光源的作用是產(chǎn)生激光或熒光，它是組成光纖通信系統(tǒng)的重要器件。目前應(yīng)用于光纖通信的光源半導(dǎo)體激光器LD（Laser Diode）和半導(dǎo)體發(fā)光二極管LED（Light Emitting Diode），都屬于半導(dǎo)體器件。共同特點是：體積小、重量輕、耗電量小。
LD和LED相比，其主要區(qū)別在于，前者發(fā)出的是激光，后者發(fā)出的是熒光， 因此，LED的譜線寬度較寬，調(diào)制效率低，與光纖的耦合效率也低；但它的輸出特性曲線線性好，使用壽命長，成本低，適用于短距離、小容量的傳輸系統(tǒng)。而LD一般適用于長距離、大容量的傳輸系統(tǒng)，在高速率的PDH和SDH設(shè)備上被廣泛采用。
高速光纖通信系統(tǒng)中使用的光源分為多縱模（MLM）激光器和單縱模（SLM）激光器兩類。從性能上講，這兩類半導(dǎo)體激光器的主要區(qū)別在于它們發(fā)射頻譜的差異。MLM激光器的發(fā)射頻譜的線寬較寬，為nm 量級，而且可以觀察到多個諧振峰的存在。SLM激光器發(fā)射頻譜的線寬，為0.1nm量級，而且只能觀察到單個諧振峰。SLM激光器比MLM激光器的單色性更好。
DWDM系統(tǒng)的工作波長較為密集，一般波長間隔為幾個納米到零點幾個納米，這就要求激光器工作在一個標(biāo)準(zhǔn)波長上，并且具有很好的穩(wěn)定性；另一方面，DWDM系統(tǒng)的無電再生中繼長度從單個SDH系統(tǒng)傳輸50~60km增加到500~600km，在延長傳輸系統(tǒng)的色散受限距離的同時，為了克服光纖的非線性效應(yīng)｛如受激布里淵散射效應(yīng)（SBS）、受激拉曼散射效應(yīng)（SRS）、自相位調(diào)制效應(yīng)（SPM）、交叉相位調(diào)制效應(yīng)（XPM）、調(diào)制的不穩(wěn)定性以及四波混頻（FWM）效應(yīng)等｝，要求DWDM系統(tǒng)的光源使用技術(shù)更為先進、性能更為優(yōu)越的激光器。
總之，DWDM系統(tǒng)的光源的兩個突出的特點是：
1）、 比較大的色散容納值；
2）、標(biāo)準(zhǔn)而穩(wěn)定的波長。
2、激光器的調(diào)制方式
目前廣泛使用的光纖通信系統(tǒng)均為強度調(diào)制——直接檢波系統(tǒng)，對光源進行強度調(diào)制的方法有兩類，即直接調(diào)制和間接調(diào)制。
1）、直接調(diào)制
直接調(diào)制： 又稱為內(nèi)調(diào)制，即直接對光源進行調(diào)制，通過控制半導(dǎo)體激光器的注入電流的大小來改變激光器輸出光波的強弱。傳統(tǒng)的PDH和2.5Gbit/s速率以下的SDH系統(tǒng)使用的LED或LD光源基本上采用的都是這種調(diào)制方式。
直接調(diào)制方式的特點是輸出功率正比于調(diào)制電流，具有結(jié)構(gòu)簡單、損耗小、成本低的特點，但由于調(diào)制電流的變化將引起激光器發(fā)光諧振腔的長度發(fā)生變化，引起發(fā)射激光的波長隨著調(diào)制電流線性變化，這種變化被稱作調(diào)制啁啾，它實際上是一種直接調(diào)制光源無法克服的波長（頻率）抖動。啁啾的存在展寬了激光器發(fā)射光譜的帶寬，使光源的光譜特性變壞，限制了系統(tǒng)的傳輸速率和距離。一般情況下，在常規(guī)G.652光纖上使用時，傳輸距離≤100公里，傳輸速率≤2.5Gbit/s。
對于不采用光線路放大器的DWDM系統(tǒng)，從節(jié)省成本的角度出發(fā)，可以考慮使用直接調(diào)制激光器。
