第4章-光发送机2

光纤通信技术南昌航空大学万生鹏第4章光发送机通信用光器件可以分为有源器件和无源器件两种类型。

有源器件包括光源、光检测器和光放大器。

光无源器件主要有连接器、耦合器、波分复用器、调制器、光开关和隔离器等。4.1光源

光源是光发射机的关键器件，其功能是把电信号转换为光信号。目前光纤通信广泛使用的光源主要有半导体激光二极管或称激光器(LD)和发光二极管或称发光管(LED)，有些场合也使用固体激光器。

光纤通信系统对光源的要求1、合适的发光波长2、足够的输出功率3、可靠性高，寿命长4、输出效率高5、光谱宽度窄6、聚光性好7、调制方便8、价格低廉

4.1.1半导体激光器工作原理和基本结构

半导体激光器是向半导体PN结注入电流，实现粒子数反转分布，产生受激辐射，再利用谐振腔的正反馈，实现光放大而产生激光振荡的。受激辐射和粒子数反转分布

有源器件的物理基础是光和物质相互作用的效应。在物质的原子中，存在许多能级，最低能级E1称为基态，能量比基态大的能级Ei(i=2,3,4…)称为激发态。电子在低能级E1的基态和高能级E2的激发态之间的跃迁有三种基本方式：受激吸收自发辐射受激辐射hf12初态E2E1终态E2E1

(a)受激吸收；能级和电子跃迁(b)自发辐射；hf12初态E2E1终态E2E1hf12初态E2E1终态E2E1(c)受激辐射

(1)受激吸收在正常状态下，电子处于低能级E1，在入射光作用下，它会吸收光子的能量跃迁到高能级E2上，这种跃迁称为受激吸收。电子跃迁后，在低能级留下相同数目的空穴。(2)自发辐射在高能级E2的电子是不稳定的，即使没有外界的作用，也会自动地跃迁到低能级E1上与空穴复合，释放的能量转换为光子辐射出去，这种跃迁称为自发辐射。

(3)受激辐射在高能级E2的电子，受到入射光的作用，被迫跃迁到低能级E1上与空穴复合，释放的能量产生光辐射，这种跃迁称为受激辐射。

受激辐射和受激吸收的区别与联系

受激辐射是受激吸收的逆过程。电子在E1和E2两个能级之间跃迁，吸收的光子能量或辐射的光子能量都要满足波尔条件，即

E2-E1=hf12式中，h=6.628×10-34J·s，为普朗克常数，f12为吸收或辐射的光子频率。

受激辐射和自发辐射产生的光的特点很不相同。受激辐射光的频率、相位、偏振态和传播方向与入射光相同，这种光称为相干光。

自发辐射光是由大量不同激发态的电子自发跃迁产生的，其频率和方向分布在一定范围内，相位和偏振态是混乱的，这种光称为非相干光。产生受激辐射和产生受激吸收的物质是不同的。设在单位物质中，处于低能级E1和处于高能级E2(E2>E1)的原子数分别为N1和N2。当系统处于热平衡状态时，存在下面的分布式中，k=1.381×10-23J/K，为波尔兹曼常数，T为热力学温度。由于(E2-E1)>0，T>0，所以在这种状态下，总是N1>N2。这是因为电子总是首先占据低能量的轨道。受激吸收和受激辐射的速率分别与N1和N2成正比，且比例系数(吸收和辐射的概率)相等。如果N1>N2，即受激吸收大于受激辐射。当光通过这种物质时，光强按指数衰减，这种物质称为吸收物质。如果N2>N1，即受激辐射大于受激吸收，当光通过这种物质时，会产生放大作用，这种物质称为激活物质。

N2>N1的分布，和正常状态(N1>N2)的分布相反，所以称为粒子(电子)数反转分布。问题：如何得到粒子数反转分布的状态呢?这个问题将在下面加以叙述。

图

半导体的能带和电子分布(a)本征半导体；(b)N型半导体；(c)P型半导体2.PN结的能带和电子分布在半导体中，由于邻近原子的作用，电子所处的能态扩展成能级连续分布的能带。能量低的能带称为价带，能量高的能带称为导带，导带底的能量Ec和价带顶的能量Ev之间的能量差Ec-Ev=Eg称为禁带宽度或带隙。电子不可能占据禁带。根据量子统计理论，在热平衡状态下，能量为E的能级被电子占据的概率为费米分布式中，k为波兹曼常数，T为热力学温度。Ef

称为费米能级，用来描述半导体中各能级被电子占据的状态。在费米能级，被电子占据和空穴占据的概率相同。一般状态下，本征半导体的电子和空穴是成对出现的，用Ef位于禁带中央来表示，见上图。在本征半导体中掺入施主杂质，称为N型半导体。在本征半导体中，掺入受主杂质，称为P型半导体。

在P型和N型半导体组成的PN结界面上，由于存在多数载流子(电子或空穴)的梯度，因而产生扩散运动，形成内部电场，见上图。内部电场产生与扩散相反方向的漂移运动，直到P区和N区的Ef相同，两种运动处于平衡状态为止，结果能带发生倾斜，见上图。P区PN结空间电荷区N区内部电场扩散漂移势垒能量EpcP区EncEfEpvN区Env零偏压时P-N结的能带倾斜图hfhfEfEpcEpfEpvEncnEnv电子，空穴内部电场外加电场正向偏压下P-N结能带图获得粒子数反转分布

增益区的产生：在PN结上施加正向电压，产生与内部电场相反方向的外加电场，结果能带倾斜减小，扩散增强。电子运动方向与电场方向相反，便使N区的电子向P区运动，P区的空穴向N区运动，最后在PN结形成一个特殊的增益区。增益区的导带主要是电子，价带主要是空穴，结果获得粒子数反转分布，见上图。在电子和空穴扩散过程中，导带的电子可以跃迁到价带和空穴复合，产生自发辐射光。

3.激光振荡和光学谐振腔激光振荡的产生：

粒子数反转分布（必要条件)+激活物质置于光学谐振腔中，对光的频率和方向进行选择=连续的光放大和激光振荡输出。基本的光学谐振腔由两个反射率分别为R1和R2的平行反射镜构成(如图3.4所示)，并被称为法布里-珀罗(Fabry-Perot,FP)谐振腔。由于谐振腔内的激活物质具有粒子数反转分布，可以用它产生的自发辐射光作为入射光。

图激光器的构成和工作原理

(a)激光振荡；(b)光反馈l2n反射镜光的振幅反射镜L(a)初始位置光光强输出OXL(b)式中，γth为阈值增益系数，α为谐振腔内激活物质的损耗系数，L为谐振腔的长度，R1，R2<1为两个反射镜的反射率激光振荡的相位条件为式中，λ为激光波长，n为激活物质的折射率，q=1,2,3…称为纵模模数。在谐振腔内开始建立稳定的激光振荡的阈值条件为

