光纤通信中的光源发展解析

1. 只有一个主模能够正常工作，其它模都受到抑制，实现激光器的
单模工作，动态单纵模窄线宽振荡，适用于高速度、大容量、长
距离的系统；
2. 典型 λ20 为 0.2nm～0.8nm，比 MLM激光器窄的多；
3. 峰值波长的温度稳定性好，约为－ 0.1nm/ ℃，比 MLM好 5 倍；
4. 输出功率的线性比较好，也适用于线性系统
X0 mW
光谱宽度
窄
驱动电路
复杂
温度影响
大
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可靠性
较低
寿命
较短
应用
高速长距离
LED X00 MHz
X mW 宽
简单 小
较高 较长 低速短距离
激光器由于在调制速率和耦合效率方面都明显优于发光二极管
,所以一般适用于大、
中容量的长距离通信系统， 同时由于电流—光输出特性线性较差， 所以多用于光纤数字传输
系统。
（ DFB）
光
激
器
光
分布布拉
格反射
器
（ DBR）
表三 激光器的种类和特性
特
性
1． 多个纵模同时工作的激光器，激光器输出光谱中包含若干个离散
的纵模，其多纵模与光纤中的传导模式无关，因而既可用于多模
光纤，也可用于单模光纤；
2． 其波长可覆盖三个光纤低损窗口， 但主要用于 1310nm窗口， 其典
型均方根谱宽为 1.4nm～4nm
条件
发射波长和输出功率随温度的变化
在允许范围之内
最好是能够直接调制
越窄越好
越窄越好，与光纤的耦合效率要高
体积小、重量轻（包括电源）
大批量生产、价格低廉
指标 0. 85um、 1.3um、 1.55um 通常 >1mW >10％ >1M hours 通常工作在 0 0 ℃～ 40℃
视光纤通信系统具 体要求而定
小容量数字和模拟光纤传输系统。
四 激光器的种类及特性
激光器是光纤通信中最有前途的光源。激光器可分为半导体激光器和非半导体激光
器。目前光纤通信系统中的光源主要是半导体激光器，而非半导体激光器在接入网（例如
CATV网）中已获得应用。激光器的种类和特性见表三。
光
源
半
多纵模激光器
（ MLM）
导
体
单
激
模
分布反馈
三 LD 与 LED 的比较
要将电信号转变成光信号需要光源。目前光纤通信系统中常用的光源主要有两种：发光二极管（
激光器（ LD ），这两种器件都是用半导体材料制成，其主要参数和性能比较见表二
.
LED ）和
序号 1 2 3 4 5 6 7 8
表二 激光器与发光二极管的比较
项目
LD
调制速率
X GHz
输出光功率
发光二极管除了没有光学谐振腔外， 其他与激光器相同。 发光二极管的特性不如激光
管，主要区别表现在发光二极管发出的是萤光，不象激光那样具有较好的单色性和方向性，
同时调制速度较低，谱线宽度较大，与光纤的耦合效率低，但是发光二极管也有不少优点，
例如电流—光输出特性曲线线性好，使用寿命长、成本低、可靠性高，因此特别适用于中、
1966 年，英籍华人高锟（ C.K.Kao ）和霍克海姆（ George.A.Hockham ）根据介质波导理论，共同提出了光
纤通信的概念，即利用石英玻璃（ SiO2 ）可以制成低损耗的光纤，来作为光通信的传输媒介。
1970 年美国康宁 （ Corning ）玻璃公司的 Maurer 等人首次研制出阶跃折射率多模光纤， 其在波长为 630nm
20 年突飞猛进的发展，光纤通
信传输速率已由 1978 年的 45Mbit/s 提高到目前的 20Tbit/s 。
总之，光纤通信的发展，经历了从 20 世纪 60 年代的准备阶段、 20 世纪 70 年代的实验和试用阶段、 20
世纪 80 年代的实际商用阶段到 20 世纪 90 年代的世界范围大规模使用阶段的发展过程。在现代通信方式中，
扰动区与源区分离，不需要端面反射镜，易于制造，波长可调协性
较好，晶格损伤损耗小，其余特性与 DFB相同
单
半 导 体 激 光 器
非半 导体 激光 器
模
量子阱
（ QW）
激
光
波长可调
器
谐激光器
Nd－ YAG激光器 玻璃光纤激光器
MQW量子阱
1. 阈值电流低、功耗低、温度特
GRIN－ SCH－ SQW带缓变折射
、光束宽度（即空间相干性） 、调制特性、体
积和重量以及经济效益的要求。具体见表一。
条件
必 要 条 件
充 分 条 件
项目 发射波长
输出功率 电光效率 工作可靠性 温度稳定性
调制特性 光谱宽度 光束宽度 体积、重量 经济效益
表一
要
求
与光纤的低损耗或低色散的波长相一致
一致
室温连续工作、输出功率稳定
越高越好
性好；
率波导限制型单量子阱
2. 谱线宽度更窄；
SLB－ GRIN－ SCH－ SQW带有超 晶格缓冲层的缓变折射率波导
3. 频率啁啾小，动态单纵模特性 好，横模控制能力强
限制型单量子阱
波长或频率可调谐；是波分复用系统、相干光通信系统及光交换网络
光纤通信中的光源发展
光纤通信相当于有线电通信，是以激光作为信息载体，以光导纤维即光纤作为信息传递的传输媒介。光
纤通信中的光波工作在电磁波频谱图中的近红外线区域，其中，主要工作波长在
0.8um到 1.8um 之间。
一 光纤通信简史
1960 年美国科学家麦曼（ Mailman ）发明了世界上第一台激光器——红宝石激光器。
1.31um 和
1.55um 两个窗口。
1980 年原材料提纯和光纤制备工艺的进一步不断完善，
加快了光纤的传输窗口由 0.85um 移至 1.31um 和
1.55um 的进程。特别是制造出了低损耗光纤，其在
1.55um 的衰减系数为 0.15dB/km ，已接近理论极限值。
1981 年以后，世界各发达国家才将光纤通信技术大规模的推入商用。历经
处的衰减系数小于 20dB/km 。同年，美国贝尔实验室的
Hayashi 等人研制出室温下连续工作的半导体
GaAs/GaAlAs 双异质结注入式激光器。 正是光纤和激光器这两项科研成果的同时问世， 拉开了光纤通信的序幕。
1976 年，在进一步设法降低玻璃中的氢氧根（ OH－）含量时发现，光纤的衰减在长波长区有
已形成了一个以光纤通信为主，微波和卫星通信为辅的格局。
二 光纤通信对光源的要求
在光纤通信中，首先要将电信号转变为光信号。光纤通信系统对光源的要求分为两类：必要条件要求和
充分条件要求。必要条件要求包括对光源的发射波长、输出功率、电
/ 光转换效率、工作可靠性和温度稳定性
的要求。充分条件要求包括对光源的光谱宽度（即时间相干性）