第6章 光纤器件-有源器件2-y

第六章光纤有源器件2.光源3.光探测器4.光放大器1.光调制器1.光调制器直接调制：信号直接调制光源的输出光强外调制：信号通过外调制器对连续输出光进行调制直接调制外调制直接调制是信号直接调制光源的输出光强。外调制是信号通过外调制器对连续输出光进行调制。用直接调制时，注入电流的变化要非常大，并引入不希望有的线性调频（啁啾）。声光调制器声光介质电极耦合介质电声换能器电极引线声光调制器自由空间声光调制器光纤声光调制器磁光调制器电光调制器线性电光效应，n——E线性，LiNbO3、KDP马赫-曾德尔幅度调制器LiNbO3共平面条形电极偏振光输入调制信号V(t)波导3LiNbO-Ti输出DCABEa+--ABtt00输出光信号调制电信号由于外加电场控制着两个分支中干涉波的相位差，所以外加电场也控制着输出光的强度，从而对幅度进行了调制。外腔调制器的性能由开关比（消光比）和调制带宽度量。调制器的消光比大于20，调制带宽可达20GHz。鈦扩散鈮酸锂电光效应调制器，工作频率16GHz,波长1550nm,最大调制电压

20V电吸收波导调制器EAM,ElectroAbsoptionModulatorEAM是一种p-i-n半导体器件，其i层由多量子阱(MQW)波导构成。i层对光的吸收损耗与外加的调制电压有关。+pinpin入射光入射光nhnhMQWttPP00tV0-V调制电信号VV1).概述2).发光机理3).器件结构4).半导体激光器的特性2.光源1).概述光纤光源主要有两种：

LD（laserdiode）半导体激光器

LED（light-emittingdiode）发光二极管

单纵模（或单频）LD，在高速率、大容量的数字光纤通讯系统中得到广泛应用；LED——光纤传感中应用比较广泛波长可调谐激光器也越来越受到人们的关注。光源发射的峰值波长，应在光纤低损耗窗口之内;有足够高的、稳定的输出光功率;电光转换效率高，驱动功率低，寿命长，可靠性高;单色性和方向性好，以减少光纤的材料色散，提高光源和光纤的耦合效率；易于调制，响应速度快;强度噪声要小。光的自发辐射EcEvhnhn光的受激发射EchnEvhn输入输出(a)发光二极管—光的自发辐射(b)激光器—光的受激发射Ec吸收光子后产生电子Ev光子hn输入(输出电流)(c)光探测器件—光的吸收光的自发辐射、受激发射和吸收2).发光机理激光基本原理

光的受激发射EchnEvhn输入输出(b)激光器—光的受激发射LR1R2反射波相互干涉M1M2反射镜反射镜ABab2).发光机理白炽灯是把被加热钨原子的一部分热激励能转变成光能，发出宽度为1000nm以上的白色连续光谱。发光二极管（LED）却是通过电子在能带之间的跃迁，光的波长由能带差所决定发出频谱宽度在几百nm以下的光.2).发光机理EcEvEg能量E空穴电子导带费米能级价带费米能级光子eVhvEFnEFp状态密度vcgEEE-=hvE=Dvc=ll==hcEEDD12398.（mm）=半导体发光原理-PN结

同质、异质结LED同质结构只有一个简单P-N结，且P区和N区都是同一物质。该LED阈值电流密度太大，工作时发热非常严重，只能在低温环境、脉冲状态下工作。“异质结”是由两种不同材料（例如GaAs和GaAlAs）构成的P-N结。在双异质结构中，有三种材料，有源区被禁带宽度大、折射率较低的介质材料包围。这种结构形成了一个像光纤波导的折射率分布，限制了光波向外围的泄漏，使阈值电流降低，发热现象减轻，可在室温状态下连续工作。

发光二极管LED

发光二极管LED除双异质结LD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。这就是对电子或空穴允许占据能量状态的限制，这种激光器叫做量子限制激光器。它具有阈值低，线宽窄，微分增益高，以及对温度不敏感，调制速度快和增益曲线容易控制等许多优点。

量子限制激光器

量子限制激光器

垂直腔表面发射激光器VerticalCavitySurfaceEmittingLaser顾名思义，它的光发射方向与腔体垂直，而不是像普通激光器那样，与腔体平行。这种激光器的光腔轴线与注入电流方向相同。有源区电极电极电介质镜衬底电介质镜+表面发射l/(4n1)Ll/(4n2)ddn1n212z=0.1mmInGaAsAlGaAsGaAsVCSEL激光器有源层通常很薄(<0.1mm),就像一个多量子阱，所以阈值电流很小，仅0.1mA,工作电流仅几mA.由于器件体积小，降低了电容，适用于10Gb/s的高速调制系统,由于该器件不需要解理面切割就能工作,制造简单,成本低,所以它又适用于接入网使用。

