chapter6光源和光放大器(2)

1、第第6章章 光源和光放大器光源和光放大器v6.1 發(fā)光二極管及其工作特性發(fā)光二極管及其工作特性6.2 半導(dǎo)體激光器及其工作特性半導(dǎo)體激光器及其工作特性 6.3 窄譜寬和可調(diào)諧半導(dǎo)體激光器窄譜寬和可調(diào)諧半導(dǎo)體激光器 6.4 光放大器光放大器 6.5 光纖激光器光纖激光器v6.5 垂直腔面發(fā)射激光器垂直腔面發(fā)射激光器光源要求：光源要求：（1 1）合適的發(fā)光波長）合適的發(fā)光波長：包括包括0.85m、1.3m和和1.55m波長窗口。波長窗口。（2 2）足夠的輸出功率）足夠的輸出功率：實際應(yīng)用中，把：實際應(yīng)用中，把lmWlmW的光的光功率記作功率記作0dBm0dBm。（3 3）可靠性高、壽命長）可靠性高

2、、壽命長：目前通信工程要求光源：目前通信工程要求光源平均工作壽命為平均工作壽命為10106 6小時。設(shè)一個通信系統(tǒng)中有小時。設(shè)一個通信系統(tǒng)中有1010個光源，假如其中一個光源發(fā)生故障，會使個光源，假如其中一個光源發(fā)生故障，會使整個系統(tǒng)中斷工作。從故障的概率來說，該系整個系統(tǒng)中斷工作。從故障的概率來說，該系統(tǒng)發(fā)生中斷通信故障的時間間隔為統(tǒng)發(fā)生中斷通信故障的時間間隔為1010萬小時。萬小時。（4 4）輸出效率高）輸出效率高：耗電盡量省，而且要在低電：耗電盡量省，而且要在低電壓下工作。壓下工作。（5 5）光譜寬度窄）光譜寬度窄：光譜寬度與光纖的色散效應(yīng)：光譜寬度與光纖的色散效應(yīng)結(jié)合產(chǎn)生噪聲。結(jié)合產(chǎn)生

3、噪聲。（6 6）聚光性好）聚光性好：盡可能多地把光送進光纖。：盡可能多地把光送進光纖。（7 7）調(diào)制方便）調(diào)制方便：把話音等信息附載在光波上。把話音等信息附載在光波上。（8 8）價格低廉）價格低廉：能批量生產(chǎn)，同時體積小、重：能批量生產(chǎn)，同時體積小、重量輕，便于在各種場合應(yīng)用。量輕，便于在各種場合應(yīng)用。光發(fā)送機的組成光發(fā)送機的組成v在光纖通信中，將在光纖通信中，將電信號轉(zhuǎn)變?yōu)楣庑盘栯娦盘栟D(zhuǎn)變?yōu)楣庑盘柺鞘怯捎晒獍l(fā)送機光發(fā)送機來完成，同時來完成，同時有效地有效地將光信號將光信號送入到傳輸光纖中。送入到傳輸光纖中。v光發(fā)送機的核心是光發(fā)送機的核心是光源及其驅(qū)動電路光源及其驅(qū)動電路。LED或LD驅(qū)動電

4、路輸入電信號輸出光信號光源6.1 發(fā)光二極管及其工作特性發(fā)光二極管及其工作特性v當(dāng)給當(dāng)給LED外加合適的外加合適的正向電壓正向電壓（N端接負電位，端接負電位，P端接正電位）時，破壞了端接正電位）時，破壞了PN結(jié)的結(jié)的熱平衡狀態(tài)熱平衡狀態(tài)，耗盡區(qū)的寬度和勢壘的高度都下降，擴散作用耗盡區(qū)的寬度和勢壘的高度都下降，擴散作用增強，大量的空穴從增強，大量的空穴從P區(qū)擴散到區(qū)擴散到N區(qū)而大量的電區(qū)而大量的電子從子從N區(qū)擴散到區(qū)擴散到p區(qū)，復(fù)合產(chǎn)生光子區(qū)，復(fù)合產(chǎn)生光子。簡單一句。簡單一句話說，電致發(fā)光為話說，電致發(fā)光為PN結(jié)在正向偏置下由電子注結(jié)在正向偏置下由電子注入產(chǎn)生光自發(fā)發(fā)射的現(xiàn)象入產(chǎn)生光自發(fā)發(fā)射的現(xiàn)

5、象。PN結(jié)形成過程動畫演示結(jié)形成過程動畫演示PN結(jié)偏置結(jié)偏置 PN結(jié)正向偏置結(jié)正向偏置 當(dāng)外加直流電壓使當(dāng)外加直流電壓使PN結(jié)結(jié)P型半型半 導(dǎo)體的一端的電位高于導(dǎo)體的一端的電位高于N型半導(dǎo)體一端的電位時，型半導(dǎo)體一端的電位時，稱稱PN結(jié)正向偏置，簡稱正偏。結(jié)正向偏置，簡稱正偏。PN結(jié)反向偏置結(jié)反向偏置 當(dāng)外加直流電壓使當(dāng)外加直流電壓使PN結(jié)結(jié)N型半型半導(dǎo)體的一端的電位高于導(dǎo)體的一端的電位高于P型半導(dǎo)體一端的電位時，型半導(dǎo)體一端的電位時，稱稱PN結(jié)反向偏置，簡稱反偏。結(jié)反向偏置，簡稱反偏。PN結(jié)正偏動畫演示結(jié)正偏動畫演示多子進行擴散，多子進行擴散， PN結(jié)呈現(xiàn)低阻、導(dǎo)通狀態(tài)，結(jié)呈現(xiàn)低阻、導(dǎo)通狀態(tài)

6、，內(nèi)電場被削弱，內(nèi)電場被削弱，PN結(jié)變窄結(jié)變窄PN結(jié)反偏動畫演示結(jié)反偏動畫演示發(fā)光二極管工作原理發(fā)光二極管工作原理LED的光電特性的光電特性數(shù)字調(diào)制：開關(guān)狀態(tài)數(shù)字調(diào)制：開關(guān)狀態(tài)模擬調(diào)制：直流偏置電流模擬調(diào)制：直流偏置電流3dB調(diào)制帶寬調(diào)制帶寬上升時間上升時間LED結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)vLED主要有五種結(jié)構(gòu)：主要有五種結(jié)構(gòu)：平面平面LED、圓頂形、圓頂形LED、超發(fā)光二極管、超發(fā)光二極管SLD、面發(fā)光二極管、面發(fā)光二極管SLED和邊發(fā)光二極管和邊發(fā)光二極管ELED。在光纖通信中。在光纖通信中廣泛應(yīng)用的結(jié)構(gòu)為后兩種。廣泛應(yīng)用的結(jié)構(gòu)為后兩種。v平面平面LED、圓頂形、圓頂形LED：發(fā)光強度低、價格發(fā)光強度低、價

7、格低廉低廉，應(yīng)用于，應(yīng)用于顯示、報警、計算顯示、報警、計算及其他工業(yè)及其他工業(yè)應(yīng)用。應(yīng)用。SLD: Super Luminescent Diodesv超發(fā)光二極管超發(fā)光二極管SLD：結(jié)構(gòu)和：結(jié)構(gòu)和LD類似。類似。要求具有很高要求具有很高的輸出功率而又不產(chǎn)生激射振蕩，最簡單辦法是增的輸出功率而又不產(chǎn)生激射振蕩，最簡單辦法是增大注入電流。為了避免過高的注入電流可能會導(dǎo)致大注入電流。為了避免過高的注入電流可能會導(dǎo)致激射振蕩，在一端涂有光損耗介質(zhì)，以抑制激光發(fā)激射振蕩，在一端涂有光損耗介質(zhì)，以抑制激光發(fā)射，沒有光反饋，注入電流在受激發(fā)射值以下。射，沒有光反饋，注入電流在受激發(fā)射值以下。v特點特點: 輸

