Katsuhito Shima Jackie Tong
富士通量子器件公司
10Gbps光傳輸系統(tǒng)已經(jīng)得到應(yīng)用，其高的傳輸性能依賴于先進(jìn)的光器件技術(shù)，包括集成有調(diào)制器的DFB激光模塊(MI-DFB-LD)、小封裝10Gbps激光模塊和接收器模塊等，本文將分別介紹這些新器件的結(jié)構(gòu)和技術(shù)特點。
光傳輸系統(tǒng)在綜合網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用需要高性能、低成本、小外形尺寸和低功耗的光器件，使系統(tǒng)整體成本、功耗和體積降低，提高可靠性。目前，開發(fā)關(guān)鍵光器件的努力方興未艾，具有成本效益的10Gbps器件正在涌現(xiàn)，這使寬帶光系統(tǒng)的開發(fā)成為可能。
本文將介紹10Gbps光傳輸系統(tǒng)中小封裝用于80km傳輸(色散＞1600ps/nm)的集成有調(diào)制器的DFB激光模塊(MI-DFB-LD)，無致冷DFB-LD模塊以及集成有PIN/前置放大器的接收器和集成有APD/前置放大器的接收器。
高速器件的發(fā)展
因特網(wǎng)技術(shù)誕生以來，網(wǎng)絡(luò)流量和用戶量的增長超過了人們的預(yù)期。如圖1中的光傳輸系統(tǒng)發(fā)展過程所示，系統(tǒng)中不斷增加的帶寬是通過提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俾屎驮黾右桓饫w中傳輸?shù)男诺罃?shù)量來實現(xiàn)的。提高系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸速率包括對在OC-48(2.5Gbps)和OC-192(10Gbps)SONET/SDH傳輸速率基礎(chǔ)上的現(xiàn)有系統(tǒng)采用普通線速率的時分復(fù)用(TDM)，而OC-768(40Gbps)的光器件目前仍處在開發(fā)階段。增加每根光纖中的信道數(shù)量包括采用信道間隔為100GHz或50GHz的波分復(fù)用(WDM)方案。
隨著器件技術(shù)的發(fā)展，這些技術(shù)將在不同階段的光網(wǎng)絡(luò)中得到應(yīng)用�，F(xiàn)在，無論對電子器件還是對光器件而言10Gbps技術(shù)都已成熟，TDM和WDM中每個信道10Gbps數(shù)據(jù)率已經(jīng)在網(wǎng)絡(luò)中得到了應(yīng)用。40Gbps及更高速率的電子器件和光器件技術(shù)正在開發(fā)，將用在下一代光網(wǎng)絡(luò)中。TDM和WDM技術(shù)推動了特定波長激光器、可調(diào)激光器、光放大器和復(fù)用器/解復(fù)用器等各種關(guān)鍵器件的發(fā)展，光器件的發(fā)展過程如圖2所示。隨著WDM的應(yīng)用從骨干系統(tǒng)擴(kuò)展到城域網(wǎng)和接入網(wǎng)，減小器件和系統(tǒng)的體積以及降低成本變得越發(fā)重要。此外，在保持高性能的同時，擁有優(yōu)越的光學(xué)功能和必要的可靠性也非常關(guān)鍵，這不僅需要開發(fā)高性能的電子和光學(xué)芯片，而且還需要為相關(guān)的器件與模塊開發(fā)低成本的封裝和集成技術(shù)。
10Gbps應(yīng)用中的光器件
本文將列出幾種10Gbps光器件，它們對于現(xiàn)在的光系統(tǒng)都很關(guān)鍵。這些器件的設(shè)計和生產(chǎn)技術(shù)都已經(jīng)成熟，為了在一個器件上以更低成本集成更多功能，并使體積更小、功耗更低，業(yè)界專家正不斷開發(fā)各種新技術(shù)。
a. 集成有調(diào)制器的DFB激光模塊(MI-DFB-LD)
如何獲得高光電性能的MI-DFB-LD模塊是一個很大挑戰(zhàn)，因為DFB和調(diào)制器都要放在一個晶片上，然后再通過適當(dāng)?shù)碾娮釉O(shè)計封裝到一個模塊之內(nèi)。
在設(shè)計中，將信號到激光器芯片的不連續(xù)性降到最低可以消除導(dǎo)致微波性能降低的反射，這將使光學(xué)性能變得更好。MI-DFB-LD模塊在10GHz時的反射低達(dá)-10dB，可以獲得超過20GHz的帶寬。即使通過一根色散為1600ps/nm的80Km標(biāo)準(zhǔn)單模光纖進(jìn)行發(fā)送，也能獲得良好的眼圖，而且色散損失還不到1dB。
