光纤通信有源器.ppt

《光纤通信有源器.ppt》由会员分享，可在线阅读，更多相关《光纤通信有源器.ppt（91页珍藏版）》请在淘文阁 - 分享文档赚钱的网站上搜索。

1、第第5章光纤通信章光纤通信-有源器件有源器件光纤技术专题光纤技术专题专题一：半导体激光器、半导体专题一：半导体激光器、半导体专题一：半导体激光器、半导体专题一：半导体激光器、半导体发发发发光二极管光二极管光二极管光二极管p61p61专题二：光纤激光器专题二：光纤激光器专题二：光纤激光器专题二：光纤激光器专题三：光纤专题三：光纤专题三：光纤专题三：光纤放大器放大器放大器放大器p76p76半导体激光器半导体激光器 半导体激光器是以一定的半导体材料做工作物质而产生半导体激光器是以一定的半导体材料做工作物质而产生受激发射作用的器件。其工作原理是，通过一定的激励方式，受激发射作用的器件。其工作原理是，通

2、过一定的激励方式，在半导体物质的能带在半导体物质的能带(导带与价带导带与价带)之间，或者半导体物质的之间，或者半导体物质的能带与杂质能带与杂质(受主或施主受主或施主)能级之间，实现非平衡载流子的能级之间，实现非平衡载流子的粒粒子数反转子数反转，当处于粒子数反转状态的大量电子与空穴复合时，当处于粒子数反转状态的大量电子与空穴复合时，便产生受激发射作用。便产生受激发射作用。半导体激光器半导体激光器 半导体激光器的激励方式主要有三种，即电注入式，光半导体激光器的激励方式主要有三种，即电注入式，光泵式和高能电子束激励式。电注入式半导体激光器，一般是泵式和高能电子束激励式。电注入式半导体激光器，一般是由

3、由GaAs(砷化镓砷化镓)，InAs(砷化铟砷化铟)，InSb(锑化铟锑化铟)等材料制成的等材料制成的半导体面结型二极管，沿正向偏压注入电流进行激励，在结半导体面结型二极管，沿正向偏压注入电流进行激励，在结平面区域产生受激发射。光泵式半导体激光器，一般用平面区域产生受激发射。光泵式半导体激光器，一般用N型型或或P型半导体单晶型半导体单晶(如如GaAs,InAs,InSb等等)做工作物质，以其他做工作物质，以其他激光器发出的激光作光泵激励。高能电子束激励式半导体激激光器发出的激光作光泵激励。高能电子束激励式半导体激光器，一般也是用光器，一般也是用N型或者型或者P型半导体单晶型半导体单晶(如如Pb

4、S，CdS，ZnO等等)做工作物质，通过由外部注入高能电子束进行激励。做工作物质，通过由外部注入高能电子束进行激励。在半导体激光器件中，目前性能较好，应用较广的是具有双在半导体激光器件中，目前性能较好，应用较广的是具有双异质结异质结构的电注入式构的电注入式GaAs二极管激光器。二极管激光器。半导体激光器半导体激光器半导体激光器发展现状半导体激光器发展现状 半导体激光器又称半导体激光器又称激光二极管激光二极管(LD)。进入八十年代，人们吸收了半。进入八十年代，人们吸收了半导体物理发展的最新成果，采用了量子阱导体物理发展的最新成果，采用了量子阱(QW)和应变量子阱和应变量子阱(SL-QW)等等新颖

5、性结构，引进了折射率调制新颖性结构，引进了折射率调制Bragg发射器以及增强调制发射器以及增强调制Bragg发射器发射器最新技术，同时还发展了最新技术，同时还发展了MBE、MOCVD及及CBE等晶体生长技术新工艺，等晶体生长技术新工艺，使得新的外延生长工艺能够精确地控制晶体生长，达到原子层厚度的精使得新的外延生长工艺能够精确地控制晶体生长，达到原子层厚度的精度，生长出优质量子阱以及应变量子阱材料。制作出的度，生长出优质量子阱以及应变量子阱材料。制作出的LD，其阈值电流，其阈值电流显著下降，转换效率大幅度提高，输出功率成倍增长，使用寿命也明显显著下降，转换效率大幅度提高，输出功率成倍增长，使用寿

6、命也明显加长。加长。用于信息技术领域的小功率用于信息技术领域的小功率LD发展极快。例如用于光纤通信及光交发展极快。例如用于光纤通信及光交换系统的换系统的分布反馈分布反馈(DFB)和动态单模和动态单模LD、窄线宽可调谐、窄线宽可调谐DFB-LD、用于光、用于光盘等信息处理技术领域的可见光波长盘等信息处理技术领域的可见光波长(如波长为如波长为670nm、650nm、630nm的红光到蓝绿光的红光到蓝绿光)LD、量子阱、量子阱面发射激光器面发射激光器以及超短脉冲以及超短脉冲LD等都得到实等都得到实质性发展。这些器件的发展特征是：单频窄线宽、高速率、可调谐以及质性发展。这些器件的发展特征是：单频窄线宽

