第4章 光通信器件2

半導(dǎo)體發(fā)光二極管與激光二極管半導(dǎo)體發(fā)光二極管(Light-emittingDiode，LED)基本應(yīng)用GaAlAs和InGaAsP材料，可以覆蓋整個(gè)光纖通信系統(tǒng)使用波長(zhǎng)范圍，典型值為0.85μm、1.31μm及1.55μm。通過(guò)電子在能帶之間的躍遷，發(fā)出頻譜寬度在幾百nm以下的光。在構(gòu)成半導(dǎo)體晶體的原子內(nèi)部，存在著不同的能帶。如果占據(jù)高能帶（導(dǎo)帶）的電子躍遷到低能帶（價(jià)帶）上，就將其間的能量差（禁帶能量）以光的形式放出。這時(shí)發(fā)出的光，其波長(zhǎng)基本上由能帶差所決定。4.2半導(dǎo)體發(fā)光二極管(LED)在構(gòu)成半導(dǎo)體晶體的原子內(nèi)部，存在著不同的能帶；如果占據(jù)高能帶（導(dǎo)帶）的電子躍遷到低能帶（價(jià)帶）上，就將其間的能量差（禁帶能量）以光的形式放出；這時(shí)發(fā)出的光，其波長(zhǎng)基本上由能帶差所決定。1、LED發(fā)光原理4.2.2LED工作特性光譜特性。發(fā)光二極管發(fā)射的是自發(fā)輻射光，沒(méi)有諧振腔對(duì)波長(zhǎng)的選擇，譜線較寬。(2)LED的P-I特性43210501001500℃25℃70℃電流/mA輸出功率/mWP-I特性指輸出的光功率隨注入電流的變化關(guān)系注入電流較小時(shí)，線性度好；注入電流較大時(shí)，發(fā)光效率變低，甚至出現(xiàn)飽和。(3)LED的溫度特性800900–40°C25°C85°C01740Relative

spectral

output

power840880Wavelength

(nm)The

output

spectrum

from

AlGaAs

LED.

Valuesnormalized

to

peak

emission

at

25°C.Optoelectronics(PrenticeHall)LED的溫度特性相對(duì)較好，一般不需要加溫度控制，但不同溫度下，LED的光譜和P-I特性呈現(xiàn)不同的特性。光纖的耦合是指把光源的光功率最大限度的輸送到光纖中去。直接耦合：方法簡(jiǎn)單，效率較低。透鏡耦合：可以根據(jù)光源做不同的結(jié)構(gòu)，以提高耦合效率。

影響耦合效率的主要因素主要是光源的發(fā)散角和光纖的數(shù)值孔徑。(4)LED與光纖的耦合LED與光纖的耦合光纖連接器電接口驅(qū)動(dòng)電路光源組件光檢測(cè)器組件放大電路電接口電信號(hào)輸入光發(fā)送機(jī)中繼器光纖跳線光纖連接器光纜總線盒光纜線路盒光纜線路盒光纖跳線光纜終端盒光接收機(jī)電信號(hào)輸出光纖光纜4.3光放大器光-電-光轉(zhuǎn)換中繼器結(jié)構(gòu)l1l2lN...光纖l1l2lN光解復(fù)用...O/EADME/O光復(fù)用l1l2lN...l1l2lN...光纖光電中繼全光中繼光放大器的結(jié)構(gòu)工作介質(zhì)泵浦光源輸入信號(hào)輸出信號(hào)工作介質(zhì)從泵浦源吸收足夠的能量，使工作介質(zhì)處在增益狀態(tài)；當(dāng)有信號(hào)光入射時(shí)，由于受激輻射，信號(hào)光將得到放大；只要泵浦的能量足夠強(qiáng)，信號(hào)光就可以得到連續(xù)放大，工作介質(zhì)起到能量傳遞的作用。放大器分類(lèi)

不同類(lèi)型的工作介質(zhì)，泵浦方式也不同，形成的光放大的性能也不同。目前從工作介質(zhì)上分類(lèi)，較成熟的放大器有：摻稀土元素光纖放大器工作介質(zhì)是摻稀土光纖，泵浦源為半導(dǎo)體激光器；最常用的是摻鉺光纖放大器（EDFA）。非線性光學(xué)光纖放大器工作介質(zhì)是常規(guī)光纖，泵浦源為高功率激光器，利用非線性效應(yīng)對(duì)光進(jìn)行放大。典型代表是SRS（受激拉曼）光纖放大器。半導(dǎo)體光放大器工作介質(zhì)是半導(dǎo)體材料，以注入電流作為泵浦源。代表有F-P型光放大器等。三種不同類(lèi)型的放大器性能比較使用鉺離子作為增益介質(zhì)的光纖放大器，稱為摻鉺光纖放大器(Erbium-DopedFiberAmplifier

