第六章光有源器件.ppt

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。 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。 6.2.1 EDFA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