7、、高速率、可调谐以及短波长化和光电单片集成化等。短波长化和光电单片集成化等。半导体激光器发展现状半导体激光器发展现状 高功率高功率LD 1983年，波长年，波长800nm的单个的单个LD输出功率已超过输出功率已超过100mW，到了，到了1989年，年，0.1mm条宽的条宽的LD则达到则达到3.7W的连续输出，而的连续输出，而1cm线阵线阵LD已达到已达到76W输出，输出，转换效率达转换效率达39%。1992年，美国人又把指标提高到一个新水平：年，美国人又把指标提高到一个新水平：1cm线阵线阵LD连续波输出功率达连续波输出功率达121W，转换效率为，转换效率为45%。现在，输出功率为。现在，输出

8、功率为120W、1500W、3kW等诸多高功率等诸多高功率LD均已面世。高效率、高功率均已面世。高效率、高功率LD及其列阵的及其列阵的迅速发展也为全固化激光器，亦即半导体激光泵浦迅速发展也为全固化激光器，亦即半导体激光泵浦(LDP)的的固体激光器固体激光器的的迅猛发展提供了强有力的条件。迅猛发展提供了强有力的条件。近年来，为适应近年来，为适应EDFA和和EDFL等需要，波长等需要，波长980nm的大功率的大功率LD也有也有很大发展。最近配合光纤很大发展。最近配合光纤Bragg光栅作选频滤波，大幅度改善其输出稳定光栅作选频滤波，大幅度改善其输出稳定性，泵浦效率也得到有效提高。性，泵浦效率也得到有

9、效提高。特点及应用范围特点及应用范围 半导体二极管激光器是实用中最重要的一类激光半导体二极管激光器是实用中最重要的一类激光器。它体积小、寿命长，并可采用简单的注入电流的器。它体积小、寿命长，并可采用简单的注入电流的方式来泵浦其工作电压和电流与集成电路兼容，因而方式来泵浦其工作电压和电流与集成电路兼容，因而可与之单片集成。并且还可以用高达可与之单片集成。并且还可以用高达GHz的频率直接的频率直接进行电流调制以获得高速调制的激光输出。由于这些进行电流调制以获得高速调制的激光输出。由于这些优点，半导体二极管激光器在激光通信、优点，半导体二极管激光器在激光通信、光存储光存储、光、光陀螺、激光打印、测距

10、以及雷达等方面以及获得了广陀螺、激光打印、测距以及雷达等方面以及获得了广泛的应用。泛的应用。半导体发光二极管半导体发光二极管 半导体发光二极管半导体发光二极管(light emitting diode，LED)发射的是发射的是自发辐射光（非相干光）。大多采用双异自发辐射光（非相干光）。大多采用双异质结结构，把有源层夹在质结结构，把有源层夹在P P型和型和N N型限制层间，但没型限制层间，但没有光学谐振腔，故无阈值。有光学谐振腔，故无阈值。LEDLED分为正面发光型和侧分为正面发光型和侧面发光型，侧面发光型面发光型，侧面发光型LEDLED的驱动电流较大，输出光的驱动电流较大，输出光功率小，但光束

11、发射角小，与光纤的耦合效率高，功率小，但光束发射角小，与光纤的耦合效率高，故入纤光功率比正面发光型故入纤光功率比正面发光型LEDLED高。高。半导体发光显示器件（半导体发光显示器件（LED）What is LED?Light emitting diodes,commonly called LEDs,are used for dozens of different applications and are found in all kinds of devices(digital clocks,remote controls,light up watches and tell turned on

12、 indicator).Television screenP-N结发光原理 发光二极管的基本结构发光二极管的基本结构球透镜环氧树脂P层有源层N层发光区(a)正面发光型微透镜P型限制层有源层波导层N型限制层(b)侧面发光型LED的光谱特性的光谱特性 发发光光二二极极管管发发射射的的是是自自发发辐辐射射光光，没没有有光光学学谐谐振振腔腔对对波波长长的的选选择择，谱谱线线宽宽，短短波波 长长 LED谱谱 线线宽宽 度度 为为 3050nm。长长波波长长LED的的 谱谱 线线 宽宽度度 为为 6 120nm。LEDLED的输出光功率特性的输出光功率特性正面发光侧面发光电流I/mA 发射光功率 P/mw

13、0 100 200 300 400 500 LED的的一一般般外外量量子子效效率率小小于于10%，驱驱动动电电流流较较小小时时，P-I特特性性呈呈线线性性，I过过大大时时，由由于于PN结结发发热热产产生生饱饱和和现现象象，使使P-I特特性性曲曲线线斜斜率率减减小小。通通常常LED的的工工作作电电流流为为50100mA，输输出出光光功功率率为为几几mW，由由于发光光束辐射角大，入纤光功率只有几百于发光光束辐射角大，入纤光功率只有几百W。LED光源的特点光源的特点 电压：电压：LED使用低压电源，供电电压在使用低压电源，供电电压在6-24V之间，根据产品之间，根据产品不同而异，它是一个比使用高压电