γth=α+L=q

4.半导体激光器基本结构驱动电源工作物质谐振腔注入式光子激励电子束激励PN结（同质结）异质结单异质结双异质结（DH）解理面布拉格反馈分布反馈式DFB分布布拉格反射式DBR最简单的半导体激光器由一个薄有源层（厚度约0.1μm）、P型和N型限制层构成，如下图所示。解理面金属接触电流有源层P型N型300μm100μm200μm大面积半导体激光器1）、同质结（PN结）半导体激光器同质结就是同一种半导体形成的结PN能带正向电压V时形成的双简并能带结构PN结LD的特点：阈值电流高，常温下不能连续工作所加的正向偏压必须满足1）、同质结半导体激光器2）、异质结半导体激光器

同质结、异质结结构示意图为了获得高势垒,要求两种材料的禁带宽度有较大的差值。半导体激光器的结构多种多样，基本结构是双异质结(DH)平面条形结构。这种结构由三层不同类型半导体材料构成，不同材料发射不同的光波长。图中标出所用材料和近似尺寸。结构中间有一层厚0.1~0.3μm的窄带隙P型半导体，称为有源层；两侧分别为宽带隙的P型和N型半导体，称为限制层。三层半导体置于基片(衬底)上，前后两个晶体解理面作为反射镜构成法布里-珀罗(FP)谐振腔。3）、双异质结（DH）半导体激光器

DH激光器工作原理由于限制层的带隙比有源层宽，施加正向偏压后，P层的空穴和N层的电子注入有源层。

P层带隙宽，导带的能态比有源层高，对注入电子形成了势垒，注入到有源层的电子不可能扩散到P层。同理，注入到有源层的空穴也不可能扩散到N层。这样，注入到有源层的电子和空穴被限制在厚0.1-0.3μm的有源层内形成粒子数反转分布，这时只要很小的外加电流，就可以使电子和空穴浓度增大而提高效益。另一方面，有源层的折射率比限制层高，产生的激光被限制在有源区内，因而电/光转换效率很高，输出激光的阈值电流很低，很小的散热体就可以在室温连续工作。图DH激光器工作原理(a)双异质结构；(b)能带；(c)折射率分布；(d)光功率分布

4.1.2半导体激光器的主要特性

1.发射波长和光谱特性半导体激光器的发射波长等于禁带宽度Eg(eV)hf=Eg不同半导体材料有不同的禁带宽度Eg，因而有不同的发射波长λ。镓铝砷-镓砷(GaAlAs-GaAs)材料适用于0.85μm波段铟镓砷磷-铟磷(InGaAsP-InP)材料适用于1.3-1.55μm波段式中，f=c/λ，f(Hz)和λ(μm)分别为发射光的频率和波长，c=3×108m/s为光速，h=6.628×10-34J·S为普朗克常数，1eV=1.6×10-19J，代入上式得到峰值波长：在规定输出光功率时，激光器受激辐射发出的若干发射模式中最大强度的光谱波长。中心波长：在激光器发出的光谱中，连接50％最大幅度值线段的中点所对应的波长。1.发射波长和光谱特性

图GaAlAs-DH激光器的光谱特性

(a)直流驱动;(b)300Mb/s数字调制0799800801802Im/mA40353025I=100mAPo=10mWI=85mAPo=6mWI=80mAPo=4mWI=75mAPo=2.3mWL=250μmW=12μmT=300K830828832830828832830828826832830828826824836834832830828826824822820(a)(b)在直流驱动下，发射光波长只有符合激光振荡的相位条件的波长存在。这些波长取决于激光器纵向长度L，并称为激光器的纵模。

驱动电流变大，纵模模数变小，谱线宽度变窄。这种变化是由于谐振腔对光波频率和方向的选择，使边模消失、主模增益增加而产生的。当驱动电流足够大时，多纵模变为单纵模，这种激光器称为静态单纵模激光器。上图右图是300Mb/s数字调制的光谱特性，由图可见，随着调制电流增大，纵模模数增多，谱线宽度变宽。

2.激光束的空间分布激光束的空间分布用近场和远场来描述。

近场是指激光器输出反射镜面上的光强分布；

远场是指离反射镜面一定距离处的光强分布。下图是GaAlAs-DH激光器的近场图和远场图，近场和远场是由谐振腔(有源区)的横向尺寸，即平行于PN结平面的宽度w和垂直于结平面的厚度t所决定，并称为激光器的横模。由图可以看出，平行于结平面的谐振腔宽度w由宽变窄，场图呈现出由多横模变为单横模；垂直于结平面的谐振腔厚度t很薄，这个方向的场图总是单横模。图GaAlAs-DH条形激光器的近场和远场图样

左图为典型半导体激光器的远场辐射特性，图中θ‖和θ⊥分别为平行于结平面和垂直于结平面的辐射角，整个光束的横截面呈椭圆形。(a)光强的角分布；(b)辐射光束3.转换效率和输出光功率特性激光器的电/光转换效率可用功率效率和量子效率表示。量子效率又分为内量子效率、外量子效率以及外微分量子效率。由此得到式中，P和I分别为激光器的输出光功率和驱动电流，Pth和Ith分别为相应的阈值，hf和e分别为光子能量和电子电荷。外微分量子效率ηd其定义是在阈值电流以上，每对复合载流子产生的光子数图

典型半导体激光器的光功率特性

(a)短波长AlGaAs/GaAs(b)长波长InGaAsP/InP43210501001500℃25℃70℃电流/mA输出功率/mWLED的P-I特性543210

050100I/mA发射光功率P/mW

22℃

50℃

70℃LD的P-I特性

4.温度特性半导体激光器对温度十分敏感，其输出功率随温度会发生很大变化，其主要原因为：（1）激光器的阈值电流Ith

随温度升高而增大；（2）外微分量子效率ηd随温度升高而减小;（3）温度对输出光脉冲会产生“结发热效应”----激光器结区温度的变化导致的输出光脉冲变化。温度升高时，Ith增大，ηd减小，输出光功率明显下降，达到一定温度时，激光器就不再受激辐射了。当以直流电流驱动激光器时，阈值电流随温度的变化更加严重。当对激光器进行脉冲调制时，阈值电流随温度呈指数变化，在一定温度范围内，可以表示为