)。這些離子在光纖制造過(guò)程中被摻入光纖芯中，使用泵浦光直接對(duì)光信號(hào)放大，提供光增益。雖然摻雜光纖放大器早在1964年就有研究，但是直到1985年才首次研制成功摻鉺光纖。1988年低損耗摻鉺光纖技術(shù)已相當(dāng)成熟，其性能相當(dāng)優(yōu)良，已可以提供實(shí)際使用。放大器的特性，如工作波長(zhǎng)、帶寬由摻雜介質(zhì)所決定。摻鉺光纖放大器因?yàn)楣ぷ鞑ㄩL(zhǎng)在靠近光纖損耗最小的1.55m波長(zhǎng)區(qū)，它比其它光放大器更引人注意。4.3.3摻鉺光纖放大器（EDFA）基本組成各部分作用

摻鉺光纖(EDF)和高功率泵浦光源是關(guān)鍵器件，EDF的增益取決于Er3+的濃度、光纖長(zhǎng)度和直徑以及泵浦光功率等多種因素，通常由實(shí)驗(yàn)獲得最佳增益。把泵浦光與信號(hào)光耦合在一起的波分復(fù)用器和置于兩端防止光反射的光隔離器也是不可缺少的。對(duì)泵浦光源的基本要求是大功率和長(zhǎng)壽命。前向泵浦結(jié)構(gòu)后向泵浦結(jié)構(gòu)雙向泵浦結(jié)構(gòu)單級(jí)放大中常用的三種泵浦結(jié)構(gòu)常用結(jié)構(gòu)前向泵浦：信號(hào)光與泵浦光以同一方向進(jìn)入摻餌光纖，在摻鉺光纖的輸入端泵浦光較強(qiáng)，其增益系數(shù)大，信號(hào)一進(jìn)入光纖即得到較強(qiáng)的放大。但由于吸收泵浦光將沿光纖長(zhǎng)度而衰減，使在一定的光纖長(zhǎng)度上達(dá)到增益飽和而使噪聲增加。前向泵浦的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、噪聲性能較好。后向泵浦：信號(hào)光與泵浦光從兩個(gè)不同的方向進(jìn)入摻餌光纖。優(yōu)點(diǎn)是：當(dāng)光信號(hào)放大到很強(qiáng)時(shí)，泵浦光也強(qiáng)，不易達(dá)到飽和，有較高的輸出功率。雙向泵浦：為了使增益光纖中的增益介質(zhì)得到充分激勵(lì)，使用雙泵浦源，兩個(gè)泵浦源從兩個(gè)相反方向進(jìn)入摻餌光纖。這種方式結(jié)合了同向泵浦和反向泵浦的優(yōu)點(diǎn)，從而使增益在光纖中也均勻分布，這種配置具有更高的輸出功率，且放大特性與信號(hào)傳輸方向無(wú)關(guān)。多級(jí)光纖放大器結(jié)構(gòu)——提高泵浦光的利用率EDFA的工作原理--摻鉺光纖與泵浦選擇稀土元素包括15種元素，在元素周期表中位于第五行。目前比較成熟的有源光纖中摻入的稀土離子有Er3+(鉺)

、Nd3+(釹)、Pr3+(鐠)

、Tm3+(銩)

、Yb3+(鐿)