14、源更安全的电源，特别适不同而异，它是一个比使用高压电源更安全的电源，特别适用于公共场所。用于公共场所。效能：消耗能量较同光效的白炽灯减少效能：消耗能量较同光效的白炽灯减少80%。适用性：很小，每个单元适用性：很小，每个单元LED小片是小片是3-5mm的正方形，所以的正方形，所以可以制备成各种形状的器件，并且适合于易变的环境可以制备成各种形状的器件，并且适合于易变的环境 稳定性：稳定性：10万小时，光衰为初始的万小时，光衰为初始的50%。响应时间：其白炽灯的响应时间为毫秒级，响应时间：其白炽灯的响应时间为毫秒级，LED灯的响应时灯的响应时间为纳秒级。间为纳秒级。对环境污染：无有害金属汞对环境污染

15、：无有害金属汞。颜色：改变电流可以变色，发光二极管方便地通过化学修饰颜色：改变电流可以变色，发光二极管方便地通过化学修饰方法，调整材料的能带结构和带隙，实现红黄绿兰橙多色发方法，调整材料的能带结构和带隙，实现红黄绿兰橙多色发光。如小电流时为红色的光。如小电流时为红色的LED，随着电流的增加，可以依次，随着电流的增加，可以依次变为橙色，黄色，最后为绿色。变为橙色，黄色，最后为绿色。价格：价格：LED的价格比较昂贵，较之于白炽灯，几只的价格比较昂贵，较之于白炽灯，几只LED的价的价格就可以与一只白炽灯的价格相当，而通常每组信号灯需由格就可以与一只白炽灯的价格相当，而通常每组信号灯需由上上30050

16、0只二极管构成。只二极管构成。单色光单色光LED的种类及其发展历史的种类及其发展历史最早应用半导体最早应用半导体P-N结发光原理制成的结发光原理制成的LED光源问世于光源问世于20世纪世纪60年代初。当时所用的材料是年代初。当时所用的材料是GaAsP，发红光，发红光（=650nm），在驱动电流为），在驱动电流为20毫安时，光通量只有千分毫安时，光通量只有千分之几个流明，相应的发光效率约之几个流明，相应的发光效率约0.1流明流明/瓦。瓦。70年代中期，引入元素年代中期，引入元素In和和N，使，使LED产生绿光产生绿光（=555nm），黄光（），黄光（=590nm）和橙光（）和橙光（=610nm）

17、，），光效也提高到光效也提高到1流明流明/瓦。瓦。到了到了80年代初，出现了年代初，出现了GaAlAs的的LED光源，使得红色光源，使得红色LED的光效达到的光效达到10流明流明/瓦。瓦。90年代初，发红光、黄光的年代初，发红光、黄光的GaAlInP和发绿、蓝光的和发绿、蓝光的GaInN两种新材料的开发成功，使两种新材料的开发成功，使LED的光效得到大幅度的光效得到大幅度的提高。在的提高。在2000年，前者做成的年，前者做成的LED在红、橙区在红、橙区（=615nm）的光效达到）的光效达到100流明流明/瓦，而后者制成的瓦，而后者制成的LED在绿色区域（在绿色区域（p=530nm）的光效可以达

18、到）的光效可以达到50流明流明/瓦。瓦。单色光单色光LED应用应用最初最初LED用作仪器仪表的指示光源，后来各种用作仪器仪表的指示光源，后来各种光色的光色的LED在交通信号灯和大面积显示屏中得在交通信号灯和大面积显示屏中得到了广泛应用，产生了很好的经济效益和社会到了广泛应用，产生了很好的经济效益和社会效益。以效益。以12英寸的红色交通信号灯为例，在美英寸的红色交通信号灯为例，在美国本来是采用长寿命，低光效的国本来是采用长寿命，低光效的140瓦白炽灯瓦白炽灯作为光源，它产生作为光源，它产生2000流明的白光。经红色滤流明的白光。经红色滤光片后，光损失光片后，光损失90%，只剩下，只剩下200流明

19、的红光。流明的红光。而在新设计的灯中，而在新设计的灯中，Lumileds公司采用了公司采用了18个个红色红色LED光源，包括电路损失在内，共耗电光源，包括电路损失在内，共耗电14瓦，即可产生同样的光效。瓦，即可产生同样的光效。单色光单色光LED应用应用汽车信号灯也是汽车信号灯也是LED光源应用的重要领域。光源应用的重要领域。1987年，我国开始在汽车上安装高位刹车灯，年，我国开始在汽车上安装高位刹车灯，由于由于LED响应速度快（纳秒级），可以及早让响应速度快（纳秒级），可以及早让尾随车辆的司机知道行驶状况，减少汽车追尾尾随车辆的司机知道行驶状况，减少汽车追尾事故的发生。事故的发生。另外，另外，