半导体激光器的基本特性

温度对输出功率的影响5.010.0050100150500C

0

20

40

60

70

805.010.0050100150驱动电流

输出光功率

(mW)(ma)LEDLD驱动电流(ma)输出光功率

(mW)1201.02.03.0250C

700C

驱动电流(ma)

输出光功率

(mW)4080140(a)

发光二极管（b）MQ-DFB激光器（c）LD和LED输出功率特性比较LED和LD的光谱特性波长/nm-40-20402000.60.200.40.81.0相对光强波长/nm-0.4-0.20.40.200.60.200.40.81.0相对光强0.02nm(2~5)nm波长/nm-40-200.60.200.40.81.040200-6060相对光强l0GaAlAs:(30~50)nmInGaAsP:(60~120)nmDl1/2l0l0(a)

LED的光谱特性(b)多模LD的光谱特性(c)单模LD的光谱特性光电检测器原理、性能和分类直接检测接收机的构成、信噪比、灵敏度和比特误码率3.光探测器前言对光电检测器的要求是灵敏度高、响应快、噪声小、成本低和可靠性高，并且它的光敏面应与光纤芯径匹配。半导体材料是制造光电检测器的最佳材料。发射机光纤传输接收机受激吸收产生一个电子空穴对;当入射功率变化时，光生电流也随之线性变化，从而把光信号转变成电流信号。光探测原理Ec吸收光子后产生电子Ev光子hn输入(输出电流)(c)光探测器件—光的吸收在PN结施加反向电压的情况下，受激吸收过程生成的电子

空穴对在电场的作用下，在外电路形成光生电流。当入射功率变化时，光生电流也随之线性变化，从而把光信号转变成电流信号。光探测原理入射光hv>EgSiO2P+h+e-+ERIpW抗反射膜电极电极耗尽区PinLN光电二极管光纤通信中最常用的光电检测器是:光电二极管PIN雪崩光电二极管(APD)PIN二极管与PN二极管的主要区别是，在P和N层之间加入了一个I层，作为耗尽层。I层的宽度较宽，约有（5~50）

m，可吸收绝大多数光子，使量子效率提高，使光生电流增加。入射光hv>EgSiO2P+h+e-+EIpVout抗反射膜电极电极耗尽区Pin输出电压RLI-SiWN+Vr-RLCdIpVout空穴h+e-电子负载电阻RIp光生电流LW=mm5~50E~~Vr/WCdPIN管分布电容雪崩光电二极管（APD）是利用雪崩倍增效应使光电流得到倍增的高灵敏度探测器。APD的结构设计，使它能承受高的反向偏压，从而在PN结内部形成一个高电场区，能提供内部增益。工作速度高。雪崩光电二极管SiO2P++h+e-ERIpVout电极电极耗尽区入射光hv>EgL(a)雪崩光电二极管（APD）的结构WN+Vr-PpE()x0各区电场分布,雪崩发生在P区，吸收发生在区(b)x吸收区雪崩区pEN+pPh+e-雪崩区(c)离子碰撞过程释放电子空穴对，导致雪崩晶格光电探测器的性能参数工作波长范围和截止波长截止波长gg24.1EEhcc==l硅(Si)材料制作的光电二极管lc=1.06mm对锗(Ge)制作的光电二极管lc=1.6mmInGaAs材料制作的光电二极管lc=1.7mm光电探测器的性能参数量子效率和响应度由光生载流子穿越耗尽层的宽度W所决定。增加W可吸收更多的光子，从而增加量子效率，但是载流子穿越W的时间增加，响应速度变慢。载流子在W区的漂移时间为式中Vd是漂移速度。为了减小漂移时间，可增加施加的电压。响应时间ttr=W/Vd4.光放大器掺铒光纤放大器 光纤喇曼放大器半导体光放大器光纤系统传输距离受光纤损耗或色散限制再生中继器的基本功能是进行光-电-光转换，并在光信号转变为电信号时进行再生、整形和定时处理，恢复信号形状和幅度，然后再转换回光信号，沿光纤线路继续传输。这种方式有许多缺点。首先，通信设备复杂，系统的稳定性和可靠性不高，其次，传输容量受到一定的限制。再生中继及其缺点l1l2lN...光纤l1l2lN光解复用...O/EADME/O光复用l1l2lN...l1l2lN...光纤光放大器的应用光发射机FA光接收机FA光纤光纤(a)在线放大器在线放大器FA光纤(b)功率放大器光发射机功率增强器光接收机FA光纤(c)前置放大器接收机前置放大器光接收机光发射机FA(d)补偿损耗放大器光纤总线节点在局域网中用于补偿分配损耗光接收机光发射机光发射机1.

