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光有源器件是光通信系统中将电信号转换成光信号或将光信号转换成电信号的关键器件,是光传输系统的心脏。将电信号转换成光信号的器件称为光源,主要有半导体发光二极管(LED)和激光二极管(LD)。

将光信号转换成电信号的器件称为光检测器,主要有光电二极管(PIN)和雪崩光电二极管(APD)。光纤放大器成为光有源器件的新秀,当前大量应用的是掺铒光纤放大器(EDFA),很有应用前景的是拉曼光放大器。

基本信息

  • 中文名称

    光有源器件

  • 外文名称

    Optical active device

  • 用途

    将电信号转换成光信号

  • 类别

    电子原件

折叠 编辑本段 发展简介

折叠 介绍

我国开展光有源器件的研究是从20世纪70年代开始的。当时西方国家根据所谓"巴统"规定,对我国进行高新技术的封锁和禁运,光有源器件亦在其中。于是中科院半导体所、武汉邮科院、电子部第44所、电子部第13所等单位,发扬"自力更生"的精神,研制了波长为850nm的所谓短波长光器件,如采用GaAlAs/GaAs材料同质结或异质结结构的LD和LED光源、Si-PIN检测器等。虽然现在来看这些器件的性能较差,但也满足了我国光通信起步阶段的需要。

折叠 发展

此后,这些单位又开发了波长为1310nm和1550nm的所谓长波长器件,如采用InGaAsP/In材料隐埋双质结构的半导体激光器、采用InGaAs/In材料的PIN检测器等。这些芯片本身的性能有了很大提高,但在研制初期,芯片与光纤之间采用 环氧树脂进行粘结,所以器件的气密性能差、粘结强度小、光纤易移位,因而整个器件的性能和可靠性较差。后来采用全金属化的耦合封装工艺,器件的可靠性和寿命大大提高,满足了当时光通信日益发展的需要。

1993年之前,我国光通信所需的光有源器件,基本上都是由国内生产商提供的,以致西方国家认识到在有源器件等方面再用"巴统"向我国进行技术封锁和禁运,反而失去中国的大市场,是得不偿失的,于是只得宣告"巴统"解散,国外的光有源器件开始大量涌入我国市场。

折叠 编辑本段 产业现状

随着光通信技术的迅速发展,对光有源器件的技术要求愈来愈高。虽然我国有关单位做出很大努力,跟踪世界潮流,取得了量子阱半导体材料与器件技术的突破,分布反馈(DFB)半导体激光器等先进器件的实验室水平也有很大提高,但由于投入的人力和物力远远不足,与国外先进水平的差距日显突出。

目前我国只有少数几家能自己生产光源和检测器的管芯,而且基本上是2.5Gb/s以下速率的水平。这些产品由于不能同时达到高性能、高成品率、高重复性、高可靠性和低成本等产业化要求,实际上只能用于一些要求较低的系统,而在高速系统中的应用几乎为零。国内光通信设备和系统所需的高速率管芯和单元器件以及掺铒光纤放大器的关键元件掺铒光纤等都需要进口。国内的有源器件公司大都是买了国外的管芯做器件,买了国外的器件做模块,买了国外的掺铒光纤做放大器的组装公司。光通信设备公司则买了国外的模块做系统。

目前我国规模最大的光源、检察器制造单位是武汉电信器件公司、深圳飞通光电子技术有限公司,它们的销售量占全国的80%以上。其他还有深圳恒通宝光电子有限公司、武汉华工科技产业股份有限公司正元光子分公司、武汉天讯科技股份有限公司、北京福创光电子股份有限公司、上海奥普光电技术有限公司、四川康和光电子有限责任公司、重庆光电技术研究所、信息产业部电子第44研究所等20余家,可以生产十几种量子附激光器、半导体泵浦激光器。光纤放大器的制造单位主要有无锡中兴光电子技术有限公司、武汉光讯通信技术有限公司等。在光有源器件方面还有一些外资企业,如深圳光炬(JDS Uniphase的子公司)、深圳新福克斯等。

折叠 编辑本段 市场说明

根据对部分厂商的调查,1998-2000年我国光有源器件的生产销售情况如表1所示。由表可见,2000年这些厂商的光有源器件的销售量为64.9万只(其中出口约19.3万只,国内销售为45.6万只),销售总额为4.7亿元,较1999年增长了94.2%。

关于2001年全国光有源器件的市场情况,有不同的估计。有的认为是11亿元人民币,其中光收发(光源-检测)一体模块的市场份额为40%、DWDM用激光器为39%、泵浦激光器为20%、光放大器为1%。有的认为是14亿元,其中光收发一体模块的市场份额为36%、DWDM用激光器为36%、泵浦激光器为14%、光放大器为14%。预计今后数年光有源器件将以40-50%的速度增长,其中2002年的市场销售额将比2001年增加70%以上。

