Katsuhito Shima Jackie Tong
富士通量子器件公司
10Gbps光傳輸系統已經得到應用，其高的傳輸性能依賴于先進的光器件技術，包括集成有調制器的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構和技術特點。
光傳輸系統在綜合網絡中的應用需要高性能、低成本、小外形尺寸和低功耗的光器件，使系統整體成本、功耗和體積降低，提高可靠性。目前，開發關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，這使寬帶光系統的開發成為可能。
本文將介紹10Gbps光傳輸系統中小封裝用于80km傳輸(色散＞1600ps/nm)的集成有調制器的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。
高速器件的發展
因特網技術誕生以來，網絡流量和用戶量的增長超過了人們的預期。如圖1中的光傳輸系統發展過程所示，系統中不斷增加的帶寬是通過提高數據傳輸的速率和增加一根光纖中傳輸的信道數量來實現的。提高系統的數據傳輸速率包括對在OC-48(2.5Gbps)和OC-192(10Gbps)SONET/SDH傳輸速率基礎上的現有系統采用普通線速率的時分復用(TDM)，而OC-768(40Gbps)的光器件目前仍處在開發階段。增加每根光纖中的信道數量包括采用信道間隔為100GHz或50GHz的波分復用(WDM)方案。
隨著器件技術的發展，這些技術將在不同階段的光網絡中得到應用。現在，無論對電子器件還是對光器件而言10Gbps技術都已成熟，TDM和WDM中每個信道10Gbps數據率已經在網絡中得到了應用。40Gbps及更高速率的電子器件和光器件技術正在開發，將用在下一代光網絡中。TDM和WDM技術推動了特定波長激光器、可調激光器、光放大器和復用器/解復用器等各種關鍵器件的發展，光器件的發展過程如圖2所示。隨著WDM的應用從骨干系統擴展到城域網和接入網，減小器件和系統的體積以及降低成本變得越發重要。此外，在保持高性能的同時，擁有優越的光學功能和必要的可靠性也非常關鍵，這不僅需要開發高性能的電子和光學芯片，而且還需要為相關的器件與模塊開發低成本的封裝和集成技術。
10Gbps應用中的光器件
本文將列出幾種10Gbps光器件，它們對于現在的光系統都很關鍵。這些器件的設計和生產技術都已經成熟，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，業界專家正不斷開發各種新技術。
a. 集成有調制器的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，因為DFB和調制器都要放在一個晶片上，然后再通過適當的電子設計封裝到一個模塊之內。
在設計中，將信號到激光器芯片的不連續性降到最低可以消除導致微波性能降低的反射，這將使光學性能變得更好。MI-DFB-LD模塊在10GHz時的反射低達-10dB，可以獲得超過20GHz的帶寬。即使通過一根色散為1600ps/nm的80Km標準單模光纖進行發送，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致冷器進行溫度控制，用熱敏電阻進行溫度監測，可以實現WDM應用中激光二極管光源的調節和穩定。用來調節波長的溫度范圍應該足夠大，以便獲得需要的各種波長。新的密集波分復用(DWDM)系統的信道幾乎有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定，不受環境溫度的影響。
一個信道間隔為0.8nm(100GHz)的DWDM系統所期望的波長偏差為50pm或以下，而信道間隔為0.4nm的系統所允許的波長偏差就更小。這個DWDM應用首次引入了無源光器件、具有波長監測和控制能力的激光模塊，將一個微光學波長鎖定器(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。從一個為單模高功率工作設計的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入內部的波長鎖定器模塊，參見圖3。Fabry-Perot基準濾波器的周期傳輸特性使ITU-T的波長可以調整和設定。通過設置激光器的溫度，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
即使在局域網和城域網中，傳輸速度為10Gbps的OC-192和10Gb以太網等光通信網絡技術也變得越來越重要。對于這些網絡應用，10Gbps直接調制的無致冷DFB激光器是一個關鍵部件，它還可用于光收發器以降低成本、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，集成了一個直接調制的波長為1310nm的DFB激光器和一個監測光電二極管，這樣可以取得更好的電性能。當外殼溫度為70℃，消光比優于8.5dB時，可以得到大于+3dBm的光輸出功率，經過12km的傳輸后，功率僅衰減1dB，其性能可以滿足OC-192 SR應用的需求。
如圖5所示，在一種類似的小封裝內集成有一個高速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APD的倍增因子為3~10時，接收器的帶寬大于8GHz，滿足10Gbps系統應用。當位誤碼率為10-12(NRZ標記密度為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經濟和高性能的光傳輸系統，特別是在城域光網絡系統等中短距離的應用中。
參考文獻
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.
