第4章光通信器件bak

第4章光通信器件光通信光源（LD和LED）光放大器光檢測器PD光無源器件光發(fā)射機：4.1半導體激光器在光纖通信中，將攜帶信息的電信號轉變?yōu)楣庑盘柺怯晒獍l(fā)射機來完成的。光發(fā)射機主要是由光源及其驅動電路以及一些輔助控制電路組成。光源實現(xiàn)從電信號到光信號的轉換，是光發(fā)射機及其光纖系統(tǒng)中的核心器件，它的性能直接關系到光纖通信系統(tǒng)的性能和指標。光纖通信系統(tǒng)中對光源的一般要求有：峰值波長，應在光纖低損耗窗口之內(nèi);功率：足夠高且穩(wěn)定，以滿足系統(tǒng)對光中繼段距離的要求;電光轉換效率：高，驅動功率低，壽命長，可靠性高;單色性和方向性好，以減少光纖的材料色散，提高光源和光纖的耦合效率；光纖通信系統(tǒng)中對光源的一般要求有：易于調(diào)制，響應速度快，以利于高速率、大容量數(shù)字信號的傳輸;強度噪聲要小，以提高模擬調(diào)制系統(tǒng)的信噪比;光強對驅動電流的線性要好，以保證有足夠多的模擬調(diào)制信道。光纖通信中最常用的光源是:

半導體激光器（LD）

發(fā)光二極管（LED）

LD尤其是單縱模（或單頻）LD，在高速率、大容量的數(shù)字光纖系統(tǒng)中得到廣泛應用； 近年來逐漸成熟的波長可調(diào)諧激光器是多信道WDM光纖通信系統(tǒng)的關鍵器件1.晶體能帶在大量原子相互靠近形成半導體晶體時，由于半導體晶體內(nèi)部電子的共有化運動，使孤立原子中離散能級變成能帶。半導體內(nèi)部自由運動的電子(簡稱自由電子)所填充的能帶稱為導帶；價電子所填充的能帶稱為價帶；導帶和價帶之間不允許電子填充，所以稱為禁帶，其寬度稱為禁帶寬度，用Eg表示，單位為電子伏特(eV)。4.1.1半導體激光器原理半導體的能帶結構2.費米能級費米能級：電子在能級E上的分布滿足費米-狄拉克分布，能級E被電子占據(jù)的幾率為： 式中Ef是費米能級的能量。對于本征半導體，費米能級處在價帶導帶中間；對于N型半導體，費米能級向導帶移動，甚至可以進入導帶；對于P型半導體，費米能級向價帶移動，甚至可以進入價帶。3.PN結的能帶4.1.2激光器的基本組成

一個激光器必須滿足三個基本條件（三個基本組成部分）：工作物質(zhì)：需要合適的工作介質(zhì)，合適的能級分布；泵浦源：實現(xiàn)工作物質(zhì)粒子數(shù)反轉分布的激勵能源；光學諧振腔：可以進行方向和頻率的選擇。以上三個條件稱為激光器的三要素。1）起振條件-閾值條件：由于光在諧振腔傳播時會有各種各樣的能量損失，而只有光的增益能超過這些損失時光波才能被放大，從而在腔內(nèi)振蕩起來。也就是說激光器必須滿足某個條件才能起振，這個條件即是閾值條件。2）穩(wěn)定振蕩條件-相位條件：光波是在諧振腔內(nèi)往復傳輸?shù)?，只有滿足特定的相位關系的光波才能得到彼此加強，這種條件稱為相位條件。 以上兩個條件稱為激光產(chǎn)生的充分條件。4.1.3半導體激光器的機理三要素工作介質(zhì)：二元化合物（GaAs）、三元化合物（GaAlAs）和四元化合物（GaInAsP）等。諧振腔：有解理面組成（F-P腔）；泵浦源：電流激勵、電子束激勵、光激勵等。多為電流激勵。光學諧振腔鍍有反射鏡面的光學諧振腔只有在特定的頻率內(nèi)能夠儲存能量，這種諧振腔就叫做法布里-珀羅（Fabry-Perot）光學諧振器。早期的LD諧振腔靠兩個解理面鍍膜實現(xiàn)，也有其他類型的諧振腔，如DFB激光器。它把光束閉鎖在腔體內(nèi)，使之來回反饋。當諧振腔內(nèi)的前向和后向光波發(fā)生相干時，就保持振蕩，形成和腔體端面平行的等相面駐波。在諧振腔里建立穩(wěn)定振蕩的條件在半導體激光器里，由兩個起反射鏡作用的晶體解理面構成的法布里珀羅諧振腔，它把光束閉鎖在腔體內(nèi)，使之來回反饋。當受激發(fā)射使腔體得到的放大增益等于腔體損耗時（閾值條件），并且諧振腔內(nèi)的前向和后向光波發(fā)生相干時（相干條件），就保持振蕩，形成等相面和腔體端面平行的駐波，然后穿透諧振腔的兩個端面，輸出譜線很窄的相干光束。相位條件閾值條件形成穩(wěn)定激光振蕩的條件：增益=腔體損耗LD的工作原理半導體激光器的輸出模式橫模：在X-Y平面內(nèi)可以形成穩(wěn)定分布的場；橫模特性決定光場的空間特性?？v模：在Z方向可以形成穩(wěn)定分布的場；決定頻譜特性。LD橫模：決定光場的空間特性近場圖案遠場光斑SW30o10o橫模光場：半導體激光器的增益頻譜相當寬（約10THz），在F-P諧振腔內(nèi)同時存在著許多縱模，但只有接近增益峰的縱模變成主模。在理想條件下，其它縱模不應該達到閾值，因為它們的增益總是比主模小。實際上，增益差相當小，主模兩邊相鄰的一、二個模與主模一起攜帶著激光器的大部分功率。這種激光器就稱作多模半導體激光器。發(fā)射主?？v模增益頻率gthg()w損耗增益w()w頻率增益gw0法布里-珀羅LD通常發(fā)射多個縱模的光縱模：（1）LD的P-I特性4、LD的工作特性（1）LD的P-I特性

