第三章光有源器件

光调制器（Modulator

）光的调制：光子（或光波）载体载入信息的物理过程。光调制器:实现从电信号到光信号的转换光调制的分类：从光源调制角度分：内调制或直接调制：将调制信号直接注入激光器（调制激光器驱动电流），实现激光输出光强度等参数的调制--（简单、经济、引入较大的啁啾）；外调制：将调制信号控制激光器后接的外调制器，利用调制器的电光、声光等物理效应使其输出光的强度等参数随信号而变--（调制信号啁啾小）。从被调制光波的参数分：强度调制、相位调制、偏振调制直接调制和外调制Laser

DirectModulationofLaserDiodeBias+DATAIssues--ComplexDynamicsYield

ExternalModulationofLaserDiodeLaserModulatorBiasBias+DATAIssues--AdditionalComponent光源的外调制技术调制信号不直接施加在LD上，而是施加在光调制器上。外调制技术分类：电光调制

ElectroopticEffects电致吸收

Electro-AbsorptionEffects磁光调制MagnetoopticEffects声光调制AcousticModulators其中电光调制和电致吸收最为常用。电光效应光调制器电光效应：电压施加于某些电光晶体(如LiNbO3)

，导致晶体折射率发生变化，引起通过该晶体的光波特性发生变化。折射率变化n与外加电场E有着复杂的关系，可近似地认为n与(rE+RE2)成正比。电光调制器主要利用普科尔(Pocket)效应.普科尔(Pocket)效应：晶体折射率与外加电场幅度成线性变化克尔(Kerr)效应：晶体折射率与外加电场幅度的平方成比例变化线性电光效应应用1:相位调制器Ex和Ey的相位差为：当线偏振光沿z轴传输距离L后，变化，于是变化。施加的外电压在两个电场分量间产生一个可调整的相位差，因此出射光波的偏振态可被施加的外电压控制。可以分别控制晶体厚度d和长度L。线性电光效应应用1:相位调制器§1调制器－铌酸锂调制器线性电光效应应用2:强度调制器§1调制器－铌酸锂调制器铌酸锂强度调制器的原理铌酸锂调制器的主要指标消光比插入损耗外加电压偏振相关性晶体折射率随外加电场而变化。具有非常好的消啁啾特性，适合于高速系统的超长距离传输。但调制器的插入损耗大，需要较高的驱动电压(典型值为4V)，难以与光源集成，而且对偏振敏感。§1调制器－铌酸锂调制器铌酸锂调制器实物图电致吸收光调制器§1调制器－EA是一种损耗器件，利用Franz-Keldysh效应和量子限制Stark效应，工作在调制器材料吸收边界波长处。半导体材料发生本征吸收的波长：陡峭介质边吸收带电致吸收光调制器Franz-Keldysh效应：1958年提出，是指在电场作用下半导体材料的吸收边红移的理论。原理：改变调制器上的偏压，使多量子阱(MQW)的吸收边界波长发生变化，进而改变光束的通断，实现调制。当调制器无偏压时，光束处于通状态，输出功率最大；随着调制器上偏压的增加，MQW的吸收边移向长波长，原光束波长处吸收系数增大，调制器为断状态，输出功率最小。电吸收调制器与LD集成使用材料：III-V族半导体材料特点：易与激光器集成、体积小、驱动电压低（~2V）、啁啾大于LN调制器、消光比低于LN调制器（~10dB）声光效应光调制器声光效应是指声波作用于某晶体时，产生光弹性作用，使折射率发生变化，从而达到光调制的目的。特点：消光比高（～30dB）、驱动功率较低、调制速率低、带宽窄§1调制器－声光当外加信号通过驱动电源作用到声光器件时，超声强度随此信号变化，衍射光强也随之变化，从而实现了对激光的振幅或强度调制。磁光效应又称为法拉第效应。当光通过介质传播时，若在垂直光的传播方向上加一强磁场，则光的偏振面产生偏转，其旋转角度与介质长度、外加磁场强度成正比。调制原理：经起偏器的光信号通过磁光晶体，其偏转角与调制电流有关。由于起偏器与检偏器的透光轴相互平行，当调制电流为零时，透过检偏器的光强最大；随着电流逐渐增大，旋转角加大，透过检偏器的光强逐渐下降。磁光效应光调制器§1调制器－磁光OEORegenerator1R,2Rand3RRegeneration什么是光放大受激吸收受激辐射自发辐射§2光放大器RegeneratorsvsO-AmplifiersRegeneratorsspecifictobitrateandmodulationformatused;O-Ampsareinsensitive(I.e.transparent)Asystemwithopticalamplifierscanbemore