8、出功率較高、輸出光束的方向性好、譜線輸出功率較高、輸出光束的方向性好、譜線寬及調(diào)制帶寬大。寬及調(diào)制帶寬大。v缺點缺點: 非線性較大，且輸出功率隨溫度的變化非常非線性較大，且輸出功率隨溫度的變化非常大，使用時必須制冷大，使用時必須制冷。v應(yīng)用應(yīng)用: 光學(xué)陀螺、傳感器及多模光纖系統(tǒng)。光學(xué)陀螺、傳感器及多模光纖系統(tǒng)。v材料不同，發(fā)射波長不同。材料不同，發(fā)射波長不同。v材料的組成元素不同，同樣發(fā)射波長也不同。材料的組成元素不同，同樣發(fā)射波長也不同。vGaInP用于塑料光纖，發(fā)射波長為紅光。用于塑料光纖，發(fā)射波長為紅光。ggWWhc24. 1v同質(zhì)結(jié)和異質(zhì)結(jié)同質(zhì)結(jié)和異質(zhì)結(jié)v同質(zhì)結(jié)同質(zhì)結(jié)LED的缺點的缺點

9、v異質(zhì)結(jié)的優(yōu)點異質(zhì)結(jié)的優(yōu)點雙異質(zhì)結(jié)工作原理雙異質(zhì)結(jié)工作原理由于限制層的帶隙比有源由于限制層的帶隙比有源層寬，施加正向偏壓后，層寬，施加正向偏壓后， P層的空穴和層的空穴和N層的電子注層的電子注入有源層。入有源層。 P層帶隙寬，層帶隙寬， 導(dǎo)帶的能態(tài)比有源層高，導(dǎo)帶的能態(tài)比有源層高，對注入電子形成了勢壘，對注入電子形成了勢壘， 注入到有源層的電子不可注入到有源層的電子不可能擴散到能擴散到P層。同理，注入層。同理，注入到有源層的空穴也不可能到有源層的空穴也不可能擴散擴散到到N層。層。雙異質(zhì)結(jié)：雙異質(zhì)結(jié)：阻止有源層的阻止有源層的空穴進入空穴進入n區(qū)和其區(qū)和其電子進入電子進入P區(qū)；區(qū)； 有源層兩邊的有

10、源層兩邊的折射率低于有源折射率低于有源層，對光場具有層，對光場具有很好的約束。很好的約束。有源層：發(fā)光區(qū)域有源層：發(fā)光區(qū)域有源層中產(chǎn)生的光發(fā)射穿過襯底耦合入光纖。有源層中產(chǎn)生的光發(fā)射穿過襯底耦合入光纖。凹坑：由于襯底材料的光吸收很大，用選擇腐蝕的辦凹坑：由于襯底材料的光吸收很大，用選擇腐蝕的辦法形成凹坑。法形成凹坑。接觸電極：限定有源層中有源區(qū)的面積，大小與纖芯接觸電極：限定有源層中有源區(qū)的面積，大小與纖芯面積相當(dāng)。面積相當(dāng)。SLEDv特點：工藝簡單、發(fā)散角大、效率低、調(diào)制特點：工藝簡單、發(fā)散角大、效率低、調(diào)制帶寬較窄。帶寬較窄。v面發(fā)光二極管輸出的功率較大，一般注入面發(fā)光二極管輸出的功率較大

11、，一般注入100mA電流時，就可達幾個毫瓦。電流時，就可達幾個毫瓦。面發(fā)光二極管面發(fā)光二極管SLEDv面發(fā)光二極管發(fā)光特點：面發(fā)光二極管發(fā)光特點：從平行于結(jié)平面的從平行于結(jié)平面的表面發(fā)光，光束成朗伯分布表面發(fā)光，光束成朗伯分布。v光功率按照余弦遞光功率按照余弦遞減。減。v當(dāng)角度為當(dāng)角度為60度時，度時，功率降為一半。功率降為一半。v當(dāng)當(dāng)NA=0.24，接收，接收角為角為14度時，大部度時，大部分能量被浪費掉。分能量被浪費掉。面發(fā)光二極管面發(fā)光二極管SLEDv在凹陷的區(qū)域注入在凹陷的區(qū)域注入環(huán)氧樹脂環(huán)氧樹脂，并在光纖末端，并在光纖末端放置放置透鏡透鏡或光纖端面或光纖端面形成球透鏡形成球透鏡，以提

12、高光，以提高光纖的接收效率。纖的接收效率。ELED異質(zhì)結(jié)異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)上利用結(jié)構(gòu)上利用SiO2掩模技術(shù)，在掩模技術(shù)，在P面形成垂直于端面的條形面形成垂直于端面的條形接觸電極接觸電極(約約65m)，從而限定了有源層的寬度。，從而限定了有源層的寬度。由于約束層的吸收損耗低，光在傳播方向上的自吸收大大由于約束層的吸收損耗低，光在傳播方向上的自吸收大大降低，光導(dǎo)層可減少光束的發(fā)射，有利于將發(fā)光功率有效降低，光導(dǎo)層可減少光束的發(fā)射，有利于將發(fā)光功率有效地耦合入光纖中。地耦合入光纖中。與輸出端相反的一端鍍反射膜，進一步增加光輸出功率。與輸出端相反的一端鍍反射膜，進一步增加光輸出功率。ELED發(fā)光特點：從結(jié)區(qū)的

13、邊緣發(fā)光。發(fā)光特點：從結(jié)區(qū)的邊緣發(fā)光。v能量更集中，特別能量更集中，特別是垂直方向。是垂直方向。實際封裝方式實際封裝方式6.2 半導(dǎo)體激光器及其工作特性半導(dǎo)體激光器及其工作特性v產(chǎn)生激光的三個先決條件：產(chǎn)生激光的三個先決條件：激勵源激勵源是能量的提供者，實現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)；是能量的提供者，實現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)；激活物質(zhì)激活物質(zhì)是產(chǎn)生激光的物質(zhì)基礎(chǔ)，提供光放大；是產(chǎn)生激光的物質(zhì)基礎(chǔ)，提供光放大；光學(xué)諧振腔光學(xué)諧振腔提供光反饋。提供光反饋。v要產(chǎn)生激光還應(yīng)滿足如下兩方面的條件：要產(chǎn)生激光還應(yīng)滿足如下兩方面的條件：光的增益和損耗間應(yīng)滿足平衡條件光的增益和損耗間應(yīng)滿足平衡條件閾值條件閾值條件。在諧振腔中，光波反

14、復(fù)反射能得到加強，從而能夠在諧振腔中，光波反復(fù)反射能得到加強，從而能夠存在，應(yīng)滿足的條件存在，應(yīng)滿足的條件相位條件相位條件。v好的激光器應(yīng)具備的條件：好的激光器應(yīng)具備的條件：低的閾值電流、低的閾值電流、高的輸出功率及單模工作高的輸出功率及單模工作。v氣體激光器氣體激光器v固體激光器固體激光器v半導(dǎo)體激光器半導(dǎo)體激光器LD工作原理工作原理有源區(qū)有源區(qū)電流注入電流注入型型型光光hv光光hv解理面解理面(a)半導(dǎo)體激光器(a)半導(dǎo)體激光器 L1 2 34R1 1增益介質(zhì)增益介質(zhì)R2 2光的駐波光的駐波折射率折射率反反射射鏡鏡反反射射鏡鏡(b)縱模駐波(b)縱模駐波 2nnPNm m-m+ (c)縱模

15、共振光譜(c)縱模共振光譜增益差增益差11光光增增益益 o(a) 腔內(nèi)允許產(chǎn)生的模式腔內(nèi)允許產(chǎn)生的模式 m m( ) /2= L(b)mn 相相對對光光強強 m (a)+(b)=(c)(c)半導(dǎo)體激光器的輸出光譜(c)半導(dǎo)體激光器的輸出光譜光增益與波長的關(guān)系光增益與波長的關(guān)系 m m解理面解理面 = 0Z = xZ 激勵源激勵源：對：對PN結(jié)外接正向偏置電壓，電子越結(jié)外接正向偏置電壓，電子越過異質(zhì)結(jié)勢壘而注入，同時在價帶中產(chǎn)生同過異質(zhì)結(jié)勢壘而注入，同時在價帶中產(chǎn)生同等數(shù)量的空穴以保持電中性。導(dǎo)帶電子與價等數(shù)量的空穴以保持電中性。導(dǎo)帶電子與價帶空穴復(fù)合，發(fā)射出新的光子。帶空穴復(fù)合，發(fā)射出新的光子