Ith=I0expPPII20。C25。C20。C70。C阈值电流引起的光输出的变化；外微分量子效率引起的光输出的变化I1I0t=0t=T图

结发热效应电流脉冲光脉冲

4.1.3分布反馈半导体激光器

分布反馈(DFB)激光器用靠近有源层沿长度方向制作的周期性结构(波纹状)衍射光栅实现光反馈。这种衍射光栅的折射率周期性变化，使光沿有源层分布式反馈。

分布反馈激光器的要求：（1）谱线宽度更窄（2）高速率脉冲调制下保持动态单纵模特性（3）发射光波长更加稳定，并能实现调谐（4）阈值电流更低（5）输出光功率更大图

分布反馈(DFB)激光器

(a)结构；(b)光反馈如图所示，由有源层发射的光，一部分在光栅波纹峰反射(如光线a)，另一部分继续向前传播，在邻近的光栅波纹峰反射(如光线b)。光栅周期Λ=m

ne为材料有效折射率，λB为布喇格波长，m为衍射级数。在普通光栅的DFB激光器中，发生激光振荡的有两个阈值最低、增益相同的纵模，其波长为

DFB激光器与F-P激光器相比，具有以下优点：

①易形成单纵模振荡；②谱线窄，方向行性好；③高速调制时动态谱线展宽很小，单模稳定性好；④输出线性度好。

LD的特点及应用

特点：效率高、体积小、重量轻、结构简单，适宜在飞机、军舰、坦克上应用以及步兵随身携带，如在飞机上作测距仪来瞄准敌机。其缺点是输出功率较小。目前半导体激光器可选择的波长主要局限在红光和红外区域。LD和LED的主要区别

LD发射的是受激辐射光

LED发射的是自发辐射光

LED的结构和LD相似，大多是采用双异质结(DH)芯片，把有源层夹在P型和N型限制层中间，不同的是LED不需要光学谐振腔，没有阈值。半导体激光器(LD)和发光二极管(LED)的一般性能-20－50-20－50-20－50-20－50工作温度/°C寿命t/h30×12030×120

20×5020×50辐射角50~15030~100500~2000500~1000调制带宽B/MHz0.1~0.30.1~0.21~31~3入纤功率P/mW1~51~35~105~10输出功率P/mW100~150100~150工作电流I/mA20~3030~60阀值电流Ith/mA50~10060~1201~21~3谱线宽度1.31.551.31.55工作波长LEDLD分布反馈激光器(DFB-LD)一般性能

20~4015~30输出功率P/mW(连续单纵模,25ºC)

2015外量子效率/%

15~2020~30阀值电流Ith/mA<0.08频谱漂移/(nm/ºC)30~35边模抑制比/dB0.04~0.5(Gb/s,RZ)直接调制单纵模连续波单纵模谱线宽度

1.31.55工作波长1.20世纪60年代初，美国光学公司的（斯尼泽）Snitzer首次提出光纤激光器的概念。2.70年代初美国、苏联等国的研究机关开展了一般性研究工作。3.1975年至1985年，由于半导体激光器工艺和光纤制造工艺的成熟和发展，光纤激光器开始腾飞。英国的南安普敦大学和通信研究实验室、西德的汉堡大学、日本的NTT、美国的斯坦福大学和Bell实验室，相继开展了光纤激光器的研究工作，成果累累。4.2光纤激光器

4.2.1光纤激光器的发展

1985年英国南安普敦大学的研究组取得突出成绩。他们用MCVD方法制作成功单模光纤激光器,此后他们先后报道了光纤激光器的调Q、锁模、单纵模输出以及光纤放大方面的研究工作。英国通信研究实验室(BTRL)于1987年展示了用各种定向耦合器制作的精巧的光纤激光器装置,同时在增益和激发态吸收等研究领域中也做了大量的基础工作,在用氟化锆光纤激光器获得各种波长的激光输出谱线方面做了开拓性的工作。世界上还有很多研究机构活跃在这个研究领域,如德国汉堡技术大学,日本的NTT、三菱,美国的贝尔实验室,斯坦福大学等。

20世纪80年代后期，光纤光栅的问世和工艺的成熟，为光纤激光器注入了新的生命力，实现了光纤激光器的全光纤化。光纤激光器的发展1988年,E.Snitzer等提出了双包层光纤

,从而使一直被认为只能是小功率器件的光纤激光器可以向高功率方向突破。90年代初，包层泵浦技术的发展，使传统的光纤激光器的功率水平提高了4－5个数量级，可谓光纤激光器发展史上的又一个里程碑。

进入21世纪后,高功率双包层光纤激光器的发展突飞猛进,最高输出功率记录在短时间内接连被打破,目前单纤输出功率(连续)已达到2000W以上。光纤激光器的分类按谐振腔结构分类：F-P腔、环形腔、环路反射器光纤谐振腔以及“8”字形腔DBR光纤激光器、DFB光纤激光器按光纤结构分类：单包层光纤激光器、双包层光纤激光器按增益介质分类：稀土类掺杂光纤激光器、非线性效应光纤激光器、单晶光纤激光器按掺杂元素分类：掺铒（Er3+）、钕（Nd3+）、镨（Pr3+）、铥（Tm3+）镱（Yb3+）、钬（Ho3+）按输出波长分类：S-波段（1280~1350nm）、C-波段（1528~1565nm）L-波段（1561~1620nm）按输出激光分类：脉冲激光器、连续激光器4.2光纤激光器的优点光纤激光器近几年受到广泛关注，这是因为它具有其它激光器所无法比拟的优点，主要表现在:(1)光纤激光器中，光纤既是激光介质又是光的导波介质，因此泵浦光的耦合效率相当的高，加之光纤激光器能方便地延长增益长度，以便使泵浦光充分吸收，而使总的光-光转换效率超过60%；(2)光纤的几何形状具有很大的表面积/体积比，散热快，它的工作物质的热负荷相当小，能产生高亮度和高峰值功率，己达140mW/cm；(3)光纤激光器的体积小，结构简单，工作物质为柔性介质，可设计得相当小巧灵活，使用方便；(4)作为激光介质的掺杂光纤，掺杂稀土离子和承受掺杂的基质具有相当多的可调参数和选择性，光纤激光器可在很宽光谱范围内(455-3500nm)设计运行，加之玻璃光纤的荧光谱相当宽，插入适当的波长选择器即可得到可调谐光纤激光器，调谐范围己达80nm；(5)光纤激光器还容易实现单模,单频运转和超短脉冲；(6)光纤激光器增益高，噪声小，光纤到光纤的耦合技术非常成熟，连接损耗小且增益与偏振无关；(7)光纤激光器的光束质量好，具有较好的单色性、方向性和温度稳定性；(8)光纤激光器所基于的硅光纤的工艺现在已经非常成熟，因此，可以制作出高精度，低损耗的光纤，大大降低激光器的成本。由于光纤激光器具有上述优点，它在通信、军事、工业加工、医疗、光信息处理、全色显示、激光印刷等领域具有广阔的应用前景。4.3光纤激光器的应用领域通信:在光通信领域，采用布喇格光栅作为腔反馈和模式选择的掺铒光纤激光器比较容易实现单模、单频和低噪声，并被应用于光通信和光传感系统中，特别是可应用于密集波分复用(DWDM)通信和光孤子通信中。如外调制的掺铒光纤激光器在1996年就能提供传输距离654km，速率为2.5Gb/s的信号，与DBF半导体激光器性能类同，但后者难以实现波长特定。刘颂豪院士认为，光纤光孤子激光器、光纤放大器和光孤子开关是三项使孤子通信走向实用化的主要技术。光孤子通信传输距离可达百万公里，传输速率高达20Gb/s，误码率低于10-13，实现了无差错通信。医疗:功率超过几瓦的光纤激光器在显微外科手术中扮演了十分重要的角色，它能为外科手术提供较大的高能辐射源。精密测试。科学研究，基础研究等。军事:美国空军实验室的科学家们正在努力将光纤激光器的输出功率提高到千瓦数量级。定向能量瞄准项目中的激光集成技术分项目的研究人员正与加州SanJose市的SDL公司合作，开发高亮度、光照面积小的系统。该系统能作为激光防御武器替代目前看好的化学激光器。工业加工:激光波长在1080nm附近的掺镱光纤激光器，其极高的效率和功率密度在材料加工方面可与传统的YAG激光器相媲美。在打标领域，由于光纤激光器具有高的光束质量和定位精度，使其不仅在微米量级对半导体及包装打标效率极高，而且也常被用于塑料和金属打标中。激光印刷:双包层光纤激光器，因其拥有极高的热稳定性和转换效率而大量进入印刷市场，印刷厂利用它可进行校样的制模。4.4光纤激光器原理激光器必须具备可以产生受激光发射的物理条件，在一般的激光器中，这些条件是通过下面三部分来实现的，也可以叫作构成激光器的三要素。