easily

upgradedtohigherbitratewithoutreplacingtheamplifiersOpticalamplifiershavelargegainbandwidthsIssues:AmplifiersintroduceadditionalnoisethataccumulatesSpectralshapeofgain(flatness),outputpower,transientbehaviorneedtobecarefullydesigned§2光放大器－应用§2光放大器－应用

IdealopticalamplifierHighpowergainBroadbandFlatgain-wavelengthresponsibilityLow

noiseHighSNRHighsaturationpowerOpticalAmplifierTypesSemiconductoropticalamplifier(SOA)FiberAmplifiersErbiumdopedfiberamplifier(EDFA)Praseodymiumdopedfiberamplifier(PDFA)Thuliumdopedfiberamplifier

(TDFA)StiumlatedRamanfiberamplifer

（SRFA）

TheintroductionofSOATheimprovementofsemiconductorlaserleadtoFP(Fabry-Perot)

semiconductoramplifier,andalsotothestudyoftravelingwavesemiconductoramplifier.SOAismadeof 3-5groupcompoundsemiconductor,suchasGaAs,GaP,InPCentralwavelength:~800nm,~1300nm,~1550nmFrequencybandlargerthan40nmGainishigherthan30dBTheadvantagesofSOASmallsize,andeasytobeintegratedwithsemiconductorcircuits.Fabricationissimpleandwithlowpowerconsumption,longlife-spanandlowcost.Gainresponseisveryquickandwellsuitedforswitchingandsignalprocessinginopticalnetworksapplication.Canamplifyopticalsignalandprocesssignalinthesametimesuchasswitch,socanbeusedinwavelengthconvertingandopticalswitch.ThedisadvantagesofSOAThecouplinglosswithopticalfiberistoolarge

SensitivetopolarizationNoisefigureishigh(~8dB)CrosstalkEasytobeaffectedbytemperature,lowstability

TheclassificationofSOATherearetwokindsofSOA：(1)Fabry-PerotAmplifier,FPA

usetheFPcavityastheopticalamplifier.(2)Travelling-WaveAmplifier,TWA

tocoatthetwoendoftheFabry-Perotwithanti-reflectionpellicle,soacquirebroadbandandhighpoweroutputandlownoiseopticalamplification.TheclassificationofSOAOutputamplifiedlightMirrorinjectedcurrentIncidencelightMirrorFabry-PerotAmplifierTheclassificationofSOAanti-reflectionpellicle

ARinjectedcurrentIncidencelightOutputamplifiedlightTraveling-WaveAmplifier,TWAanti-reflectionpellicle

