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 发光二极管及其工作特性发光二极管及其工作特性6.2 半导体激光器及其工作特性半导体激光器及其工作特性 6.3 窄谱宽和可调谐半导体激光器窄谱宽和可调谐半导体激光器 6.4 光放大器光放大器 6.5 光纤激光器光纤激光器v6.5 垂直腔面发射激光器垂直腔面发射激光器光源要求：光源要求：（1 1）合适的发光波长）合适的发光波长：包括包括0.85m、1.3m和和1.55m波长窗口。波长窗口。（2 2）足够的输出功率）足够的输出功率：实际应用中，把：实际应用中，把lmWlmW的光的光功率记作功率记作0dBm0dBm。（3 3）可靠性高、寿命长）可靠性高

2、、寿命长：目前通信工程要求光源：目前通信工程要求光源平均工作寿命为平均工作寿命为10106 6小时。设一个通信系统中有小时。设一个通信系统中有1010个光源，假如其中一个光源发生故障，会使个光源，假如其中一个光源发生故障，会使整个系统中断工作。从故障的概率来说，该系整个系统中断工作。从故障的概率来说，该系统发生中断通信故障的时间间隔为统发生中断通信故障的时间间隔为1010万小时。万小时。（4 4）输出效率高）输出效率高：耗电尽量省，而且要在低电：耗电尽量省，而且要在低电压下工作。压下工作。（5 5）光谱宽度窄）光谱宽度窄：光谱宽度与光纤的色散效应：光谱宽度与光纤的色散效应结合产生噪声。结合产生

3、噪声。（6 6）聚光性好）聚光性好：尽可能多地把光送进光纤。：尽可能多地把光送进光纤。（7 7）调制方便）调制方便：把话音等信息附载在光波上。把话音等信息附载在光波上。（8 8）价格低廉）价格低廉：能批量生产，同时体积小、重：能批量生产，同时体积小、重量轻，便于在各种场合应用。量轻，便于在各种场合应用。光发送机的组成光发送机的组成v在光纤通信中，将在光纤通信中，将电信号转变为光信号电信号转变为光信号是是由由光发送机光发送机来完成，同时来完成，同时有效地有效地将光信号将光信号送入到传输光纤中。送入到传输光纤中。v光发送机的核心是光发送机的核心是光源及其驱动电路光源及其驱动电路。LED或LD驱动电

4、路输入电信号输出光信号光源6.1 发光二极管及其工作特性发光二极管及其工作特性v当给当给LED外加合适的外加合适的正向电压正向电压（N端接负电位，端接负电位，P端接正电位）时，破坏了端接正电位）时，破坏了PN结的结的热平衡状态热平衡状态，耗尽区的宽度和势垒的高度都下降，扩散作用耗尽区的宽度和势垒的高度都下降，扩散作用增强，大量的空穴从增强，大量的空穴从P区扩散到区扩散到N区而大量的电区而大量的电子从子从N区扩散到区扩散到p区，复合产生光子区，复合产生光子。简单一句。简单一句话说，电致发光为话说，电致发光为PN结在正向偏置下由电子注结在正向偏置下由电子注入产生光自发发射的现象入产生光自发发射的现

5、象。PN结形成过程动画演示结形成过程动画演示PN结偏置结偏置 PN结正向偏置结正向偏置 当外加直流电压使当外加直流电压使PN结结P型半型半 导体的一端的电位高于导体的一端的电位高于N型半导体一端的电位时，型半导体一端的电位时，称称PN结正向偏置，简称正偏。结正向偏置，简称正偏。PN结反向偏置结反向偏置 当外加直流电压使当外加直流电压使PN结结N型半型半导体的一端的电位高于导体的一端的电位高于P型半导体一端的电位时，型半导体一端的电位时，称称PN结反向偏置，简称反偏。结反向偏置，简称反偏。PN结正偏动画演示结正偏动画演示多子进行扩散，多子进行扩散， PN结呈现低阻、导通状态，结呈现低阻、导通状态

6、，内电场被削弱，内电场被削弱，PN结变窄结变窄PN结反偏动画演示结反偏动画演示发光二极管工作原理发光二极管工作原理LED的光电特性的光电特性数字调制：开关状态数字调制：开关状态模拟调制：直流偏置电流模拟调制：直流偏置电流3dB调制带宽调制带宽上升时间上升时间LED结构结构vLED主要有五种结构：主要有五种结构：平面平面LED、圆顶形、圆顶形LED、超发光二极管、超发光二极管SLD、面发光二极管、面发光二极管SLED和边发光二极管和边发光二极管ELED。在光纤通信中。在光纤通信中广泛应用的结构为后两种。广泛应用的结构为后两种。v平面平面LED、圆顶形、圆顶形LED：发光强度低、价格发光强度低、价

7、格低廉低廉，应用于，应用于显示、报警、计算显示、报警、计算及其他工业及其他工业应用。应用。SLD: Super Luminescent Diodesv超发光二极管超发光二极管SLD：结构和：结构和LD类似。类似。要求具有很高要求具有很高的输出功率而又不产生激射振荡，最简单办法是增的输出功率而又不产生激射振荡，最简单办法是增大注入电流。为了避免过高的注入电流可能会导致大注入电流。为了避免过高的注入电流可能会导致激射振荡，在一端涂有光损耗介质，以抑制激光发激射振荡，在一端涂有光损耗介质，以抑制激光发射，没有光反馈，注入电流在受激发射值以下。射，没有光反馈，注入电流在受激发射值以下。v特点特点: 输

8、出功率较高、输出光束的方向性好、谱线输出功率较高、输出光束的方向性好、谱线宽及调制带宽大。宽及调制带宽大。v缺点缺点: 非线性较大，且输出功率随温度的变化非常非线性较大，且输出功率随温度的变化非常大，使用时必须制冷大，使用时必须制冷。v应用应用: 光学陀螺、传感器及多模光纤系统。光学陀螺、传感器及多模光纤系统。v材料不同，发射波长不同。材料不同，发射波长不同。v材料的组成元素不同，同样发射波长也不同。材料的组成元素不同，同样发射波长也不同。vGaInP用于塑料光纤，发射波长为红光。用于塑料光纤，发射波长为红光。ggWWhc24. 1v同质结和异质结同质结和异质结v同质结同质结LED的缺点的缺点

