第六章_光有源器件

第5章光有源器件光有源器件在光通信系统和光纤技术中占有重要地位。光通信系统的实用和发展是和光有源器件的发展密切相关的,其中掺铒光纤放大器的实用化是光通信系统中的一个里程碑。常见的四种重要的光有源器件:光调制器、光放大器、光源和光电探测器。5.1光调制器光发射机的功能是把输入电信号转换为光信号,并用耦合技术把光信号最大限度地注入光纤线路。其中把电信号转换为光信号的过程就是光调制。调制后的光波经过光纤信道送到接收端,由光接收机鉴别出它的变化,再恢复原来的信息,这个过程称为光解调。调制和解调是光纤通信系统的重要内容。5.2光放大器在光纤通信系统中,随着传输速率的增加,传统的光—电—光中继方式的成本迅速增加。长时间以来,人们一直在寻找用光放大的方法来替代传统中继方式,以延长传输距离。光放大器能直接放大光信号,对信号的格式和速率具有高度的透明性,使得整个系统更加简单和灵活。它的出现和实用化,是光纤通信发展中的一个里程碑。光纤的损耗将使光信号传输时按指数衰减，限制了通信距离，应在长途通信线路上设置中继放大器。–光电光混合中继器结构复杂，价格昂贵，且不能用于波分复用系统中。–全光中继器对光信号进行直接放大。光放大器光纤的损耗和色散限制了通信距离。时间色散脉冲展宽频率非线性新频率衰减损耗输入信号输出信号时间为了满足长距离通信的需要，必须在光纤传输线路上每隔一定距离加入一个中继器．以补偿光信号的衰减和对畸变信号进行整形，然后继续向终端传送。中继方法：–采用光-电-光转换方式，亦称光电光混合中继器。–采用光放大器对光信号进行直接放大的中继器。在混合中继器中先将从光纤接收到的脉冲光信号用PD转换为光电流。经前置放大器、主放大器、判决再生电路在电域实现脉冲信号放大与整形。驱动光源产生光脉冲信号沿光纤继续传输。1988年安装的TAT-8使用了103个中继器（每隔35km-40km）光－电－光(O-E-O)方式:–结构复杂、价格昂贵、不能同时放大多个波长信道，在WDM系统中复杂性和成本倍增；光放大器（O-O）:–多波长放大、低成本；对光信号进行直接放大。6.2.1EDFA的工作原理EDFA主要由合波器WDM、泵浦激光器(大功率LD)、光隔离器和掺铒光纤构成。EDFA是利用掺铒光纤中掺杂的稀土离子在泵浦光源(波长980nm或1480nm)的作用下,形成粒子数反转,产生受激辐射,辐射光随入射光的变化而变化,进而对入射光信号提供光增益。当泵浦光射到掺铒光纤中时,基态铒离子吸收泵浦光能量,向高能级跃迁。泵浦光的波长不同,粒子所跃迁到的高能级也不同。由于Stark(斯塔克)效应,原子能级产生分裂,铒离子的能级展宽为带状。粒子跃迁时,先跃迁到上能级,并迅速以非辐射跃迁的形式由泵浦态变至亚稳态。在亚稳态,粒子有较长的存活时间,由于源源不断地进行泵浦,粒子数不断增加,从而实现了粒子数反转。当具有1500～1600nm波长的光信号通过掺铒光纤时,亚稳态粒子以受激辐射的形式跃迁到基态,并产生和入射信号中的光子一模一样的光子,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的传输过程中不断被放大的功能,掺铒光纤放大器也由此得名。从铒离子的吸收谱可以看出,EDFA的泵浦波长可以有多个。早期EDFA实验中,曾有使用可见光作泵浦源的,但泵浦效率相当低。而使用工作波长为980nm和1480nm的光源泵浦时,则可以获得比较高的泵浦转换效率,目前普遍采用980nm或1480nm半导体激光器作为泵浦源。根据泵浦光和信号光传播方向的相对关系,EDFA的结构可分为正向泵浦、反向泵浦和双向泵浦,其结构如图6.37所示。在石英光纤中掺入一些三价稀土金属元素,如Er(铒)、Pr(镨)、Nd(钕)等,形成一种在泵浦光的激励下可以放大光信号的特殊光纤,因此可以用于制作光纤放大器,其中EDFA目前应用最为广泛。掺铒光纤的能级图及部分吸收谱和发射谱如图6.38所示。光放大器的类型–半导体激光放大器（SLA）–光纤型光放大器光纤喇曼放大器（FRA）光纤布里渊放大器（FBA）光纤参量放大器（FPA）掺杂光纤放大器（eg.EDFA）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100m~1mm差很难大差光纤(喇曼)放大器光学非线性(喇曼)效应光数千米好容易大好–掺杂光纤放大器优点：掺铒与掺镨光纤放大器具有增益高、噪声低、频带宽、输出功率高等优点，具有广泛的应用前景。