16、。 光學(xué)諧振腔：由于自發(fā)發(fā)射的光子，位相各不相同，光學(xué)諧振腔：由于自發(fā)發(fā)射的光子，位相各不相同，且向各個方向傳播。部分光子一旦產(chǎn)生，就穿出有且向各個方向傳播。部分光子一旦產(chǎn)生，就穿出有源區(qū)，而另一部分光子在源區(qū)，而另一部分光子在PN結(jié)平面內(nèi)傳播，并相結(jié)平面內(nèi)傳播，并相繼引起其他電子繼引起其他電子-空穴對的受激發(fā)射，產(chǎn)生更多的空穴對的受激發(fā)射，產(chǎn)生更多的性能相同的光子。這種受激發(fā)射隨注入電流的增大性能相同的光子。這種受激發(fā)射隨注入電流的增大而雪崩式地發(fā)展，并在而雪崩式地發(fā)展，并在PN結(jié)內(nèi)具有絕對的優(yōu)勢。結(jié)內(nèi)具有絕對的優(yōu)勢。當(dāng)這些光子的電磁波當(dāng)這些光子的電磁波同相位同相位時，產(chǎn)生放大的相干發(fā)時，產(chǎn)

17、生放大的相干發(fā)射。射。 光學(xué)諧振腔光學(xué)諧振腔：兩端自然解理面形成反射鏡，：兩端自然解理面形成反射鏡，即光學(xué)諧振腔，提供了必要的反饋及進行模即光學(xué)諧振腔，提供了必要的反饋及進行模式選擇，提高相干性。光信號每通過一次增式選擇，提高相干性。光信號每通過一次增益媒質(zhì)，就得到一次放大。當(dāng)增益超過損耗益媒質(zhì)，就得到一次放大。當(dāng)增益超過損耗時，滿足時，滿足閾值條件閾值條件，發(fā)出光。，發(fā)出光。增益介質(zhì)增益介質(zhì)：重摻雜的：重摻雜的P區(qū)和區(qū)和N區(qū)，通過外加區(qū)，通過外加正向偏壓不斷注入電子，則在正向偏壓不斷注入電子，則在PN結(jié)形成結(jié)形成受激發(fā)射所需的粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。受激發(fā)射所需的粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。v主導(dǎo)模式：最靠近增益峰的模

18、式。主導(dǎo)模式：最靠近增益峰的模式。v多模激光器：主模及其臨近的兩個邊模同時多模激光器：主模及其臨近的兩個邊模同時振蕩。振蕩。光束輻射為一光束輻射為一橢圓光錐橢圓光錐，水平方向性強，但垂，水平方向性強，但垂直方向的方向性差。直方向的方向性差。特點：特點：限制光的辦法：電流在狹窄的中間帶內(nèi)注入，導(dǎo)致限制光的辦法：電流在狹窄的中間帶內(nèi)注入，導(dǎo)致載流子濃度在條形區(qū)最高，光被限制在載流子濃度在條形區(qū)最高，光被限制在條形區(qū)域條形區(qū)域內(nèi)；內(nèi)；因為電流在因為電流在有源區(qū)產(chǎn)生增益有源區(qū)產(chǎn)生增益，光限制是借助條形區(qū)，光限制是借助條形區(qū)的增益來實現(xiàn)的，這樣的激光器稱為增益波導(dǎo)的增益來實現(xiàn)的，這樣的激光器稱為增益波導(dǎo)

19、LD。增益波導(dǎo)增益波導(dǎo)LDv缺點：缺點：功率增大時，功率增大時，光斑尺寸不穩(wěn)定光斑尺寸不穩(wěn)定；模式模式穩(wěn)定性不高穩(wěn)定性不高（輻射模式隨激光器增益的（輻射模式隨激光器增益的增加而改變；增加而改變；增益波導(dǎo)增益波導(dǎo)LD很少用于通信系統(tǒng)中。很少用于通信系統(tǒng)中。折射率波導(dǎo)折射率波導(dǎo)LDv限制光的辦法：在側(cè)向引入限制光的辦法：在側(cè)向引入折射率差折射率差，以達，以達到限制光場的目的。到限制光場的目的。v根據(jù)折射率差的大小，分為根據(jù)折射率差的大小，分為弱折射率弱折射率波導(dǎo)波導(dǎo)LD和和強折射率強折射率波導(dǎo)波導(dǎo)LD。雙異質(zhì)結(jié)雙異質(zhì)結(jié)LD激光器工作原理激光器工作原理復(fù)合區(qū)功率分布復(fù)合區(qū)功率分布LD光輸出光輸出LD

20、光電特性光電特性LD電壓和電流特性電壓和電流特性LD數(shù)字調(diào)制：直流偏置電流數(shù)字調(diào)制：直流偏置電流LD模擬調(diào)制：直流偏置超過閾值，偏置模擬調(diào)制：直流偏置超過閾值，偏置在線性在線性區(qū)中段區(qū)中段電光延遲和張弛振蕩電光延遲和張弛振蕩v由于載流子濃度達到激由于載流子濃度達到激光閾值需要一定的時間，光閾值需要一定的時間，輸出光脈沖和注入電流輸出光脈沖和注入電流脈沖之間存在一個初始脈沖之間存在一個初始延遲時間，稱為延遲時間，稱為電光延電光延遲時間遲時間td，其數(shù)量級一，其數(shù)量級一般為般為 ns。v當(dāng)電流脈沖注入激光器當(dāng)電流脈沖注入激光器后，輸出光脈沖會出現(xiàn)后，輸出光脈沖會出現(xiàn)幅度逐漸衰減的振蕩，幅度逐漸衰減

21、的振蕩， 稱為稱為張弛振蕩張弛振蕩。頻率響應(yīng)頻率響應(yīng)如果如果LD預(yù)偏置在預(yù)偏置在閾值附近，光脈沖閾值附近，光脈沖的時間和振蕩的幅的時間和振蕩的幅度將顯著降低。度將顯著降低。電光延遲和張弛振蕩電光延遲和張弛振蕩v張弛振蕩和電光延遲的后果是張弛振蕩和電光延遲的后果是限制調(diào)制速率限制調(diào)制速率。v當(dāng)最高調(diào)制頻率接近張弛振蕩頻率時，當(dāng)最高調(diào)制頻率接近張弛振蕩頻率時，波形波形失真嚴重失真嚴重，會使光接收機在抽樣判決時增加，會使光接收機在抽樣判決時增加誤碼率誤碼率，因此實際使用的最高調(diào)制頻率應(yīng)，因此實際使用的最高調(diào)制頻率應(yīng)低低于于張弛振蕩頻率。張弛振蕩頻率。v當(dāng)電光延遲時間當(dāng)電光延遲時間td與數(shù)字調(diào)制的碼元

22、持續(xù)時與數(shù)字調(diào)制的碼元持續(xù)時間間T/2為相同數(shù)量級時，會使為相同數(shù)量級時，會使“0”碼過后的第碼過后的第一個一個“1碼的脈沖寬度變窄，幅度減小，嚴重碼的脈沖寬度變窄，幅度減小，嚴重時可能使單個時可能使單個“”碼丟失，碼丟失， 這種現(xiàn)象稱為這種現(xiàn)象稱為“碼型效應(yīng)碼型效應(yīng)”。 “碼型效應(yīng)碼型效應(yīng)”的的特特點是：點是：在脈沖序列中較在脈沖序列中較長的連長的連“0”碼后出現(xiàn)的碼后出現(xiàn)的“1”碼，其脈沖明顯變碼，其脈沖明顯變小，而且小，而且連連“0”碼數(shù)目碼數(shù)目越多，調(diào)制速率越高，越多，調(diào)制速率越高，這種效應(yīng)越明顯這種效應(yīng)越明顯。 1 2電脈沖光脈沖2ns5ns2ns碼型效應(yīng)（a) 、(b)碼型效應(yīng)波形

