电子科大第六章

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1、1,第六章 光有源器件,2,光有源器件,调制器 光源 探测器 放大器,光发射机,3,第一节 光调制器,光调制器：一种改变光束参量传输信息的器件，这些参量包括光波的振幅、频率、位相或偏振态。（教材中主要涉及振幅调制 ）内调制与外调制,4,内调制,内调制： 用电信号直接调制半导体激光器或发光二极管的驱动电流，使输出光随电信号变化。 光功率与电流呈线性变化 优点：简单、经济、容易实现 缺点：啁啾除振幅外，光频率也随电流变化,5,内调制,6,外调制,外调制： 调制的电信号不是直接施加在激光二极管上，而是施加在光调制器上 优点：啁啾小、调制速率高 缺点：结构和技术复杂，成本较高，损耗大 分类：机械调制器

2、、声光调制器、磁光调制器、电光调制器、电吸收调制器,7,外调制,8,声光调制器,声光调制器(AOM)是由声光介质、电声换能器、吸声(或反射)装置及驱动电源所组成。 调制电信号通过电声换能器转换为超声波，然后加到声光晶体上。超声波使声光介质的折射率沿声波传输方向交替地变化，当一平行光束通过它时，由于声致光衍射，其出射光束就具有随时间而周期变化的光程差，结果构成了各级闪烁变化的衍射光。,9,磁光调制器,利用光的法拉第电磁偏转效应 偏振面旋转的角度与磁场强度H、晶体的长度L有关 隔离器45，调制器90才能使消光比最高(教材有错),10,电光调制器,电光效应 电光晶体：铌酸锂(LiNbO3)、砷化镓晶

3、体(GaAs)和钽酸锂(LiTaO3) 电光调制器：基于线性电光效应（普克尔效应）即光波导的折射率正比于外加电场变化的效应 单纯的相位调制不能调制光的强度,11,电吸收调制器,电吸收效应：在电场作用下半导体材料的吸收边向长波长方向移动的理论 弗朗兹-凯尔迪什(Franz-Keldysh)效应和量子约束斯塔克Stark效应,12,各种调制器比较,调制频率：电光声光磁光内调制机械 消光比：声光电光 驱动电压：电光较高 成本：机械最低，内调制其次，外调制最高,13,第二节 光源,电信号转变为光信号 最常用的光源是半导体激光器(SL/DL)和发光二极管(LED) 体积小，耦合效率高，损耗低，直接调制，

4、可靠性较高，响应速度快,14,激光原理,自发辐射 受激吸收 受激辐射：相干光受激辐射光子与入射光子属于同一光子态受激辐射场与入射辐射场具有相同的频率、相位、波矢（传播方向）和偏振,15,激光原理,16,激光原理,工作物质1 泵浦源2 谐振腔3、4粒子数反转半导体激光器的工作物质为半导体材料，反射镜有时为解理面。,17,发光二极管,传输速率要求不高：在100200 Mb/s以下 对光源的功率要求不高：几十微瓦 一般与多模光纤配合使用优点：制作简单、成本低、产量高、,18,发光二极管的发光原理,当PN结处于平衡状态时，PN结处形成了势垒。在PN结上施加正向偏置电压时，势垒下降，多数载流子向相对区域

5、扩散形成正向电流。多数载流子扩散到相对区域后，与该区域带相反电荷的多数载流子复合，产生自发辐射光。LED输出光为非相干光,19,LED分为面发光型LED和边发光型LED， 边发光型LED的驱动电流较大，输出光功率小，但光束发射角小，与光纤的耦合效率高，故入纤光功率比面发光型LED高。,常用的两类发光二极管（LED）,LED的结构,20,同质结与异质结LED,21,半导体激光器,半导体激光器形成激光输出需具备两个基本条件： （1）在有源区产生足够的粒子数反转分布，使受激辐射占主导地位； （2）存在光学谐振腔机制，并在有源区内建立起稳定的振荡形成相干激光 FP-LD的解理面作为反射镜面损耗大阈值电