在光纤通信系统的设计中,光放大器有四种用途,如图6.36所示。线路放大(In-line)：周期性补偿各段光纤损耗功率放大(Boost)：增加入纤功率,延长传输距离前置放大(Pre-Amplify):提高接收灵敏度局域网的功率放大器：补偿分配损耗，增大网络节点数在长距离通信系统中,光放大器的一个重要应用就是取代电中继器。只要系统性能没被色散效应和自发辐射噪声所限制,这种取代就可以进行。在多信道光波系统中,使用光放大器特别具有吸引力,因为光—电—光中继器要求在每个信道上使用各自的接收机和发射机,对复用信道进行解复用,这是一个相当昂贵、麻烦的变换过程,而光放大器可以同时放大所有的信道,可省去信道解复用过程。用光放大器取代光—电—光中继器就称为在线放大器。5.3光源在光纤通信中,首先要将电信号转变为光信号,最常用的光源是半导体激光器和发光二极管。在光纤通信领域所用的光源为微型半导体光源：发光二极管（LED）激光二极管（LD）LED和LD优点：•尺寸小•耦合效率高•响应速度快•波长和尺寸与光纤适配•可在高速条件下直接调制半导体光源,①半导体光源体积小,发光面积可以与光纤芯径相比较,从而有较高的耦合效率;②发射波长适合在光纤中低损耗传输;③可以直接进行强度调制,即只要将信号电流注入半导体激光器或发光二极管,就可以得到相应的光信号输出;④可靠性较高,尤其是半导体激光器,不仅发射功率大、耦合效率高、响应速度快,而且发射光的相干性也较好,在一些高速率、大容量的数字光纤通信系统中得到广泛应用。5.3.1激光的基本原理激光的物理基础是光频段电磁波与物质原子的共振相互作用,特别是这种相互作用中的受激辐射过程。为了简化问题,我们只考虑原子的两个能级E2和E1,并有hν=E2-E1。能级理论基态----最低的能级E1称为基态.受激态---能量比基态大的所有其他能级Ei（i=2，3，4，…）都称为激发态。能级理论：所有的物质都由原子组成；原子由原子核和核外沿固定轨道旋转的电子组成；电子在特定的能级中运动，并通过与外界交换能量发生能级跃迁；每个原子含有多个电子，但物质的性质是由其最外围的电子决定的。能级所对应的能量值是离散的；单位体积内处于两能级的原子数分别用n2和n1表示,如图6.3所示。爱因斯坦从辐射与原子相互作用的量子论观点提出:上述相互作用应包含原子的自发辐射、受激吸收和受激辐射三种过程。处于高能级E2的一个原子自发地向E1跃迁,并发射一个能量为hν的光子,这种过程称为自发辐射跃迁。处于低能级E1的一个原子在频率为ν的辐射场的作用下,吸收一个能量为hν的光子并向E2能级跃迁,这种过程称为受激吸收跃迁。受激吸收跃迁的逆过程就是受激辐射跃迁。处于上能级E2的原子在频率为ν的辐射场的作用下,跃迁至低能级E1并辐射一个能量为hν的光子。受激辐射跃迁发出的光波称为受激辐射。如果两个端面壁对光有很高的反射系数,则沿垂直端面的腔轴方向传播的光(相当于少数几个模式)在腔内多次反射而不逸出腔外,而所有其他方向的光则很容易逸出腔外。如果沿腔轴传播的光在每次通过物质时不是被原子吸收(受激吸收),而是由于原子的受激辐射而得到放大,那么腔内轴向模式就能不断增强,从而在轴向模内获得极高的光子简并度,这就是构成激光器的基本思想。第一部分是光波模式的选择,它由两块平行平面反射镜完成,这实际上就是光学技术中熟知的法布里-珀罗(Fabry-Perot)干涉仪,在激光技术中称为光谐振腔。第二部分是光的受激辐射放大,激光的英文缩写名称LASER(lightamplificationbystimulatedemissionofradiation)正反映了这一物理本质。激光器的三个基本的组成部分:工作物质、谐振腔、泵浦源。光学谐振腔与激光器的阈值条件laser（激光）——lightamplificationbythestimulatedemissionofradiation（通过辐射中的受激辐射而产生的光放大）产生激光的条件：粒子数反转受激辐射正反馈5.4光探测器光探测器的作用是将接收到的光功率信号转换为电信号输出,探测器是光纤通信光接收机的关键部件,对提高光接收机的灵敏度和延长光纤通信的中继距离有着重要作用。优质的光探测器有以下性能:灵敏度高、响应速度快、体积小、噪声小。