1.产生粒子数反转在通常的情况下，任何材料处于平衡态时部是低能态电子数远大于高能态电子数，当外来光子将低能态电子激发到高能态后，由于高能态的电子寿命很短，处于高能态电了又很快回到低能态，这种向上和向下的跃迁几乎是同时进行的。所以，为了获得粒子反转，就需要极大的激发强度，能够一下子把低能态电子大部分激发到高能态上去。具有这样大激发强度的光源是很难得到的，因而也限制了激光器的使用；同时，很大的激发功率也可能损坏材料。2．谐振腔激光器共振腔一般为F-P干涉共振腔结构，它是由两个反射率很高的相互个行的端面组成的腔体，激光材料产半的受激光发射就是在共振腔个形成的。如果共振腔内的激光材料已达到粒子数反转条件，那么共振腔两端面之间来回反射的光在传播过程中不断激发出净受激辐射，由净受激辐射产生的光子加入到传播方向平行于共振腔的激发光行列中，这一过程使产生净受激跃迁的光场越来越强。

LPiPfR1R2反射面反射面腔体轴线12EfEi激光输出激光输出虽然在光传播的过程中也有自发辐射产生的光子加入，但自发辐射的光有各种传播方向，只有那些传播方向平行于共振腔的光子才能在共振腔中保留下来，其余的自发跃迁受到抑制；另外在共振腔中传播的光的频率受到共振腔共振频率的限制，只有满足共振条件的那些光被加强、其余的光被抑制。所以共振腔的主要作用是在共振腔内形成一个具有特定频率的足够强的激发光场。共振腔还有另一个作用：在共振腔内形成的受激光一部分通过共振腔端面发射出去成为受激光发射，另外一部分被端面反射回来，在共振腔内继续激发出受激辐射。所以，只要在共振腔内的激光材料始终保持粒子数反转条件，就可以获得连续的受激光发射。2．谐振腔3．泵浦源为了使激光器产生激光输出，必须使共振腔中激光材料的增益达到阈值增益，也就是说要使粒子数反转达到一·定的程度，称为阈值反转密度。因此激光器的第三个要素就是要有一个泵浦源，它所提供的能量至少要能够产生阈值反转密度。在半导体激光器中这一泵浦源是以电能形式提供激发功率的。光纤激光器基本原理光纤激光器和其他激光器一样，由能产生光子的增益介质，使光子得到反馈并在增益介质中进行谐振放大的光学谐振腔和激励光跃迁的泵浦源三部分组成。激光输出未转换的泵浦光线稀土掺杂光纤泵浦光稀土类掺杂光纤激光器稀土元素包括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稀土离子有Er3+（铒）、Nd3+（钕）、Pr3+（镨）、Tm3+（铥）、Yb3+（镱）。掺铒(Er3+)光纤在1.55m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。掺镱(Yb3+)光纤激光器是波长1.0-1.2m的通用源，Yb3+具有相当宽的吸收带(800—1064nm)以及相当宽的激发带(970—1200nm)，故泵浦源选择非常广泛且泵浦源和激光都没有受激态吸收。掺铥(Tm3+)光纤激光器的激射波长为1.4m波段，也是重要的光纤通信光源。T．Komukai等人获得了输出功率100mw、斜率效率59％的1.47m掺Tm3+光纤激光器。对于通讯应用，目前认为掺Er光纤激光器最适宜，因为它能工作在石英光纤最低损耗波长1.51m处，调谐范围50nm，可供多路光频复用。它的泵浦波长可在0.807m、0.98m和1.49m，但目前最易得到的是0.98m的激光二极管，它能提供连续输出几百mw，Q开关的15ns脉冲功率100w。理论上有可能获得1kw。Er3+(4F13/2—4I15/2)有1.54m发射谱线，与Nd激光器一样，其荧光光谱有1.534和1.549m峰，寿命8—12ms。Er激光为三能级激光，因此用块状材料实现连续振荡比较困难，但用纤维激光器，可实现空运连续振荡，阈值30mw左右。插入衍射光栅，也可在1.53—1.55m范围内实现波长可调性。稀土类掺杂光纤激光器其他的掺杂光纤激光器，如2.1m工作的掺钬(Ho3+)光纤激光器，由于水分子在2.0m附近有很强的中红外吸收峰，对邻近组织的热损伤小、止血性好，且该波段对人眼是安全的，故在医疗和生物学研究上有广阔的应用前景。稀土类掺杂光纤激光器激光是由Er3＋能级的4I13/2至4I15/2的跃迁产生，属三能级系统。器件效率较低，同时存在激光态吸收的问题，研究工作围绕如何提高器件的效率展开。

光纤激光器的结构

——掺Er光纤激光器铒离子（Er3+）能级结构4I11/24I13/24I15/2980nm泵浦1480nm泵浦无辐射跃迁1550nm基态高能态亚稳态铒镱共掺技术：

Er3＋光纤光栅激光器的缺点是对泵浦光的吸收效率和斜率效率低、频率不太稳定（跳模现象）。为解决这些问题，采用Er3＋－Yb3＋共掺的光纤作为增益介质。Yb3＋离子起着吸收泵光（980nm），然后迅速转移给Er3＋离子，以实现1.5m区的放大器，对泵光的吸收能力可提高2个数量级。2F5/22F7/24I11/24I13/24I15/2Yb3＋Er3＋其原理如图所示：

光纤激光器的结构

——掺Er光纤激光器掺Yb3+光纤有很宽的吸收谱和发射谱，可以采用不同波长的抽运源，在970～1200nm波段获得激光，并可进行宽带调谐；同时，这种光纤激光器不存在激发态吸收、浓度淬灭、多声子跃迁等消激发过程，能够获得很高的能量转化效率。由于以上优点及其广阔的应用前景，掺Yb3+光纤激光器受到越来越多研究者的关注。光纤激光器的结构

