但是，调节工作电流无疑会改变激光器的输出功率。实际WDM系统中常通过 微调各个分立的LD的温度来实现波长的调谐。也可将这些分立的LD集成在一 个芯片上，形成激光器阵列。但是，如何将这样的阵列所发出的光耦合到一 根光纤中是一个必须解决的问题。采用阵列波导光栅AWG作复用器，与激光 器阵列集成在一个芯片上，将有可能解决上述问题。关于激光器阵列以及与 AWG集成的研究正在进行之中
在ⅥDM系统中理想的光源应能够按照需要调节到不同的波长上。温度的调节 只能实现微调。当这种微调不能使LD工作在需要的波长上时,这个激光器 就不能在WDM系统中应用。如果激光器可调谐,且调谐范围足够宽,可工 作在1550nm窗口任意一个波长上,这样的可调谐激光器就成为理想的光 源。实现宽的调谐范围有以下几种方法。 采用分段式 DBR LD 图832为一个三段式 DBR LD的示意图。三段分别为有源段、相位段和布拉 格段,各段之间彼此电隔离,并且通过各自独立的电极来提供电流,三段 作为一个整体形成一个光学谐振腔。有源段为高掺杂区,为激光器提供增 益。相位段为无源区,为光波提供相位移。只有那些在谐振腔内往返一次 相位移等于2π的整数倍的光波才能形成震荡。若改变相位段的电流!,就 改变了相位,也就等效于改变了谐振腔的光学长度,因而改变了谐振波长 布拉格段也为无源区,电流的改变引起该段材料的有效折射率发生改变, 从而引起布拉格波长的改变。调谐范围可用下式进计角n 其中,Δλ为波长调谐范围,△nef为有效折射率的改变量,λ和nef分别表 示激光器的工作波长和有效折射率。实际中,折射率的最大改变量约为1%, 因此,波长最大可调谐范围在10nm量级 國p
在WDM系统中理想的光源应能够按照需要调节到不同的波长上。温度的调节 只能实现微调。当这种微调不能使LD工作在需要的波长上时，这个激光器 就不能在WDM系统中应用。如果激光器可调谐，且调谐范围足够宽，可工 作在1550nm窗口任意一个波长上，这样的可调谐激光器就成为理想的光 源。实现宽的调谐范围有以下几种方法。 采用分段式DBR LD 图8.3.2为一个三段式DBR LD的示意图。三段分别为有源段﹑相位段和布拉 格段，各段之间彼此电隔离，并且通过各自独立的电极来提供电流，三段 作为一个整体形成一个光学谐振腔。有源段为高掺杂区，为激光器提供增 益。相位段为无源区，为光波提供相位移。只有那些在谐振腔内往返一次 相位移等于2π的整数倍的光波才能形成震荡。若改变相位段的电流I2，就 改变了相位，也就等效于改变了谐振腔的光学长度，因而改变了谐振波长。 布拉格段也为无源区，电流的改变引起该段材料的有效折射率发生改变， 从而引起布拉格波长的改变。调谐范围可用下式进行计算： ef ef n n 其中，为波长调谐范围，neff 为有效折射率的改变量，和neff分别表 示激光器的工作波长和有效折射率。实际中，折射率的最大改变量约为1%， 因此，波长最大可调谐范围在10nm量级
进一步扩大调谐范围,可采用四段式 DBR LD,如图8.3.3(a)所示。这种激 光器叫做GCSR( Grating Coupler Sampled Reflector)激光器。比起三段式 DBR LD,它多了一个耦合段。该耦合段中除了有一个平面波导结构(我们称 之为下波导)外,在其上部还有一个周期为15um的光栅(我们称之为上波导 或光栅波导)。该耦合段用于对波长进行粗调,相位段仍然负责波长的精细 调解,布拉格反射器段有一个取样光栅,对波长的调谐介于粗调和细调之间。 各段的截面图也示于图中。从增益段出射的激光进入耦合段的下波导中,根 据耦合波理论,在下波导中的光波将耦合进上面的光栅波导中,由于光栅的 波长选择作用,只有满足布拉格条件的光波才能被选择进光栅。其余的光波 则沿着下波导向前传播进入相位段和反射器段。在反射器段,下波导的右端 面反射率做得很低,这些光将从端面出射而损耗掉。那么在耦合器段进入光 栅中的光波则在相位段和反射器段的上波导中传播。如果传播的光波波长与 取样光栅的反射波谱中(见图83.3(b))的某个波长重叠,则该波长的光就能 被反射回耦合段,再通过耦合段上下波导间的横向耦合返回有源区而被放大, 最终形成激光震荡。因此,可以看出,这个激光器的谐振腔由增益段的有源 区和耦合段、相位段及反射器段的上波导构成。通过连续调节耦合段的电流, 可以使该段上波导中的光波长与反射器段取样光栅的反射波谱中的各个波长 重叠,完成波长的粗调。粗调的波长间隔为取样光栅的反射谱间的间隔, 在本例中为7nm,总的调谐范围为114nm。改变反射段的工作电流,可以改 变取样光栅的反射光谱,再通过联合调节耦合器段的工作电流,则完成了波 长的较为精细的调谐,调谐步长为0.2nm。更精细的调谐, 电流来实现。 曾
进一步扩大调谐范围，可采用四段式DBR LD，如图8.3.3（a）所示。这种激 光器叫做GCSR（Grating Coupler Sampled Reflector）激光器。比起三段式 DBR LD，它多了一个耦合段。该耦合段中除了有一个平面波导结构（我们称 之为下波导）外，在其上部还有一个周期为15μm的光栅（我们称之为上波导 或光栅波导）。该耦合段用于对波长进行粗调，相位段仍然负责波长的精细 调解，布拉格反射器段有一个取样光栅，对波长的调谐介于粗调和细调之间。 各段的截面图也示于图中。 从增益段出射的激光进入耦合段的下波导中，根 据耦合波理论，在下波导中的光波将耦合进上面的光栅波导中，由于光栅的 波长选择作用，只有满足布拉格条件的光波才能被选择进光栅。其余的光波 则沿着下波导向前传播进入相位段和反射器段。在反射器段，下波导的右端 面反射率做得很低，这些光将从端面出射而损耗掉。那么在耦合器段进入光 栅中的光波则在相位段和反射器段的上波导中传播。如果传播的光波波长与 取样光栅的反射波谱中（见图8.3.3(b)）的某个波长重叠，则该波长的光就能 被反射回耦合段，再通过耦合段上下波导间的横向耦合返回有源区而被放大， 最终形成激光震荡。因此，可以看出，这个激光器的谐振腔由增益段的有源 区和耦合段﹑相位段及反射器段的上波导构成。通过连续调节耦合段的电流， 可以使该段上波导中的光波长与反射器段取样光栅的反射波谱中的各个波长 一一重叠，完成波长的粗调。粗调的波长间隔为取样光栅的反射谱间的间隔， 在本例中为7nm，总的调谐范围为114nm。改变反射段的工作电流，可以改 变取样光栅的反射光谱，再通过联合调节耦合器段的工作电流，则完成了波 长的较为精细的调谐，调谐步长为0.2nm。更精细的调谐，通过改变相位段的 电流来实现