2）、 間接調(diào)制
間接調(diào)制： 這種調(diào)制方式又稱做外調(diào)制。即不直接調(diào)制光源，而是在光源的輸出通路上外加調(diào)制器對光波進行調(diào)制，此調(diào)制器實際上起到一個開關(guān)的作用。結(jié)構(gòu)如圖3-1所示。
恒定光源是一個連續(xù)發(fā)送固定波長和功率的高穩(wěn)定光源，在發(fā)光的過程中，不受電調(diào)制信號的影響，因此不產(chǎn)生調(diào)制頻率啁啾，光譜的譜線寬度維持在變小。光調(diào)制器對恒定光源發(fā)出的高穩(wěn)定激光根據(jù)電調(diào)制信號以“允許”或者“禁止”通過的方式進行處理，而在調(diào)制的過程中，對光波的頻譜特性不會產(chǎn)生任何影響，保證了光譜的質(zhì)量。
間接調(diào)制方式的激光器比較復(fù)雜、損耗大、而且造價也高，但調(diào)制頻率啁啾很小，可以應(yīng)用于傳輸速率≥2.5Gbit/s，傳輸距離超過300公里以上的系統(tǒng)。因此，一般來說，在使用光線路放大器的DWDM系統(tǒng)中，發(fā)射部分的激光器均為間接調(diào)制方式的激光器。
常用的外調(diào)制器有光電調(diào)制器、聲光調(diào)制器和波導(dǎo)調(diào)制器等。
光電調(diào)制器基本工作原理是晶體的線性電光效應(yīng)。電光效應(yīng)是指電場引起晶體折射率變化的現(xiàn)象，能夠產(chǎn)生電光效應(yīng)的晶體稱為電光晶體。
聲光調(diào)制器是利用介質(zhì)的聲光效應(yīng)制成。所謂聲光效應(yīng)，是聲波在介質(zhì)中傳播時，介質(zhì)受聲波壓強的作用而產(chǎn)生變化，這種變化使得介質(zhì)的折射率發(fā)生變化，從而影響光波傳輸特性。
波導(dǎo)調(diào)制器是將鈦（Ti）擴散到鈮酸鋰（LInBO2）基底材料上，用光刻法制出波導(dǎo)的具體尺寸。它具有體積小、重量輕、有利于光集成等優(yōu)點。
根據(jù)光源與外調(diào)制器的集成和分離情況，又可以分為集成式外調(diào)制激光器和分離式外調(diào)制激光器兩種方式。
集成外調(diào)制技術(shù)日益成熟，是DWDM光源的發(fā)展方向。常見的是更加緊湊小巧，與光源集成在一起，性能上也滿足絕大多數(shù)應(yīng)用要求的電吸收調(diào)制器。
電吸收調(diào)制器是一種損耗調(diào)制器，它工作在調(diào)制器材料吸收區(qū)邊界波長處，當(dāng)調(diào)制器無偏壓時，光源發(fā)送波長在調(diào)制器材料的吸收范圍之外，該波長的輸出功率大，調(diào)制器為導(dǎo)通狀態(tài)；當(dāng)調(diào)制器有偏壓時，調(diào)制器材料的吸收區(qū)邊界波長移動，光源發(fā)送波長在調(diào)制器材料的吸收范圍內(nèi)，輸出功率小，調(diào)制器為斷開狀態(tài)。
電吸收調(diào)制器可以利用與半導(dǎo)體激光器相同的工藝過程制造，因此光源和調(diào)制器容易集成在一起，適合批量生產(chǎn)，因此發(fā)展速度很快。例如，銦鎵砷磷（InGaAsP）光電集成電路，是將激光器和電吸收調(diào)制器集成在一塊芯片上，該芯片再置于—熱電制冷器（TEC）上。這種典型的光電集成電路，稱為電吸收調(diào)制激光器（EML），可以支持2.5Gbit/s信號傳輸600km以上的距離，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過直接調(diào)制激光器所能傳輸?shù)木嚯x，其可靠性也與標(biāo)準(zhǔn)OFB激光器類似，平均壽命達(dá)20年。