23、；（c）改善后波形(a)(b)(c)電光延遲和張弛振蕩電光延遲和張弛振蕩某些激光器在脈沖調(diào)制某些激光器在脈沖調(diào)制甚至直流驅(qū)動下，當(dāng)注甚至直流驅(qū)動下，當(dāng)注入電流達到某個范圍時，入電流達到某個范圍時，輸出光脈沖出現(xiàn)持續(xù)等輸出光脈沖出現(xiàn)持續(xù)等幅的高頻振蕩，這種現(xiàn)幅的高頻振蕩，這種現(xiàn)象稱為自脈動現(xiàn)象。象稱為自脈動現(xiàn)象。自脈動現(xiàn)象是激光器內(nèi)自脈動現(xiàn)象是激光器內(nèi)部不均勻增益或不均勻部不均勻增益或不均勻吸收產(chǎn)生的。吸收產(chǎn)生的。 電脈沖光脈沖激光器自脈沖動現(xiàn)象溫度特性溫度特性溫控組件溫控組件LD的封裝的封裝帶集成尾纖的帶集成尾纖的LD帶集成尾纖和功率監(jiān)控的帶集成尾纖和功率監(jiān)控的LD14針雙列直插式針雙列直插式

24、LD多模輸出多模輸出單模輸出單模輸出單頻半導(dǎo)體激光器單頻半導(dǎo)體激光器v單頻半導(dǎo)體激光器設(shè)計的基本思想：單頻半導(dǎo)體激光器設(shè)計的基本思想：腔縱模間隔反腔縱模間隔反比與腔長，采用短腔結(jié)構(gòu)，以增大相鄰縱模的間隔。比與腔長，采用短腔結(jié)構(gòu)，以增大相鄰縱模的間隔。采用不同縱模具有不同的腔損耗，具有最低光腔損采用不同縱模具有不同的腔損耗，具有最低光腔損耗的縱模最先達到閾值并成為支配模式，其他鄰模耗的縱模最先達到閾值并成為支配模式，其他鄰模由于高損耗而被截止，鄰模攜帶的功率在總的輻射由于高損耗而被截止，鄰模攜帶的功率在總的輻射功率中只占很小一部分功率中只占很小一部分。v短腔短腔LD制作困難，且輸出功率僅有幾毫瓦

25、制作困難，且輸出功率僅有幾毫瓦。v使用無源或有源外腔耦合形成使用無源或有源外腔耦合形成耦合腔系統(tǒng)耦合腔系統(tǒng)。耦合腔。耦合腔系統(tǒng)工作原理為：系統(tǒng)工作原理為：雖然兩個諧振腔具有各自不同的雖然兩個諧振腔具有各自不同的振蕩縱模，但是當(dāng)兩個諧振腔放在一起構(gòu)成耦合腔振蕩縱模，但是當(dāng)兩個諧振腔放在一起構(gòu)成耦合腔(或復(fù)合腔或復(fù)合腔)時，這時只有兩個諧振腔中相同的縱模時，這時只有兩個諧振腔中相同的縱模才能成為耦合腔的振蕩縱模，再加上增益譜的作用，才能成為耦合腔的振蕩縱模，再加上增益譜的作用，最終實現(xiàn)了模式選擇功能，通過調(diào)節(jié)注入到模式控最終實現(xiàn)了模式選擇功能，通過調(diào)節(jié)注入到模式控制器的電流，可實現(xiàn)波長調(diào)諧。制器的

26、電流，可實現(xiàn)波長調(diào)諧。6.3 窄譜寬和可調(diào)諧半導(dǎo)體激光器窄譜寬和可調(diào)諧半導(dǎo)體激光器v也可采用也可采用FBG（布拉格相位光柵）形成分布（布拉格相位光柵）形成分布反饋結(jié)構(gòu)。反饋結(jié)構(gòu)。v反饋不位于端面上，而是分布在整個光腔長反饋不位于端面上，而是分布在整個光腔長度上，通過折射率周期擾動的度上，通過折射率周期擾動的內(nèi)建光柵內(nèi)建光柵產(chǎn)生產(chǎn)生布拉格散射布拉格散射，并使，并使正向和反向傳播的波相互正向和反向傳播的波相互耦合耦合。vDFB的模式選擇條件為布拉格定律，相當(dāng)于的模式選擇條件為布拉格定律，相當(dāng)于分布式濾波器，只允許一個一個縱模式在有分布式濾波器，只允許一個一個縱模式在有源區(qū)來回傳播。源區(qū)來回傳播。v

27、反饋發(fā)生在整個光腔有源區(qū)長度上，所以叫反饋發(fā)生在整個光腔有源區(qū)長度上，所以叫分布式分布式LD?？烧{(diào)諧單頻半導(dǎo)體激光器可調(diào)諧單頻半導(dǎo)體激光器v分布布拉格反射式（分布布拉格反射式（DBR）激光器：反饋不）激光器：反饋不發(fā)生在有源區(qū)內(nèi)，而是在激光器發(fā)生在有源區(qū)內(nèi)，而是在激光器末端制作布末端制作布拉格反射鏡拉格反射鏡。單頻半導(dǎo)體激光器單頻半導(dǎo)體激光器量子阱激光器量子阱激光器v除雙異質(zhì)結(jié)除雙異質(zhì)結(jié) LD 對載流子進行限制外，還有對載流子進行限制外，還有另外一種完全不同的對載流子限制的方式，另外一種完全不同的對載流子限制的方式，即即對電子或空穴允許占據(jù)能量狀態(tài)的限制對電子或空穴允許占據(jù)能量狀態(tài)的限制，這種

28、激光器叫做這種激光器叫做量子限制激光器量子限制激光器。有源層的厚度有源層的厚度 d 很薄，導(dǎo)帶很薄，導(dǎo)帶中的禁帶勢能把電子封閉在中的禁帶勢能把電子封閉在 x 方向上的方向上的一維勢能阱（載流一維勢能阱（載流子的陷阱）子的陷阱）內(nèi)，但是在內(nèi)，但是在 y 和和 z 方向是自由的（三維變?yōu)槎较蚴亲杂傻模ㄈS變?yōu)槎S）。這種封閉呈現(xiàn)維）。這種封閉呈現(xiàn)量子效量子效應(yīng)應(yīng)，導(dǎo)致能帶量化分成，導(dǎo)致能帶量化分成離散離散值值。v這種狀態(tài)密度的變化，改變了自發(fā)輻射和受激發(fā)這種狀態(tài)密度的變化，改變了自發(fā)輻射和受激發(fā)射的速率。量子阱半導(dǎo)體激光器有源層厚度僅是射的速率。量子阱半導(dǎo)體激光器有源層厚度僅是10nm，約為異質(zhì)

29、結(jié)器件的，約為異質(zhì)結(jié)器件的1/10，所以，所以注入電流注入電流的微小變化就可以引起輸出激光的大幅度變化的微小變化就可以引起輸出激光的大幅度變化。只要相同能量的電只要相同能量的電子和相同能量的空穴子和相同能量的空穴復(fù)合，就可產(chǎn)生增益復(fù)合，就可產(chǎn)生增益較大的同頻激光；較大的同頻激光；態(tài)密度減少，較少態(tài)密度減少，較少電子即可實現(xiàn)粒子數(shù)電子即可實現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，降低閾值；反轉(zhuǎn)，降低閾值；高速率和窄線寬。高速率和窄線寬。簡單改變簡單改變阱寬阱寬，就可改變發(fā)射光子的能量。，就可改變發(fā)射光子的能量。阱寬越小，阱寬越小，激光發(fā)射往短波方向移動激光發(fā)射往短波方向移動，即高能量方向移動。，即高能量方向移動。量子阱激