6、流大发热量大不稳定,22,Fabry-Perot半导体激光器(FP-LD),半导体激光器的辐射光在Fabry-Perot谐振腔中产生。在Fabry-Perot腔中，使用一对平行放置的部分反射镜来构成谐振腔，可以减少腔内光的损失，以降低阈值电流,23,量子限制激光器,GaAs,AlGaAs,AlGaAs,d,y,x,Z,Dy,Dz,24,垂腔激光器VCSEL,25,单模激光器,色度色散引起的脉冲展宽：短腔激光器：短腔长FSR增益谱宽可比 频率选择反馈： 耦合腔边界条件限制单模，稳定性和重复性不好 外部光栅：成本高，机械稳定性差 布喇格光栅：常用，优点：出光功率大、发散角较小、光谱极窄、调制速率高

7、，适合于长距离通信,26,DFB与DBR激光器,DFB:长期稳定性和可靠性高，单色性好 DBR: 由三个输入电流分别控制此三个区块，达到调整输出波长和功率的目的,27,当腔内增益与腔内损耗抵消时满足阈值条件。当大于阈值电流后，输出功率与电流近似成正比。阈值电流越小越好。,典型半导体激光器的输出特性曲线,LD工作特性阈值特性,28,激光器的阈值电流、输出光功率、波长均随温度变化。阈值电流随温度的升高而加大。,LD工作特性温度特性,DFB激光器,发光二极管,29,中心波长：光谱范围内辐射强度最大值所对应的波长 谱线宽度：光谱范围内辐射强度最大值下降50%处所对应波长的宽度 模式数：纵模数量,LD工

8、作特性发射波长,30,第三节 光电探测器,将接收到的光功率信号转换为电信号输出 光强越大，转换成的电信号也越大，正比 光电探测器的灵敏度对延长光纤通信的中继距离有着重要作用,31,光电探测器的工作原理,原理：光电效应 材料：半导体 结构：PN结 具体原理：施加反向偏压，使势垒加强，形成耗尽区。光子使价带电子跃迁至导带，产生光生载流子，扩散进入耗尽层并被反向电场加速，形成光生电流 缺点：响应慢 措施：改进PN结光电二极管结构,空穴,32,PIN光电二极管,结构：由中间被低掺杂的近似本征材料I层隔开的pn结构成,33,雪崩光电二极管（APD）,雪崩光电二极管，又称APD（Avalanche Pho

9、to Diode）。光/电转换，内部放大APD就是利用雪崩效应使光电流得到倍增的高灵敏度的探测器。 APD工作原理：光生载流子碰撞电离雪崩倍增 意义：提高灵敏度，延长中继距离,34,光电探测器的主要特性,响应度：表征探测器将入射光信号转换为电信号的能力，定义为平均输出光电流与平均入射的光功率之比,35,光电探测器的主要特性,量子效率：一个入射光子照在器件上并产生一个对探测器电流有贡献的光生载流子对的几率,36,光电探测器的主要特性,光谱特性：响应度等特征参量随光辐射波长的变化特性 截止波长：通常指响应度下降到峰值的50%处所对应的波长。有时也采用10%。,37,光电探测器的主要特性,响应时间：

10、或称响应速度，描述探测器对入射辐射响应快慢的一个特性参量,38,光电探测器的主要特性,噪声等效功率：无光入射噪声，最小可探测光功率 电流增益系数：对APD或内置放大器的探测器适用 不同材料的光电探测器参数差异很大： Si用于可见至1100nm左右波段，InGaAs用于近红外900-1700nm,39,第四节 光放大器,传统中继：光-电-光(结构复杂、成本高) 光放大器：延长传输距离、取代电中继,40,光放大器的分类,41,EDFA工作原理,掺铒光纤放大器(Erbium Doped Fiber Amplifier，简写成EDFA),42,EDFA输出光谱,43,掺铒光纤（EDF） 高功率泵浦源