。摻鉺(Er3+)光纖在1.55m波長(zhǎng)具有很高的增益，正對(duì)應(yīng)低損耗第三通信窗口，由于其潛在的應(yīng)用價(jià)值，摻鉺(Er3+)光纖激光器發(fā)展十分迅速。摻鐠光纖放大器工作在1.31μm波段。鉺離子能級(jí)圖摻鉺光纖吸收譜可以作為摻鉺光纖泵浦源的波段有：510nm、630nm、800nm、980nm、1480nm目前常用的泵浦源為980nm和1480nmEnergyoftheEr3+ionintheglassfiberE101.54eV1.27eV0.80eVE2E3E31550nm1550nmInOut980nmNon-radiativedecayPump980nm泵浦光放大特性摻鉺光纖后的輸出信號(hào)由圖可見(jiàn)，能量從泵浦光轉(zhuǎn)換成信號(hào)光的效率很高，因此EDFA很適合作功率放大器。泵浦光功率轉(zhuǎn)換為輸出信號(hào)光功率的效率為92.6%，60mW功率泵浦時(shí)，吸收效率為88%。輸出信號(hào)功率與泵浦功率的關(guān)系：EDFA的特性EDFA增益特性EDFA的增益與鉺離子濃度、摻鉺光纖長(zhǎng)度、芯經(jīng)和泵浦功率有關(guān)。增益G定義為輸出光功率與輸入信號(hào)光功率之比的分貝數(shù)：理想的放大器，不管輸入功率多大，光信號(hào)都能按同一比例放大，實(shí)際的放大器并非如此，如下圖，會(huì)出現(xiàn)增益飽和現(xiàn)象。EDFA的特性增益頻譜3dB譜寬定義為Gsmax-3dB對(duì)應(yīng)的兩個(gè)波長(zhǎng)之差。增益平坦性：不同信號(hào)放大增益平坦性也不同，通過(guò)上圖可以看出大信號(hào)增益時(shí)平坦性較好。EDFA的特性0-1010302040增益02468102015105mL=(mW)泵浦功率(dB)小信號(hào)增益和泵浦功率的關(guān)系對(duì)于給定的放大器長(zhǎng)度L，放大器增益最初隨泵浦功率按指數(shù)函數(shù)增加，但是當(dāng)泵浦功率超過(guò)一定值后，增益的增加就減小EDFA的特性對(duì)于給定的泵浦功率，放大器的最大增益對(duì)應(yīng)一個(gè)最佳光纖長(zhǎng)度，并且當(dāng)超過(guò)這個(gè)最佳值后很快降低。其原因是鉺光纖的剩余部分沒(méi)有被泵浦，反而吸收了已放大的信號(hào)。因此，選擇合適的光纖長(zhǎng)度與泵浦功率在放大器的設(shè)計(jì)中非常重要。小信號(hào)增益和光纖長(zhǎng)度的關(guān)系EDFA的特性3、EDFA的噪聲指數(shù)EDFA的特性EDFA泵浦功率對(duì)噪聲指數(shù)的影響該圖表示泵浦功率對(duì)放大器噪聲指數(shù)影響的模擬結(jié)果。數(shù)值計(jì)算表明，強(qiáng)泵浦功率的高增益放大器可以得到接近3dB的噪聲指數(shù)。噪聲指數(shù)就像放大器增益一樣，與放大器長(zhǎng)度和泵浦功率有關(guān)。EDFA的特性摻鉺光纖放大器的優(yōu)點(diǎn)(1)工作波長(zhǎng)：恰好落在光纖通信的最佳波長(zhǎng)區(qū)(1500nm)；(2)因?yàn)镋DFA的主體也是一段光纖，它與線路光纖的耦合損耗很小，甚至可達(dá)到0.1dB;(3)噪聲指數(shù)低，增益高，飽和輸出功率大；(4)頻帶寬，在1550nm窗口有20-40nm帶寬，可進(jìn)行多信道傳輸，便于擴(kuò)大傳輸容量，從而節(jié)省成本費(fèi)用;(5)所需泵浦功率較低(數(shù)十毫瓦)，泵浦效率卻相當(dāng)高；(6)在多信道應(yīng)用中可進(jìn)行無(wú)串話傳輸；(7)放大器中只有低速電子裝置和幾個(gè)無(wú)源器件，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可靠性高，體積小；(8)EDFA需要的工作電流比光-電-光再生器的小，因此可大大減小遠(yuǎn)供電流，從而降低了對(duì)海纜的電阻和絕緣性能的要求。EDFA的應(yīng)用 原則上講只要需要光放大的地方都可以用EDFA，在實(shí)際的光纖鏈路當(dāng)中，EDFA主要用于一下幾個(gè)方面：作為線路中繼器作為接收機(jī)前置放大器作為光發(fā)射機(jī)的后置放大作為光無(wú)源器件的補(bǔ)償放大器EDFA只能工作在1530-1564nm之間的C波段，為了滿足全波光纖工作窗口寬的需要，科學(xué)家們?cè)趯で笠环N能夠與全波光纖工作窗口相匹配的光放大器，光纖喇曼放大器剛好可以滿足這種要求。4.3.4光纖喇曼放大器（SRA）受激拉曼散射SRS 物理機(jī)制： 分子間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致分子電偶極矩隨時(shí)間的周期性調(diào)制，這些分子振動(dòng)調(diào)制信號(hào)光后產(chǎn)生了新的光頻，除此之外還將放大新產(chǎn)生的光。這個(gè)現(xiàn)象稱為拉曼散射。 拉曼散射有普通拉曼散射和受激拉曼散射兩種。普通拉曼散射過(guò)程屬于自發(fā)散射過(guò)程，產(chǎn)生的散射光十分微弱；但是當(dāng)強(qiáng)激光輸入到非線性介質(zhì)中后，一定條件下，散射光具有激光的特性，這就是受激拉曼散射（SRS），SRS過(guò)程可以看作是物質(zhì)分子對(duì)光子的散射過(guò)程，或者說(shuō)光子與分子諧振子相互作用的過(guò)程。