20、LED灯在室外红、绿、蓝全彩广告显示灯在室外红、绿、蓝全彩广告显示屏得到了广泛的应用。屏得到了广泛的应用。360LED环型显示器环型显示器一个城市，仅一个世贸中心西部第一高：市民游人共同关注的标志位置都市新地标：国内外大品牌汇集的中心区域解放碑CBD：巧妙融合了经济和文化于一体视觉新融点：唯一人流与车流结合的大彩屏高端受众体：吸收的远非人车流量且有质量品牌彰显体：真正四量拨千斤的大品牌载体世贸大厦世贸大厦LED鸟瞰图鸟瞰图白色LED照明灯地砖灯礼品灯手电筒光纤激光器的发展现状光纤激光器的发展现状激光器和光纤激光器的基本原理激光器和光纤激光器的基本原理几种实用型光纤激光器几种实用型光纤激光器激光

21、器的基本原理激光器的基本原理激光器的基本原理激光器的基本原理是光受激辐射的放是光受激辐射的放大大激光器的三个组成激光器的三个组成部分：泵浦源，工部分：泵浦源，工作作物质物质，谐振腔，谐振腔短脉冲激光器的产短脉冲激光器的产生：锁模技术生：锁模技术非轴向模非轴向模轴向模轴向模光谐振腔的选模作用光谐振腔的选模作用光纤激光器的基本原理光纤激光器的基本原理光纤激光器的基本光纤激光器的基本结构光纤激光器中结构光纤激光器中的工作的工作物质物质是掺杂是掺杂光纤，光纤环是谐光纤，光纤环是谐振腔，一般采用半振腔，一般采用半导体激光器泵浦导体激光器泵浦光纤激光器的优点光纤激光器的优点短脉冲光纤激光器：短脉冲光纤激光

22、器：高速短脉冲光纤激高速短脉冲光纤激光器，超短脉冲光光器，超短脉冲光纤激光器纤激光器掺铒光纤掺铒光纤隔离器隔离器波分复用器波分复用器980nm980nm泵浦泵浦几种实用的光纤激光器几种实用的光纤激光器大功率双掺杂光纤激光器大功率双掺杂光纤激光器窄线宽光纤激光器窄线宽光纤激光器短脉冲光纤激光器短脉冲光纤激光器大功率光纤激光器大功率光纤激光器实现大功率输出实现大功率输出的主要技术的主要技术 采用包层泵浦技采用包层泵浦技术，采用特种光术，采用特种光纤作为增益介质，纤作为增益介质，同时采用特种材同时采用特种材料制造光纤料制造光纤大功率光纤激光大功率光纤激光器的应用器的应用 激光加工，激光激光加工，激光

23、医疗和军事医疗和军事大功率双掺杂光纤激光器大功率双掺杂光纤激光器 1英国英国SPI公司的大功率公司的大功率光纤激光器光纤激光器redPOWERTM 高功率高功率光纤激光模块光纤激光模块-1550nm 输出最大可达输出最大可达 4W，波，波长长1.5 mredPOWERTM 紧凑激紧凑激光模块光模块(2W-10W)最大输出可达最大输出可达10W，波，波长长1m大功率双掺杂光纤激光器大功率双掺杂光纤激光器 2俄罗斯俄罗斯IPG公司的大功公司的大功率光纤激光器率光纤激光器YLR-SM Series100W to 1.5kW output Optical Power1060 to 1080nm Wav

24、elength Range100khrs Estimated Pump Diode MTBF光纤激光器打标系统光纤激光器打标系统大功率双包层光纤大功率双包层光纤激光器打标系统的激光器打标系统的光路图光路图JDS Uniphases Continuous Wave(CW)Fiber Laser Marking(FLM)System 光纤激光器打标系统的应用光纤激光器打标系统的应用 1激光雕刻，右图为激光雕刻，右图为激光雕刻的示意图激光雕刻的示意图下图为激光雕刻的下图为激光雕刻的图形图形光纤激光器打标系统的应用光纤激光器打标系统的应用 2光纤激光器可以用于光纤激光器可以用于材料的改性，右图为材料的

25、改性，右图为示意图示意图下图为材料改性的例下图为材料改性的例子子光纤激光器打标系统的应用光纤激光器打标系统的应用 3大功率光纤激光大功率光纤激光器可以用于激光器可以用于激光切割和剥离。右切割和剥离。右图为示意图图为示意图下图为剥离出来下图为剥离出来的图形的图形连续激光和脉冲激光打标的比较连续激光和脉冲激光打标的比较下图左图为连续打标系统的效果，右图下图左图为连续打标系统的效果，右图为脉冲激光打标系统的效果。为脉冲激光打标系统的效果。光纤激光器和其它激光器比较光纤激光器和其它激光器比较和二氧化碳激光器比较和二氧化碳激光器比较可以有更高峰值功率脉可以有更高峰值功率脉冲激光，可以加工的材冲激光，可以