掺铒光纤放大器品牌：HZHCGD型号：HCEA-1520形尺寸：19×10×1.75工作温度：-40~85(℃)工作湿度：5~95(%)电源电压：90~265市电(V)输入光功率：0~10dBm输出光功率：13~25dBMm光连接器：FC/APCSC/APC光波长：1540~1564nm输出功率稳定度：0.11).掺铒光纤结构掺铒光纤结构折射率分布2b2aEr3+-Al203-Ge02-Si02F-Si02D+D-

Ge02-Si02

直径125mm硅包层径向分布场掺锗区（直径3～6mm)D=0.01~0.04掺铒区（浓度1100～2500ppm)Er00.20.40.60.81.0010002000300040005000b/appm-wt铒离子浓度铒离子浓度与b/a值的关系EDFA构成输入信号泵浦光隔离器光隔离器掺铒光纤输出信号熔接合波器(1)掺铒光纤:光纤放大器的关键部件.(2)泵浦源:对泵浦源的基本要求是高功率和长寿命。它是保证光纤放大器性能的基本因素。EDFA各部分作用(3)波分复用器:使泵浦光与信号光进行复合。(4)光隔离器: 在输入、输出端插入光隔离器是为了抑制光路中的反射，从而使系统工作稳定可靠、降低噪声。2).

EDFA工作原理及其特性1530nm980nm980nm泵浦光放大后的信号光...1E2E3E信号光1550nm1550nm0能级+3rE0.80eV1.27eV铒离子能级图可使用多种不同波长的光来泵浦EDFA，但是0.98

m和1.48

m的半导体激光泵浦最有效。使用这两种波长的光泵浦EDFA时，只用几毫瓦的泵浦功率就可获得高达30~40dB的放大器增益。泵浦光功率转换为输出信号光功率的效率为92.6%.3).输出信号功率与泵浦功率的关系008020406020406080泵浦功率输出信号功率转换效率92.6%(mW)(mW)对于给定的放大器长度L，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，增益的增加就减小小信号增益和泵浦功率的关系0-1010302040增益02468102015105mL=(mW)泵浦功率(dB)增益01030200-10102030405040(m)(dB)3mWPP=24561789铒光纤长度小信号增益和光纤长度的关系6).掺铒光纤放大器的优点(1)工作波长恰好落在光纤通信的最佳波长区(1500nm)(2)与线路光纤的耦合损耗很小，约0.1dB左右(3)噪声指数低,一般约4~7dB(4)增益高，约20~40dB，饱和输出功率大，约8~15dB(5)频带宽，在1550nm窗口有20~40nm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(6)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,光纤放大器内无隔离器时可以实现双向放大(7)所需泵浦功率较低(数十毫瓦)泵浦效率却相当高，(8)在多信道应用中可进行无串话传输(9)放大器中只有低速电子装置和几个无源器件,结构简单，可靠性高，体积小。(10)对不同传输速率的数字体系具有完全的透明度，即与准同步数字体系(PDH)和同步数字体系(SDH)的各种速率兼容，调制方案可任意选择。(11)EDFA需要的工作电流比光-电光再生器的小，因此可以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。6).掺铒光纤放大器的优点2.光纤喇曼放大器EDFA是光纤通信系统中的重要组成部分，目前其单泵浦增益典型值为17dB，双泵浦的为35dB，噪声系数一般为5

7dB，带宽为30nm，在带宽内的增益偏差为1dB。但是EDFA只能工作在1530~1564nm之间的C波段，而光纤喇曼放大器(FRA)则是一种能够与全波光纤工作窗口相匹配的光放大器。WDM传输光纤信号光泵浦光光复用器泵浦光增益平坦滤波器入1入2增益介质：系统传输光纤。工作原理：基于非线性光学效应。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，并且弱信号光的波长在泵浦光的喇曼增益带宽内，则强泵浦光的能量,通过受激喇曼散射,耦合到光纤硅材料的振荡模中，然后又以较长的波长发射，该波长就是信号光的波长，从而使弱信号光得到放大，获得喇曼增益。FRA工作原理WDM传输光纤信号光泵浦光光复用器泵浦光增益平坦滤波器入1入2产品名称：通兴分布式拉曼光纤放大器型号：OIRFA15502.半导体光放大器SOA半导体光放大器的机理与激光器的相同，即通过受激发射放大入射光信号。光放大器只是一个无反馈的激光器，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。行波光放大器是一个没有反馈的激光器。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。行波半导体光放大器注入电流输入光信号输出光信号有源区Lz=0z=Lz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。减小腔体界面反射，也可使激光器变为放大器。这种放大器称F-P放大器。F-PSOA的结构和原理注入电流输入光信号输出光信号有源区Lz=z=Lz反射面R反射面R0F-P谐振腔反射率R越大，SOA的增益越大。但是，当R超过一定值后,光放大器将变为激光器。不同反射率时的F-PSOA的增益频谱曲 频