P-I特性曲線整體而言，由于存在閾值現(xiàn)象，整體線性不如LED。（2）LD的光譜特性波長/nm-40-20402000.60.200.40.81.0相對光強波長/nm-0.4-0.20.40.200.60.200.40.81.0相對光強0.02nm(2~5)nm波長/nm-40-200.60.200.40.81.040200-6060相對光強l0GaAlAs:(30~50)nmInGaAsP:(60~120)nmDl1/2l0l0(a)

LED的光譜特性(b)多模LD的光譜特性(c)單模LD的光譜特性

（2）光譜特性

LD的光譜特性如圖所示。λ0為LD的峰值波長(典型值為0.85μm、1.31μm和1.55μm)；Δλ為譜線寬度，其定義為縱模包絡或主模光強度下降到最大值一半時對應的波長寬度。（3）溫度特性

與LED比較，溫度主要對LD的閾值電流、輸出光功率及峰值工作波長影響較大。

根本原因：溫度的變化會引起禁帶寬度的變化和折射率的變化。

從而引起上述物理量的變化。溫度對輸出功率的影響通過一個外加的自動溫度控制電路，使LD的溫度特性能夠滿足系統(tǒng)的要求。（4）調(diào)制特性-模擬（4）調(diào)制特性-數(shù)字

半導體激光器是光纖通信的理想光源，但在高速脈沖調(diào)制下，其瞬態(tài)特性仍會出現(xiàn)許多復雜現(xiàn)象，如常見的電光延遲、張弛振蕩和自脈動現(xiàn)象。這些特性嚴重限制系統(tǒng)傳輸速率和通信質(zhì)量，因此在電路的設計時要給予充分考慮。（4）調(diào)制特性電光延遲和張弛振蕩現(xiàn)象

半導體激光器在高速脈沖調(diào)制下，輸出光脈沖瞬態(tài)響應波形如圖所示。輸出光脈沖和注入電流脈沖之間存在一個初始延遲時間，稱為電光延遲時間td，其數(shù)量級一般為ns。

張弛振蕩和電光延遲的后果是限制調(diào)制速率。

當最高調(diào)制頻率接近張弛振蕩頻率時，波形失真嚴重，會使光接收機在抽樣判決時增加誤碼率，因此實際使用的最高調(diào)制頻率應低于張弛振蕩頻率。當電流脈沖注入激光器后，輸出光脈沖會出現(xiàn)幅度逐漸衰減的振蕩，稱為張弛振蕩，其振蕩頻率一般為0.5-2GHz。這些特性與激光器有源區(qū)的電子自發(fā)復合壽命和諧振腔內(nèi)光子壽命以及注入電流初始偏差量有關。碼型效應

當電光延遲時間td與數(shù)字調(diào)制的碼元持續(xù)時間T/2為相同數(shù)量級時，會使“0”碼過后的第一個“1碼的脈沖寬度變窄，幅度減小，嚴重時可能使單個“１”碼丟失，這種現(xiàn)象稱為“碼型效應”。12電脈沖光脈沖2ns5ns2ns（a)、(b)碼型效應波形；（c）改善后波形(a)(b)(c)自脈動現(xiàn)象

