高速光通信用的光電子器件的進展

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HYMP564S64CP6-Y5

HYMP512U64CP8-S5

HYF33DS512800ATC

IXTQ96N20P

XFH150N17T

IXFH12N100

JANTX1N914

JANTX1N4150-1

JANTX1N5415A

K1317

K294512S400

LZ9GG33M

LZ95N66

MZX2836-03-1023

MX29LV160CTTC-70

MX29LV160ABTC-70G

　人類社會的信息化建設正在加速進行，即使是在全球經濟發展不景氣的情況下，通信和信息行業也十分紅火。光通信呈現著蓬勃發展的新局面，正朝著高速、超高速光纖傳輸、超大容量的wdm、otdm以及全光網等方向發展。但這些系統的實現還依賴于相應的光電子技術的進步。一系列的光電子器件將在未來的通信網中起著重要的作用，因而各國從事光電子器件的研究者都在奮力開發各種高性能器件，研究其材料及工藝，并取得了豐碩成果。
　　 
   1.波長可調光源
　　
　　波長可調光源是wdm網絡系統、光測試系統和快速波長交換等系統的重要光源。目前研究較多的有使用awg和edfa的波長可調awg環形激光器、多電極dfb波長可調激光器和dfb波長可調激光器等，波長可調范圍一般都可達到5～10nm，最高可達100nm。 alcatel公司生產的集成brs(隱埋脊波導)光源工作時可保證波長偏移小于0.02nm/年。
　　
　　能實現寬調諧的激光器主要有3種，即超周期結構光柵形dbr(ssgdbr)激光器、取樣光柵耦合器反射器(gcsr)激光器和取樣光柵dbr(sgdbr)激光器。它們的cw調諧范圍都大于40nm，最大可達100nm。其中sgdbr和ssgdbr很容易與調制器集成。美加州大學在ofc’99上報道了ea調制器與寬調諧激光器的集成。激光器采用sgdbr結構，該集成光源的特性為：ith為20ma，當注入電流為75ma時輸出功率1.2mw，cw可調范圍為41nm，可產生51個不同的波長信道，信道間隔100ghz，在整個調諧范圍內smsr>35db，前后鏡面的最大調諧電流分別為20.5和23.5ma，當偏壓為-4.0v時所有波長上的消光比都大于22db。
　　
　　為了降低wdm光源的成本，日本nec公司在一塊晶片上制成了具有不同波長的dfb激光器/調制器集成光源。該器件的制作工藝有兩大改進，一是采用了最近研制成的電場-大小-變化的電子束光刻技術，它能將光柵周期控制在0.0012nm范圍內;二是窄條選擇的movpe技術，可以控制每一信道上激光器有源層和調制器吸收層的帶隙波長。激光器為mqw結構。所制成的集成器件在1.523μm～1.585μm的波長范圍內有40個信道，間隔為200ghz，標準偏差0.39nm。具有很均勻的激射特性和調制特性，閾值電流10ma，-2v時的消光比為20db，smsr大于35db，注入電流100ma時輸出光功率大于4mw，3db調制帶寬為3.8ghz。該器件經2.5gbit/s、600km的光纖傳輸后的功率代價小于1db。
　　 
     