——掺Yb3＋光纤激光器光纤激光器的结构泵光掺Er3＋石英光纤激光输出剩余泵光

F-P线形腔掺铒光纤激光器光纤光栅Fabry-Perot腔环形镜环形镜光纤环形镜Fabry-Perot腔输入透射反射为什么光纤环形镜可用作谐振腔？如何求反射率？E1E3E2E4当耦合比等于0.5时,此装置相当于一个什么镜？全反？全透或半反半透？答：全反射镜。当耦合比不等于0.5时,此装置还是全反射镜吗？答：不是。为什么？必须考虑SPM调制。设耦合比为k，求反射率。光在腔内传输来回一次后的光强为：要保证激光在腔内振荡，要求：反射光与入射光发生干涉，为了在腔内形成稳定振荡，要求干涉加强。则腔长与波长满足(驻波条件)：增益系数平均损耗系数纵模和横模——

在腔内，轴向驻波场为腔的本征模式光场。特点：与轴线垂直的横截面光场稳定均匀分布；轴线方向形成驻波，称为纵模。节数为q，为纵模序数。

与轴线垂直的横截面内光场稳定分布，称为横模，用LPml表示，为线性偏振模。m为方位数，表示垂直光纤的横截面内沿圆周方向方位角从0到2光场的变化数（节线数）。l为径向模数，表示纤芯区域光场的半径方向变化数(节线数)。

LP01表示基模，它的角向径向节线数没有变化，为圆形光斑。二、基于定向耦合器的谐振腔和反射器1、光纤环行谐振腔

LDWDMEDFISOCouplerFBGOutput

980/1550nm

WDM

EDF

Isolator

Output

10%

FBG

IMG

Coupler(10：90)

980nmLD

90%

WDMOutputcoupler泵浦PCcontrollerEDFIsolatorOutput

环形腔掺铒激光器光纤激光器的结构980/1550nmWDMEDFpumplaseroutputISO窄带滤波器型环形腔掺铒光纤激光器结构图filtercouplerPC光纤激光器不仅与固体、气体、半导体激光器等相比，有非常明显的优越性，而且与二极管泵浦固体激光器相比，也有更好的光束质量，可得到更小的聚焦光斑。随着光纤激光器应用的更加广泛，对高功率光纤激光器的需要越来越大。但是，由于泵浦光较难有效地耦合到几何尺寸只有几微米的光纤芯内，光－光转换效率较低；同时，常规的单模光纤激光器要求泵光的输出模式必须为基模，这也限制了其输出功率的水平。所以一般常规光纤激光器的输出功率仅在毫瓦量级，研究工作和开发应用大都集中在光通信和光传感领域。——双包层光纤激光器

80年代后期，美国宝丽来公司的研究者们作出了开创性的工作，发展了一种包层泵浦技术，大大促进了高功率光纤激光器的发展。在特种光纤生产技术和半导体激光器制造工艺高速发展的基础上，包层泵浦技术发展迅猛，激光器的能量转换效率高达70%以上、连续输出功率高达几十瓦、乃至几百瓦。同时，利用纤芯内的超高功率密度所产生的诸如受激布里渊散射、受激喇曼散射和频率上转换等非线性效应，大大拓宽了光纤激光器的输出频率范围，并使超短脉冲技术、喇曼光纤激光器和放大器技术的发展上了一个新的台阶。预计此类大功率、宽波段、高模式质量、结构紧凑、运转可靠、高性能价格比的双包层光纤激光器将在光通信（特别是高速长距离和孤子通信）、遥感、航天航空、生命科学、机械精密加工等领域获得广泛应用。双包层光纤激光器有许多的优点高功率激光输出，多个多模半导体激光二极管并行泵浦，可设计出极高功率输出的光纤激光器；由于光纤的表面积与体积之比很大，高功率光纤激光器工作时一般无需复杂的冷却装置；由于光纤掺稀土元素离子，有一个宽而平坦的吸收光谱区，因此有很宽的泵浦波长范围。多模二极管泵浦源的稳定性(其可靠运转寿命超过l00万小时)决定了这种激光器具有高可靠‘性；具有极高的光束质量，这是其他高功率激光器无法相比的；电光转换效率高，插头效率高达20％以上；结构紧凑、牢固、不需精密的光学平台，能够适应恶劣的工作环境。双包层掺杂光纤的结构内包层光纤芯外包层保护层激光输出泵浦光一、双包层掺杂光纤的结构光纤芯：由掺稀土元素的SiO2构成，它作为激光振荡的通道，对相关波长为单模；内包层：内包层由横向尺寸和数值孔径比纤芯大的多、折射率比纤芯小的纯SiO2构成，它是泵光通道，对泵光波长是多模的；外包层：外包层由折射率比内包层小的软塑材料构成；保护层：最外层由硬塑材料包围，构成光纤的保护层。二、双包层光纤内包层的作用：

1.包绕纤芯，将激光辐射限制在光纤芯内；

2.多模导管作为泵光的传输通道，把多模泵光转换为单模激光输出。泵光的能量不能直接耦合到光纤芯内，而是将泵光耦合到内包层，光在内包层和外包层之间来回反射，多次穿过单模纤芯被其吸收。这种结构的光纤不要求泵光是单模激光，而且可对光纤的全长度泵浦，因此可选用大功率的多模激光二极管阵列作泵源，将约70%以上的泵浦能量间接地耦合到纤芯内，大大提高了泵浦效率。双包层光纤激光器的泵浦耦合技术1.端面泵浦耦合技术双包层光纤激光器的泵浦耦合技术1.端面泵浦耦合技术双包层光纤激光器的泵浦耦合技术2.侧面泵浦耦合技术瓦级全光纤掺Yb双包层光纤激光器高功率的光纤激光器一般仍采用二色镜等传统的体器件构成谐振腔，未能实现全光纤化，这不仅极大地限制了光纤激光器的结构紧凑性和工作可靠性，也增加了抽运光的耦合难度，同时不利于光纤激光器与后续光纤光学系统的匹配兼容。为解决上述问题，采用光纤Bragg光栅（FBG）作为腔镜的全光纤高功率激光器。光纤：掺Yb双包层光纤的内包层形状为正方形，截面尺寸为125μm×125μm，数值孔径约为0.38。单模纤芯的模场半径为7μm，数值孔径为0.11。纤芯中掺杂有较高浓度的Yb离子，对976nm抽运光的吸收损耗约为1.7dB/m。光纤长度为20m。谐振腔：一对中心反射波长为1060nm的FBG作为选频反馈腔镜，构成驻波腔，相应的峰值反射率分别为99%和5%。图3-5（一）调Q光纤激光器基本结构及特点

A.非光纤型Q开关

B.光纤型Q开关

调Q光纤激光器声光调Q电光调Q机械转镜调Q可饱和吸收体调Q光纤马赫-曾特尔干涉仪光纤迈克尔逊干涉仪基于光纤中的SBS调Q调Q光纤激光器通过改变激光共振腔Q值，提高激光器输出功率和压缩激光脉冲宽度的技术。