分離式外調(diào)制激光器常用的是恒定光輸出激光器（CW+LiNbO3）馬赫-策恩德（Mach-Zehnder）外調(diào)制器。如圖所示。
該調(diào)制器是將輸入光分成兩路相等的信號，分別進入調(diào)制器的兩個光支路，這兩個光支路采用的材料是電光材料，即其折射率會隨著外部施加的電信號大小而變化，由于光支路的折射率變化將導(dǎo)致信號相位的變化，故兩個支路的信號在調(diào)制器的輸出端再次結(jié)合時，合成的光信號是一個強度大小變化的干涉信號，通過這種辦法，將電信號的信息轉(zhuǎn)換到了光信號上，實現(xiàn)了光強度調(diào)制。分離式外調(diào)制激光器的頻率啁啾可以等于零，而且相對于電吸收集成式外調(diào)制激光器，成本較低。
2、激光器的波長的穩(wěn)定
在DWDM系統(tǒng)中，激光器波長的穩(wěn)定是一個十分關(guān)鍵的問題，根據(jù)ITU-T G.692建議的要求， 中心波長的偏差不大于光信道間隔的正負(fù)五分之一，即當(dāng)光信道間隔為0.8nm的系統(tǒng)，中心波長的偏差不能大于±20GHz。
在DWDM系統(tǒng)中，由于各個光通路的間隔很�。ǹ傻瓦_(dá)0.8nm），因而對光源的波長穩(wěn)定性有嚴(yán)格的要求，例如0.5nm的波長變化就足以使一個光通路移到另一個光通路上。在實際系統(tǒng)中通常必須控制在0.2nm以內(nèi)，其具體要求隨波長間隔而定，波長間隔越小要求越高，所以激光器需要采用嚴(yán)格的波長穩(wěn)定技術(shù)。
集成式電吸收調(diào)制激光器的波長微調(diào)主要是靠改變溫度來實現(xiàn)的，其波長的溫度靈敏度為0.08nm/℃，正常工作溫度為25℃，在15℃-35℃溫度范圍內(nèi)調(diào)節(jié)芯片的溫度，即可使EML調(diào)定在一個指定的波長上，調(diào)節(jié)范圍為1.6nm。芯片溫度的調(diào)節(jié)靠改變制冷器的驅(qū)動電流，再用熱敏電阻作反饋便可使芯片溫度穩(wěn)定在一個基本恒定的溫度上。
分布反饋式激光器（DFB）的波長穩(wěn)定是利用波長和管芯溫度對應(yīng)的特性，通過控制激光器管芯處的溫度來控制波長，以達(dá)到穩(wěn)定波長的目的。對于1.5μm DFB激光器，波長溫度系數(shù)約為0.02nm/℃，它在15℃-35℃范圍內(nèi)中心波長符合要求。這種溫度反饋控制的方法完全取決于DFB激光器的管芯溫度。目前，MWQ-DFB激光器工藝可以在激光器的壽命時間（20年）內(nèi)保證波長的偏移滿足DWDM系統(tǒng)的要求。
除了溫度外，激光器的驅(qū)動電流也能影響波長，其靈敏度為0.008nm/mA，比溫度的影響約小一個數(shù)量級，在有些情況下，其影響可以忽略。此外，封裝的溫度也可能影響到器件的波長（例如從封裝到激光器平臺的連線帶來的溫度傳導(dǎo)和從封裝殼向內(nèi)部的輻射，也會影響器件的波長）。在一個設(shè)計良好的封裝中其影響可以控制在小。
以上這些方法可以有效解決短期波長的穩(wěn)定問題，對于激光器老化等原因引起的波長長期變化就顯得無能為力了。直接使用波長敏感元件對光源進行波長反饋控制是比較理想的，原理如圖3-4所示，屬于該類控制方案的標(biāo)準(zhǔn)波長控制和參考頻率擾動波長控制，均正在研制中，很有前途。 |
