第4章光通信器件2-2

1、1课程物理与材料科学学院安徽大学半导体发光二极管与激光二极管2课程物理与材料科学学院安徽大学半导体发光二极管(Light-emitting Diode，LED)基本应用GaAlAs和InGaAsP材料，可以覆盖整个光纤通信系统使用波长范围，典型值为0.85m、1.31m及1.55m。l通过电子在能带之间的跃迁，发出频谱宽度在几百 nm 以下的光。在构成半导体晶体的原子内部，存在着不同的能带。如果占据高能带（导带）的电子跃迁到低能带（价带）上，就将其间的能量差（禁带能量）以光的形式放出。这时发出的光，其波长基本上由能带差所决定。4.2 半导体发光二极管(LED)3课程物理与材料科学学院安徽大学l

2、在构成半导体晶体的原子内部，存在着不同的能带；l如果占据高能带（导带）的电子跃迁到低能带（价带）上，就将其间的能量差（禁带能量）以光的形式放出；l这时发出的光，其波长基本上由能带差所决定。1、LED发光原理EcEvEg能能量量E空空穴穴电电子子导导带带费费米米能能级级价价带带费费米米能能级级光光子子eVhvEFnEFp状状态态密密度度vcgEEE hvE vc hcEE 1 2398.（ m） 4课程物理与材料科学学院安徽大学4.2.2 LED工作特性工作特性(1)光谱特性。 发光二极管发射的是自发辐射光， 没有谐振腔对波长的选择，谱线较宽。5课程物理与材料科学学院安徽大学(2) LED的P-

3、I特性4 3 2 1 0 50 100 150 02570电流电流/mA输出功率输出功率/ mWP-I特性指输出的光功率随注入电流的变化关系注入电流较小时，线性度好；注入电流较大时，发光效率变低，甚至出现饱和。6课程物理与材料科学学院安徽大学(3) LED的温度特性80090040 C25 C85 C01740Relative spectral output power840880Wavelength (nm)The output spectrum from AlGaAs LED. Valuesnormalized to peak emission at 25 C.Optoelectronic

4、s (Prentice Hall)LED的温度特性相对较好，一般不需要加温度控制，但不同温度下，LED的光谱和P-I特性呈现不同的特性。7课程物理与材料科学学院安徽大学l光纤的耦合是指把光源的光功率最大限度的输送到光纤中去。l直接耦合：方法简单，效率较低。l透镜耦合：可以根据光源做不同的结构，以提高耦合效率。影响耦合效率的主要因素主要是光源的发散角和光纤的数值孔径。(4) LED与光纤的耦合8课程物理与材料科学学院安徽大学LED与光纤的耦合9课程物理与材料科学学院安徽大学光纤连接器光纤连接器电接口电接口驱动电路驱动电路光源组件光源组件光检测器组件光检测器组件放大电路放大电路电接口电接口电信号输

5、入电信号输入光发送机光发送机中继器中继器光纤跳线光纤跳线光纤连接器光纤连接器光缆总线盒光缆总线盒光缆线路盒光缆线路盒光缆线路盒光缆线路盒光纤跳线光纤跳线光缆终端盒光缆终端盒光接收机光接收机电信号输出电信号输出光纤光纤光缆光缆4.3 光放大器光放大器10课程物理与材料科学学院安徽大学光-电-光转换中继器结构 1 2 N.光纤光纤 1 2 N光光解解复复用用.O/EADME/O光光复复用用 1 2 N. 1 2 N.光纤光纤光电中继光电中继全光中继全光中继11课程物理与材料科学学院安徽大学光放大器的结构工作介质工作介质泵浦光源泵浦光源输入信号输出信号工作介质从泵浦源吸收足够的能量，使工作介质处在增

6、益状态；当有信号光入射时，由于受激辐射，信号光将得到放大；只要泵浦的能量足够强，信号光就可以得到连续放大，工作介质起到能量传递的作用。12课程物理与材料科学学院安徽大学放大器分类 不同类型的工作介质，泵浦方式也不同，形成的光放大的性能也不同。目前从工作介质上分类，较成熟的放大器有：l工作介质是掺稀土光纤，泵浦源为半导体激光器；最常用的是掺铒光纤放大器（EDFA）。l工作介质是常规光纤，泵浦源为高功率激光器，利用非线性效应对光进行放大。典型代表是SRS（受激拉曼）光纤放大器。l工作介质是半导体材料，以注入电流作为泵浦源。代表有F-P型光放大器等。13课程物理与材料科学学院安徽大学三种不同类型的放