b．集成有波長鎖定器的激光模塊
WDM激光源的主要特征是波長。通過采用Peltier致冷器進(jìn)行溫度控制，用熱敏電阻進(jìn)行溫度監(jiān)測，可以實現(xiàn)WDM應(yīng)用中激光二極管光源的調(diào)節(jié)和穩(wěn)定。用來調(diào)節(jié)波長的溫度范圍應(yīng)該足夠大，以便獲得需要的各種波長。新的密集波分復(fù)用(DWDM)系統(tǒng)的信道幾乎有100個，使用的信道間隔為0.4nm(50GHz)，要求激光模塊在其壽命周期中能保持波長的高度穩(wěn)定，不受環(huán)境溫度的影響。
一個信道間隔為0.8nm(100GHz)的DWDM系統(tǒng)所期望的波長偏差為50pm或以下，而信道間隔為0.4nm的系統(tǒng)所允許的波長偏差就更小。這個DWDM應(yīng)用首次引入了無源光器件、具有波長監(jiān)測和控制能力的激光模塊，將一個微光學(xué)波長鎖定器(wavelength locker)模塊集成在普通的14腳蝶形(butterfly style)高功率CW激光器封裝內(nèi)。從一個為單模高功率工作設(shè)計的1550nm DFB激光器的前鏡面射出的光束，通過兩個非球面棱鏡系統(tǒng)以70％左右的效率耦合到一根光纖之中。來自激光器后部的光束被導(dǎo)入內(nèi)部的波長鎖定器模塊，參見圖3。Fabry-Perot基準(zhǔn)濾波器的周期傳輸特性使ITU-T的波長可以調(diào)整和設(shè)定。通過設(shè)置激光器的溫度，可以非常精確地將DFB激光二極管的振蕩波長設(shè)置為所需的值。
c．小封裝10Gbps激光模塊和接收器模塊
即使在局域網(wǎng)和城域網(wǎng)中，傳輸速度為10Gbps的OC-192和10Gb以太網(wǎng)等光通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)也變得越來越重要。對于這些網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用，10Gbps直接調(diào)制的無致冷DFB激光器是一個關(guān)鍵部件，它還可用于光收發(fā)器以降低成本、體積和功耗。圖4所給出的例子中，在一個具有共面RF輸入管腳的小形狀因子(SFF)封裝中，集成了一個直接調(diào)制的波長為1310nm的DFB激光器和一個監(jiān)測光電二極管，這樣可以取得更好的電性能。當(dāng)外殼溫度為70℃，消光比優(yōu)于8.5dB時，可以得到大于+3dBm的光輸出功率，經(jīng)過12km的傳輸后，功率僅衰減1dB，其性能可以滿足OC-192 SR應(yīng)用的需求。
如圖5所示，在一種類似的小封裝內(nèi)集成有一個高速InP/InGaAs雪崩光電二極管(APD)和一個低噪聲寬帶砷化鎵異質(zhì)雙極晶體管(HBT)IC。它采用一個非球面棱鏡來有效地耦合到這個小活動面積的APD芯片之中，耦合效率大于95%。這個APD倒裝在一個陶瓷載體上，這能保證APD的質(zhì)量，如防止早期失效等。具有陶瓷饋入和50Ω電阻的共面差分輸出適合將這個模塊連接到一塊電路板上。當(dāng)APD的倍增因子為3~10時，接收器的帶寬大于8GHz，滿足10Gbps系統(tǒng)應(yīng)用。當(dāng)位誤碼率為10-12(NRZ標(biāo)記密度為50%)、波長為1.55um時，可獲得-26dBm的最小靈敏度。類似的封裝也用于設(shè)計PIN光電二極管接收器。
這種小封裝激光模塊和接收器模塊有助于實現(xiàn)經(jīng)濟(jì)和高性能的光傳輸系統(tǒng)，特別是在城域光網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)等中短距離的應(yīng)用中。
參考文獻(xiàn)
H. Yonetani, T. Machida, and S. Yamakoshi, "Laser module with wavelength locker for WDM system", Fujitsu Technical Journal, vol. 51, no. 3, pp. 148-151, 2000. K. Satoh, I. Hanawa, and M. Kobayashi, "APD receiver module 10Gbps high speed data communication", Fujitsu Technical Journal, vol. 51, no. 3, pp. 152-154, 2000.