9、v异质结的优点异质结的优点双异质结工作原理双异质结工作原理由于限制层的带隙比有源由于限制层的带隙比有源层宽，施加正向偏压后，层宽，施加正向偏压后， P层的空穴和层的空穴和N层的电子注层的电子注入有源层。入有源层。 P层带隙宽，层带隙宽， 导带的能态比有源层高，导带的能态比有源层高，对注入电子形成了势垒，对注入电子形成了势垒， 注入到有源层的电子不可注入到有源层的电子不可能扩散到能扩散到P层。同理，注入层。同理，注入到有源层的空穴也不可能到有源层的空穴也不可能扩散扩散到到N层。层。双异质结：双异质结：阻止有源层的阻止有源层的空穴进入空穴进入n区和其区和其电子进入电子进入P区；区； 有源层两边的有

10、源层两边的折射率低于有源折射率低于有源层，对光场具有层，对光场具有很好的约束。很好的约束。有源层：发光区域有源层：发光区域有源层中产生的光发射穿过衬底耦合入光纤。有源层中产生的光发射穿过衬底耦合入光纤。凹坑：由于衬底材料的光吸收很大，用选择腐蚀的办凹坑：由于衬底材料的光吸收很大，用选择腐蚀的办法形成凹坑。法形成凹坑。接触电极：限定有源层中有源区的面积，大小与纤芯接触电极：限定有源层中有源区的面积，大小与纤芯面积相当。面积相当。SLEDv特点：工艺简单、发散角大、效率低、调制特点：工艺简单、发散角大、效率低、调制带宽较窄。带宽较窄。v面发光二极管输出的功率较大，一般注入面发光二极管输出的功率较大

11、，一般注入100mA电流时，就可达几个毫瓦。电流时，就可达几个毫瓦。面发光二极管面发光二极管SLEDv面发光二极管发光特点：面发光二极管发光特点：从平行于结平面的从平行于结平面的表面发光，光束成朗伯分布表面发光，光束成朗伯分布。v光功率按照余弦递光功率按照余弦递减。减。v当角度为当角度为60度时，度时，功率降为一半。功率降为一半。v当当NA=0.24，接收，接收角为角为14度时，大部度时，大部分能量被浪费掉。分能量被浪费掉。面发光二极管面发光二极管SLEDv在凹陷的区域注入在凹陷的区域注入环氧树脂环氧树脂，并在光纤末端，并在光纤末端放置放置透镜透镜或光纤端面或光纤端面形成球透镜形成球透镜，以提

12、高光，以提高光纤的接收效率。纤的接收效率。ELED异质结异质结结构上利用结构上利用SiO2掩模技术，在掩模技术，在P面形成垂直于端面的条形面形成垂直于端面的条形接触电极接触电极(约约65m)，从而限定了有源层的宽度。，从而限定了有源层的宽度。由于约束层的吸收损耗低，光在传播方向上的自吸收大大由于约束层的吸收损耗低，光在传播方向上的自吸收大大降低，光导层可减少光束的发射，有利于将发光功率有效降低，光导层可减少光束的发射，有利于将发光功率有效地耦合入光纤中。地耦合入光纤中。与输出端相反的一端镀反射膜，进一步增加光输出功率。与输出端相反的一端镀反射膜，进一步增加光输出功率。ELED发光特点：从结区的

13、边缘发光。发光特点：从结区的边缘发光。v能量更集中，特别能量更集中，特别是垂直方向。是垂直方向。实际封装方式实际封装方式6.2 半导体激光器及其工作特性半导体激光器及其工作特性v产生激光的三个先决条件：产生激光的三个先决条件：激励源激励源是能量的提供者，实现粒子数反转；是能量的提供者，实现粒子数反转；激活物质激活物质是产生激光的物质基础，提供光放大；是产生激光的物质基础，提供光放大；光学谐振腔光学谐振腔提供光反馈。提供光反馈。v要产生激光还应满足如下两方面的条件：要产生激光还应满足如下两方面的条件：光的增益和损耗间应满足平衡条件光的增益和损耗间应满足平衡条件阈值条件阈值条件。在谐振腔中，光波反

14、复反射能得到加强，从而能够在谐振腔中，光波反复反射能得到加强，从而能够存在，应满足的条件存在，应满足的条件相位条件相位条件。v好的激光器应具备的条件：好的激光器应具备的条件：低的阈值电流、低的阈值电流、高的输出功率及单模工作高的输出功率及单模工作。v气体激光器气体激光器v固体激光器固体激光器v半导体激光器半导体激光器LD工作原理工作原理有源区有源区电流注入电流注入型型型光光hv光光hv解理面解理面(a)半导体激光器(a)半导体激光器 L1 2 34R1 1增益介质增益介质R2 2光的驻波光的驻波折射率折射率反反射射镜镜反反射射镜镜(b)纵模驻波(b)纵模驻波 2nnPNm m-m+ (c)纵模

15、共振光谱(c)纵模共振光谱增益差增益差11光光增增益益 o(a) 腔内允许产生的模式腔内允许产生的模式 m m( ) /2= L(b)mn 相相对对光光强强 m (a)+(b)=(c)(c)半导体激光器的输出光谱(c)半导体激光器的输出光谱光增益与波长的关系光增益与波长的关系 m m解理面解理面 = 0Z = xZ 激励源激励源：对：对PN结外接正向偏置电压，电子越结外接正向偏置电压，电子越过异质结势垒而注入，同时在价带中产生同过异质结势垒而注入，同时在价带中产生同等数量的空穴以保持电中性。导带电子与价等数量的空穴以保持电中性。导带电子与价带空穴复合，发射出新的光子。带空穴复合，发射出新的光子