7、大器性能比较14课程物理与材料科学学院安徽大学l使用铒离子作为增益介质的光纤放大器，称为使用铒离子作为增益介质的光纤放大器，称为 。这些离子在光纤制造过程中被掺。这些离子在光纤制造过程中被掺入光纤芯中，使用泵浦光直接对光信号放大，提供光增益。入光纤芯中，使用泵浦光直接对光信号放大，提供光增益。l虽然掺杂光纤放大器早在虽然掺杂光纤放大器早在19641964年就有研究，但是直到年就有研究，但是直到19851985年才首次研年才首次研制成功掺铒光纤。制成功掺铒光纤。19881988年低损耗掺铒光纤技术已相当成熟，其性能相年低损耗掺铒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。当优良，已可

8、以提供实际使用。l放大器的特性，如工作波长、带宽由掺杂介质所决定。掺铒光纤放大放大器的特性，如工作波长、带宽由掺杂介质所决定。掺铒光纤放大器因为工作波长在靠近光纤损耗最小的器因为工作波长在靠近光纤损耗最小的1.55 1.55 m m 波长区，它比其它光波长区，它比其它光放大器更引人注意。放大器更引人注意。4.3.3 4.3.3 掺铒光纤放大器（掺铒光纤放大器（EDFAEDFA）15课程物理与材料科学学院安徽大学输输入入信信号号泵泵浦浦光光隔隔离离器器光光隔隔离离器器波波分分复复用用器器掺掺铒铒光光纤纤输输出出信信号号熔熔接接基本组成基本组成各部分作用各部分作用 掺铒光纤掺铒光纤(EDF)(ED

9、F)和高功率泵浦光源高功率泵浦光源是关键器件，EDF的增益取决于Er3+的浓度、光纤长度和直径以及泵浦光功率等多种因素，通常由实验获得最佳增益。 把泵浦光与信号光耦合在一起的也是不可缺少的。 对泵浦光源的基本要求是大功率和长寿命。对泵浦光源的基本要求是大功率和长寿命。16课程物理与材料科学学院安徽大学前向泵浦结构后向泵浦结构双向泵浦结构单级放大中常用的三种泵浦结构常用结构常用结构17课程物理与材料科学学院安徽大学l前向泵浦：前向泵浦：信号光与泵浦光以同一方向进入掺饵光纤，在掺铒光纤的输入端泵浦光较强，其增益系数大，信号一进入光纤即得到较强的放大。但由于吸收泵浦光将沿光纤长度而衰减，使在一定的光

10、纤长度上达到增益饱和而使噪声增加。前向泵浦的优点是。l后向泵浦：后向泵浦：信号光与泵浦光从两个不同的方向进入掺饵光纤。优点是：当光信号放大到很强时，泵浦光也强，。l双向泵浦：双向泵浦：为了使增益光纤中的增益介质得到充分激励，使用双泵浦源，两个泵浦源从两个相反方向进入掺饵光纤。这种方式，从而使增益在光纤中也均匀分布，这种配置具有更高的输出功率，且放大特性与信号传输方向无关大特性与信号传输方向无关。18课程物理与材料科学学院安徽大学多级光纤放大器结构提高泵浦光的利用率19课程物理与材料科学学院安徽大学20课程物理与材料科学学院安徽大学EDFAEDFA的工作原理的工作原理-掺铒光纤与泵浦选择掺铒光纤

11、与泵浦选择l稀土元素包括15种元素，在元素周期表中位于第五行。目前比较成熟的有源光纤中掺入的 。l掺铒(Er3+)光纤在波长具有很高的增益，正对应低损耗第三通信窗口，由于其潜在的应用价值，掺铒(Er3+)光纤激光器发展十分迅速。l掺镨光纤放大器工作在1.31m波段。铒离子能级图铒离子能级图21课程物理与材料科学学院安徽大学掺铒光纤吸收谱可以作为掺铒光纤泵浦源的波段有：目前常用的泵浦源为22课程物理与材料科学学院安徽大学Energy of the Er3+ ionin the glass fiberE101.54 eV1.27 eV0.80 eVE2E3E31550 nm1550 nmInOut