26、加工的材料种类更多料种类更多使用方便，采用光纤传使用方便，采用光纤传输可以有更大的扫描范输可以有更大的扫描范围围能量转换效率高，光纤能量转换效率高，光纤激光器的电光转换效率激光器的电光转换效率为为25，而二氧化碳激，而二氧化碳激光器只有光器只有5光束质量好光束质量好和和YAG激光器比较激光器比较光光转换效率高，光纤光光转换效率高，光纤激光器的转换效率为激光器的转换效率为70，YAG只有只有20使用寿命长，使用寿命长，无需复杂的冷却系统。无需复杂的冷却系统。容易调节容易调节光纤传输，不怕污染，光纤传输，不怕污染，光束质量好光束质量好光纤激光器与光纤激光器与YAG固体激光器的比较固体激光器的比较窄

27、线宽光纤激光器窄线宽光纤激光器实现窄线宽的相关技术实现窄线宽的相关技术 主要采用光纤光栅或者主要采用光纤光栅或者光纤光纤F-P干涉仪等滤波干涉仪等滤波器进行线宽压缩器进行线宽压缩窄线宽光纤激光器的应窄线宽光纤激光器的应用用 窄线宽光纤激光器的相窄线宽光纤激光器的相关长度长，在相关光通关长度长，在相关光通信系统，光纤传感系统，信系统，光纤传感系统，光学测量系统有很好的光学测量系统有很好的应用前景。应用前景。DBR型窄线宽光纤激光器型窄线宽光纤激光器窄线宽光纤激光器窄线宽光纤激光器 1NP Photonics 公司的窄公司的窄线宽光纤激光器线宽光纤激光器Very narrow linewidth(

28、long coherent length)20mW高高速速短短脉脉冲冲光光源源对对于于光光时时分分复复用用系系统统，光光学学取取样技术等有重要的意义，样技术等有重要的意义，超短脉冲光纤激光器超短脉冲光纤激光器 1美国美国Calmar公司飞秒光公司飞秒光纤激光器。纤激光器。FPL-0X-XX 波长范围：波长范围：1535-1560 nm可调或范围内固定可调或范围内固定重重 复复 频频 率率：20M或或 10-50M可调，可调，脉脉 宽宽：100fs-1000fs可可调调或或范范围围内内固固定定，平平均均输出功率：输出功率：50-100mW超超短短脉脉冲冲光光源源可可以以用用做做大大型型激激光光系

29、系统统的的种种子子光光源源，同同时时在在时时间间定定标标等等领域有重要的应用领域有重要的应用超短脉冲光纤激光器超短脉冲光纤激光器 2IPG 公司的飞秒光纤激公司的飞秒光纤激光器光器Up to 50kW Peak Power100,000hrs Pump Diodes Life宽带宽带ASEASE光源光源ASE光源的概念光源的概念 ASE是英文是英文Amplified Spontaneous Emission的缩写。激光器在形成激射之前，自发辐射的缩写。激光器在形成激射之前，自发辐射光出射，因此在整个增益区都有光发出。光出射，因此在整个增益区都有光发出。ASE光源的应用光源的应用 广泛应用于光无

30、源器件和光通信器件的测试广泛应用于光无源器件和光通信器件的测试中，如在光纤光栅、薄膜滤波器和光纤耦合中，如在光纤光栅、薄膜滤波器和光纤耦合器光无源器件中。采用器光无源器件中。采用ASE 光源与采用白光光源与采用白光源和可调谐激光光源相比，可提高功效源和可调谐激光光源相比，可提高功效10 倍倍以上。以上。宽带宽带ASE光源光源 1美国美国Polaronyx公司的公司的宽带宽带ASE光源光源波长：波长：15251610nm功率：功率：5-14dBm增益平坦度：增益平坦度：5dB输输出出稳稳定定性性（15分分钟钟）：0.005-0.01 dB输输出出稳稳定定性性（8小小时时）：0.02-0.05dB

31、宽带宽带ASE光源光源 2深圳朗光的深圳朗光的ASE光源光源波长：波长：15251610nm功率：功率：10 dBm输输出出稳稳定定性性（15分分钟钟）：0.02 dB输输出出稳稳定定性性（8小小时时）：0.05dB光放大器光放大器概述 掺铒光纤放大器EDFA半导体光放大器SOA光纤拉曼放大器FRA光放大器概述光放大器的出现，可视为光纤通信发展史上的重要里程碑。光放大器出现之前，光纤通信的中继器采用光电光(O-E-O)变换方式。装置复杂、耗能多、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，可实现1R、2R、3R中继光放大器（O-O）多波长放大、低成本，只能实现1R中继光放大器的原