16、。 光学谐振腔：由于自发发射的光子，位相各不相同，光学谐振腔：由于自发发射的光子，位相各不相同，且向各个方向传播。部分光子一旦产生，就穿出有且向各个方向传播。部分光子一旦产生，就穿出有源区，而另一部分光子在源区，而另一部分光子在PN结平面内传播，并相结平面内传播，并相继引起其他电子继引起其他电子-空穴对的受激发射，产生更多的空穴对的受激发射，产生更多的性能相同的光子。这种受激发射随注入电流的增大性能相同的光子。这种受激发射随注入电流的增大而雪崩式地发展，并在而雪崩式地发展，并在PN结内具有绝对的优势。结内具有绝对的优势。当这些光子的电磁波当这些光子的电磁波同相位同相位时，产生放大的相干发时，产

17、生放大的相干发射。射。 光学谐振腔光学谐振腔：两端自然解理面形成反射镜，：两端自然解理面形成反射镜，即光学谐振腔，提供了必要的反馈及进行模即光学谐振腔，提供了必要的反馈及进行模式选择，提高相干性。光信号每通过一次增式选择，提高相干性。光信号每通过一次增益媒质，就得到一次放大。当增益超过损耗益媒质，就得到一次放大。当增益超过损耗时，满足时，满足阈值条件阈值条件，发出光。，发出光。增益介质增益介质：重掺杂的：重掺杂的P区和区和N区，通过外加区，通过外加正向偏压不断注入电子，则在正向偏压不断注入电子，则在PN结形成结形成受激发射所需的粒子数反转。受激发射所需的粒子数反转。v主导模式：最靠近增益峰的模

18、式。主导模式：最靠近增益峰的模式。v多模激光器：主模及其临近的两个边模同时多模激光器：主模及其临近的两个边模同时振荡。振荡。光束辐射为一光束辐射为一椭圆光锥椭圆光锥，水平方向性强，但垂，水平方向性强，但垂直方向的方向性差。直方向的方向性差。特点：特点：限制光的办法：电流在狭窄的中间带内注入，导致限制光的办法：电流在狭窄的中间带内注入，导致载流子浓度在条形区最高，光被限制在载流子浓度在条形区最高，光被限制在条形区域条形区域内；内；因为电流在因为电流在有源区产生增益有源区产生增益，光限制是借助条形区，光限制是借助条形区的增益来实现的，这样的激光器称为增益波导的增益来实现的，这样的激光器称为增益波导

19、LD。增益波导增益波导LDv缺点：缺点：功率增大时，功率增大时，光斑尺寸不稳定光斑尺寸不稳定；模式模式稳定性不高稳定性不高（辐射模式随激光器增益的（辐射模式随激光器增益的增加而改变；增加而改变；增益波导增益波导LD很少用于通信系统中。很少用于通信系统中。折射率波导折射率波导LDv限制光的办法：在侧向引入限制光的办法：在侧向引入折射率差折射率差，以达，以达到限制光场的目的。到限制光场的目的。v根据折射率差的大小，分为根据折射率差的大小，分为弱折射率弱折射率波导波导LD和和强折射率强折射率波导波导LD。双异质结双异质结LD激光器工作原理激光器工作原理复合区功率分布复合区功率分布LD光输出光输出LD

20、光电特性光电特性LD电压和电流特性电压和电流特性LD数字调制：直流偏置电流数字调制：直流偏置电流LD模拟调制：直流偏置超过阈值，偏置模拟调制：直流偏置超过阈值，偏置在线性在线性区中段区中段电光延迟和张弛振荡电光延迟和张弛振荡v由于载流子浓度达到激由于载流子浓度达到激光阈值需要一定的时间，光阈值需要一定的时间，输出光脉冲和注入电流输出光脉冲和注入电流脉冲之间存在一个初始脉冲之间存在一个初始延迟时间，称为延迟时间，称为电光延电光延迟时间迟时间td，其数量级一，其数量级一般为般为 ns。v当电流脉冲注入激光器当电流脉冲注入激光器后，输出光脉冲会出现后，输出光脉冲会出现幅度逐渐衰减的振荡，幅度逐渐衰减

21、的振荡， 称为称为张弛振荡张弛振荡。频率响应频率响应如果如果LD预偏置在预偏置在阈值附近，光脉冲阈值附近，光脉冲的时间和振荡的幅的时间和振荡的幅度将显著降低。度将显著降低。电光延迟和张弛振荡电光延迟和张弛振荡v张弛振荡和电光延迟的后果是张弛振荡和电光延迟的后果是限制调制速率限制调制速率。v当最高调制频率接近张弛振荡频率时，当最高调制频率接近张弛振荡频率时，波形波形失真严重失真严重，会使光接收机在抽样判决时增加，会使光接收机在抽样判决时增加误码率误码率，因此实际使用的最高调制频率应，因此实际使用的最高调制频率应低低于于张弛振荡频率。张弛振荡频率。v当电光延迟时间当电光延迟时间td与数字调制的码元

22、持续时与数字调制的码元持续时间间T/2为相同数量级时，会使为相同数量级时，会使“0”码过后的第码过后的第一个一个“1码的脉冲宽度变窄，幅度减小，严重码的脉冲宽度变窄，幅度减小，严重时可能使单个时可能使单个“”码丢失，码丢失， 这种现象称为这种现象称为“码型效应码型效应”。 “码型效应码型效应”的的特特点是：点是：在脉冲序列中较在脉冲序列中较长的连长的连“0”码后出现的码后出现的“1”码，其脉冲明显变码，其脉冲明显变小，而且小，而且连连“0”码数目码数目越多，调制速率越高，越多，调制速率越高，这种效应越明显这种效应越明显。 1 2电脉冲光脉冲2ns5ns2ns码型效应（a) 、(b)码型效应波形

23、；（c）改善后波形(a)(b)(c)电光延迟和张弛振荡电光延迟和张弛振荡某些激光器在脉冲调制某些激光器在脉冲调制甚至直流驱动下，当注甚至直流驱动下，当注入电流达到某个范围时，入电流达到某个范围时，输出光脉冲出现持续等输出光脉冲出现持续等幅的高频振荡，这种现幅的高频振荡，这种现象称为自脉动现象。象称为自脉动现象。自脉动现象是激光器内自脉动现象是激光器内部不均匀增益或不均匀部不均匀增益或不均匀吸收产生的。吸收产生的。 电脉冲光脉冲激光器自脉冲动现象温度特性温度特性温控组件温控组件LD的封装的封装带集成尾纤的带集成尾纤的LD带集成尾纤和功率监控的带集成尾纤和功率监控的LD14针双列直插式针双列直插式