共振腔的Q值（也称腔的品质因子）是描述激光器共振腔损耗大小的量。光学损耗低的腔，其Q值高。

Q值定义：Q＝２πν腔内存储的能量／每秒损失的能量

当泵浦源向激光器工作物质输入的能量（功率）达到振荡阈值时，激光器便产生激光振荡。如果泵浦源继续泵浦，维持激光器在阈值以上，它就连续输出激光。激光振荡阈值与共振腔的光学损耗（Ｑ值）有关。如果激光器的工作物质在受泵浦的期间，让共振腔的Ｑ值保持很低，则激光器因振荡阈值很高而不能发生激光振荡，大量的泵浦能量继续存在工作物质内。当工作物质已“吸饱”能量时，突然升高Ｑ值，相应地，激光振荡阈值也突然降低，在阈值之上那部分储存能量便在短时间内发射出来，形成功率很高的激光脉冲。用这个方法得到的能量虽然比自由振荡时得到的激光能量低一个数量级，但是，自由振荡激光器输出的脉冲宽度是毫秒级，而采用Ｑ开关后得到的激光脉冲宽度是几十纳秒量级。使激光器输出功率增加104倍达到105~106KW。

A.非光纤型：声光（AOM）调Q特点：开关时间较快，消光比大，脉冲宽度一般十几到几十ns，但插入损耗大，稳定性较差。——调Q光纤激光器AOMR=100%Yb-DCfiberPumpSystermCouplerOutputA.非光纤型：电光（EOM）调Q特点：开关时间快（几ns），消光比大（>95％），但插入损耗大，稳定性较差，需要几千伏的高压，产生的电子干扰大。980nm抽运隔离器输入耦合器掺铒光纤透镜偏振器电光调制器75%输出镜A.非光纤型：可饱和吸收体被动调Q特点：在1.53mm得到0.1mJ能量，开关速度慢，插入损耗大SESAMdichroicfilterf=4.5mmf=18mmdichroicmirrorLMA

fiber(60cm)pump(=2Wat980nm)outputB.光纤型Q开关：光纤迈克尔逊干涉仪调Q特点：开关速度较慢，能产生ms量级脉冲，要求两臂光纤光栅完全相同，这样的两个光纤光栅比较难制作，消光比不高B.光纤型Q开关：光纤马赫－曾特干涉仪调Q特点：全光纤型主动调Q，可产生ms脉冲，低插入损耗，但开关时间较慢EDF980/1550nmWDM980nmLDRefPZToutputIsolator3dB3dB3dB

FBGPZTController锁模光纤激光器可作为高速通信系统的光源，有着光明的前途。高速光纤通信要求超短脉冲光源的脉宽为ps，重复频率1GHz－100GHz，同时输出波长可调谐，因此研究工作集中在：高重复速率谐波锁模技术；多波长和可调谐锁模光纤激光器；锁模光纤激光稳频技术；输出脉冲窄化和超连续谱光纤激光器。

所谓锁模就是相位锁定，光纤激光器同时运转在位于增益带宽内的大量纵模上，当各纵模相位同步，任意相邻纵模相位差恒定为一常数值时，就实现了锁模。——锁模光纤激光器超短脉冲技术是物理学、化学、生物学、光电子学，以及激光光谱学等学科对微观世界进行研究和揭示新的超快过程的重要手段。调Q技术所能获得的最窄脉冲约为10-9s，而在非线性光学、受控核聚变、等离子体诊断、高精度测量等领域中，往往需要更窄的脉冲（10-15s～10-12s），因此必须采用锁模技术。——为什么要锁模等幅光频信号的频谱设调制信号是一个时间的余弦函数，即，则幅度调制信号可写为：如何实现纵模间频率的锁定？基于Bragg光纤光栅调谐的锁模光纤激光器实验结果:

波长：1558.4nm,脉宽：50ps

调谐范围：1553.92nm～1561.27nm基于有理数谐波的锁模光纤激光器实验结果：波长：1556.00nm,脉宽：39.23ps基于啁啾光栅色散的锁模光纤激光器实验结果：波长：1555.12nm,脉宽：60ps,啁啾度：5.2实验结果：波长：1552.24nm，1559.32nm；脉宽：60.0psRFdriver双波长主动锁模光纤激光器窄线宽光纤激光器激光雷达激光干涉测量注入种子激光相干通信空间通信声学传感、航运和近区安全射频和微波光子学光谱学、气体吸收测试管道监测和泄露探测石油和天然气勘探侦测微波信号产生窄线宽特点使得光纤激光器可以作为未来的光通信系统的理想光源,并且可以应用于传感、军事、医疗和高精度光谱学等领域。窄线宽光纤激光器的应用激光测距：目前大多数激光测距仪是基于脉冲激光的光时域反射原理，即通过测量激光脉冲发射和经目标反射回接收器的时间差进行测距，这种测量的精度一般为1-10米，测量距离（军用）仅有10-20公里。这主要受限于激光的脉冲宽，激光脉冲越短，测量精就越高，但同时激光线宽也大大增加，增大了探测的噪声，迅速降低了动态探测距离。如果利用单纵模光纤激光器作为探测光源，基于频率调制连续波技术和光波相干原理，则能实现几百公里、精度小于1米的探测。窄线宽光纤激光器的应用光纤传感：同样可以利用频率调制连续波技术和光波相干原理，实现超高精、超远距离以及微弱信号的测量。单纵模窄线宽光纤激光的一部分被耦合进一个有固定反射率的参考臂中，该参考臂充当本地振荡器LO，另一根光纤充当传感光纤。从传感光纤反射回来的激光与来自本地振荡器的参考光一起混频产生一个光拍频，该拍频与它经的时间延迟差相对应，传感光纤上远处的信息就可以通过测量拍频来获取。利用这种技术进行探测，可实现敏感-100dB