ARFPA与TWA的带宽比较不同反射率时FP－SOA的增益谱SOA的集成优势全光型波长转换器指不经过电域处理，直接把信息从一个光波长转换到另一个光波长。在光域中直接实现波长转换可以克服光-电-光波长转换器中电器件的速度瓶颈、透明性低等不足。SOA用于全光波长变换全光波长变换器基于光调制原理基于光混频原理交叉增益调制（XGM）交叉相位调制（XPM）——四波混频（FWM）XGM：利用信号光携带的信息调制有源介质的增益，从而调制在同一介质中传播的探测光(通常是连续光)的放大倍数，使其强度产生调制，实现信息从信号光到探测光的转换。它实际上可以看作是特殊的光控光开关。基于XGM的SOA全光波长变换原理：当信号脉冲处于上升沿时,载流子密度迅速增大,放大器的增益很快饱和,因此转化到连续探测波上的信号为0。当信号脉冲处于下降沿时,载流子密度迅速减小,放大器的增益恢复,因此转化到连续探测波上的信号为1。这样信号光上的光脉冲被反转转化到波长上。基于XGM的SOA全光波长变换优点：结构简单转换效率高波长转换范围宽对偏振不敏感缺点：输入输出信号反相输出消光比退化比特率透明有限噪声指数高啁啾大基于XPM的SOA全光波长变换XPM：当信号光和探测光共同传播时，信号光强度信号能够调制非线性介质的有效折射率，从而改变探测光的传播相位。如果利用干涉仪将探测光分成两路，并利用信号光改变两路光之间的相差，在输出端发生相长或相消干涉，就可使得信号光的信息同相或反相地转换到了探测光上。常用的干涉仪有马赫一曾德干涉仪（MZI）、迈克尔逊干涉仪（MI）等。优点：输入信号功率小频率啁啾小或负啁啾消光比大大提高缺点：输入功率的动态范围比较窄，所以必须对输入信号的功率进行严格控制。基于XPM的SOA全光波长变换基于FWM的SOA全光波长变换FWM：一个或几个光波的光子被湮灭，同时产生了几个不同频率的新光子，且在此参量过程中，净能量和动量是守恒的。由于FWM能够颇为有效地产生新的光波，可被利用实现完全透明的全光波长变换。——信号频率——泵浦频率优点：调制格式透明，任何信息（幅度，相位和频率）都能保留下来能同时转换多个波长作用距离短，对相位匹配不敏感转换后信号光谱反转，因此可以用于色散补偿缺点：转换效率低，转换后信噪比恶化上转换效率比下转换低转换范围小偏振相关基于FWM的SOA全光波长变换OpticalAmplifierVarieties

IntroductionofOFAUsedopedfiberasamplifyingmedium,

suchasEDFerbiumdopedfiber;PDFpraseodymiumdopedfiber;TDFthuliumdopedfiber.In1985,

thefirstEDFwasdevelopedbytheUniversityofSouthampton,UKIn1987,theEDFAwhichcandirectlyamplifying1.5mopticalsignalwasdevelopedbyBellLabs

&

UniversityofSouthamptonatthesametime.In1994,theEDFAisavailable,nowisamaturetechnologyandisakeycomponentinopticalsystem,

espinDWDMEDFAsuccessfactorsAvailabilityofcompactandreliablehigh-powersemiconductorpumplasersEDFAisanall-fiberdevice=>polarization-independent&easytocouplelightin/outSimplicityofdeviceNocrosstalkintroducedwhileamplifying!EDF:ErbiumionisdopedinthecenterofthecoreHighlydopedarea100~2000ppmerbium3~6um

Core

125umSilicacladding250umcoatingRadialdistanceOpticalmodeTheareawheretheenergiesofthepumplaserandinputsignalexchangeThecomponentsofEDFA掺铒光纤中的铒离子能级示意图ExperimentallymeasuredabsorptionspectrumofanEr3+-dopedgermano-alumino-silicafiber.掺铒光纤放大器的基本结构示意图同向泵浦结构ThepumplaserofEDFAPumplasersource980nm1480nmpumpmodel3energylevel2energylevelExchangeefficiency

