谈光电子器件在光纤通信中的应用
作者：邹跃
来源：《科学与信息化》2018年第17期
摘要光纤通信的快速发展推动着光电子器件的微型化和精密化，基于此，本文通过调研，更深层次地了解光电子器件在光纤通信中的具体用途和及实现机理，进一步拓展各新型光电子器件的发展和应用。

关键词光电子器件；光通信；激光器
引言
从1966年高琨博士提出光纤通信概念至今短短51年，光纤通信发展迅猛，应用广泛，已涉及生活各个领域。

尤其自李克强总理在2015年政府工作报告中提到发展智慧城市，制定“互联网+”行动计划，全面推进“三网”融合，加快建设光纤网络以来，我国的光纤通信更是达到了蓬勃发展的高度。

1 光纤通信简介
光纤通信是以光波作为信息载体，以光纤作为传输媒介的一种通信方式，我们可以想象在这样一个以电-光-电转换的系统中，尤其是传输过程中面临能量损耗以及噪声干扰的影响，整个系统对光电子器件的精度、灵敏度和抗干扰能力的高要求。

所以无论是从发射端、传输端还是到接收端，要很好地实现这样一个传输过程，光电子器件都将发挥举足轻重的作用。

2 光发射机
光发射机是实现电/光转换的光端机，是将电机端的电信号对光源发射的光信号进行调制，成为已调光波，然后将其再耦合到光纤中进行传输的组件。

其中涉及的光电子器件主要有光源、光调制器。

更高档的光发射机是采用双模块放大器的“AGC”型光发射机和“调制度恒定型光发射机”。

2.1 光源的选择
在选择与光纤耦合的光源时，应该充分地考虑到诸如光纤的尺寸、失真、衰减等各种客观因素的影响，所以我们在选择光源时应尽量满足光源峰值波长处于低损耗范围。

目前有三个低损耗窗口：分别是850nm、1310nm、1550nm，基于这些要求，目前常用的光源有两类，一类是半导体激光器，另一类是发光二极管，它们适合于远距离传输，其输出功率可通过注入的电流来控制，已成为光纤通信光源的首选。

由于半导体激光器的调制效率更高，适合长距离通信，目前发展比较快、应用相对广泛的有法布里-珀罗激光器、垂直腔面发射激光器、分布反馈半导体激光器等[1]。

2.2 光调制器
光调制器是指将光信号的一个或多个特征参量按被传送信息的特征变化，以实现信息检测传送目的的一类器件。

调制器是根据电光效应制成，根据调制方式与光源的关系来分有内调制和外调制两种[2]，如图1所示。

内调制的输出信号强度随调制信号变化而变化，它调制简单、成本低、损耗小，但波长会抖动。

外调制带宽不受通带限制，使用方便，不受激光器输出功率影响，调制速率更高。

目前常用的调制器有马赫-曾德尔调制器、LiNbO2外调制器、多量子阱分布反馈激光器，外调制大多采用多量子阱分布反馈激光器，它可以输出大功率激光，功率-电流线性关系好，能够稳定温度变化[3]，AIGalnAs量子阱激光器的特征温度可达150K，因而在光纤通信中至关重要。

3 光接收机
光接收机是用于接收光信号的组件，它主要由光电检测器和光放大器组成。

具有灵敏度高、响应快、噪声小等特性，它的输出特性很好地反映出整个光纤通信系统的综合性能[4]，这一部分主要是电路模块起着支撑性作用。

2017年IBM研发出传输速率达60Gbit/s的光接收机，这一突破性的CMOS光子学技术可以应用到处理器或芯片，具有9dB/mw灵敏度的功耗，非常适合高带宽连接、高吞吐量要求的云计算、数据中心等应用。

3.1 光电检测器
由于信号的处理一般都是在电学领域进行，光接收机在接收端接收的是光信号，需要将光信号转换成电信号，这一接收转换元件就是光电检测器。

常用的有PIN型光电二极管和APD 雪崩光电二极管，APD雪崩光电二极管相比PIN型光电二极管具有在电信号进入放大器之前先在内部放大信号的作用，这一特点受到了广泛的青睐。

此外，根据光电倍增管能够探测微弱光辐射的特性，它放大倍率很高，具备探测单光子的能力，且光电特性线性化。

可以考虑采用它来作为光纤通信的检测。

光电检测器的性能对光电系统的性能影响很大，其质量的优劣程度直接决定了光接收机的性能指标和档次，往往每提高一个档次，价格就要翻几翻。

所以在追求光电器件小型化的同时提高精度和灵敏度成为当下研究的热点。

因此，光电检测器件将朝着纳米高精度领域、小型、快速、非接触等领域发展。

3.2 光放大器
由于在信号的形成、传输和接收的过程中，常常存在外部和内部干扰，此外，噪声也限制了系统可能探测到的最小信号功率，这对信号的提取和分析十分不利，因此需要抑制噪声，改善信号的质量，尤其在进行长距离传输时，必须进行光的放大。

此外，光纤通信是将光信号在光导纤维中通过全反射的方式向前传播，尽管反射率很高，但不可能达到100%，经过N多次全反射后，信号在一定程度上会明显地衰弱，如果不在传输路径上适当地放大信号，那么最后接收到的光信息就会减弱，甚至丢失部分信息。

和传统的光-电-光中继器相比，光纤放大器性能更加可靠，放大效率更高，可用的放大器有光纤拉曼放大器（FRA）、半导体光放大器、掺
铌光纤放大器（NDFA）、掺铒光纤放大器（EDFA）以及掺镨光纤放大器（PDFA）。

光纤拉曼放大器虽然需要高泵浦和泵浦偏振来工作[5]，但是只要能得到所需的泵浦波长，可以为任何波长提供增益及低噪声，已然成为新型放大器的研究热点，与常规的掺铒光纤放大器混合使用时，可远远地减小系统的噪声；掺铒光纤放大器最大的特点是它可以免除常规光纤通信技术在中继站进行的光电变换而增加中继距离，使常规的光纤通信提高到一个新的水平。

对推动密集波分复用、频分复用、光孤子光纤通信、光纤本地网和光纤宽带综合业务数据网的发展起着举足轻重的作用。

参考文献
[1] 罗毅，王健，蔡鹏飞，等.光纤通信用半导体激光器[J].中芯通信技术，2002，（4）：18-23.
[2] 周自刚.光电子技术[M].北京：电子工业出版社，2015：87-88.
[3] 张晓青，张春熹，胡铢玲，等.外调制激光器输出功率高精度控制技术研究[J].光学学报，2008，7（28）：79-83.
[4] 百度百科.光接收机[DB/OL].https：
///item/%E5%85%89%E6%8E%A5%E6%94%B6%E6%9C%BA/774107，2018-01-28.
[5] 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[J].物理，2001，30（8）：501-505.。