12、980 nmNon-radiative decayPump980nm泵浦光放大特性掺铒光纤后的输出信号23课程物理与材料科学学院安徽大学l由图可见，能量从泵由图可见，能量从泵浦光转换成信号光的浦光转换成信号光的效率很高，因此效率很高，因此EDFAEDFA很适合作功率放大器。很适合作功率放大器。l泵浦光功率转换为输泵浦光功率转换为输出信号光功率的效率出信号光功率的效率为为 92.6 %92.6 %，60 mW60 mW功功率泵浦时，吸收效率率泵浦时，吸收效率为为 88 %88 %。008020406020406080泵浦功率泵浦功率输输出出信信号号功功率率转换效率转换效率92.6%(mW)(mW

13、)输出信号功率与泵浦功率的关系：输出信号功率与泵浦功率的关系：EDFAEDFA的特性的特性24课程物理与材料科学学院安徽大学EDFA增益特性EDFA的增益与铒离子浓度、掺铒光纤长度、芯经和泵浦功率有关。增益G定义为输出光功率与输入信号光功率之比的分贝数：inoutPPGlg10理想的放大器，不管输入功率多大，光信号都能按同一比例放大，实际的放大器并非如此，如下图，会出现增益饱和现象。EDFAEDFA的特性的特性25课程物理与材料科学学院安徽大学增益频谱1.52040102030小小信信号号增增益益1.541.56波波长长( ( ) ) m1.58(dB)1.52025101520(dB)1.5

14、41.56波波长长( ( ) ) m1.58大大信信号号增增益益3dB谱宽定义为Gsmax-3dB对应的两个波长之差。增益平坦性：不同信号放大增益平坦性也不同，通过上图可以看出大信号增益时平坦性较好。EDFAEDFA的特性的特性26课程物理与材料科学学院安徽大学0-1010302040增增益益02468102015105mL =(mW)泵浦功率泵浦功率(dB)小信号增益和泵浦功率的关系l对于给定的放大器长度对于给定的放大器长度L L，放大器增益最初随泵浦功率，放大器增益最初随泵浦功率按指数函数增加，但是当泵浦功率超过一定值后，增益按指数函数增加，但是当泵浦功率超过一定值后，增益的增加就减小的增

15、加就减小EDFAEDFA的特性的特性27课程物理与材料科学学院安徽大学l对于给定的泵浦功率，放大器的最大增益对应一个最佳光纤长对于给定的泵浦功率，放大器的最大增益对应一个最佳光纤长度，并且当超过这个最佳值后很快降低。度，并且当超过这个最佳值后很快降低。l其原因是铒光纤的剩余部分没有被泵浦，反而吸收了已放大的其原因是铒光纤的剩余部分没有被泵浦，反而吸收了已放大的信号。信号。l因此，选择合适的光纤长度与泵浦功率在放大器的设计中非常因此，选择合适的光纤长度与泵浦功率在放大器的设计中非常重要。重要。增增益益01030200-10102030405040(m)(dB)3 mWPP=24561789铒铒光

16、光纤纤长长度度小信号增益和光纤长度的关系EDFAEDFA的特性的特性28课程物理与材料科学学院安徽大学3、EDFA的噪声指数EDFAEDFA的特性的特性29课程物理与材料科学学院安徽大学EDFA泵浦功率对噪声指数的影响l该图表示泵浦功率对放大器噪声指数影响的模拟结果。该图表示泵浦功率对放大器噪声指数影响的模拟结果。l数值计算表明，强泵浦功率的高增益放大器可以得到接近数值计算表明，强泵浦功率的高增益放大器可以得到接近 3 dB 3 dB 的噪声指数。的噪声指数。l噪声指数就像放大器增益一样，与放大器长度和泵浦功率噪声指数就像放大器增益一样，与放大器长度和泵浦功率有关。有关。噪噪声声指指数数051