lowhighnoiselowhighcosthighlowTheretwokindsofpumplaserforEDFA:980nm&1480nm

Compareof980nm&1480nmpumplasersourceThecomponentsofEDFAThecomponentsofEDFAOpticalisolatorOnewaypassforopticalsignal.Shouldbelowinsertinglossandhighseparation.TheinputportisolatorpreventsbackwardtransmissionofopticalsignalandASEthatwoulddecreasethestabilityofinputportlaser.TheoutputportisolatorpreventsbackwardlightenterEDFotherwiseitwillgreatlyreducethedegreeofpopulationinverse,lowerthegainandincreasenoisefigure,whatismoreresultunexpectedlaserresonance.OpticalmultiplexerTocoupleopticalsignalandpumplaserintoEDF.ShouldbelowinsertinglossandhighbandwidthsoastopromotetheamplifyingbandwidthofEDFA掺铒光纤放大器的基本结构示意图反向泵浦结构§2光放大器－EDFA掺铒光纤放大器的基本结构示意图双向泵浦结构§2光放大器－EDFAThecharacteristicsofC-bandEDFATherelationofgainandinputofEDFAsaturationGainThecharacteristicsofEDFAGain增益频谱增益带宽（FWHM）大于10nm纤芯中掺入铝离子，带宽还可增大且增益频谱相当平坦。小信号增益EDFA的增益与铒离子浓度、芯径、掺杂光纤长度和泵浦功率有关。对于给定的放大器长度（EDF长度），增益随泵浦功率在开始时按指数增加，当泵浦功率超过一定值时，增益增加变缓，并趋于一恒定值。小信号增益当泵浦功率一定时，放大器在某一最佳长度时获得最大增益，如果放大器长度超过此值，由于泵浦的消耗，最佳点后的掺铒光纤不能受到足够泵浦，而且要吸收已放大的信号能量，导致增益很快下降。增益饱和（或压缩）特性

在EDFA泵浦功率一定的情况下，输入信号功率较小时，放大器的增益不随入射信号的增加而变化。当输入信号增大到一定值后，增益开始随信号功率的增加而下降，这是入射信号导致EDFA出现增益饱和的缘故。ThecharacteristicsofEDFAinputamplifiedamplifiedNoiseFigure,NFThecharacteristicsofEDFAamplifiedoriginalSourceSpontaneousEmission,SSEASE+(GainxSSE)NoiseFigureGainInputsignalandamplifiedsignalThecharacteristicsofEDFA0.6nm:resolutionofspectralanalyzer:Plank’constant:lightspeed:gainofamplifier:powerofASE掺铒光纤放大器级联后的增益响应§2光放大器－EDFA动态增益均衡光纤放大器的技术要求动态增益均衡放大器的概念包括：

（1）增益谱平坦：

在一定带宽范围内的多路信号同时放大时，各

信道增益相同；（2）增益锁定（自动增益控制）：

信道增、减或某信道功率改变时，对本信道或

其它信道增益没有影响。要求同时实现平坦锁定§2光放大器－EDFA增益谱的平坦化方法工作在77oK.引入另外一种掺杂，如铒镱共掺.EDF长度、泵浦功率的优化制作特种结构的光纤波导结构，如双芯光纤光纤光栅滤波§2光放大器－EDFA利用长周期光栅平坦掺铒光纤放大器的增益谱§2光放大器－EDFA§2光放大器－EDFAEDFA实物图光纤拉曼放大器FRA光纤中的非线性效应SRS受激拉曼散射实现光信号的放大增益介质：系统传输光纤FRA光纤(a)无泵激光的1550nm传输光功率(dB)波长1550nm波长光功率(dB)1550nm1450nm光纤(b)有泵激光的1550nm传输1550nm经光纤传输衰减1450nm1550nm如果一个弱信号和一个强泵浦光同时在光纤中传输，并使弱信号波长置于泵浦光的拉曼增益带宽内，则弱信号即可被放大。这种基于SRS机制的光放大器称为光纤拉曼放大器FRA。硅光纤拉曼增益系数频谱曲线增益带宽（FWHM）可以达到约8THz泵浦功率为200mW时，最大增益值为7.78dB泵浦功率为100mW时，最大增益值为3.6dB。在增益峰值附近的增益带宽约为7~8THz。小信号光在长光纤内的拉曼增益FRA放大增益和泵浦功率的关系增益饱和FRA的优缺点优点1.增益波长由泵浦光波长决定。2.增益介质可以为传输光纤本身。3.噪声系数低。FRA的NF小于4.5dB，好于SOA（约8dB）和EDFA（约6dB）。缺点