30、光器量子阱激光器能量能量狀態(tài)狀態(tài)密度密度能量能量狀態(tài)狀態(tài)密度密度量子阱量子阱xzy勢壘層勢壘層E3E2E1InPInGaAs量子阱量子阱InGaAsP有源層有源層EcEvE隔離層隔離層(a) 普通普通 LD(b) 量子阱量子阱 LD(c) 多量子阱多量子阱 LD 示意圖示意圖(d) 多量子阱多量子阱 LD 能級圖能級圖6.4 光放大器光放大器v中繼器光中繼器光-電電-光轉(zhuǎn)換，帶來附加噪聲；光轉(zhuǎn)換，帶來附加噪聲；v中繼器制造成本很高，安裝和維護費用高；中繼器制造成本很高，安裝和維護費用高；多年來，人們一直在探索能否去掉上述多年來，人們一直在探索能否去掉上述光光-電電-光轉(zhuǎn)光轉(zhuǎn)換換過程，直接在光路

31、上對信號進行放大，然后再傳過程，直接在光路上對信號進行放大，然后再傳輸，即用一個全光傳輸中繼器代替目前的這種光輸，即用一個全光傳輸中繼器代替目前的這種光-電電-光再生中繼器。光再生中繼器。 經(jīng)過多年的努力，科學(xué)家們已經(jīng)發(fā)明了幾種光經(jīng)過多年的努力，科學(xué)家們已經(jīng)發(fā)明了幾種光放大器，其中放大器，其中摻鉺光纖放大器（摻鉺光纖放大器（EDFA）、光纖喇光纖喇曼放大器（曼放大器（FRA）和和半導(dǎo)體光放大器（半導(dǎo)體光放大器（SOA）技技術(shù)已經(jīng)成熟，眾多公司已有商品出售。術(shù)已經(jīng)成熟，眾多公司已有商品出售。6.7.1半導(dǎo)體光放大器半導(dǎo)體光放大器v半導(dǎo)體光放大器的原理和半導(dǎo)體激光器的相同，半導(dǎo)體光放大器的原理和半

32、導(dǎo)體激光器的相同，即通過受激發(fā)射放大入射光信號。即通過受激發(fā)射放大入射光信號。有有源源區(qū)區(qū)電電流流注注入入型型型光光hv光光hv解解理理面面( (a a) )半半導(dǎo)導(dǎo)體體激激光光器器 PN解解理理面面半導(dǎo)體激光器發(fā)光原理半導(dǎo)體激光器發(fā)光原理 半導(dǎo)體激光器半導(dǎo)體激光器是向半導(dǎo)體是向半導(dǎo)體PN結(jié)注入電流，結(jié)注入電流， 實現(xiàn)實現(xiàn)粒子粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布數(shù)反轉(zhuǎn)分布，產(chǎn)生，產(chǎn)生受激輻射受激輻射，再利用諧振腔的，再利用諧振腔的正反饋正反饋，實，實現(xiàn)現(xiàn)光放大光放大而產(chǎn)生而產(chǎn)生激光振蕩激光振蕩的。的。光光增增益益 o(a) 光增益與波長的關(guān)系光增益與波長的關(guān)系當(dāng)受激發(fā)射使腔體得到的放大增益等于腔體損耗時（當(dāng)受激發(fā)射

33、使腔體得到的放大增益等于腔體損耗時（閾閾值條件值條件），并且諧振腔內(nèi)的前向和后向光波發(fā)生相干時），并且諧振腔內(nèi)的前向和后向光波發(fā)生相干時（相干條件相干條件），就保持振蕩，形成等相面和腔體端面平），就保持振蕩，形成等相面和腔體端面平行的駐波，然后穿透諧振腔的兩個端面，輸出譜線很窄行的駐波，然后穿透諧振腔的兩個端面，輸出譜線很窄的相干光束。的相干光束。半導(dǎo)體光放大器的發(fā)光原理半導(dǎo)體光放大器的發(fā)光原理半導(dǎo)體光放大器分為半導(dǎo)體光放大器分為半導(dǎo)體光放大器（半導(dǎo)體光放大器（TWA）和和半導(dǎo)體光放大器（半導(dǎo)體光放大器（FPA）。）。TWA的發(fā)光原理的發(fā)光原理當(dāng)放大器被光或電當(dāng)放大器被光或電泵浦時，使粒子數(shù)泵

34、浦時，使粒子數(shù)反轉(zhuǎn)獲得光增益。反轉(zhuǎn)獲得光增益。它是一個它是一個的激光器。的激光器。注注入入電電流流輸輸入入光光信信號號輸輸出出光光信信號號有有源源區(qū)區(qū)Lz = 0z = Lz z注入電流注入電流輸入輸入光信號光信號輸出光信號輸出光信號有源區(qū)有源區(qū)Lz = z = Lz z反射面反射面R反射面反射面R0FPA的發(fā)光原理的發(fā)光原理減小腔體界減小腔體界面反射，使面反射，使增益低于閾增益低于閾值時，激光值時，激光器變?yōu)榉糯笃髯優(yōu)榉糯笃?。器。減小反射率的方法減小反射率的方法最簡單方法：在界面上鍍以抗反射膜（增透膜）最簡單方法：在界面上鍍以抗反射膜（增透膜）有源區(qū)有源區(qū)光輸入光輸入光輸出光輸出反射反射角度

35、解理面或有源區(qū)傾斜結(jié)構(gòu)。角度解理面或有源區(qū)傾斜結(jié)構(gòu)。在解理面處的反射光束，因角度在解理面處的反射光束，因角度解理面的緣故已與前向光束分開。解理面的緣故已與前向光束分開。在大多數(shù)情況下，使用抗反射膜在大多數(shù)情況下，使用抗反射膜和有源區(qū)傾斜，可以使反射率小和有源區(qū)傾斜，可以使反射率小于于 0.1%）透明區(qū)透明區(qū)有源區(qū)有源區(qū)光輸入光輸入光輸出光輸出增透膜增透膜有源區(qū)端面和解理面之間插入透有源區(qū)端面和解理面之間插入透明窗口區(qū)。光束在到達半導(dǎo)體和明窗口區(qū)。光束在到達半導(dǎo)體和空氣界面前，在該窗口區(qū)已發(fā)散，空氣界面前，在該窗口區(qū)已發(fā)散，經(jīng)界面反射的光束進一步發(fā)散，經(jīng)界面反射的光束進一步發(fā)散，只有極小部分光耦

36、合進薄的有源只有極小部分光耦合進薄的有源層。層。SOA的優(yōu)點的優(yōu)點體積小。體積小。可集成性高：可與光發(fā)射機和接收機一起單片集成在可集成性高：可與光發(fā)射機和接收機一起單片集成在一起。一起。成本低：半導(dǎo)體生產(chǎn)線已成熟。成本低：半導(dǎo)體生產(chǎn)線已成熟?？蓪υ诜糯笃鲙拑?nèi)的多個信道同時放大。可對在放大器帶寬內(nèi)的多個信道同時放大。可可調(diào)調(diào)諧諧光光柵柵濾濾波波器器增增益益區(qū)區(qū)D DB BR R調(diào)調(diào)諧諧半半導(dǎo)導(dǎo)體體光光放放大大探探測測E EA A調(diào)調(diào)制制抗抗反反射射膜膜高高反反射射膜膜后后鏡鏡面面前前鏡鏡面面I ISOA的缺點的缺點1.對極化態(tài)非常敏感。對極化態(tài)非常敏感。不同的極化模式，具有不同的增益，不同的極