17、508020604010010(m)(dB)2mWPP=3510铒铒光光纤纤长长度度FnEDFAEDFA的特性的特性30课程物理与材料科学学院安徽大学掺铒光纤放大器的优点(1)(1) 工作波长工作波长：恰好落在光纤通信的最佳波长区：恰好落在光纤通信的最佳波长区( 1500 nm )( 1500 nm )；(2) (2) 因为因为EDFAEDFA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损耗很耦合损耗很小小，甚至可达到，甚至可达到0.1 dB;0.1 dB;(3) (3) 噪声指数低，增益高，饱和输出功率大噪声指数低，增益高，饱和输出功率大；(4) (4) 频带宽频

18、带宽，在，在1 550 nm1 550 nm窗口有窗口有20 -40 nm20 -40 nm带宽，可进行多信道带宽，可进行多信道传输，便于扩大传输容量，从而节省成本费用传输，便于扩大传输容量，从而节省成本费用; ;(5) (5) 所需所需泵浦功率较低泵浦功率较低( (数十毫瓦数十毫瓦) )，泵浦效率却相当高；，泵浦效率却相当高；(6) (6) 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；(7) (7) 放大器中只有低速电子装置和几个无源器件，放大器中只有低速电子装置和几个无源器件，结构简单结构简单，可，可靠性高，体积小；靠性高，体积小；(8) EDFA(8) EDFA需要的需

19、要的工作电流比光工作电流比光- -电电- -光再生器的小光再生器的小，因此可大大减，因此可大大减小远供电流，从而降低了对海缆的电阻和绝缘性能的要求。小远供电流，从而降低了对海缆的电阻和绝缘性能的要求。31课程物理与材料科学学院安徽大学EDFAEDFA的应用的应用 原则上讲只要需要光放大的地方都可以用EDFA，在实际的光纤链路当中，EDFA主要用于一下几个方面：光光发发射射机机EDFA光光接接收收机机EDFA光光纤纤光光纤纤(a)在在线线放放大大器器在在线线放放大大器器光光发发射射机机光光接接收收机机EDFA光光纤纤(c)前前置置放放大大器器接接收收机机前前置置放放大大器器光光发发射射机机EDF

20、A光光接接收收机机光光纤纤(b)功功率率放放大大器器光光发发射射机机功功率率增增强强器器光光发发射射机机EDFA光光接接收收机机(d)补补偿偿损损耗耗放放大大器器光光纤纤总总线线节节点点在在局局域域网网中中用用于于补补偿偿分分配配损损耗耗EDFA32课程物理与材料科学学院安徽大学 EDFA只能工作在，为了满足全波光纤工作窗口宽的需要，科学家们在寻求一种能够与全波光纤工作窗口相匹配的光放大器，光纤喇曼放大器刚好可以满足这种要求。4.3.4 光纤喇曼放大器（SRA）受激拉曼散射受激拉曼散射SRSSRS物理机制：物理机制：分子间的相对运动导致分子电偶极矩随时间的周期性调制，这些分子振动调制信号光后产

21、生了新的光频， 除此之外还将放大新产生的光。这个现象称为拉曼散射。拉曼散射有普通拉曼散射和受激拉曼散射两种。普通拉曼散射过程属于自发散射过程，产生的散射光十分微弱；但是当强激光输入到非线性介质中后，一定条件下，散射光具有激光的特性，这就是受激拉曼散射（SRS），SRS过程可以看作是物质分子对光子的散射过程，或者说光子与分子谐振子相互作用的过程。33课程物理与材料科学学院安徽大学 散射光称为斯托克斯(Stokes)光。另一种情况如右图所示，产生反斯托克斯光。 sp其过程如下图所示： 当激光束进入介质后，光子被介质吸收，使介质分子由E1跃迁到E3，由于E3态不稳定，它很快跃迁到较低的亚稳态E2上，

22、并发射一个散射光子，角频率为ws，然后弛豫回到基态E1，并产生一个光学声子，这个非弹性过程前后的能量是守恒的，满足： spsp即：34课程物理与材料科学学院安徽大学SRS特性受激拉曼散射的光较强，它具有高强度，高方向性，具有阈值特性，通过介质时还将获得增益。在室温下，大部分新产生的频率都处于光载波的低频区，对于二氧化硅玻璃，新峰值频率比光载频低13 THz。换言之，当信号波长为1.55 m时，将在1.65 m处产生新的波长。泵浦波长为泵浦波长为1.0um1.0um时光纤的拉曼增益谱时光纤的拉曼增益谱35课程物理与材料科学学院安徽大学可以采用前向泵浦,也可以采用后向泵浦，因后向泵浦减小了泵浦光和