百亿分之一）的信号测量。基于单纵模窄线宽光纤激光器的光纤传感技术，可广泛应用于石油天然气管道的泄漏监测全球现有500万公里石油天然气管道，目前依靠人工巡逻的方式进行监测）、电力系统的输电损耗监测（由于当前的高压线路缺乏精确的温压力探测，每年损失电能上千亿美元）、核电站的安全监测（未来主要能源之一）、油井的温度和压力实时监控等。窄线宽光纤激光器的应用光纤通信：目前商用光源的激光线宽为0.2nm（20dB），尽管DWDM技术的应用大大提高了信息传输的信道数，但由于信号光源激光线宽的限制，其在C波段也仅有80信道。为了适应当前和未来社会对于海量信息传输和处理的要求，需要不断拓展光纤的带宽（如，当前世界各正在研究的超宽带（S+C+L）光传输技术）。利用单纵模窄线宽光纤激光器作为通信光源，为我们解决该问题提供了另一种技术途径。单纵模窄线宽光纤激光的线宽仅为目前商用通信光源线宽的十万分之一，这可以大大减少信道的宽和信道之间的间距，仅在C波段就可以将光纤通信的信道数提高几个数量级，此外，该激光器极窄的线宽减小了传输过程中光纤的色散，更有利于远距离传输。窄线宽光纤激光器的应用石油管道预警系统：利用与管道同沟敷设的通信光缆作为分布式土壤振动检测传感器，长距离连续实时监测油气管道沿线的土壤振动情况，在管道沿线4米范围内形成保护带，采用系统独有的管道破坏事件专家数据库和神经网络分析识别技术，对可能危害管道安全的动土事件（如：机械施工和打孔盗油等破坏事件）或场站设施的入侵事件进行预警，并准确定位。光纤周界预警：利用激光、光纤传感和光通信等高科技技术构建的警戒网络或者安全报警系统，是一种对威胁公众安全的突发事件进行监控和警报的现代防御体系。这既反映了现代反恐斗争的需要，也满足了我国现阶段对周界报警的需求。尤其在大型场所如军事禁区、核基地、机场等等，都需要这种很先进的防入侵报警系统。窄线宽光纤激光器的应用声学传感、水听器：干涉型光纤水声光纤传感器阵列在水下军事应用、鱼群探测和保密监听等方面有很大的应用前景，并以极高的灵敏度、抗电磁干扰、无源检测等优越性而引起了世界各国的高度重视，为下一代水听器的研究开发和应用的主要方向之一。激光雷达、测距、遥感：基于FMCW和多普勒频移，可以实现激光连续波的测距和雷达，其超长的相干距离提供了长距离的遥感方案。窄线宽光纤激光器的应用相干光通信：窄线宽光纤激光的线宽仅为目前商用通信光源线宽的百万分之一，这大大减少信道的宽度和信道之间的间距，仅在C波段就可以将光纤通信的信道数提高几个数量级，此外，窄线宽激光极窄的线宽减小了传输过程中光纤的色散，更有利于远距离传输。激光光谱学、大气吸收测量：可以用来研究谱线的精细和超精细分裂、塞曼和斯塔克分裂、光位移、碰撞加宽、碰撞位移等效应。还可以利用激光观察到有趣的相干瞬变现象等等。激光种子源：可以耦合进光纤放大器，形成更大输出功率的单频激光器如1W或5W而不会改变种源的光学特性。Wavelengthselectablerange(nm)1530to15651047to1080Absolutewavelengthaccuracy(nm)±0.05±0.02optional±0.05±0.02optionalPowerstability(%RMS)±0.10BeamqualityM2<1.05PureOscillator/AmplifiedPureOscillatorAmplifiedOutputpower(W)0.25-0.40.25-2.5Lorentzian

Linewidth(Hz)<1<10Linewidthover1msmeasurementtime(Hz)<1000<400/200Frequencynoise(Hz/√Hz)@100Hz<55<55/<30OSNR(dBc)(0.05nmRBW)>85>75SMSR(dBc)(3MHzRBW)>75>75Frequencystability(MHz/°C)±20/1±20/1(Side-ModeSuppressionRatio,缩写为SMSR)

线宽压缩技术其实可以归结为是对谐振腔输出的激光使用各种窄带滤波器进行滤波,以实现最终输出激光的窄线宽或者线宽可调。下面以光纤激光器的谐振腔结构作为切入点,研究激光器的线宽压缩技术。光纤激光器的腔体结构可以分为环腔和线腔两大类。环腔光纤激光器饱和吸收体光窄带滤波器饱和吸收体是由一段未泵浦的掺铒光纤(EDF)以及一个FBG组成,利用FBG的反射作用,使得入射波和反射波发生干涉,形成驻波,使得光纤的轴向折射率发生周期性的空间调制,形成一个瞬态的光纤光栅。根据FBG的耦合模理论,FBG的反射带宽与FBG的长度成反比,由于这种饱和吸收体中的掺铒光纤可以远远长于普通的FBG,因此这种瞬态FBG的反射带宽可以远远窄于普通FBG的带宽,从而可以对传输中的信号激光进行窄带滤波,获得稳定的单频激光输出,抑制跳模。饱和吸收体光窄带滤波器光窄带滤波器是由一个3dB耦合器和一段未泵浦的单模光纤组成的光纤环。由于多个次级环的存在,所以只有同时满足主环和所有次级环谐振相位的光才能起振。通过理论分析可知,多环腔结构的纵模间隔是各个环腔各自纵模间隔的最小公倍数,可以实现有效的模式选择。线腔-FBG的F-P标准具使用两对FBG的F-P标准具,采用双向泵浦方式,为了抑制线腔中的空间烧孔效应以及随之而来的多纵模振荡,使用了FR(法拉第旋转器)光放大器我们知道光信号沿光纤传播时将会衰减。因此，为了使信号传得更远，我们必须增强光信号。传统的增强光信号的方法是使用再生器。但是，这种方法存在许多缺点。这种方法有那些缺点？光放大器的特点光放大器是用来提高光信号强度的器件。被放大的光信号输入光信号光放大器第一，光放大器支持任何比特率和信号格式，因为光放大器简单地放大所收到的信号。这种属性通常被描述为光放大器对任何比特率以及信号格式是透明的；第二，光放大器不仅支持单个信号波长放大－像再生器，而且支持一定波长范围的光信号放大。例如，我们下面将要讨论的掺铒光纤放大器（EDFA），它能够放大大约从1530nm到1610nm的所有波长。而且，只有光放大器能够支持多种比特率、各种调制格式和不同波长的时分复用和波分复用网络。实际上，只有光放大器特别是EDFA的出现，波分复用技术才得到迅速发展，并且使波分复用成为大容量光通信系统的主力。EDFA是现在应用最广泛的光放大器，它的出现极大地推动了波分复用技术的发展。光放大器的分类半导体光放大器（SOA）：半导体光放大器利用半导体材料固有的受激辐射放大机制，实现光放大，其原理和结构与半导体激光器相似。光纤放大器（OFA）：光纤放大器与半导体放大器不同，光纤放大器的活性介质（或称增益介质）是一段特殊的光纤或传输光纤，并且和泵浦激光器相连；当信号光通过这一段光纤时，信号光被放大。光纤放大器又可以分为掺稀土离子光纤放大器（RareEarthIonDopedFiberAmplifier）和非线性光纤放大器。像半导体放大器一样，掺稀土离子光纤放大器的工作原理也是受激辐射；而非线性光纤放大器是利用光纤的非线性效应放大光信号。实用化的光纤放大器有掺铒光纤放大器（EDFA）和拉曼光纤放大器（RamanFiberAmplifier）。光放大器的主要性能参数增益增益＝POUT/PIN其中POUT和PIN分别是输出光功率和输入光功率，功率的单位为瓦特；通常我们用分贝（dB）为单位来表示增益，也就是：增益（dB）＝10lg（POUT/PIN）噪声指数光放大器的噪声指数（NF，NoiseFigure）的定义式为光放大器输入输出端口的信噪比（SNR，SignaltoNoiseRatio）的比值：