37、化模式，具有不同的增益，TE和和TM的模極化的模極化增益差可達增益差可達8dB。2.存在串?dāng)_。決定于上能級到基態(tài)能級的自發(fā)發(fā)射壽命。存在串?dāng)_。決定于上能級到基態(tài)能級的自發(fā)發(fā)射壽命。SOA增益偏振相關(guān)性增益偏振相關(guān)性摻鉺光纖放大器摻鉺光纖放大器：使用使用鉺離子鉺離子作為作為增益介質(zhì)增益介質(zhì)的光纖放大器。的光纖放大器。鉺離子在光纖制造過程中被摻入光纖芯中，使用鉺離子在光纖制造過程中被摻入光纖芯中，使用泵浦光泵浦光直接直接對光信號放大，提供光增益。對光信號放大，提供光增益。1985年，首次研制成功摻鉺光纖。年，首次研制成功摻鉺光纖。1988年低損耗摻鉺光纖技術(shù)已相當(dāng)成熟，其性能相當(dāng)優(yōu)良，年低損耗摻鉺

38、光纖技術(shù)已相當(dāng)成熟，其性能相當(dāng)優(yōu)良，已可以提供實際使用。已可以提供實際使用。放大器的特性，如工作波長、帶寬由放大器的特性，如工作波長、帶寬由摻雜劑摻雜劑所決定。摻鉺所決定。摻鉺光纖放大器因為工作波長在靠近光纖損耗最小的光纖放大器因為工作波長在靠近光纖損耗最小的1.55 m 波長區(qū)，它比其它光放大器更引人注意。波長區(qū)，它比其它光放大器更引人注意。摻鐠光纖放大器摻鐠光纖放大器1.30 m波段的放大器波段的放大器 6.7.2摻餌光纖放大器摻餌光纖放大器22Er3+-Al2O3-GeO2-SiO2F-SiO2 GeO2-SiO2 Er硅包層摻鍺區(qū)0.010.04摻鉺區(qū)m(36)直徑直徑m125濃度(1

39、 1002 500)ppmab摻鉺光纖結(jié)構(gòu)摻鉺光纖結(jié)構(gòu)摻餌光纖：把摻餌光纖：把餌離子餌離子摻入光纖摻入光纖中制成的光纖。中制成的光纖。為了實現(xiàn)有效放大，在摻餌光為了實現(xiàn)有效放大，在摻餌光纖中需要維持足夠多的餌離子纖中需要維持足夠多的餌離子反轉(zhuǎn)，因此要求盡可能地增加反轉(zhuǎn)，因此要求盡可能地增加摻餌區(qū)摻餌區(qū)泵浦的光功率密度。泵浦的光功率密度。1.增長摻餌光纖的長度或提高餌離子的濃度。增長摻餌光纖的長度或提高餌離子的濃度。2.減小纖芯橫截面積，使摻餌光纖的結(jié)構(gòu)最佳化；減小纖芯橫截面積，使摻餌光纖的結(jié)構(gòu)最佳化；3.增大數(shù)值孔徑，即增大相對折射率差，可實現(xiàn)較多的粒子數(shù)反轉(zhuǎn)；增大數(shù)值孔徑，即增大相對折射率差

40、，可實現(xiàn)較多的粒子數(shù)反轉(zhuǎn)； 4.把摻餌區(qū)局限在光纖纖芯的中心（即減小把摻餌區(qū)局限在光纖纖芯的中心（即減小b/a值），即減小對泵浦光值），即減小對泵浦光的吸收效率；的吸收效率；濃度有上限，且體濃度有上限，且體積要求不能太大。積要求不能太大。b/a最佳值為最佳值為0.5Er3+的能級結(jié)構(gòu)決定了摻餌光纖的工作原理。的能級結(jié)構(gòu)決定了摻餌光纖的工作原理。由于由于Er3+的濃度超過的濃度超過一定數(shù)值后會產(chǎn)生濃一定數(shù)值后會產(chǎn)生濃度淬滅，降低了度淬滅，降低了EDFA的效率，因此的效率，因此需要與需要與Al或或P共摻，共摻，防止?jié)舛却銣?。防止?jié)舛却銣?。EDFA工作原理工作原理E1是基態(tài)能級；是基態(tài)能級； E2

41、是中間能級（亞穩(wěn)態(tài)能級）；是中間能級（亞穩(wěn)態(tài)能級）；E3代表激發(fā)態(tài)能級（泵浦能級）。代表激發(fā)態(tài)能級（泵浦能級）。.1E980 nm泵浦光放大后的信號光信號光1 550 nm1 550 nm0能級3rE1 530 nm980 nm2E3E0.80eV1.27eV摻鉺離子的能級圖摻鉺離子的能級圖.1E980 nm泵浦光放大后的信號光信號光1 550 nm1 550 nm0能級3rE1 530 nm980 nm2E3E0.80eV1.27eV在在980nm的泵浦光作用下，形成粒子數(shù)反轉(zhuǎn)：的泵浦光作用下，形成粒子數(shù)反轉(zhuǎn)：1.電子從基態(tài)激發(fā)到泵浦能級上；電子從基態(tài)激發(fā)到泵浦能級上；2.很快從泵浦能級衰變

42、到亞穩(wěn)態(tài)能級的上部；很快從泵浦能級衰變到亞穩(wěn)態(tài)能級的上部；3.慢慢地（慢慢地（10ns左右），電子移向亞穩(wěn)態(tài)能級的下部左右），電子移向亞穩(wěn)態(tài)能級的下部（自發(fā)輻射），逐漸聚集很多粒子形成粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。（自發(fā)輻射），逐漸聚集很多粒子形成粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。.1E980 nm泵浦光放大后的信號光信號光1 550 nm1 550 nm0能級3rE1 530 nm980 nm2E3E0.80eV1.27eV在在1480nm的泵浦光作用下，形成粒子數(shù)反轉(zhuǎn)：的泵浦光作用下，形成粒子數(shù)反轉(zhuǎn)：1.電子直接從基態(tài)激發(fā)到亞穩(wěn)態(tài)能級的頂部；電子直接從基態(tài)激發(fā)到亞穩(wěn)態(tài)能級的頂部；2. 逐漸移向亞穩(wěn)態(tài)能級的下部（自發(fā)輻射），聚集很

43、多逐漸移向亞穩(wěn)態(tài)能級的下部（自發(fā)輻射），聚集很多粒子形成粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。粒子形成粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。.1E980 nm泵浦光放大后的信號光信號光1 550 nm1 550 nm0能級3rE1 530 nm980 nm2E3E0.80eV1.27eV受激輻射光波：在外部光的激勵下，電子從亞穩(wěn)態(tài)能受激輻射光波：在外部光的激勵下，電子從亞穩(wěn)態(tài)能級衰變到基態(tài)，并發(fā)射光子實現(xiàn)對入射光的放大！級衰變到基態(tài)，并發(fā)射光子實現(xiàn)對入射光的放大！放大的波長取決于亞穩(wěn)態(tài)和基態(tài)之間的能級差。幸運放大的波長取決于亞穩(wěn)態(tài)和基態(tài)之間的能級差。幸運地落在了地落在了1550nm窗口。窗口。.1E980 nm泵浦光放大后的信號光信號光1 55

44、0 nm1 550 nm0能級3rE1 530 nm980 nm2E3E0.80eV1.27eV噪聲：由于額外消耗泵功率而引入噪聲。噪聲：由于額外消耗泵功率而引入噪聲。1.受激吸收：基態(tài)吸收一部分入射信號光，躍遷到亞受激吸收：基態(tài)吸收一部分入射信號光，躍遷到亞穩(wěn)態(tài)能級；穩(wěn)態(tài)能級；2.放大的自發(fā)發(fā)射：亞穩(wěn)態(tài)的粒子以自發(fā)發(fā)射的方式放大的自發(fā)發(fā)射：亞穩(wěn)態(tài)的粒子以自發(fā)發(fā)射的方式躍遷到基態(tài)，且會被放大形成放大的自發(fā)發(fā)射。躍遷到基態(tài)，且會被放大形成放大的自發(fā)發(fā)射。1530nm980nm泵泵浦浦光光放放大大后后的的信信號號光光1E2E信信號號光光1550nm1550nm0能能級級 3rE很多時候，為了便于更