24、LD多模输出多模输出单模输出单模输出单频半导体激光器单频半导体激光器v单频半导体激光器设计的基本思想：单频半导体激光器设计的基本思想：腔纵模间隔反腔纵模间隔反比与腔长，采用短腔结构，以增大相邻纵模的间隔。比与腔长，采用短腔结构，以增大相邻纵模的间隔。采用不同纵模具有不同的腔损耗，具有最低光腔损采用不同纵模具有不同的腔损耗，具有最低光腔损耗的纵模最先达到阈值并成为支配模式，其他邻模耗的纵模最先达到阈值并成为支配模式，其他邻模由于高损耗而被截止，邻模携带的功率在总的辐射由于高损耗而被截止，邻模携带的功率在总的辐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制作困难，且输出功率仅有几毫瓦

25、制作困难，且输出功率仅有几毫瓦。v使用无源或有源外腔耦合形成使用无源或有源外腔耦合形成耦合腔系统耦合腔系统。耦合腔。耦合腔系统工作原理为：系统工作原理为：虽然两个谐振腔具有各自不同的虽然两个谐振腔具有各自不同的振荡纵模，但是当两个谐振腔放在一起构成耦合腔振荡纵模，但是当两个谐振腔放在一起构成耦合腔(或复合腔或复合腔)时，这时只有两个谐振腔中相同的纵模时，这时只有两个谐振腔中相同的纵模才能成为耦合腔的振荡纵模，再加上增益谱的作用，才能成为耦合腔的振荡纵模，再加上增益谱的作用，最终实现了模式选择功能，通过调节注入到模式控最终实现了模式选择功能，通过调节注入到模式控制器的电流，可实现波长调谐。制器的

26、电流，可实现波长调谐。6.3 窄谱宽和可调谐半导体激光器窄谱宽和可调谐半导体激光器v也可采用也可采用FBG（布拉格相位光栅）形成分布（布拉格相位光栅）形成分布反馈结构。反馈结构。v反馈不位于端面上，而是分布在整个光腔长反馈不位于端面上，而是分布在整个光腔长度上，通过折射率周期扰动的度上，通过折射率周期扰动的内建光栅内建光栅产生产生布拉格散射布拉格散射，并使，并使正向和反向传播的波相互正向和反向传播的波相互耦合耦合。vDFB的模式选择条件为布拉格定律，相当于的模式选择条件为布拉格定律，相当于分布式滤波器，只允许一个一个纵模式在有分布式滤波器，只允许一个一个纵模式在有源区来回传播。源区来回传播。v

27、反馈发生在整个光腔有源区长度上，所以叫反馈发生在整个光腔有源区长度上，所以叫分布式分布式LD。可调谐单频半导体激光器可调谐单频半导体激光器v分布布拉格反射式（分布布拉格反射式（DBR）激光器：反馈不）激光器：反馈不发生在有源区内，而是在激光器发生在有源区内，而是在激光器末端制作布末端制作布拉格反射镜拉格反射镜。单频半导体激光器单频半导体激光器量子阱激光器量子阱激光器v除双异质结除双异质结 LD 对载流子进行限制外，还有对载流子进行限制外，还有另外一种完全不同的对载流子限制的方式，另外一种完全不同的对载流子限制的方式，即即对电子或空穴允许占据能量状态的限制对电子或空穴允许占据能量状态的限制，这种

28、激光器叫做这种激光器叫做量子限制激光器量子限制激光器。有源层的厚度有源层的厚度 d 很薄，导带很薄，导带中的禁带势能把电子封闭在中的禁带势能把电子封闭在 x 方向上的方向上的一维势能阱（载流一维势能阱（载流子的陷阱）子的陷阱）内，但是在内，但是在 y 和和 z 方向是自由的（三维变为二方向是自由的（三维变为二维）。这种封闭呈现维）。这种封闭呈现量子效量子效应应，导致能带量化分成，导致能带量化分成离散离散值值。v这种状态密度的变化，改变了自发辐射和受激发这种状态密度的变化，改变了自发辐射和受激发射的速率。量子阱半导体激光器有源层厚度仅是射的速率。量子阱半导体激光器有源层厚度仅是10nm，约为异质

29、结器件的，约为异质结器件的1/10，所以，所以注入电流注入电流的微小变化就可以引起输出激光的大幅度变化的微小变化就可以引起输出激光的大幅度变化。只要相同能量的电只要相同能量的电子和相同能量的空穴子和相同能量的空穴复合，就可产生增益复合，就可产生增益较大的同频激光；较大的同频激光；态密度减少，较少态密度减少，较少电子即可实现粒子数电子即可实现粒子数反转，降低阈值；反转，降低阈值；高速率和窄线宽。高速率和窄线宽。简单改变简单改变阱宽阱宽，就可改变发射光子的能量。，就可改变发射光子的能量。阱宽越小，阱宽越小，激光发射往短波方向移动激光发射往短波方向移动，即高能量方向移动。，即高能量方向移动。量子阱激

30、光器量子阱激光器能量能量状态状态密度密度能量能量状态状态密度密度量子阱量子阱xzy势垒层势垒层E3E2E1InPInGaAs量子阱量子阱InGaAsP有源层有源层EcEvE隔离层隔离层(a) 普通普通 LD(b) 量子阱量子阱 LD(c) 多量子阱多量子阱 LD 示意图示意图(d) 多量子阱多量子阱 LD 能级图能级图6.4 光放大器光放大器v中继器光中继器光-电电-光转换，带来附加噪声；光转换，带来附加噪声；v中继器制造成本很高，安装和维护费用高；中继器制造成本很高，安装和维护费用高；多年来，人们一直在探索能否去掉上述多年来，人们一直在探索能否去掉上述光光-电电-光转光转换换过程，直接在光路