增益带宽所谓增益带宽是指光放大器有效的频率（或波长）范围，通常指增益从最大值下降3dB时，对应的波长范围，如1.3.3中λa、λb之间。增益带宽的单位是纳米（nm）。EDFA的优缺点优点：工作波长与单模光纤的最小衰减窗口一致。耦合效率高。增益高、噪声指数较低、输出功率大，信道间串扰很低。增益特性稳定：EDFA对温度不敏感，增益与偏振相关性小。增益特性与系统比特率和数据格式无关。缺点：增益波长范围固定。增益带宽不平坦。光浪涌问题。饱和输出功率光放大器的输入光功率范围有一定的要求，当输入光功率大于某一阈值时，如左图中PT，就会出现增益饱和；增益饱和是指输出功率不再随输入功率增加而增加或增加很小。根据ITU-T的建议，当增益比正常情况低3dB时的输出光功率称为饱和输出功率，左图中Ps，其单位通常用dBm表示。掺铒光纤放大器一种类型的光纤放大器是掺稀土离子光纤放大器。掺稀土离子光纤放大器是利用稀土金属离子作为工作物质，利用离子的受激辐射进行光信号放大。用在光放大器中的稀土金属离子通常有铒（Er）、钕（Nd）、镨（Pr）、铥（Tm）等。掺稀土离子光纤放大器中比较成熟的是掺铒光纤放大器（Erbium-dopedFiberAmplifier）掺铒光纤放大器的工作原理掺铒光纤是光纤放大器的核心，它是一种内部掺有一定浓度Er3+的光纤，为了阐明其放大原理，需要从铒离子的能级图讲起。铒离子的外层电子具有三能级结构（下图中E1、E2和E3），其中E1是基态能级，E2是亚稳态能级，E3是高能级，如下图所示。当用高能量的泵浦激光来激励掺铒光纤时，可以使铒离子的束缚电子从基态能级大量激发到高能级E3上。然而，高能级是不稳定的，因而铒离子很快会经历无辐射跃迁（即不释放光子）落入亚稳态能级E2。而E2能级是一个亚稳态的能带，在该能级上，粒子的存活寿命较长（大约10ms）。受到泵浦光激励的粒子，以非辐射跃迁的形式不断地向该能级汇集，从而实现粒子数反转分布－即亚稳态能级E2上的离子数比基态E1上的多。当具有1550nm波长的光信号通过这段掺铒光纤时，亚稳态的粒子受信号光子的激发以受激辐射的形式跃迁到基态，并产生出与入射信号光子完全相同的光子，从而大大增加了信号光中的光子数量，即实现了信号光在掺铒光纤传输过程中的不断被放大的功能。

自发辐射（ASE）噪声：在EDF中绝大多数受激Er离子因受激辐射而被迫回到基态E1，但它们中有一部分是自发回落到基态的。当这些受激离子衰变时，它们也自发地辐射光子。自发辐射的光子与信号光子在相同的频率（波长）范围内，但它们是随机的。那些与信号光子同方向的自发辐射光子也在EDF中放大。这些自发辐射并被放大的光子组成放大的自发辐射（ASE）。由于它们是随机的，它们对信号没有贡献，却产生了在信号光谱范围内的噪声。掺铒光纤放大器光学结构

EDF泵浦激光器泵浦激光器输入信号输出信号光隔离器分光器波分复用器光探测器波分复用器光隔离器分光器光探测器掺铒光纤放大器的优点工作波长与单模光纤的最小衰减窗口一致。耦合效率高。由于是光纤放大器，易与传输光纤耦合连接。能量转换效率高。掺铒光纤EDF的纤芯比传输光纤小，信号光和泵浦光同时在掺铒光纤EDF中传播，光能量非常集中。这使得光与增益介质Er离子的作用非常充分，加之适当长度的掺铒光纤，因而光能量的转换效率高。增益高、噪声指数较低、输出功率大，信道间串扰很低。增益特性稳定：EDFA对温度不敏感，增益与偏振相关性小。增益特性与系统比特率和数据格式无关。掺铒光纤放大器（EDFA）是大容量密集波分复用（DWDM）系统中必不可少的关键部件。掺铒光纤放大器的缺点增益波长范围固定：Er离子的能级之间的能级差决定了EDFA的工作波长范围是固定的，只能在1550nm窗口。这也是掺稀土离子光纤放大器的局限性，又例如，掺镨光纤放大器只能工作在1310nm窗口。增益带宽不平坦：EDFA的增益带宽很宽，但EFDA本身的增益谱不平坦。在WDM系统中应用时必须采取特殊的技术使其增益平坦。光浪涌问题：采用EDFA可使输入光功率迅速增大，但由于EDFA的动态增益变化较慢，在输入信号能量跳变的瞬间，将产生光浪涌，即输出光功率出现尖峰，尤其是当EDFA级联时，光浪涌现象更为明显。峰值光功率可以达到几瓦，有可能造成O/E变换器和光连接器端面的损坏。拉曼光纤放大器拉曼光纤放大器的原理

在常规光纤系统中，光功率不大，光纤呈线性传输特性。当注入光纤－非线性光学介质中的光功率非常高时，高能量（波长较短）的泵浦光散射，将一小部分入射功率转移到另一频率下移的光束，频率下移量由介质的振动模式决定，此过程称为拉曼效应。量子力学描述为入射光波的一个光子被一个分子散射成为另一个低频光子，同时分子完成振动态之间的跃迁。入射光子称作为泵浦光，低频的频移光子称为斯托克斯波（stokes波）。TOAD（太赫兹光非对称解复用器）的原理示意图在没有控制信号时，CW和CCW信号在环中经受了相同的相移，在耦合器1中相干，并在端口1输出。这就是光纤环镜。当有控制信号时。设控制信号持续时间。假设CW信号在t0时刻达到SOA，因此CCW信号在时该到达。设控制信号与CCW信号同时达到SOA，此时CW信号已经经过SOA。如果控制信号功率较强，则CCW信号就会受到XGM和XPM的影响，幅度和相位都可能产生变化。如果相位改变π，而幅度改变不大，则CW和CCW信号脉冲分量回到耦合器1时相干后合成的信号将在端口2输出，端口1没有信号。利用TOAD的这个功能可做成光时分解具复用器。普通的拉曼散射需要很强的激光功率。但是在光纤通讯中，作为非线性介质的单模光纤，其纤芯直径非常小（一般小于10μm），因此单模光纤可将高强度的激光场与介质的相互作用限制在非常小的截面内，大大提高了入射光场的光功率密度，在低损耗光纤中，光场与介质的作用可以维持很长的距离，其间的能量耦合进行的很充分，使得在光纤中利用受激拉曼散射成为可能。实验证明，石英光纤具有很宽的受激拉曼散射（SRS）增益谱，并在泵浦光