45、好地分析和理解，簡化三能級很多時候，為了便于更好地分析和理解，簡化三能級模型為模型為簡單的兩能級模型簡單的兩能級模型。前提前提：自發(fā)輻射和激發(fā)態(tài)吸收可以忽略時。：自發(fā)輻射和激發(fā)態(tài)吸收可以忽略時。假設(shè)假設(shè)：模型三能級系統(tǒng)的激活態(tài)能級：模型三能級系統(tǒng)的激活態(tài)能級 E3 幾乎保持空幾乎保持空位，因為泵浦到能級位，因為泵浦到能級 E3 的離子數(shù)快速地轉(zhuǎn)移到能級的離子數(shù)快速地轉(zhuǎn)移到能級 E2。模型簡化模型簡化增益特性增益特性zNNGLaed)()()(012放大器的增益可以表示為：放大器的增益可以表示為：受激發(fā)射光子受激吸收光子單位面積上的光子數(shù)。光子流方向垂直的表示單位時間內(nèi)通過與表示受激躍遷幾率；，

46、。引起的受激躍遷幾率高值大則表示同樣光強下數(shù)。是一個物質(zhì)光特性的參起的受激躍遷幾率，表示單位光子通量所引WW增益大小與增益大小與有關(guān)！有關(guān)！增益大小與增益大小與有關(guān)！有關(guān)！小信號增益隨泵浦功率而變的曲線小信號增益隨泵浦功率而變的曲線光纖越長，閾光纖越長，閾值泵浦越高！值泵浦越高！泵浦越高，光纖泵浦越高，光纖長度的閾值越大！長度的閾值越大！增益決定于：增益決定于：1. 1. 越大，越大，增益越大；增益越大；2.2.越大，增益越大；越大，增益越大；越長，增益越大；但存在一個越長，增益越大；但存在一個閾閾值長度與泵浦功率成正比；值長度與泵浦功率成正比；越高，增益越大；但存在一個越高，增益越大；但存在

47、一個閾閾值泵浦與光纖長度成正比。值泵浦與光纖長度成正比。飽和增益（飽和輸出功率）是飽和增益（飽和輸出功率）是摻餌光纖濃度、芯摻餌光纖濃度、芯徑、光纖長度和泵浦功率徑、光纖長度和泵浦功率的函數(shù)。的函數(shù)。泵浦波長的選擇泵浦波長的選擇1.泵浦效率的高低：越高越好！泵浦效率的高低：越高越好！2.泵源應(yīng)有相應(yīng)波長的激光器：目前商用的泵源應(yīng)有相應(yīng)波長的激光器：目前商用的LD輸出功率輸出功率大于大于100mW，是理想的泵源。，是理想的泵源。3.沒有激發(fā)態(tài)吸收：無泵浦帶的是沒有激發(fā)態(tài)吸收：無泵浦帶的是532nm、980nm（高（高功率除外）及功率除外）及1480nm。5238001480980最佳的泵浦波長為

48、最佳的泵浦波長為980nm980nm！由于在高功率區(qū)域，由于在高功率區(qū)域，980nm980nm有較大的激發(fā)態(tài)吸收，因此有較大的激發(fā)態(tài)吸收，因此1480nm1480nm泵浦更適用于高功率應(yīng)用！泵浦更適用于高功率應(yīng)用！泵浦方式泵浦方式泵浦方式有三種：泵浦方式有三種：1.泵浦光與信號光同向傳輸?shù)耐虮闷直闷止馀c信號光同向傳輸?shù)耐虮闷謨?yōu)點：噪聲低。優(yōu)點：噪聲低。2.泵浦光與信號光反向傳輸?shù)姆聪虮闷直闷止馀c信號光反向傳輸?shù)姆聪虮闷謨?yōu)點：方向泵浦的轉(zhuǎn)換效率較高，輸出功率高。優(yōu)點：方向泵浦的轉(zhuǎn)換效率較高，輸出功率高。3.兩個方向同時泵浦的雙向泵浦兩個方向同時泵浦的雙向泵浦優(yōu)點：在放大器長度上增益比較均勻。

49、優(yōu)點：在放大器長度上增益比較均勻。980nm1480nm同向泵浦同向泵浦(1) 摻鉺光纖摻鉺光纖 光纖放大器的關(guān)鍵部件是具有光纖放大器的關(guān)鍵部件是具有增益放大特性增益放大特性的摻鉺光纖，的摻鉺光纖，因而使摻鉺光纖的設(shè)計最佳化是主要的技術(shù)關(guān)鍵。因而使摻鉺光纖的設(shè)計最佳化是主要的技術(shù)關(guān)鍵。EDFA的增的增益與許多參數(shù)有關(guān)，如鉺離子濃度、放大器長度、芯徑以及泵益與許多參數(shù)有關(guān)，如鉺離子濃度、放大器長度、芯徑以及泵浦光功率等。浦光功率等。(2) 泵浦源泵浦源 對泵浦源的基本要求是對泵浦源的基本要求是高功率和長壽命高功率和長壽命。它是保證光纖放。它是保證光纖放大器性能的基本因素。幾個波長可有效激勵摻鉺光

50、纖。大器性能的基本因素。幾個波長可有效激勵摻鉺光纖。最先使用最先使用1480 nm的的 InGaAs 多量子阱多量子阱(MQW)激光器，其輸激光器，其輸出功率可達出功率可達 100 mW，泵浦增益系數(shù)較高。，泵浦增益系數(shù)較高。隨后采用隨后采用980nm 波長泵浦，效率高波長泵浦，效率高, 噪聲低，現(xiàn)已廣泛使用。噪聲低，現(xiàn)已廣泛使用。(3) 光耦合器光耦合器 其作用是使泵浦光與信號光進行其作用是使泵浦光與信號光進行復(fù)合復(fù)合。對它的要求是。對它的要求是插入損耗低，因而適用的插入損耗低，因而適用的WDM器件主要有熔融拉錐形光纖器件主要有熔融拉錐形光纖耦合器。耦合器。(4) 光隔離器光隔離器 在輸入、

51、輸出端插入光隔離器是為了在輸入、輸出端插入光隔離器是為了抑制光路中的反抑制光路中的反射射，從而使系統(tǒng)工作穩(wěn)定可靠、降低噪聲。對隔離器的基，從而使系統(tǒng)工作穩(wěn)定可靠、降低噪聲。對隔離器的基本要求是插入損耗低、反向隔離度大。本要求是插入損耗低、反向隔離度大。(5) 光濾波器光濾波器 作用是減少噪聲對信號的影響，作用是減少噪聲對信號的影響，提高信噪比提高信噪比。反向泵浦反向泵浦雙向泵浦雙向泵浦前提前提：工作在稍飽和區(qū)。工作在稍飽和區(qū)。 原理原理：信號功率意外升高，信號功率意外升高，增益飽和情況加深，增益飽和情況加深，輸出功率回落。輸出功率回落。 發(fā)射譜和吸收譜的特性發(fā)射譜和吸收譜的特性1 4801 5

52、20 1 5401 5600246810吸收或增益波長1 500/nm/(dB/m)10-25m2吸收增益截面2461 550 nm發(fā)射譜和吸收譜發(fā)射譜和吸收譜。寬的吸收譜允許使用多模、波長不需要很。寬的吸收譜允許使用多模、波長不需要很精確的半導(dǎo)體激光器作泵浦光源；寬的發(fā)射譜意味著可以寬帶放大。精確的半導(dǎo)體激光器作泵浦光源；寬的發(fā)射譜意味著可以寬帶放大。發(fā)射譜和吸收譜發(fā)射譜和吸收譜，在，在1532nm1532nm峰很高，在峰很高，在1550nm1550nm附近則較附近則較平坦。平坦。譜的高度譜的高度，因為放大器的增益是長度的積分。，因為放大器的增益是長度的積分。15441569典型的典型的ED