散射光稱為斯托克斯(Stokes)光。另一種情況如右圖所示，產(chǎn)生反斯托克斯光。其過(guò)程如下圖所示：當(dāng)激光束進(jìn)入介質(zhì)后，光子被介質(zhì)吸收，使介質(zhì)分子由E1躍遷到E3，由于E3態(tài)不穩(wěn)定，它很快躍遷到較低的亞穩(wěn)態(tài)E2上，并發(fā)射一個(gè)散射光子，角頻率為ws，然后弛豫回到基態(tài)E1，并產(chǎn)生一個(gè)光學(xué)聲子，這個(gè)非彈性過(guò)程前后的能量是守恒的，滿足：

SRS特性 受激拉曼散射的光較強(qiáng)，它具有高強(qiáng)度，高方向性，具有閾值特性，通過(guò)介質(zhì)時(shí)還將獲得增益。 在室溫下，大部分新產(chǎn)生的頻率都處于光載波的低頻區(qū)，對(duì)于二氧化硅玻璃，新峰值頻率比光載頻低13THz。換言之，當(dāng)信號(hào)波長(zhǎng)為1.55μm時(shí)，將在1.65μm處產(chǎn)生新的波長(zhǎng)。泵浦波長(zhǎng)為1.0um時(shí)光纖的拉曼增益譜 可以采用前向泵浦,也可以采用后向泵浦，因后向泵浦減小了泵浦光和信號(hào)光相互作用的長(zhǎng)度，從而也就減小了泵浦噪聲對(duì)信號(hào)的影響，所以通常采用后向泵浦。光纖分布式喇曼放大器（DRA）結(jié)構(gòu)--后向泵浦DRA工作原理增益介質(zhì)：系統(tǒng)傳輸光纖。工作原理：基于非線性光學(xué)效應(yīng)。如果一個(gè)弱信號(hào)光與一個(gè)強(qiáng)泵浦光同時(shí)在一根光纖中傳輸，強(qiáng)泵浦光產(chǎn)生拉曼效應(yīng)，弱信號(hào)光處在拉曼增益曲線內(nèi)；則弱信號(hào)光會(huì)得到放大，獲得喇曼增益。泵浦功率為200mW時(shí)，最大增益值為7.78dB泵浦功率為100mW時(shí)，最大增益值為3.6dB。在增益峰值附近的增益帶寬約為7-8THz。小信號(hào)光在長(zhǎng)光纖內(nèi)的喇曼增益后向泵浦的光纖分布式喇曼放大器，32個(gè)波長(zhǎng)的DWDM信號(hào)光和2個(gè)波長(zhǎng)的泵浦光在光纖中反向傳輸。在光纖的后半段，信號(hào)光功率電平已足夠低，所以不會(huì)產(chǎn)生光纖的非線性影響。光功率在傳輸光纖中的分布喇曼放大技術(shù)應(yīng)用分布式喇曼放大器不但能夠工作在EDFA常使用到的C波段（1530-1564nm）而且也能工作在波長(zhǎng)較短的S波段（1350-1450nm）和較長(zhǎng)的L波段（1564-1620nm），完全滿足全波光纖對(duì)工作窗口的要求。對(duì)于半導(dǎo)體光放大器(SOA,SemiconductorOpticalAmplifiers)的研究，早在1962年發(fā)明半導(dǎo)體激光器不久就已開(kāi)始了。然而，只有在上世紀(jì)80年代，在認(rèn)識(shí)到它將在光波系統(tǒng)中具有廣泛應(yīng)用前景的驅(qū)使下，才對(duì)SOA進(jìn)行了廣泛的研究和開(kāi)發(fā)。4.3.5半導(dǎo)體光放大器半導(dǎo)體光放大器的機(jī)理半導(dǎo)體光放大器的機(jī)理與激光器的相同，即通過(guò)受激發(fā)射放大入射光信號(hào)。光放大器只是一個(gè)沒(méi)有反饋的激光器，其核心是當(dāng)放大器被光或電泵浦時(shí)，使粒子數(shù)反轉(zhuǎn)獲得光增益。該增益通常不僅與入射信號(hào)的頻率（或波長(zhǎng)）有關(guān)，而