31、上对信号进行放大，然后再传过程，直接在光路上对信号进行放大，然后再传输，即用一个全光传输中继器代替目前的这种光输，即用一个全光传输中继器代替目前的这种光-电电-光再生中继器。光再生中继器。 经过多年的努力，科学家们已经发明了几种光经过多年的努力，科学家们已经发明了几种光放大器，其中放大器，其中掺铒光纤放大器（掺铒光纤放大器（EDFA）、光纤喇光纤喇曼放大器（曼放大器（FRA）和和半导体光放大器（半导体光放大器（SOA）技技术已经成熟，众多公司已有商品出售。术已经成熟，众多公司已有商品出售。6.7.1半导体光放大器半导体光放大器v半导体光放大器的原理和半导体激光器的相同，半导体光放大器的原理和半

32、导体激光器的相同，即通过受激发射放大入射光信号。即通过受激发射放大入射光信号。有有源源区区电电流流注注入入型型型光光hv光光hv解解理理面面( (a a) )半半导导体体激激光光器器 PN解解理理面面半导体激光器发光原理半导体激光器发光原理 半导体激光器半导体激光器是向半导体是向半导体PN结注入电流，结注入电流， 实现实现粒子粒子数反转分布数反转分布，产生，产生受激辐射受激辐射，再利用谐振腔的，再利用谐振腔的正反馈正反馈，实，实现现光放大光放大而产生而产生激光振荡激光振荡的。的。光光增增益益 o(a) 光增益与波长的关系光增益与波长的关系当受激发射使腔体得到的放大增益等于腔体损耗时（当受激发射

33、使腔体得到的放大增益等于腔体损耗时（阈阈值条件值条件），并且谐振腔内的前向和后向光波发生相干时），并且谐振腔内的前向和后向光波发生相干时（相干条件相干条件），就保持振荡，形成等相面和腔体端面平），就保持振荡，形成等相面和腔体端面平行的驻波，然后穿透谐振腔的两个端面，输出谱线很窄行的驻波，然后穿透谐振腔的两个端面，输出谱线很窄的相干光束。的相干光束。半导体光放大器的发光原理半导体光放大器的发光原理半导体光放大器分为半导体光放大器分为半导体光放大器（半导体光放大器（TWA）和和半导体光放大器（半导体光放大器（FPA）。）。TWA的发光原理的发光原理当放大器被光或电当放大器被光或电泵浦时，使粒子数泵

34、浦时，使粒子数反转获得光增益。反转获得光增益。它是一个它是一个的激光器。的激光器。注注入入电电流流输输入入光光信信号号输输出出光光信信号号有有源源区区Lz = 0z = Lz z注入电流注入电流输入输入光信号光信号输出光信号输出光信号有源区有源区Lz = z = Lz z反射面反射面R反射面反射面R0FPA的发光原理的发光原理减小腔体界减小腔体界面反射，使面反射，使增益低于阈增益低于阈值时，激光值时，激光器变为放大器变为放大器。器。减小反射率的方法减小反射率的方法最简单方法：在界面上镀以抗反射膜（增透膜）最简单方法：在界面上镀以抗反射膜（增透膜）有源区有源区光输入光输入光输出光输出反射反射角度

35、解理面或有源区倾斜结构。角度解理面或有源区倾斜结构。在解理面处的反射光束，因角度在解理面处的反射光束，因角度解理面的缘故已与前向光束分开。解理面的缘故已与前向光束分开。在大多数情况下，使用抗反射膜在大多数情况下，使用抗反射膜和有源区倾斜，可以使反射率小和有源区倾斜，可以使反射率小于于 0.1%）透明区透明区有源区有源区光输入光输入光输出光输出增透膜增透膜有源区端面和解理面之间插入透有源区端面和解理面之间插入透明窗口区。光束在到达半导体和明窗口区。光束在到达半导体和空气界面前，在该窗口区已发散，空气界面前，在该窗口区已发散，经界面反射的光束进一步发散，经界面反射的光束进一步发散，只有极小部分光耦

36、合进薄的有源只有极小部分光耦合进薄的有源层。层。SOA的优点的优点体积小。体积小。可集成性高：可与光发射机和接收机一起单片集成在可集成性高：可与光发射机和接收机一起单片集成在一起。一起。成本低：半导体生产线已成熟。成本低：半导体生产线已成熟。可对在放大器带宽内的多个信道同时放大。可对在放大器带宽内的多个信道同时放大。可可调调谐谐光光栅栅滤滤波波器器增增益益区区D DB BR R调调谐谐半半导导体体光光放放大大探探测测E EA A调调制制抗抗反反射射膜膜高高反反射射膜膜后后镜镜面面前前镜镜面面I ISOA的缺点的缺点1.对极化态非常敏感。对极化态非常敏感。不同的极化模式，具有不同的增益，不同的极

37、化模式，具有不同的增益，TE和和TM的模极化的模极化增益差可达增益差可达8dB。2.存在串扰。决定于上能级到基态能级的自发发射寿命。存在串扰。决定于上能级到基态能级的自发发射寿命。SOA增益偏振相关性增益偏振相关性掺铒光纤放大器掺铒光纤放大器：使用使用铒离子铒离子作为作为增益介质增益介质的光纤放大器。的光纤放大器。铒离子在光纤制造过程中被掺入光纤芯中，使用铒离子在光纤制造过程中被掺入光纤芯中，使用泵浦光泵浦光直接直接对光信号放大，提供光增益。对光信号放大，提供光增益。1985年，首次研制成功掺铒光纤。年，首次研制成功掺铒光纤。1988年低损耗掺铒光纤技术已相当成熟，其性能相当优良，年低损耗掺铒

38、光纤技术已相当成熟，其性能相当优良，已可以提供实际使用。已可以提供实际使用。放大器的特性，如工作波长、带宽由放大器的特性，如工作波长、带宽由掺杂剂掺杂剂所决定。掺铒所决定。掺铒光纤放大器因为工作波长在靠近光纤损耗最小的光纤放大器因为工作波长在靠近光纤损耗最小的1.55 m 波长区，它比其它光放大器更引人注意。波长区，它比其它光放大器更引人注意。掺镨光纤放大器掺镨光纤放大器1.30 m波段的放大器波段的放大器 6.7.2掺饵光纤放大器掺饵光纤放大器22Er3+-Al2O3-GeO2-SiO2F-SiO2 GeO2-SiO2 Er硅包层掺锗区0.010.04掺铒区m(36)直径直径m125浓度(1