需要特大功率的泵浦激光器几种光放大器的比较放大器类型原理激励方式工作长度噪声特性与光纤耦合与光偏振关系稳定性掺稀土光纤放大器粒子数反转光数米到数十米好容易无好半导体光放大器粒子数反转电100m~1mm差很难大差光纤拉曼放大器光学非线性(拉曼)效应光数千米好容易大好EDFA和FRA的混合放大应用光功率在分布式拉曼放大传输光纤中的分布Contents(내용)Ⅰ.WhatistheFIBERLaser?LASER(LightAmplificationbyStimulatedEmissionofRadiation)▶What’stheLASER?PUMPSOURCEREARMIRRORFRONTMIRRORROD(MEDIUM)StimulatedEmissionLaserOutputSpontaneousEmissionContents(내용)▶RequisitesforLASER1)MEDIUM2)CAVITY3)PUMPSOURCENd:YAG,Nd:YVO4,Nd:YLP,FIBERMirror,FiberBraggGratings,coupler

FlashLamp,LaserDiodeYAGRODLAMPMOUNTTRIGGERWIREXENONLAMPEx)Nd:YAG,XENONLAMPPUMPTYPELASERYAGCrystalContents(내용)▶DPSSLaserNd:YAGCrystalStimulatedEmissionXenonLampPumpPowerSupplyConnectionPartialReflector(Mirror)TotalReflector(Mirror)PumpingDirectionLaserOutputDPSS(DiodePumpedSolidState)Contents(내용)▶FIBERLASERCladding-PumpedACTIVEFIBERFBG(FiberBraggGratings)MultimodeCouplerSplicetoMultimodeDiodePumpPumpCombinerLDLDLDLDLDLDLDLDCollimatedLaserOutputOpticalPowerMeterLensContents(내용)▶AdvantagesofFIBERLaser,MaintenanceEfficiency-NoConsumableParts-MaintenanceFree-AirCoolingType(NoDIWaterCoolingSystem,去离子水冷却系统)Contents(내용)▶AdvantagesofFIBERLaser,SpaceEfficiency-SmallerSizeCO2LaserNd:YAGLaserDPSSFIBER1,372x495x331286x215x95LaserOuterDimension(mm)HANMIFIBERLaserFIBERLaseris40timessmallerthanexistingCO2&DPSSLaserwithexceptionofLaserControllerContents(내용)Ⅲ.AdvantagesofFIBERLaser▶AdvantagesofFIBERLaser,DurabilityElapsedTime(hr)OutputPower(mW)LaserDiodeTestbyIPGPhotonicsLifeTime:Over100kHrs-LaserDiodeswithLongerLife-Time10timeslongerthanusualDPSSLaserContents(내용)▶AdvantagesofFIBERLaser,Performance-ExcellentLaserBeamQualityBestLaserBeamQualityinSemiconductorPackageMarking(M2=3)-BestSolutionforHighPerformance▶AdvantagesofFIBERLaser,Economical&CostSaving-LowerPowerConsumption-NoUsingDIWaterCoolingSystem-LowerLaserUnitPrice-NoConsumable&FreeMaintenanceforLaserFiberLasersFiberlasersoccurinagreatvarietyofforms,servingverydifferentapplications,e.g.:LasersgeneratingoutputsatspecialwavelengthsLasersforveryhighoutputpower(manywattsorevenkilowatts)withgoodbeamqualityQ-switchedandmode-lockedlasersforshortorultrashortpulsesFibertechnologycreatesahugeamountofattractivetechnicaloptions,butalsocomeswithabunchoftechnicaldifficulties.Inanopticalresonator,lightisconfinedandstoredatcertainresonancefrequencies

Lightcirculatesoris

repeatedly

reflected

withinthecavity

Wavelength

selectivity

isduetoopticalfeedbackFabry-PerotcavityMirrorOpticalfibreringcavityFiberCouplerIsolator腔体线形腔环形腔“8”字形腔pumpOpticalfiberFPcavityOutput1Output2ActiveFiberpumpIsolatorOpticalfiberringcavityFiberoutputActiveFiberpumpoutputFigure8cavityfiberlaserActiveFiber50:50Alotofstructureshavebeenused分布布拉格反射光纤激光器：使用两个较高反射率的光纤光栅作为反射镜置于掺杂光纤的两端，构成线形谐