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第十篇 光电子技术阅读材料 §10.1光通信的发展需要新型的半导体光电器件 随着信息时代的来到，人们对信息的追求已进入了如痴如醉的境地，而传输如此海量的信息，必然要占用越来越大的通信带宽。根据预测，未来25年中人们对通信带宽的需求将以每年增加三倍的速度增长，近年来网络通信需求的急剧膨胀，未来几年中对通信带宽的需求将每年增加十倍，靠什么样的技术才能支撑起增长如此迅速的通信带宽呢？???? 在有线通信方面，由于导线的传输损耗正比于传输频率及传输距离，普通双绞线(如电话线)上传输的信息的带宽仅是几十KHz,只能用来传输话音和文字信息，这样的带宽用来传输静止的图象已有捉襟见肘之感；同轴电缆(如有线电视电缆)的传输带宽可达几百MHz,这样的带宽目前对于大多数个人用户来说也许已经够用，但要支撑起包含成千上万用户的信息网络，显然也是无能为力的；众所周知，在无线通信(包括卫星通信)方面，所有带宽资源都已各有其主，因此，在未来几十年中也只有用光纤才能构筑起这样一个每天吞噬着海量信息的巨大网络大厦。??? 用光作为信息载体，采用石英光纤传输信息，在今天已经得到了广泛的应用。石英光纤在近红外波段具有良好的传输特性，在1300nm波长附近其色散达到极小，有利于传输高速信号,在1550nm波长附近其损耗达到极小，有利于信号的长距离传输,而在1300～1650nm波长范围内损耗和色散特性均较为平坦，是一个可以充分利用的宽广频带。在这个频带上，光波的频率约为200THz，可用的带宽达到40THz以上，这在今天看来几乎是一个无限的带宽资源，但如果考虑到带宽需求每年增加三倍的趋势，20年后40THz的带宽也只相当于今天的10KHz,这只不过是一路话音信号的带宽而已。要想充分利用光纤这种具有巨大信息传输能力的传输介质，必须发展出各种相应的技术，还要有各种有源或无源的光子、电子及光电子元器件与之相匹配，其中半导体光电器件就是进行光纤信息传输所需的基本的和关键的器件。下面就介绍几种典型的器件。1.量子阱半导体激光器???光纤通信技术发展到今天已有近卅年的历史了，目前广泛应用于光纤通信系统的光源器件是采用III-V族化合物半导体材料InGaAsP/InP制作的激光二极管。InGaAsP/InP材料体系的发光波长正好满足了石英光纤的需要，采用这种材料制作的半导体激光器在室温下表现了出良好的光电特性，可以满足使用要求。但是，由于材料本身特性的限制，采用InGaAsP/InP材料制作的半导体激光器表现出一个明显的缺点，就是对温度特别敏感，在室温下工作得很好的器件，温度较高时激光输出会明显减小，甚至不能正常工作。为此，人们在使用激光器时一般要给它加上半导体热电制冷器，使其能恒温工作，还要加上监控输出光强的光电探测器和光控电路使激光输出功率稳定，这使得整个激光模块的成本增加不少，体积和重量也相应增加，同时由于零部件较多，可靠性也会受到影响。还应注意到，由于半导体热电制冷器的耗电较大，一般要超过激光器本身的耗电，这使得使整个模块所消耗的电能也增加很多，为其供电的电源部分的体积和重量有可能超过激光模块本身。对于较长距离的干线通信系统，由于系统的投资主要集中在线路方面，端机所占的成本份额较小，端机的工作环境也较好，这些缺点还可以忍受，但随着信息量的增长，特别是光纤到户目标的提出，半导体激光器将直接面对数以亿计的个人用户。要想构成一个能够双向通信的光纤节点，每户至少需要一个半导体激光器和一个光电探测器，这些器件往往有可能在较差的环境下工作，前述普通InGaAsP/InP半导体激光器的缺点将变得难以忍受。因此，人们迫切希望发展出能在较宽的温度范围内正常工作，无需热电制冷和光控电路的半导体激光器，只有这样才能简化系统和降低成本，并保证所需的性能和足够的可靠性，迈出光纤到户的关键一步。???在半导体激光器中引入量子阱结构可以明显改善其温度特性。采用先进的半导体材料外延生长工艺(如分子束外延生长工艺),将厚度仅为几十个原子层的半导体发光材料（作为量子阱）交替生长在光限制材料(作为量子势垒)之间，使其产生量子限制效应，可以使激光器在较低的电流驱动下就产生较强的激光，从而降低温度对器件性能的影响。图1就表示出了量子阱的能带结构和发光过程。 图1. 量子阱的能带结构和发光过程示意图 ??? 量子阱结构还可同时改善激光器的其他光电性能。在量子阱中引入适当的应变，可以进一步改善器件的温度特性；而在量子势垒材料中引入与量子阱材料中类型相反的应变，可以补偿应变对材料生长质量带来的不利影响。综合以上这些措施，可以发展出适用于石英光纤波长范围，能在较高的温度下正常工作的半导体激光器。显而易见，这样的半导体激光器将无需热电制冷器和光控电路，对工作环境温度也无严格要求，使每个终端的成本大大降低，能够直