39、 1002 500)ppmab掺铒光纤结构掺铒光纤结构掺饵光纤：把掺饵光纤：把饵离子饵离子掺入光纤掺入光纤中制成的光纤。中制成的光纤。为了实现有效放大，在掺饵光为了实现有效放大，在掺饵光纤中需要维持足够多的饵离子纤中需要维持足够多的饵离子反转，因此要求尽可能地增加反转，因此要求尽可能地增加掺饵区掺饵区泵浦的光功率密度。泵浦的光功率密度。1.增长掺饵光纤的长度或提高饵离子的浓度。增长掺饵光纤的长度或提高饵离子的浓度。2.减小纤芯横截面积，使掺饵光纤的结构最佳化；减小纤芯横截面积，使掺饵光纤的结构最佳化；3.增大数值孔径，即增大相对折射率差，可实现较多的粒子数反转；增大数值孔径，即增大相对折射率差

40、，可实现较多的粒子数反转； 4.把掺饵区局限在光纤纤芯的中心（即减小把掺饵区局限在光纤纤芯的中心（即减小b/a值），即减小对泵浦光值），即减小对泵浦光的吸收效率；的吸收效率；浓度有上限，且体浓度有上限，且体积要求不能太大。积要求不能太大。b/a最佳值为最佳值为0.5Er3+的能级结构决定了掺饵光纤的工作原理。的能级结构决定了掺饵光纤的工作原理。由于由于Er3+的浓度超过的浓度超过一定数值后会产生浓一定数值后会产生浓度淬灭，降低了度淬灭，降低了EDFA的效率，因此的效率，因此需要与需要与Al或或P共掺，共掺，防止浓度淬灭。防止浓度淬灭。EDFA工作原理工作原理E1是基态能级；是基态能级； E2

41、是中间能级（亚稳态能级）；是中间能级（亚稳态能级）；E3代表激发态能级（泵浦能级）。代表激发态能级（泵浦能级）。.1E980 nm泵浦光放大后的信号光信号光1 550 nm1 550 nm0能级3rE1 530 nm980 nm2E3E0.80eV1.27eV掺铒离子的能级图掺铒离子的能级图.1E980 nm泵浦光放大后的信号光信号光1 550 nm1 550 nm0能级3rE1 530 nm980 nm2E3E0.80eV1.27eV在在980nm的泵浦光作用下，形成粒子数反转：的泵浦光作用下，形成粒子数反转：1.电子从基态激发到泵浦能级上；电子从基态激发到泵浦能级上；2.很快从泵浦能级衰变

42、到亚稳态能级的上部；很快从泵浦能级衰变到亚稳态能级的上部；3.慢慢地（慢慢地（10ns左右），电子移向亚稳态能级的下部左右），电子移向亚稳态能级的下部（自发辐射），逐渐聚集很多粒子形成粒子数反转。（自发辐射），逐渐聚集很多粒子形成粒子数反转。.1E980 nm泵浦光放大后的信号光信号光1 550 nm1 550 nm0能级3rE1 530 nm980 nm2E3E0.80eV1.27eV在在1480nm的泵浦光作用下，形成粒子数反转：的泵浦光作用下，形成粒子数反转：1.电子直接从基态激发到亚稳态能级的顶部；电子直接从基态激发到亚稳态能级的顶部；2. 逐渐移向亚稳态能级的下部（自发辐射），聚集很

43、多逐渐移向亚稳态能级的下部（自发辐射），聚集很多粒子形成粒子数反转。粒子形成粒子数反转。.1E980 nm泵浦光放大后的信号光信号光1 550 nm1 550 nm0能级3rE1 530 nm980 nm2E3E0.80eV1.27eV受激辐射光波：在外部光的激励下，电子从亚稳态能受激辐射光波：在外部光的激励下，电子从亚稳态能级衰变到基态，并发射光子实现对入射光的放大！级衰变到基态，并发射光子实现对入射光的放大！放大的波长取决于亚稳态和基态之间的能级差。幸运放大的波长取决于亚稳态和基态之间的能级差。幸运地落在了地落在了1550nm窗口。窗口。.1E980 nm泵浦光放大后的信号光信号光1 55

44、0 nm1 550 nm0能级3rE1 530 nm980 nm2E3E0.80eV1.27eV噪声：由于额外消耗泵功率而引入噪声。噪声：由于额外消耗泵功率而引入噪声。1.受激吸收：基态吸收一部分入射信号光，跃迁到亚受激吸收：基态吸收一部分入射信号光，跃迁到亚稳态能级；稳态能级；2.放大的自发发射：亚稳态的粒子以自发发射的方式放大的自发发射：亚稳态的粒子以自发发射的方式跃迁到基态，且会被放大形成放大的自发发射。跃迁到基态，且会被放大形成放大的自发发射。1530nm980nm泵泵浦浦光光放放大大后后的的信信号号光光1E2E信信号号光光1550nm1550nm0能能级级 3rE很多时候，为了便于更

45、好地分析和理解，简化三能级很多时候，为了便于更好地分析和理解，简化三能级模型为模型为简单的两能级模型简单的两能级模型。前提前提：自发辐射和激发态吸收可以忽略时。：自发辐射和激发态吸收可以忽略时。假设假设：模型三能级系统的激活态能级：模型三能级系统的激活态能级 E3 几乎保持空几乎保持空位，因为泵浦到能级位，因为泵浦到能级 E3 的离子数快速地转移到能级的离子数快速地转移到能级 E2。模型简化模型简化增益特性增益特性zNNGLaed)()()(012放大器的增益可以表示为：放大器的增益可以表示为：受激发射光子受激吸收光子单位面积上的光子数。光子流方向垂直的表示单位时间内通过与表示受激跃迁几率；，