某些激光器在脈沖調(diào)制甚至直流驅動下，當注入電流達到某個范圍時，輸出光脈沖出現(xiàn)持續(xù)等幅的高頻振蕩，這種現(xiàn)象稱為自脈動現(xiàn)象。自脈動頻率可達2GHz，嚴重影響LD的高速調(diào)制特性。電脈沖光脈沖自脈動現(xiàn)象是激光器內(nèi)部不均勻增益或不均勻吸收產(chǎn)生的，往往和LD的P-I曲線的非線性有關,自脈動發(fā)生的區(qū)域和P-I曲線扭折區(qū)域相對應。普通LD-同軸封裝5、激光器的封裝LD外形圖4.3半導體發(fā)光二極管與激光二極管LD結構內(nèi)視圖光纖密封窗口準直鏡制冷器激光器芯片光電管包裝外殼熱敏電阻非對稱準直透鏡光隔離器同質(zhì)結半導體激光器異質(zhì)結半導體激光器量子阱激光器分布反饋激光器(DFB)垂直腔表面發(fā)射激光器(VCSEL)各種結構的半導體激光器不同結構的LD同質(zhì)結構只有一個簡單P-N結，且P區(qū)和N區(qū)都是同一物質(zhì)的半導體激光器。該激光器閾值電流密度太大，工作時發(fā)熱非常嚴重，只能在低溫環(huán)境、脈沖狀態(tài)下工作。為了提高激光器的功率和效率，降低同質(zhì)結激光器的閾值電流，人們研究出了異質(zhì)結的半導體激光器。1、同質(zhì)結構LD2、異質(zhì)結半導體激光器為了提高LD的功率和效率，降低同質(zhì)結LD的閾值電流，人們研究出了異質(zhì)結LD所謂“異質(zhì)結”，就是由兩種不同材料（例如GaAs

和GaAlAs

）構成的P-N結。在雙異質(zhì)結構中，有三種材料，有源區(qū)被禁帶寬度大、折射率較低的介質(zhì)材料包圍。這種結構形成了一個像光纖波導的折射率分布，限制了光波向外圍的泄漏，使閾值電流降低，發(fā)熱現(xiàn)象減輕，可在室溫狀態(tài)下連續(xù)工作。異質(zhì)結半導體激光器結構同質(zhì)結、雙異質(zhì)結LD能級圖及光子密度分布的比較3、量子阱激光器除雙異質(zhì)結LD對載流子進行限制外，還有另外一種完全不同的對載流子限制的方式。這就是對電子或空穴允許占據(jù)能量狀態(tài)的限制，這種激光器叫做量子阱激光器。它具有閾值低，線寬窄，微分增益高，以及對溫度不敏感，調(diào)制速度快和增益曲線容易控制等許多優(yōu)點。量子阱(QW)LD量子阱LD示意圖4、分布反饋激光器(DFB)DFB激光器是單縱模(SLM)LD，即頻譜特性只有一個縱模（譜線）的LD。SLMLD與法布里-珀羅LD相比，它的諧振腔損耗與模式有關，即對不同的縱模具有不同的損耗。這是通過改進結構設計，使DFBLD內(nèi)部具有一個對波長有選擇性的衍射光柵，從而使只有滿足布拉格波長條件的光波才能建立起振蕩。SLMLD與F-PLD相比，它的諧振腔損耗與模式有關，即對不同的縱模具有不同的損耗。增益和損耗曲線增益曲線首先和模式具有最小損耗的曲線接觸的模開始起振，并且變成主模。其它相鄰模式由于其損耗較大，不能達到閾值，因而也不會從自發(fā)輻射中建立起振蕩。DFBLD的分類分布反饋激光器