11、1480nm、980nm 光耦合器/波分复用器 光隔离器,EDFA的结构,44,（1） 同向泵浦,在同向泵浦方案中，泵浦光与信号光从同一端注入掺铒光纤。,45,（2） 反向泵浦,反向泵浦，泵浦光与信号光从不同的方向输入掺杂光纤，两者在掺铒光纤中反向传输。,46,（3） 双向泵浦,为了使掺铒光纤中的铒离子能够得到充分的激励，必须提高泵浦功率。,47,EDFA的基本特性,1增益特性：表示放大器的放大能力， 与铒纤长度、掺杂浓度、泵浦功率等因素有关。,PASE是信号带宽内EDFA的自发辐射(ASE)功率 ASE也会被放大,小信号增益：泵浦光强、信号光弱、增益大 增益饱和 ：信号光增强，增益系数不能保

12、持常数，逐渐趋于饱和,48,EDFA的基本特性,2. 增益谱特性：对不同波长光的放大 增益谱宽：洛仑兹线型，FWHM，3dB带宽 平坦度,49,噪声系数,3噪声特性 主要来自放大自发辐射(ASE) 衡量EDFA的噪声特性可用噪声指数NF来度量。 NF定义为输入信噪比与输出信噪比之比。,50,基本应用形式,EDFA的具体的应用形式有以下四种： (1) 线路放大 广泛用于长途通信，越洋通信等领域。(2) 功率放大,51,基本应用形式,(3) 前置放大 提高光接收机的接收灵敏度。(4) LAN放大,52,商用EDFA照片,内部结构,53,2. Raman放大器,受激拉曼散射：入射光波的一个光子被介质

13、分子散射成为一个低频Stokes光子 拉曼放大器具有以下优点： 更大的增益带宽 灵活的增益谱区(由泵浦光源波长决定) 温度稳定性好 自发辐射噪声低 EDFA虽然噪声指数上不如拉曼放大器，但小信号增益可超过30dB，可采用混合放大,54,Raman放大器,原理：处于泵浦光的拉曼增益带宽内的弱信号与强泵浦光波同时在光纤中传输，从而使弱信号光放大,拉曼增益谱： 泵浦光波长：1微米,55,自发拉曼散射放大,一束频率为p的连续光波在光纤内的传输。如果一束频率为s的信号光在光纤的输入端与泵浦光同时入射，只要频率差s =ps 位于拉曼增益谱的带宽内，信号光就会由于拉曼增益而被放大。 仅有泵浦光入射，自发拉曼

14、散射产生的信号将起到信号光的作用，并且在传输过程中被放大。所有频率分量都被放大。 对于纯石英光纤，gR的最大值所对应的频率分量是由泵浦频率下移13.2 THz。,56,特性参数,拉曼阈值：斯托克斯功率与泵浦功率相等时的入射泵浦功率 净增益：输出信号光功率与输入信号光功率之比 开关增益=净增益光纤损耗 增益带宽：5THz，多泵浦组合100nm (30THz1m) 增益均衡：LPFG,57,特性参数,噪声特性 噪声：频带很宽 串话噪声：泵浦光源的波动，对多信道放大 （信号干扰比）10logS(L)/I S(L)=未受串扰的信号功率 =未受串扰的信号功率-受串扰的信号功率 瑞利散射噪声：后向散射造成功率损耗，双重散射造成相位延迟和相干噪声,58,半导体光放大器,SOA两端面构成谐振腔，入射光从SOA左端面进入，经过多次来回反射被放大，每次在端面反射时部分光透射出去 分类：F-P腔、行波放大器 后者增益抖动性小dB ,增益带宽宽5THz,59,半导体光放大器,增益抖动小 低损耗大增益 偏振相关损耗低 耦合损耗低 材料增益高大增益 饱和输出功率高材料特性之一 噪声指数低高信噪比,