23、信号光相互作用的长度，从而也就减小了泵浦噪声对信号的影响，所以通常采用后向泵浦。光纤分布式喇曼放大器（光纤分布式喇曼放大器（DRADRA）结构）结构-后向泵浦后向泵浦W WD DM M传传输输光光纤纤信信号号光光泵泵浦浦光光光光复复用用器器泵泵浦浦光光增增益益平平坦坦滤滤波波器器入入1 1入入2 236课程物理与材料科学学院安徽大学DRADRA工作原理工作原理l增益介质：系统传输光纤。l工作原理：基于非线性光学效应。l如果一个弱信号光与一个强泵浦光同时在一根光纤中如果一个弱信号光与一个强泵浦光同时在一根光纤中传输，强泵浦光产生拉曼效应，弱信号光处在拉曼增传输，强泵浦光产生拉曼效应，弱信号光处在

24、拉曼增益曲线内；益曲线内；l则弱信号光会得到放大，获得喇曼增益。37课程物理与材料科学学院安徽大学l泵浦功率为泵浦功率为200mW200mW时，最时，最大增益值为大增益值为7.78 dB7.78 dBl泵浦功率为泵浦功率为100 mW100 mW时，最时，最大增益值为大增益值为3.6 dB3.6 dB。l在增益峰值附在增益峰值附近的增益带宽近的增益带宽约为约为7-8THz7-8THz。喇喇曼曼增增益益波波长长051015202501234561443147015001530 15601590162078200mW泵泵浦浦功功率率泵泵浦浦光光和和信信号号光光的的频频率率差差泵泵浦浦C(THz)（

25、nm）泵泵浦浦功功率率100mW(dB)波波段段窗窗口口小信号光在长光纤内的喇曼增益38课程物理与材料科学学院安徽大学l后向泵浦的后向泵浦的光纤分布式光纤分布式喇曼放大器，喇曼放大器，3232个波长的个波长的DWDMDWDM信号光信号光和和2 2个波长个波长的泵浦光在的泵浦光在光纤中反向光纤中反向传输。传输。l在光纤的后在光纤的后半段，信号半段，信号光功率电平光功率电平已足够低，已足够低，所以不会产所以不会产生光纤的非生光纤的非线性影响。线性影响。0 02 20 04 40 06 60 08 80 00 0- -1 10 01 10 02 20 0功功率率( (d dB Bm m) )传传输输

26、距距离离（k km m）1 10 00 01 12 20 03 32 2个个波波长长的的信信号号光光泵泵浦浦光光1 1泵泵浦浦光光2 2E ED DF FA AE ED DF FA A信信号号光光泵泵浦浦光光光光接接收收光光发发射射D DR RA A泵泵浦浦光功率在传输光纤中的分布光功率在传输光纤中的分布39课程物理与材料科学学院安徽大学喇曼放大技术应用喇曼放大技术应用l分布式喇曼放大器不但能够工作在EDFA常使用到的 C 波段（1530 -1564 nm）l而且也能工作在波长较短的 S 波段（1350-1450 nm）和较长的 L 波段（1564-1620 nm），完全满足全波光纤对工作窗口

27、的要求。40课程物理与材料科学学院安徽大学l对 于 半 导 体 光 放 大 器(SOA, Semiconductor Optical Amplifiers)的研究，早在1962年发明半导体激光器不久就已开始了。l然而，只有在上世纪80年代，在认识到它将在光波系统中具有广泛应用前景的驱使下，才对SOA进行了广泛的研究和开发。4.3.5 4.3.5 半导体光放大器半导体光放大器41课程物理与材料科学学院安徽大学半导体光放大器的机理半导体光放大器的机理l半导体光放大器的机理与激光器的相同，即通过。l光放大器只是一个，其核心是当放大器被光或电泵浦时，使粒子数反转获得光增益。该增益通常不仅与入射信号的频率（或波长）有关，而且与放大器内任一点的局部光强有关，该频率和光强与光增益的关系又取决于放大器介质。42课程物理与材料科学学院安徽大学(1)FPA 半导体激光器由于在解理面存在反射，当偏流低于阈值时是放大器。l减小腔体界面反射，可使激光器变为放大器。