2.dfb激光器/ea調制器集成光源
　　
　　dfb激光器/ea調制器集成光源具有低啁啾、低驅動電壓(vpp：2～3v，linbo3調制器的vpp：4～5v)、低功耗、容易與激光器或其它波導器件集成、耦合損耗低、調制效率高、且體積小(一般長0.2cm左右，而linbo3調制器長8cm)等優點，特別是含有增益耦合的dfb激光器因為具有動態單模和調制啁啾小等特性，有助于減小集成器件線寬，而且它還具有較強的抗端面反射能力，從而減小因端面反射引起的啁啾，改善集成器件的啁啾特性等。該光源現已廣泛用于2.5gbit/s、10gbit/s等高速傳輸系統，其中2.5gbit/s dfb激光器/ea調制器集成器件已成為干線光纖通信系統的主要光源。10gbit/s、20gbit/s和40gbit/s集成器件也正大量用于干線傳輸或傳輸實驗。表1列出了國外研制的主要集成器件的性能。
　　
　　近幾年來對集成有ea調制器的dfb激光器集成光源的研究主要集中在提高調制速率和改善其性能等方面。mqw ea調制器的調制速度取決于它的電容。縮短調制器的長度是降低電容的簡單而有效的方法，但如此卻使消光比減小，不利于應用。為了解決這一矛盾，將ea調制器中mqw的阱數從8個增加到14個，調制器的長度從250μm縮短到100μm，調制器的消光特性就會明顯改善(見圖1)。
　　
　　根據以上原則，用低壓movpe技術生長制成的dfb激光器和ea調制器集成芯片，并隱埋在fe摻雜的inp中，以減小電容并形成臺面，使調制器和激光器之間有隔離槽，并把兩者對接，長度分別為90～250μm和450μm。在此器件中，采用了對接結構和fe摻雜的隱埋結構，前者可使激光器和調制器的結構分別最佳，可得到95%以上的高耦合效率，后者具有高功率和高可靠等優點。
　　
　　將此集成光源用于40gbit/s的傳輸實驗時，會發現：當dfb激光器的注入電流為80ma(ith為8ma)時，模塊的輸出光功率為+5dbm，波長為1.551μm，smsr為48db。3db帶寬大于30ghz，調制器動態消光比為10db;在激光器注入電流為100ma、調制器加-1v的反偏壓、50℃的環境中進行高溫工作試驗，經5200小時后光輸出功率下降小于20%。
　　 
            3.多波長光源
　　
　　目前研究較多的多波長光源主要有如下幾種：使用波導光柵的集成光學型多波長光源;由n×n波導光柵路由器和半導體放大器陣列集成的多頻激光器;激光器陣列與其它光學元件集成的多波長光源。其中第一種多波長光源是由混合集成于si基片上的uv寫入波導光柵和ss-ld構成。優點是：ld和波導之間直接耦合，無需耦合透鏡，便于大批量生產;此外，振蕩波長的溫度依賴性取決于sio2波導，因此其平均熱系數為半導體ld的1/8。同時，結構簡單，是用于wdm系統的有希望的光源。
　　
　　由多條波導光柵路由器和放大器陣列集成的多頻激光器與dfb激光器陣列之間的主要差別是：mfl的光諧振腔比較長，接近于f-p模間隔(約3ghz);dfb激光器陣列中單信道的調制速率比mfl的高，而且其芯片尺寸比mfl的小得多;但dfb激光器的制作工藝比mfl的復雜，且還難于制成很多的信道波長。這兩種多波長光源各有利弊，在實際應用中則根據經濟性和性能的要求折衷考慮。一般來說，系統中信道數不太多時則用dfb陣列光源，若系統中的信道數多時則宜用多頻激光器。
　　
　　為了解決dfb陣列激光器中因電、熱干擾引起的波長漂移，日本ntt開發了一種si plc平臺技術，在此技術中，利用兩步裝配(assemby)法進行多晶片混合集成。此多波長光源由信道間隔為200ghz的8個dfb-ld和mmi耦合器(用作光功率合成器)組成。用ausn焊料通過兩步組裝法將ld芯片一齊鍵合在si臺階上，si臺階起熱沉的作用。制成的模塊的性能為：各信道的ith約10ma，當注入電流為100ma時光纖輸出功率為0.5mw。對由熱干擾引起的振蕩波長的漂移進行了測量，結果是振蕩波長僅漂移了0.051nm(即7ghz)。
　　
　　在ofc’99上，美國朗訊bell實驗室報道了安裝在si臺階plc上的混合集成的dfb激光器陣列光源，它由光斑尺寸變換的1.55μm dfb激光器陣列和光斑尺寸變換的半導體光放大器/ea調制器組成。模塊中還有監控pin pd、波導合成器以及球透鏡等。一起裝在si plc上，并經由si-si波導進行光連接。利用可產生低耦合損耗的雙波導光斑尺寸變換的新技術和mocvd等工藝制作。該集成模塊的最小信道間隔為50ghz，恒定偏置條件下的峰值功率在+1.6～-6.2dbm之間，調制器的小信號帶寬為7ghz，在2.6vp-p時所有信道的射頻消光比大于13db，利用該器件可實現16ch×2.5gbit/s的傳輸。