DFB:DistributedFeedBack分布布拉格反射激光器

DBR:DistributedBraggReflector布拉格Bragg（1890~1971）澳大利亞出生的英國物理學家，25歲時發(fā)明了有名的布拉格方程，獲得了諾貝爾獎DFBLD的諧振腔損耗與模式有關，即對不同的縱模具有不同的損耗。這是通過改進結構設計，使DFBLD內(nèi)部具有一個對波長有選擇性的衍射光柵，從而使只有滿足布拉格波長條件的光波才能建立起振蕩。DFBLD結構及其原理DBRLD結構及其原理DBR激光器除有源區(qū)外，還在緊靠其右側增加了一段分布式布拉格反射器，它起著衍射光柵的作用。DBR激光器的輸出是反射光相長干涉的結果。只有當波長等于兩倍光柵間距時，反射波才相互加強，發(fā)生相長干涉。例如當部分反射波A和B具有路程差2時，它們才發(fā)生相長干涉。5、垂直腔表面發(fā)射激光器垂直腔表面發(fā)射激光器（VCSEL,VerticalCavitySurfaceEmittingLaser）光發(fā)射方向與腔體垂直，而不是像普通激光器那樣，與腔體平行。這種激光器的光腔軸線與注入電流方向相同。VCSEL激光器示意圖VCSEL激光器工作原理多層電介質(zhì)鏡工作原理所有從前后相挨的兩個界面上反射的波都具有相長干涉的特性，經(jīng)過幾層這樣的反射后，透射光強度將很小，而反射系數(shù)將達到1。2n入射光反射光透射光AB1n2n>1nC12121n2n透射光4/2l4/1l(a)對反射光相長干涉的原理1550330770lol(nm)反射系數(shù)0(b)反射系數(shù)與波長的關系有源層很薄，所以閾值電流很小，僅為0.1mA左右，工作電流也僅為幾個mA。器件體積小，降低了時間參數(shù)，適用于高速調(diào)制系統(tǒng)。不需要解理面切割就能工作，制造簡單，成本低。因為腔體高度小，可以實現(xiàn)單縱模輸出。腔體直徑只有幾個微米，屬于微型激光器，可以做成激光器列陣，在光互連與光計算技術中會有廣泛的應用。VCSEL激光器陣列半導體發(fā)光二極管與激光二極管半導體發(fā)光二極管(Light-emittingDiode，LED)基本應用GaAlAs和InGaAsP材料，可以覆蓋整個光纖通信系統(tǒng)使用波長范圍，典型值為0.85μm、1.31μm及1.55μm。通過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。在構成半導體晶體的原子內(nèi)部，存在著不同的能帶。如果占據(jù)高能帶（導帶）的電子躍遷到低能帶（價帶）上，就將其間的能量差（禁帶能量）以光的形式放出。這時發(fā)出的光，其波長基本上由能帶差所決定。4.2半導體發(fā)光二極管(LED)在構成半導體晶體的原子內(nèi)部，存在著不同的能帶；如果占據(jù)高能帶（導帶）的電子躍遷到低能帶（價帶）上，就將其間的能量差（禁帶能量）以光的形式放出；這時發(fā)出的光，其波長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，沒有諧振腔對波長的選擇，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系注入電流較小時，線性度好；注入電流較大時，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：方法簡單，效率較低。透鏡耦合：可以根據(jù)光源做不同的結構，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動電路光源組件光檢測器組件放大電路電接口電信號輸入光發(fā)送機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電信號輸出光纖光纜4.3光放大器光-電-光轉換中繼器結構l1l2lN...光纖l1l2lN光解復用...O/EADME/O光復用l1l2lN...l1l2lN...光纖光電中繼全光中繼光放大器的結構工作介質(zhì)泵浦光源輸入信號輸出信號工作介質(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)；當有信號光入射時，由于受激輻射，信號光將得到放大；只要泵浦的能量足夠強，信號光就可以得到連續(xù)放大，工作介質(zhì)起到能量傳遞的作用。放大器分類