32、理光放大器的功能：提供光信号增益，以补偿光信号在通路中的传输衰减，增大系统的无中继传输距离。在泵浦能量（电或光）的作用下，实现粒子数反转（非线性光纤放大器除外），然后通过受激辐射实现对入射光的放大。光放大器是基于受激辐射或受激散射原理实现入射光信号放大的一种器件。其机制与激光器完全相同。实际上，光放大器在结构上是一个没有反馈或反馈较小的激光器。光放大器的类型利用稀土掺杂的光纤放大器（EDFA、PDFA）利用半导体制作的半导体光放大器（SOA）利用光纤非线性效应制作的非线性光纤放大器（FRA、FBA）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

33、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100m1mm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光放大器的应用线路放大线路放大线路放大线路放大(In-line)(In-line)：周：周：周：周期性补偿各段光纤损耗期性补偿各段光纤损耗期性补偿各段光纤损耗期性补偿各段光纤损耗功率放大功率放大功率放大功率放大(Boost)(Boost)：增加入：增加入：增加入：增加入纤功率纤功率纤功率纤功率,延长传输距离延长传输距离延长传输距离延长传输距离前置预放大前置预放大前置预放大前置预放大(Pre-Amplify):(Pre-Amplify):提高接收灵敏度

34、提高接收灵敏度提高接收灵敏度提高接收灵敏度局域网的功率放大器：补偿局域网的功率放大器：补偿局域网的功率放大器：补偿局域网的功率放大器：补偿分配损耗，增大网络节点数分配损耗，增大网络节点数分配损耗，增大网络节点数分配损耗，增大网络节点数研究新热点展宽带宽：C-band 40nm，L-band 再加40nm；均衡功能：针对点对点系统的增益均衡，针对全光网的功率均衡；监控管理功能：在线放大器，全光网路由改变；动态响应特性；其它波段的光纤放大器，如Raman放大器。掺铒光纤放大器EDFA掺杂光纤放大器利用掺入石英光纤的稀土离子作为增益介质，在泵浦光的激发下实现光信号的放大，放大器的特性主要由掺杂元素决

35、定。工作波长为1550nm的铒(Er)掺杂光纤放大器(EDFA)工作波长为1300nm的镨(Pr)掺杂光纤放大器(PDFA)工作波长为1400nm的铥(Tm)掺杂光纤放大器(TDFA)目前，EDFA最为成熟，是光纤通信系统必备器件。掺铒光纤放大器给光纤通信领域带来的革命EDFA解决了系统容量提高的最大的限制光损耗补偿了光纤本身的损耗，使长距离传输成为可能大大增加了功率预算的冗余，系统中引入各种新型光器件成为可能支持了最有效的增加光通信容量的方式-WDM推动了全光网络的研究开发热潮为什么要用掺铒光纤放大器工作频带正处于光纤损耗最低处(1525-1565nm)；频带宽，可以对多路信号同时放大-波分

36、复用；对数据率/格式透明，系统升级成本低；增益高(40dB)、输出功率大(30dBm)、噪声低(45dB)；全光纤结构，与光纤系统兼容；增益与信号偏振态无关，故稳定性好；所需的泵浦功率低(数十毫瓦)。EDFA的工作原理EDFA采用掺铒离子单模光纤为增益介质，在泵浦光作用下产生粒子数反转，在信号光诱导下实现受激辐射受激辐射放大。Input signalInput signal1530nm-1570nm1530nm-1570nmAmplified Amplified output signaloutput signalPower laser Power laser(Pump)(Pump)980nm

37、 or 980nm or 1480nm1480nmFiber containing Fiber containing erbium dopanterbium dopant信号光与波长较其为短的光波信号光与波长较其为短的光波信号光与波长较其为短的光波信号光与波长较其为短的光波(泵浦光泵浦光泵浦光泵浦光)同沿光纤传输，泵浦同沿光纤传输，泵浦同沿光纤传输，泵浦同沿光纤传输，泵浦光的能量被光纤中的稀土元素离子吸收而使其跃迁至更高能光的能量被光纤中的稀土元素离子吸收而使其跃迁至更高能光的能量被光纤中的稀土元素离子吸收而使其跃迁至更高能光的能量被光纤中的稀土元素离子吸收而使其跃迁至更高能级，并可通过能级间

38、的受激发射转移为信号光的能量。信号级，并可通过能级间的受激发射转移为信号光的能量。信号级，并可通过能级间的受激发射转移为信号光的能量。信号级，并可通过能级间的受激发射转移为信号光的能量。信号光沿光纤长度得到放大，泵浦光沿光纤长度不断衰减。光沿光纤长度得到放大，泵浦光沿光纤长度不断衰减。光沿光纤长度得到放大，泵浦光沿光纤长度不断衰减。光沿光纤长度得到放大，泵浦光沿光纤长度不断衰减。EDFA中的Er3+能级结构泵浦波长可以是520、650、800、980、1480nm波长短于980nm的泵浦效率低，因而通常采用980和1480nm泵浦。铒离子简化铒离子简化铒离子简化铒离子简化能级示意图能级示意图能