      4.光接收器件
　　
　　光接收器件是高速大容量傳輸系統中必不可少的器件，對其研究從未間斷，其中日本尤為突出，速率為2.5gbit/s、10gbit/s的接收器件已實用化，最高研制速率為100gbit/s。低成本、塑料光纖lan用和光接入系統用的2.5gbit/s的收、發模塊等也已研制成功，已可滿足高速大容量干線系統、中短距離等傳輸系統的需求。
　　
　　日本nec公司研制成可用于光接入系統、干線系統的波導型光電二級管。與常規表面受光的光電二極管相比，波導型光電二極管具有適于表面安裝、成本低、在低偏壓情況下量子效率高和在高速響應時可實現高量子效率等優點。該器件的特性是：波長1.55μm時，外量子效率為77%;pn結電容非常小，約30ff;3db截止頻率為41ghz，用于40gbit/s光接收機中具有足夠的帶寬。
　　
　　日本電氣公司研制的ingaas四元量子阱臺面型及平面型sl(超晶格)-apd可用于10gbit/s系統。p-inalgaas光吸收層、n-ingaas/inalas超晶格倍增層及p+-inp緩沖層為其基本結構。臺面型器件的特點是采用聚酰亞胺鈍化工藝，容易操作;而平面型器件是采用ti離子注入保護環結構，特點是可靠性高，但它的暗電流比臺面型器件的稍大。
　　
　　為了使器件結構最佳，需考慮的因素如下：10gbit/s系統要求所用器件的增益帶寬乘積在120ghz以上，根據超晶格倍增層厚度與增益帶寬乘積的關系，倍增層厚度應小于0.25μm。由于倍增層薄，倍增上升時間縮短而得到高速特性。但在實際的器件中，當倍增層薄時，隨著倍增電場強度增加，隧道電流明顯增加，因此，倍增層厚度不能小于0.23μm;根據光吸收層厚度與量子效率η和最小接收靈敏度的關系，為了提高量子效率和接收靈敏度，光吸收層的厚度應在1～1.5μm之間;根據 p+-inp緩沖層的載流子濃度與gb乘積的關系，為了抑制由inp引起的有效離化率比的干擾，10gbit/s系統用的器件要求其p濃度大于5×1017cm-3(層厚70nm以下)，inp緩沖層的作用是控制ingaas光吸收層的外加電場。因為最佳外加電場為50kv/cm～100kv/cm，所以濃度必須嚴格控制在±2%以內。根據以上因素，采用能精確控制層厚的生長技術和自擴散小的be作p型摻雜劑制作的聚酰亞胺臺面型和ti離子注入保護環結構的平面型mqw sl-apd的特性列于表2。
　　
　　近期ntt報道的一種utc-pd的3db頻帶為152ghz，是目前長波長pd中的最高水平，具有可接收100gbit/s光信號的性能。該器件具有高速、高飽和輸出、低偏壓工作等優點，用作40gbit/s光接收端時不使用寬帶電放大器便可得到良好的誤碼特性。該器件的用途很廣，與其它器件一起可構成光解復用器、波長轉換器、光變換器等，將它作為光驅動器與其它光電器件集成在一起可用于經濟、穩定的超高速信號處理。
　　 
     　　
　　5.收發器件的發展方向

   由于光纖激光器具有輸出功率高(單模輸出大于10mw)、相對強度噪聲低、線寬極窄(<2.5khz)、調諧范圍寬(可達50nm)、輸出穩定性高以及與光纖的兼容性好等優點，近期發展很快，很受重視。
　　
　　　
　　對于光接收器件，通過對可用于10gbit/s系統的sl-apd和背面受光pd的研究，開展諸如apd/pd超高速器件之類的研究和光的3r器件研究，用于長距離網絡，用于100個信道量級的光探測器和電子電路的混合集成器件，以及光探測器和電子器件的oeic陣列器件是技術的焦點。隨著網絡分支數的增加、傳輸距離的延長，需開發低壓apd和電子電路集成器件，以降低功耗，實現高可靠工作。

    用于wdm系統的波長可控光源、波長可調光源和多波長光源是研究重點，縮小波長間隔是發展的必然，其波長間隔將是現在(100ghz)的1/2或1/3;進一步開發集成的光電子器件，特別是用于超寬帶接入網中的低成本廉價的pic、oeic器件。

 6.集成模塊
　　
　　為滿足大容量接入網、寬帶業務等對低成本、小型器件的需求，c&c media研究所研制成以plc技術為基礎的高速收發模塊。此模塊的特點是使用了plc、sl-apd和一塊3r-ic芯片，可減小體積、降低成本。模塊中的sl-apd在2.5gbit/s時接收靈敏度高，量子效率為60%，部分光柵波導激光器在2.5gbit/s下行傳輸時可產生大于+6dbm的輸出。。為了保持低功耗，ic電源為3.3v，芯片用si雙極性工藝制成，ft=40ghz，體積為2×3mm，最小接收靈敏度為-24.2dbm，時鐘抖動為6.4ps，功耗低至450mw，o/e轉換總效率(y支損耗除外)為34%。
　　
　　用于lan的1.3μm波段，2.5gbit/s的光收、發模塊也已研制成功，根據高耦合效率、高速、低成本的原則進行設計。塑料光纖與ld的耦合損耗為1.0db，與pin-pd的耦合損耗為0.3db。發送模塊的消光比為8db，輸出光功率為-2dbm;接收模塊在ber=10-10時的最小光接收功率為-21.2dbm，消光比為20db。
　　
　　hp公司的商用混合集成模塊速率為2.5gbit/s，采用雙纖方案，連同連接器的成本可能比單纖雙向所用的光濾波器便宜。發送采用單模光纖，接收采用多模光纖，這樣有利于耦合。模塊的襯底是高分子聚合物材料。為了降低成本，模塊不用致冷器和隔離器。現已有價格可低于100美元的10gbit/s模塊出售。