46、。引起的受激跃迁几率高值大则表示同样光强下数。是一个物质光特性的参起的受激跃迁几率，表示单位光子通量所引WW增益大小与增益大小与有关！有关！增益大小与增益大小与有关！有关！小信号增益随泵浦功率而变的曲线小信号增益随泵浦功率而变的曲线光纤越长，阈光纤越长，阈值泵浦越高！值泵浦越高！泵浦越高，光纤泵浦越高，光纤长度的阈值越大！长度的阈值越大！增益决定于：增益决定于：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；越长，增益越大；但存在一个越长，增益越大；但存在一个阈阈值长度与泵浦功率成正比；值长度与泵浦功率成正比；越高，增益越大；但存在一个越高，增益越大；但存在

47、一个阈阈值泵浦与光纤长度成正比。值泵浦与光纤长度成正比。饱和增益（饱和输出功率）是饱和增益（饱和输出功率）是掺饵光纤浓度、芯掺饵光纤浓度、芯径、光纤长度和泵浦功率径、光纤长度和泵浦功率的函数。的函数。泵浦波长的选择泵浦波长的选择1.泵浦效率的高低：越高越好！泵浦效率的高低：越高越好！2.泵源应有相应波长的激光器：目前商用的泵源应有相应波长的激光器：目前商用的LD输出功率输出功率大于大于100mW，是理想的泵源。，是理想的泵源。3.没有激发态吸收：无泵浦带的是没有激发态吸收：无泵浦带的是532nm、980nm（高（高功率除外）及功率除外）及1480nm。5238001480980最佳的泵浦波长为

48、最佳的泵浦波长为980nm980nm！由于在高功率区域，由于在高功率区域，980nm980nm有较大的激发态吸收，因此有较大的激发态吸收，因此1480nm1480nm泵浦更适用于高功率应用！泵浦更适用于高功率应用！泵浦方式泵浦方式泵浦方式有三种：泵浦方式有三种：1.泵浦光与信号光同向传输的同向泵浦泵浦光与信号光同向传输的同向泵浦优点：噪声低。优点：噪声低。2.泵浦光与信号光反向传输的反向泵浦泵浦光与信号光反向传输的反向泵浦优点：方向泵浦的转换效率较高，输出功率高。优点：方向泵浦的转换效率较高，输出功率高。3.两个方向同时泵浦的双向泵浦两个方向同时泵浦的双向泵浦优点：在放大器长度上增益比较均匀。

49、优点：在放大器长度上增益比较均匀。980nm1480nm同向泵浦同向泵浦(1) 掺铒光纤掺铒光纤 光纤放大器的关键部件是具有光纤放大器的关键部件是具有增益放大特性增益放大特性的掺铒光纤，的掺铒光纤，因而使掺铒光纤的设计最佳化是主要的技术关键。因而使掺铒光纤的设计最佳化是主要的技术关键。EDFA的增的增益与许多参数有关，如铒离子浓度、放大器长度、芯径以及泵益与许多参数有关，如铒离子浓度、放大器长度、芯径以及泵浦光功率等。浦光功率等。(2) 泵浦源泵浦源 对泵浦源的基本要求是对泵浦源的基本要求是高功率和长寿命高功率和长寿命。它是保证光纤放。它是保证光纤放大器性能的基本因素。几个波长可有效激励掺铒光

50、纤。大器性能的基本因素。几个波长可有效激励掺铒光纤。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，其输激光器，其输出功率可达出功率可达 100 mW，泵浦增益系数较高。，泵浦增益系数较高。随后采用随后采用980nm 波长泵浦，效率高波长泵浦，效率高, 噪声低，现已广泛使用。噪声低，现已广泛使用。(3) 光耦合器光耦合器 其作用是使泵浦光与信号光进行其作用是使泵浦光与信号光进行复合复合。对它的要求是。对它的要求是插入损耗低，因而适用的插入损耗低，因而适用的WDM器件主要有熔融拉锥形光纤器件主要有熔融拉锥形光纤耦合器。耦合器。(4) 光隔离器光隔离器 在输入、

51、输出端插入光隔离器是为了在输入、输出端插入光隔离器是为了抑制光路中的反抑制光路中的反射射，从而使系统工作稳定可靠、降低噪声。对隔离器的基，从而使系统工作稳定可靠、降低噪声。对隔离器的基本要求是插入损耗低、反向隔离度大。本要求是插入损耗低、反向隔离度大。(5) 光滤波器光滤波器 作用是减少噪声对信号的影响，作用是减少噪声对信号的影响，提高信噪比提高信噪比。反向泵浦反向泵浦双向泵浦双向泵浦前提前提：工作在稍饱和区。工作在稍饱和区。 原理原理：信号功率意外升高，信号功率意外升高，增益饱和情况加深，增益饱和情况加深，输出功率回落。输出功率回落。 发射谱和吸收谱的特性发射谱和吸收谱的特性1 4801 5

52、20 1 5401 5600246810吸收或增益波长1 500/nm/(dB/m)10-25m2吸收增益截面2461 550 nm发射谱和吸收谱发射谱和吸收谱。宽的吸收谱允许使用多模、波长不需要很。宽的吸收谱允许使用多模、波长不需要很精确的半导体激光器作泵浦光源；宽的发射谱意味着可以宽带放大。精确的半导体激光器作泵浦光源；宽的发射谱意味着可以宽带放大。发射谱和吸收谱发射谱和吸收谱，在，在1532nm1532nm峰很高，在峰很高，在1550nm1550nm附近则较附近则较平坦。平坦。谱的高度谱的高度，因为放大器的增益是长度的积分。，因为放大器的增益是长度的积分。15441569典型的典型的ED

53、FAEDFA增益谱增益谱固有的增益不平坦，增益固有的增益不平坦，增益差随级联放大而积累增大差随级联放大而积累增大各信道的信噪比差别增大各信道的信噪比差别增大各信道的接收灵敏度不同各信道的接收灵敏度不同增益谱的形状随信号功率而变，在有信道增益谱的形状随信号功率而变，在有信道上、下的动态情况下，失衡情况更加严重上、下的动态情况下，失衡情况更加严重追求增益谱的平坦化追求增益谱的平坦化方案一预加重法：提高方案一预加重法：提高“弱弱”信道的发送功率，使各信道获信道的发送功率，使各信道获得均匀的光信噪比。得均匀的光信噪比。针对对象：点对点的系统。针对对象：点对点的系统。方案二方案二增益平坦滤波器法。增益平