39、级示意图能级示意图吸收泵浦光吸收泵浦光吸收泵浦光吸收泵浦光快速非辐快速非辐快速非辐快速非辐射跃迁射跃迁射跃迁射跃迁光放大光放大光放大光放大受激辐射受激辐射受激辐射受激辐射产生噪声产生噪声产生噪声产生噪声自发辐射自发辐射自发辐射自发辐射受激吸收受激吸收受激吸收受激吸收基态基态基态基态能带能带能带能带泵浦泵浦泵浦泵浦能带能带能带能带980nm980nm1480nm1480nm亚稳态能带亚稳态能带亚稳态能带亚稳态能带1550nm1550nm掺铒光纤放大器的基本结构掺铒光纤：掺铒光纤：掺铒光纤：掺铒光纤：当一定的泵浦光注入到掺铒光纤中时，当一定的泵浦光注入到掺铒光纤中时，当一定的泵浦光注入到掺铒光纤中

40、时，当一定的泵浦光注入到掺铒光纤中时，ErEr3+3+从低能级被激发到从低能级被激发到从低能级被激发到从低能级被激发到高能级上，由于在高能级上的寿命很短，很快以非辐射跃迁形式到较低能高能级上，由于在高能级上的寿命很短，很快以非辐射跃迁形式到较低能高能级上，由于在高能级上的寿命很短，很快以非辐射跃迁形式到较低能高能级上，由于在高能级上的寿命很短，很快以非辐射跃迁形式到较低能级上，并在该能级和低能级间形成粒子数反转分布。级上，并在该能级和低能级间形成粒子数反转分布。级上，并在该能级和低能级间形成粒子数反转分布。级上，并在该能级和低能级间形成粒子数反转分布。半导体泵浦二极管半导体泵浦二极管半导体泵浦

41、二极管半导体泵浦二极管：为信号放大提供足够的能量，使物质达到粒子数反转。：为信号放大提供足够的能量，使物质达到粒子数反转。：为信号放大提供足够的能量，使物质达到粒子数反转。：为信号放大提供足够的能量，使物质达到粒子数反转。波分复用耦合器：波分复用耦合器：波分复用耦合器：波分复用耦合器：将信号光和泵浦光合路进入掺铒光纤中。将信号光和泵浦光合路进入掺铒光纤中。将信号光和泵浦光合路进入掺铒光纤中。将信号光和泵浦光合路进入掺铒光纤中。光隔离器：光隔离器：光隔离器：光隔离器：使光传输具有单向性，放大器不受发射光影响，保证稳定工作。使光传输具有单向性，放大器不受发射光影响，保证稳定工作。使光传输具有单向性

42、，放大器不受发射光影响，保证稳定工作。使光传输具有单向性，放大器不受发射光影响，保证稳定工作。三种泵浦方式的EDFALD2LD2WDM2WDM2EDFEDFAPCAPCAPCAPCininoutoutLD1LD1WDM1WDM1LDLDWDMWDMEDFEDFAPCAPCAPCAPCin in outoutLDLDWDMWDMEDFEDFAPCAPCAPCAPCin in outout同向泵浦同向泵浦同向泵浦同向泵浦(前向泵浦前向泵浦前向泵浦前向泵浦)型：好的噪声性能型：好的噪声性能型：好的噪声性能型：好的噪声性能反向泵浦反向泵浦反向泵浦反向泵浦(后向泵浦后向泵浦后向泵浦后向泵浦)型：输出信号

43、功率高型：输出信号功率高型：输出信号功率高型：输出信号功率高双向泵浦型：输出信双向泵浦型：输出信双向泵浦型：输出信双向泵浦型：输出信号功率比单泵浦源高号功率比单泵浦源高号功率比单泵浦源高号功率比单泵浦源高3dB3dB，且放大特性与，且放大特性与，且放大特性与，且放大特性与信号传输方向无关信号传输方向无关信号传输方向无关信号传输方向无关MultistagMultistage EDFAe EDFA由于光纤对由于光纤对由于光纤对由于光纤对1480nm1480nm的光损耗较小，所以的光损耗较小，所以的光损耗较小，所以的光损耗较小，所以1480nm1480nm泵浦光又常用于遥泵方式泵浦光又常用于遥泵方式

44、泵浦光又常用于遥泵方式泵浦光又常用于遥泵方式。Remote Remote PumpinPumping gEDFA的工作特性光放大器的增益光放大器的增益放大器的噪声放大器的噪声EDFA的多信道放大特性的多信道放大特性EDFA的大功率化的大功率化光放大器的增益增益G是描述光放大器对信号放大能力的参数。定义为：G与光放大器的泵浦功率、掺杂光纤的参数和输入光信号有很复杂的关系。输出信号光功率输出信号光功率输出信号光功率输出信号光功率输入信号光功率输入信号光功率输入信号光功率输入信号光功率研究发现，接收机前接入光放大器后，新增加的研究发现，接收机前接入光放大器后，新增加的研究发现，接收机前接入光放大器后

