10Gbps光传输系统中的光器件技术

10Gbps光传输系统中的光器件技术

     10Gbps光传输系统已经得到应用，其高的传输性能依赖于先进的光器件技术，包括集成有调制器的DFB激光模块(MI-DFB-LD)、小封装10Gbps激光模块和接收器模块等，本文将分别介绍这些新器件的结构和技术特点。
    
    

光传输系统在综合网络中的应用需要高性能、低成本、小外形尺寸和低功耗的光器件，使系统整体成本、功耗和体积降低，提高可靠性。目前，开发关键光器件的努力方兴未艾，具有成本效益的10Gbps器件正在涌现，这使宽带光系统的开发成为可能。
    
     本文将介绍10Gbps光传输系统中小封装用于80km传输(色散＞1600ps/nm)的集成有调制器的DFB激光模块(MI-DFB-LD)，无致冷DFB-LD模块以及集成有PIN/前置放大器的接收器和集成有APD/前置放大器的接收器。
    
     高速器件的发展
    
     因特网技术诞生以来，网络流量和用户量的增长超过了人们的预期。如图1中的光传输系统发展过程所示，系统中不断增加的带宽是通过提高数据传输的速率和增加一根光纤中传输的信道数量来实现的。提高系统的数据传输速率包括对在OC-48(2.5Gbps)和OC-192(10Gbps)SONET/SDH传输速率基础上的现有系统采用普通线速率的时分复用(TDM)，而OC-768(40Gbps)的光器件目前仍处在开发阶段。增加每根光纤中的信道数量包括采用信道间隔为100GHz或50GHz的波分复用(WDM)方案。
    
     随着器件技术的发展，这些技术将在不同阶段的光网络中得到应用。现在，无论对电子器件还是对光器件而言10Gbps技术都已成熟，TDM和WDM中每个信道10Gbps数据率已经在网络中得到了应用。40Gbps及更高速率的电子器件和光器件技术正在开发，将用在下一代光网络中。TDM和WDM技术推动了特定波长激光器、可调激光器、光放大器和复用器/解复用器等各种关键器件的发展，光器件的发展过程如图2所示。随着WDM的应用从骨干系统扩展到城域网和接入网，减小器件和系统的体积以及降低成本变得越发重要。此外，在保持高性能的同时，拥有优越的光学功能和必要的可靠性也非常关键，这不仅需要开发高性能的电子和光学芯片，而且还需要为相关的器件与模块开发低成本的封装和集成技术。
    
     10Gbps应用中的光器件
    
     本文将列出几种10Gbps光器件，它们对于现在的光系统都很关键。这些器件的设计和生产技术都已经成熟，为了在一个器件上以更低成本集成更多功能，并使体积更小、功耗更低，业界专家正不断开发各种新技术。
    
     a. 集成有调制器的DFB激光模块(MI-DFB-LD)
    
     如何获得高光电性能的MI-DFB-LD模块是一个很大挑战，因为DFB和调制器都要放在一个晶片上，然后再通过适当的电子设计封装到一个模块之内。
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     在设计中，将信号到激光器芯片的不连续性降到最低可以消除导致微波性能降低的反射，这将使光学性能变得更好。MI-DFB-LD模块在10GHz时的反射低达-10dB，可以获得超过20GHz的带宽。即使通过一根色散为1600ps/nm的80Km标准单模光纤进行发送，也能获得良好的眼图，而且色散损失还不到1dB。
    
     b．集成有波长锁定器的激光模块
    
     WDM激光源的主要特征是波长。通过采用Peltier致冷器进行温度控制，用热敏电阻进行温度监测，可以实现WDM应用中激光二极管光源的调节和稳定。用来调节波长的温度范围应该足够大，以便获得需要的各种波长。新的密集波分复用(DWDM)系统的信道几乎有100个，使用的信道间隔为0.4nm(50GHz)，要求激光模块在其寿命周期中能保持波长的高度稳定，不受环境温度的影响。
    
     一个信道间隔为0.8nm(100GHz)的DWDM系统所期望的波长偏差为50pm或以下，而信道间隔为0.4nm的系统所允许的波长偏差就更小。这个DWDM应用首次引入了无源光器件、具有波长监测和控制能力的激光模块，将一个微光学波长锁定器(wavelength locker)模块集成在普通的14脚蝶形(butterfly style)高功率CW激光器封装内。从一个为单模高功率工作设计的1550nm DFB激光器的前镜面射出的光束，通过两个非球面棱镜系统以70％左右的效率耦合到一根光纤之中。来自激光器后部的光束被导入内部的波长锁定器模块，参见图3。Fabry-Perot基准滤波器的周期传输特性使ITU-T的波长可以调整和设定。通过设置激光器的温度，可以非常精确地将DFB激光二极管的振荡波长设置为所需的值。
    
     c．小封装10Gbps激光模块和接收器模块
    
     即使在局域网和城域网中，传输速度为10Gbps的OC-192和10Gb以太网等光通信网络技术也变得越来越重要。对于这些网络应用，10Gbps直接调制的无致冷DFB激光器是一个关键部件，它还可用于光收发器以降低成本、体积和功耗。图4所给出的例子中，在一个具有共面RF输入管脚的小形状因子(SFF)封装中，集成了一个直接调制的波长为1310nm的DFB激光器和一个监测光电二极管，这样可以取得更好的电性能。当外壳温度为70℃，消光比优于8.5dB时，可以得到大于+3dBm的光输出功率，经过12km的传输后，功率仅衰减1dB，其性能可以满足OC-192 SR应用的需求。
    
     如图5所示，在一种类似的小封装内集成有一个高速InP/InGaAs雪崩光电二极管(APD)和一个低噪声宽带砷化镓异质双极晶体管(HBT)IC。它采用一个非球面棱镜来有效地耦合到这个小活动面积的APD芯片之中，耦合效率大于95%。这个APD倒装在一个陶瓷载体上，这能保证APD的质量，如防止早期失效等。具有陶瓷馈入和50Ω电阻的共面差分输出适合将这个模块连接到一块电路板上。当APD的倍增因子为3~10时，接收器的带宽大于8GHz，满足10Gbps系统应用。当位误码率为10-12(NRZ标记密度为50%)、波长为1.55um时，可获得-26dBm的最小灵敏度。类似的封装也用于设计PIN光电二极管接收器。
    
     这种小封装激光模块和接收器模块有助于实现经济和高性能的光传输系统，特别是在城域光网络系统等中短距离的应用中。
    
     作者：Katsuhito Shima
     Jackie Tong
     富士通量子器件新加坡私人公司香港事务所