53、FAEDFA增益譜增益譜固有的增益不平坦，增益固有的增益不平坦，增益差隨級聯(lián)放大而積累增大差隨級聯(lián)放大而積累增大各信道的信噪比差別增大各信道的信噪比差別增大各信道的接收靈敏度不同各信道的接收靈敏度不同增益譜的形狀隨信號功率而變，在有信道增益譜的形狀隨信號功率而變，在有信道上、下的動態(tài)情況下，失衡情況更加嚴重上、下的動態(tài)情況下，失衡情況更加嚴重追求增益譜的平坦化追求增益譜的平坦化方案一預(yù)加重法：提高方案一預(yù)加重法：提高“弱弱”信道的發(fā)送功率，使各信道獲信道的發(fā)送功率，使各信道獲得均勻的光信噪比。得均勻的光信噪比。針對對象：點對點的系統(tǒng)。針對對象：點對點的系統(tǒng)。方案二方案二增益平坦濾波器法。增益平

54、坦濾波器法。增益平坦濾波器的傳遞增益平坦濾波器的傳遞函數(shù)和函數(shù)和EDFA的增益譜完的增益譜完全相反全相反輸出輸出端的增益差接近為端的增益差接近為0！(1) 工作波長恰好落在光纖通信的工作波長恰好落在光纖通信的最佳波長區(qū)最佳波長區(qū)( 1550 nm 通通信窗口信窗口)；(2) 頻帶寬頻帶寬，在，在1550 nm窗口有窗口有20 40 nm帶寬，可進行多帶寬，可進行多信道傳輸，便于擴大傳輸容量，從而節(jié)省成本費用信道傳輸，便于擴大傳輸容量，從而節(jié)省成本費用;(3) 因為因為EDFA的主體也是一段光纖，它與線路光纖的的主體也是一段光纖，它與線路光纖的耦合耦合損耗很小損耗很小，甚至可達到，甚至可達到0.

55、1 dB;(4) 噪聲指數(shù)低噪聲指數(shù)低，一般，一般47 dB；(5)增益高增益高，約，約20 40 dB，飽和輸出功率大，約，飽和輸出功率大，約815 dBm；(6) 與半導(dǎo)體光放大器不同，光纖放大器的增益特性與光纖與半導(dǎo)體光放大器不同，光纖放大器的增益特性與光纖極化狀態(tài)無關(guān)，放大特性與光信號的傳輸方向也無關(guān)，可以極化狀態(tài)無關(guān)，放大特性與光信號的傳輸方向也無關(guān)，可以實現(xiàn)實現(xiàn)雙向放大雙向放大 ( 光纖放大器內(nèi)無隔離器時光纖放大器內(nèi)無隔離器時 );摻鉺光纖放大器的優(yōu)點及應(yīng)用摻鉺光纖放大器的優(yōu)點及應(yīng)用前置放大器前置放大器功率放大器功率放大器(7) 所需所需泵浦功率較低泵浦功率較低(數(shù)十毫瓦數(shù)十毫瓦)

56、，泵浦效率卻相當(dāng)高，用，泵浦效率卻相當(dāng)高，用980nm光源泵浦時，增益效率為光源泵浦時，增益效率為10dB/mW，用，用1480nm光源光源泵浦時為泵浦時為5.1dB/mW；泵浦功率轉(zhuǎn)換為輸出信號功率的效率；泵浦功率轉(zhuǎn)換為輸出信號功率的效率為為92.6%，吸收效率為，吸收效率為88%；(8) 在多信道應(yīng)用中可進行在多信道應(yīng)用中可進行無串話傳輸無串話傳輸；(9) 放大器中只有低速電子裝置和幾個放大器中只有低速電子裝置和幾個無源器件無源器件，結(jié)構(gòu)簡單，結(jié)構(gòu)簡單，可靠性高，體積?。豢煽啃愿?，體積??；(10) EDFA需要的工作電流比光需要的工作電流比光-電電-光再生器的小，因此可大光再生器的小，因此

57、可大大大減小遠供電流減小遠供電流，從而降低了對海纜的電阻和絕緣性能的要，從而降低了對海纜的電阻和絕緣性能的要求。求。(11) EDFA級聯(lián)具有級聯(lián)具有自補償自調(diào)整作用自補償自調(diào)整作用。多個。多個EDFA級聯(lián)可以級聯(lián)可以實現(xiàn)長距離無中繼距離。實現(xiàn)長距離無中繼距離。6.7.3摻餌波導(dǎo)放大器摻餌波導(dǎo)放大器v工作原理和工作原理和EDFA相同，具有更大的優(yōu)點。相同，具有更大的優(yōu)點。v集成摻餌波導(dǎo)光放大器集成摻餌波導(dǎo)光放大器vEDWA陣列：多個放大器集成陣列：多個放大器集成v拉曼現(xiàn)象在拉曼現(xiàn)象在1928年被發(fā)現(xiàn)。年被發(fā)現(xiàn)。v90年代早期，年代早期，EDFA取代它成為焦點，取代它成為焦點，F(xiàn)RA受到冷遇。受

58、到冷遇。v隨著光纖通信網(wǎng)容量的增加，對放大器提出新的要隨著光纖通信網(wǎng)容量的增加，對放大器提出新的要求，傳統(tǒng)的求，傳統(tǒng)的EDFA已很難滿足，已很難滿足，F(xiàn)RA再次成為研究的再次成為研究的熱點。熱點。v特別是高功率二極管泵浦激光器的迅猛發(fā)展，又為特別是高功率二極管泵浦激光器的迅猛發(fā)展，又為FRA的實現(xiàn)奠定了堅實的基礎(chǔ)。的實現(xiàn)奠定了堅實的基礎(chǔ)。v人們對人們對FRA的興趣來源于這種放大器可以提供整個的興趣來源于這種放大器可以提供整個波長波段的放大。通過適當(dāng)改變泵浦激光波長，就波長波段的放大。通過適當(dāng)改變泵浦激光波長，就可以達到在任意波段進行寬帶光放大，甚至可在可以達到在任意波段進行寬帶光放大，甚至可在

59、12701670nm整個波段內(nèi)提供放大。整個波段內(nèi)提供放大。全波光纖通信要求一種與全波光纖工作窗口相匹配全波光纖通信要求一種與全波光纖工作窗口相匹配的光放大器的光放大器光纖拉曼放大器！光纖拉曼放大器！利用利用強泵浦光束強泵浦光束通過光纖傳輸時產(chǎn)生的通過光纖傳輸時產(chǎn)生的受激拉曼散射受激拉曼散射。一個較高能量（較短波長）的入射泵浦光子產(chǎn)生一個較一個較高能量（較短波長）的入射泵浦光子產(chǎn)生一個較低能量（較長波長）的光子，剩余的能量以分子振蕩的低能量（較長波長）的光子，剩余的能量以分子振蕩的形式被介質(zhì)吸收。形式被介質(zhì)吸收。分子振蕩長波長光子泵浦EEE拉曼散射拉曼散射)(-)()(/ )()(12聲子輸入

60、輸出聲子fffh-WWf光纖拉曼放大器基于受激拉曼散射光纖拉曼放大器基于受激拉曼散射非線性光學(xué)效應(yīng)非線性光學(xué)效應(yīng)！pw泵浦光：vw信號光：vw受激信號光：vw受激信號光：vpww 前提前提：現(xiàn)象現(xiàn)象：弱信號光獲得較大的增益，放大輸出。：弱信號光獲得較大的增益，放大輸出。受激拉曼散射受激拉曼散射光纖拉曼放大器工作原理光纖拉曼放大器工作原理如果一個弱信號光和一個強泵浦光同時在一根光纖中傳如果一個弱信號光和一個強泵浦光同時在一根光纖中傳輸，并且輸，并且弱信號光的波長在泵浦光的拉曼增益帶寬弱信號光的波長在泵浦光的拉曼增益帶寬內(nèi)內(nèi)（即信號光的波長處于比泵浦光的波長較長的適當(dāng)范圍（即信號光的波長處于比泵浦