54、坦滤波器法。增益平坦滤波器的传递增益平坦滤波器的传递函数和函数和EDFA的增益谱完的增益谱完全相反全相反输出输出端的增益差接近为端的增益差接近为0！(1) 工作波长恰好落在光纤通信的工作波长恰好落在光纤通信的最佳波长区最佳波长区( 1550 nm 通通信窗口信窗口)；(2) 频带宽频带宽，在，在1550 nm窗口有窗口有20 40 nm带宽，可进行多带宽，可进行多信道传输，便于扩大传输容量，从而节省成本费用信道传输，便于扩大传输容量，从而节省成本费用;(3) 因为因为EDFA的主体也是一段光纤，它与线路光纤的的主体也是一段光纤，它与线路光纤的耦合耦合损耗很小损耗很小，甚至可达到，甚至可达到0.

55、1 dB;(4) 噪声指数低噪声指数低，一般，一般47 dB；(5)增益高增益高，约，约20 40 dB，饱和输出功率大，约，饱和输出功率大，约815 dBm；(6) 与半导体光放大器不同，光纤放大器的增益特性与光纤与半导体光放大器不同，光纤放大器的增益特性与光纤极化状态无关，放大特性与光信号的传输方向也无关，可以极化状态无关，放大特性与光信号的传输方向也无关，可以实现实现双向放大双向放大 ( 光纤放大器内无隔离器时光纤放大器内无隔离器时 );掺铒光纤放大器的优点及应用掺铒光纤放大器的优点及应用前置放大器前置放大器功率放大器功率放大器(7) 所需所需泵浦功率较低泵浦功率较低(数十毫瓦数十毫瓦)

56、，泵浦效率却相当高，用，泵浦效率却相当高，用980nm光源泵浦时，增益效率为光源泵浦时，增益效率为10dB/mW，用，用1480nm光源光源泵浦时为泵浦时为5.1dB/mW；泵浦功率转换为输出信号功率的效率；泵浦功率转换为输出信号功率的效率为为92.6%，吸收效率为，吸收效率为88%；(8) 在多信道应用中可进行在多信道应用中可进行无串话传输无串话传输；(9) 放大器中只有低速电子装置和几个放大器中只有低速电子装置和几个无源器件无源器件，结构简单，结构简单，可靠性高，体积小；可靠性高，体积小；(10) EDFA需要的工作电流比光需要的工作电流比光-电电-光再生器的小，因此可大光再生器的小，因此

57、可大大大减小远供电流减小远供电流，从而降低了对海缆的电阻和绝缘性能的要，从而降低了对海缆的电阻和绝缘性能的要求。求。(11) EDFA级联具有级联具有自补偿自调整作用自补偿自调整作用。多个。多个EDFA级联可以级联可以实现长距离无中继距离。实现长距离无中继距离。6.7.3掺饵波导放大器掺饵波导放大器v工作原理和工作原理和EDFA相同，具有更大的优点。相同，具有更大的优点。v集成掺饵波导光放大器集成掺饵波导光放大器vEDWA阵列：多个放大器集成阵列：多个放大器集成v拉曼现象在拉曼现象在1928年被发现。年被发现。v90年代早期，年代早期，EDFA取代它成为焦点，取代它成为焦点，FRA受到冷遇。受

58、到冷遇。v随着光纤通信网容量的增加，对放大器提出新的要随着光纤通信网容量的增加，对放大器提出新的要求，传统的求，传统的EDFA已很难满足，已很难满足，FRA再次成为研究的再次成为研究的热点。热点。v特别是高功率二极管泵浦激光器的迅猛发展，又为特别是高功率二极管泵浦激光器的迅猛发展，又为FRA的实现奠定了坚实的基础。的实现奠定了坚实的基础。v人们对人们对FRA的兴趣来源于这种放大器可以提供整个的兴趣来源于这种放大器可以提供整个波长波段的放大。通过适当改变泵浦激光波长，就波长波段的放大。通过适当改变泵浦激光波长，就可以达到在任意波段进行宽带光放大，甚至可在可以达到在任意波段进行宽带光放大，甚至可在

59、12701670nm整个波段内提供放大。整个波段内提供放大。全波光纤通信要求一种与全波光纤工作窗口相匹配全波光纤通信要求一种与全波光纤工作窗口相匹配的光放大器的光放大器光纤拉曼放大器！光纤拉曼放大器！利用利用强泵浦光束强泵浦光束通过光纤传输时产生的通过光纤传输时产生的受激拉曼散射受激拉曼散射。一个较高能量（较短波长）的入射泵浦光子产生一个较一个较高能量（较短波长）的入射泵浦光子产生一个较低能量（较长波长）的光子，剩余的能量以分子振荡的低能量（较长波长）的光子，剩余的能量以分子振荡的形式被介质吸收。形式被介质吸收。分子振荡长波长光子泵浦EEE拉曼散射拉曼散射)(-)()(/ )()(12声子输入

60、输出声子fffh-WWf光纤拉曼放大器基于受激拉曼散射光纤拉曼放大器基于受激拉曼散射非线性光学效应非线性光学效应！pw泵浦光：vw信号光：vw受激信号光：vw受激信号光：vpww 前提前提：现象现象：弱信号光获得较大的增益，放大输出。：弱信号光获得较大的增益，放大输出。受激拉曼散射受激拉曼散射光纤拉曼放大器工作原理光纤拉曼放大器工作原理如果一个弱信号光和一个强泵浦光同时在一根光纤中传如果一个弱信号光和一个强泵浦光同时在一根光纤中传输，并且输，并且弱信号光的波长在泵浦光的拉曼增益带宽弱信号光的波长在泵浦光的拉曼增益带宽内内（即信号光的波长处于比泵浦光的波长较长的适当范围（即信号光的波长处于比泵浦