据估计,国内生产的光有源器件只占国内市场的30-40%。例如华为、中兴、大唐、烽火等几家公司,2001年光传输设备所用的光有源器件就有数十亿人民币,而采购国产光有源器件的金额不足10亿元,可见大部分的市场份额被国外厂商所占有。

折叠 编辑本段 相关介绍

折叠 光源

光源可分为:

1.天然光源(如太阳、火焰、闪电、萤火虫等)

2.人造光源(如点燃的蜡烛、发光的电灯、激光束等)

注意:有些物体,比如月亮,本身并不发光,而是反射太阳光才被人看见的,所以月亮不是光源。而人造光源一定要是正在发光的物体。

物理学上指能发出一定波长范围的电磁波(包括可见光与紫外线、红外线和X光线等不可见光)的物体。通常指能发出可见光的发光体。凡物体自身能发光者,称做光源,又称发光体,如太阳、恒星、灯以及燃烧着的物质等都是。但像月亮表面、桌面等依靠它们反射外来光才能使人们看到它们,这样的反射物体不能称为光源。在我们的日常生活中离不开可见光的光源,可见光以及不可见光的光源还被广泛地应用到工农业,医学和国防现代化等方面。

光源可以分为三种。

第一种是热效应产生的光,太阳光就是很好的例子,此外蜡烛等物品也都一样,此类光随着温度的变化会改变颜色。 第二种是原子发光,荧光灯灯管内壁涂抹的荧光物质被电磁波能量激发而产生光,此外霓虹灯的原理也是一样。原子发光具有独自的基本色彩,所以彩色拍摄时我们需要进行相应的补正。

第三种是synchrotron发光,同时携带有强大的能量,原子炉发的光就是这种,但是我们在日常生活中几乎没有接触到这种光的机会,所以记住前两种就足够了。

折叠 光检测器

光信号经过光纤传输到达接收端后,在接收端有一个接收光信号的元件。但是由于我们对光的认识还没有达到对电的认识的程度,所以我们并不能通过对光信号的直接还原而获得原来的信号。在他们之间还存在着一个将光信号转变成电信号,然后再由电子线路进行放大的过程,最后再还原成原来的信号。这一接收转换元件称作光检测器,或者光电检测器,简称检测器,又叫光电检波器或者光电二极管。

常见的光检测器包括:PN光电二极管、PIN光电二极管和雪崩光电二极管(APD)。

光纤通信系统要求光检测器:

(1) 灵敏度高:灵敏度高表示检测器把光功率转变为电流的效率高。在实际的光接收机中,光纤传来的信号及其微弱,有时只有1nw左右。为了得到较大的信号电流,人们希望灵敏度尽可能的高。

(2) 响应速度快:指射入光信号后,马上就有电信号输出;光信号一停,电信号也停止输出,不要延迟。这样才能重现入射信号。实际上电信号完全不延迟是不可能的,但是应该限制在一个范围之内。随着光纤通信系统的传输速率的不断提高,超高速的传输对光电检测器的响应速度的要求越来越高,对其制造技术提出了更高的要求。

(3) 噪声小:为了提高光纤传输系统的性能,要求系统的各个组成部分的噪声要求足够小。但是对于光电检测器要求特别严格,因为它是在极其微弱的信号条件下工作,又处于光接收机的最前端,如果在光电变换过程中引入的噪声过大,则会使信号噪声比降低,影响重现原来的信号。

(4) 稳定可靠:要求检测器的主要性能尽可能不受或者少受外界温度变化和环境变化的影响,以提高系统的稳定性和可靠性。

折叠 光纤放大器

光纤放大器不但可对光信号进行直接放大,同时还具有实时、高增益、宽带、在线、低噪声、低损耗的全光放大功能,是新一代光纤通信系统中必不可少的关键器件;由于这项技术不仅解决了衰减对光网络传输速率与距离的限制,更重要的是它开创了1550nm频段的波分复用,从而将使超高速、超大容量、超长距离的波分复用(WDM)、密集波分复用(DWDM)、全光传输、光孤子传输等成为现实,是光纤通信发展史上的一个划时代的里程碑。在实用化的光纤放大器中主要有掺铒光纤放大器(EDFA)、半导体光放大器(SOA)和光纤拉曼放大器(FRA)等,其中掺铒光纤放大器以其优越的性能现已广泛应用于长距离、大容量、高速率的光纤通信系统、接入网、光纤CATV网、军用系统(雷达多路数据复接、数据传输、制导等)等领域,作为功率放大器、中继放大器和前置放大器。 光纤放大器一般都由增益介质、泵浦光和输入输出耦合结构组成。光纤放大器主要有掺铒光纤放大器、半导体光放大器和光纤拉曼放大器三种。

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