45、，新增加的研究发现，接收机前接入光放大器后，新增加的噪声主要来自噪声主要来自噪声主要来自噪声主要来自ASEASE噪声与信号本身的差拍噪声。噪声与信号本身的差拍噪声。噪声与信号本身的差拍噪声。噪声与信号本身的差拍噪声。噪声指数噪声指数噪声指数噪声指数为：为：为：为：表明：即使对表明：即使对表明：即使对表明：即使对n nspsp=1=1的完全粒子数反转的理想放大器，的完全粒子数反转的理想放大器，的完全粒子数反转的理想放大器，的完全粒子数反转的理想放大器，被放大信号的被放大信号的被放大信号的被放大信号的SNRSNR也降低了二倍（或也降低了二倍（或也降低了二倍（或也降低了二倍（或3dB3dB）。对大多

46、）。对大多）。对大多）。对大多数实际的放大器数实际的放大器数实际的放大器数实际的放大器F Fn n均超过均超过均超过均超过3dB 3dB，并可能达到，并可能达到，并可能达到，并可能达到68dB68dB。希望放大器的希望放大器的希望放大器的希望放大器的F Fn n尽可能低。尽可能低。尽可能低。尽可能低。ASE噪声EDFA的多信道放大特性EDFA的增益恢复时间g10ms(SOA的g=0.11ns),其增益不能响应调制信号的快速变化，不存在增益调制，四波混频效应也很小，所以在多信道放大中不引入信道间串扰(SOA则不然)，是其能够用于多信道放大的关键所在。EDFA对信道的插入、分出或无光故障等因素引起

47、的输入光功率的变化（较低速变化）能产生响应-瞬态特性。在系统应用中应予以控制-增益钳制。EDFAEDFA的级联特性的级联特性的级联特性的级联特性信道间增益竞争，信道间增益竞争，信道间增益竞争，信道间增益竞争，多级级连使用导多级级连使用导多级级连使用导多级级连使用导致致致致“尖峰效应尖峰效应尖峰效应尖峰效应”15441569典型的典型的EDFA增益谱增益谱固有的增益不平坦，增益固有的增益不平坦，增益差随级联放大而积累增大差随级联放大而积累增大各信道的信噪比差别增大各信道的信噪比差别增大各信道的接收灵敏度不同各信道的接收灵敏度不同增益平坦增益平坦增益谱的形状随信号功率而变，在有信道增益谱的形状随信

48、号功率而变，在有信道上、下的动态情况下，失衡情况更加严重上、下的动态情况下，失衡情况更加严重BERBER接收光功率接收光功率接收光功率接收光功率光功率光功率光功率光功率波长波长波长波长光功率光功率光功率光功率波长波长波长波长光发射机光发射机光发射机光发射机光发射机光发射机光发射机光发射机光发射机光发射机光发射机光发射机光发射机光发射机光发射机光发射机 NN 1 1 2 2 3 3光接收机光接收机光接收机光接收机光接收机光接收机光接收机光接收机光接收机光接收机光接收机光接收机光接收机光接收机光接收机光接收机EDFAEDFA 1 1 NN 3 3 2 21.1.滤波器均衡：滤波器均衡：滤波器均衡：

49、滤波器均衡：采用透射谱与掺杂光纤增益谱反对称的滤波器使采用透射谱与掺杂光纤增益谱反对称的滤波器使采用透射谱与掺杂光纤增益谱反对称的滤波器使采用透射谱与掺杂光纤增益谱反对称的滤波器使增益平坦，如：增益平坦，如：增益平坦，如：增益平坦，如：薄膜滤波、紫外写入长周期光纤光薄膜滤波、紫外写入长周期光纤光薄膜滤波、紫外写入长周期光纤光薄膜滤波、紫外写入长周期光纤光栅、周期调制的双芯光纤等。栅、周期调制的双芯光纤等。栅、周期调制的双芯光纤等。栅、周期调制的双芯光纤等。只能实现静态增益谱只能实现静态增益谱只能实现静态增益谱只能实现静态增益谱的平坦，在信道功率突变时增益谱仍会发生变化。的平坦，在信道功率突变时

50、增益谱仍会发生变化。的平坦，在信道功率突变时增益谱仍会发生变化。的平坦，在信道功率突变时增益谱仍会发生变化。EDFA +EDFA +均衡器均衡器均衡器均衡器 合成增益合成增益合成增益合成增益增益平坦增益平坦/均衡技术均衡技术(1)2.2.新型宽谱带掺杂光纤：新型宽谱带掺杂光纤：新型宽谱带掺杂光纤：新型宽谱带掺杂光纤：如掺铒氟化物玻璃光纤（如掺铒氟化物玻璃光纤（如掺铒氟化物玻璃光纤（如掺铒氟化物玻璃光纤（30nm30nm平坦带宽）、平坦带宽）、平坦带宽）、平坦带宽）、铒铒铒铒/铝共掺杂光纤（铝共掺杂光纤（铝共掺杂光纤（铝共掺杂光纤（20nm20nm）等，）等，）等，）等，静态增益谱的静态增益谱的