不同類型的工作介質(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，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，泵浦源為半導體激光器；最常用的是摻鉺光纖放大器（EDFA）。非線性光學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，利用非線性效應對光進行放大。典型代表是SRS（受激拉曼）光纖放大器。半導體光放大器工作介質(zhì)是半導體材料，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程中被摻入光纖芯中，使用泵浦光直接對光信號放大，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已相當成熟，其性能相當優(yōu)良，已可以提供實際使用。放大器的特性，如工作波長、帶寬由摻雜介質(zhì)所決定。摻鉺光纖放大器因為工作波長在靠近光纖損耗最小的1.55m波長區(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鍵器件，EDF的增益取決于Er3+的濃度、光纖長度和直徑以及泵浦光功率等多種因素，通常由實驗獲得最佳增益。把泵浦光與信號光耦合在一起的波分復用器和置于兩端防止光反射的光隔離器也是不可缺少的。對泵浦光源的基本要求是大功率和長壽命。前向泵浦結構后向泵浦結構雙向泵浦結構單級放大中常用的三種泵浦結構常用結構前向泵浦：信號光與泵浦光以同一方向進入摻餌光纖，在摻鉺光纖的輸入端泵浦光較強，其增益系數(shù)大，信號一進入光纖即得到較強的放大。但由于吸收泵浦光將沿光纖長度而衰減，使在一定的光纖長度上達到增益飽和而使噪聲增加。前向泵浦的優(yōu)點是結構簡單、噪聲性能較好。后向泵浦：信號光與泵浦光從兩個不同的方向進入摻餌光纖。優(yōu)點是：當光信號放大到很強時，泵浦光也強，不易達到飽和，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，使用雙泵浦源，兩個泵浦源從兩個相反方向進入摻餌光纖。這種方式結合了同向泵浦和反向泵浦的優(yōu)點，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，且放大特性與信號傳輸方向無關。多級光纖放大器結構——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波長具有很高的增益，正對應低損耗第三通信窗口，由于其潛在的應用價值，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由圖可見，能量從泵浦光轉換成信號光的效率很高，因此EDFA很適合作功率放大器。泵浦光功率轉換為輸出信號光功率的效率為92.6%，60mW功率泵浦時，吸收效率為88%。輸出信號功率與泵浦功率的關系：EDFA的特性EDFA增益特性EDFA的增益與鉺離子濃度、摻鉺光纖長度、芯經(jīng)和泵浦功率有關。增益G定義為輸出光功率與輸入信號光功率之比的分貝數(shù)：理想的放大器，不管輸入功率多大，光信號都能按同一比例放大，實際的放大器并非如此，如下圖，會出現(xiàn)增益飽和現(xiàn)象。EDFA的特性增益頻譜3dB譜寬定義為Gsmax-3dB對應的兩個波長之差。增益平坦性：不同信號放大增益平坦性也不同，通過上圖可以看出大信號增益時平坦性較好。EDFA的特性0-1010302040增益02468102015105mL=(mW)泵浦功率(dB)小信號增益和泵浦功率的關系對于給定的放大器長度L，放大器增益最初隨泵浦功率按指數(shù)函數(shù)增加，但是當泵浦功率超過一定值后，增益的增加就減小EDFA的特性對于給定的泵浦功率，放大器的最大增益對應一個最佳光纖長度，并且當超過這個最佳值后很快降低。其原因是鉺光纖的剩余部分沒有被泵浦，反而吸收了已放大的信號。因此，選擇合適的光纖長度與泵浦功率在放大器的設計中非常重要。小信號增益和光纖長度的關系EDFA的特性3、EDFA的噪聲指數(shù)EDFA的特性EDFA泵浦功率對噪聲指數(shù)的影響該圖表示泵浦功率對放大器噪聲指數(shù)影響的模擬結果。數(shù)值計算表明，強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，與放大器長度和泵浦功率有關。EDFA的特性摻鉺光纖放大器的優(yōu)點(1)

工作波長：恰好落在光纖通信的最佳波長區(qū)(1500nm)；(2)因為EDFA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，可進行多信道傳輸，便于擴大傳輸容量，從而節(jié)省成本費用;(5)所需泵浦功率較低(數(shù)十毫瓦)，泵浦效率卻相當高；(6)在多信道應用中可進行無串話傳輸；(7)放大器中只有低速電子裝置和幾個無源器件，結構簡單，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，因此可大大減小遠供電流，從而降低了對海纜的電阻和絕緣性能的要求。EDFA的應用

原則上講只要需要光放大的地方都可以用EDFA，在實際的光纖鏈路當中，EDFA主要用于一下幾個方面：作為線路中繼器作為接收機前置放大器作為光發(fā)射機的后置放大作為光無源器件的補償放大器

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，科學家們在尋求一種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

物理機制：

分子間的相對運動導致分子電偶極矩隨時間的周期性調(diào)制，這些分子振動調(diào)制信號光后產(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。普通拉曼散射過程屬于自發(fā)散射過程，產(chǎn)生的散射光十分微弱；但是當強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過程可以看作是物質(zhì)分子對光子的散射過程，或者說光子與分子諧振子相互作用的過程。

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。其過程如下圖所示：當激光束進入介質(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)生一個光學聲子，這個非彈性過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，它具有高強度，高方向性，具有閾值特性，通過介質(zhì)時還將獲得增益。 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)，對于二氧化硅玻璃，新峰值頻率比光載頻低13THz。換言之，當信號波長為1.55μm時，將在1.65μm處產(chǎn)生新的波長。泵浦波長為1.0um時光纖的拉曼增益譜 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光相互作用的長度，從而也就減小了泵浦噪聲對信號的影響，所以通常采用后向泵浦。光纖分布式喇曼放大器（DRA）結構--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：基于非線性光學效應。如果一個弱信號光與一個強泵浦光同時在一根光纖中傳輸，強泵浦光產(chǎn)生拉曼效應，弱信號光處在拉曼增益曲線內(nèi)；則弱信號光會得到放大，獲得喇曼增益。泵浦功率為200mW時，最大增益值為7.78dB泵浦功率為100mW時，最大增益值為