第三章光有源器件

光調(diào)制器（Modulator

）光的調(diào)制：光子（或光波）載體載入信息的物理過程。光調(diào)制器:實現(xiàn)從電信號到光信號的轉(zhuǎn)換光調(diào)制的分類：從光源調(diào)制角度分：內(nèi)調(diào)制或直接調(diào)制：將調(diào)制信號直接注入激光器（調(diào)制激光器驅(qū)動電流），實現(xiàn)激光輸出光強度等參數(shù)的調(diào)制--（簡單、經(jīng)濟、引入較大的啁啾）；外調(diào)制：將調(diào)制信號控制激光器后接的外調(diào)制器，利用調(diào)制器的電光、聲光等物理效應使其輸出光的強度等參數(shù)隨信號而變--（調(diào)制信號啁啾?。?。從被調(diào)制光波的參數(shù)分：強度調(diào)制、相位調(diào)制、偏振調(diào)制直接調(diào)制和外調(diào)制Laser

DirectModulationofLaserDiodeBias+DATAIssues--ComplexDynamicsYield

ExternalModulationofLaserDiodeLaserModulatorBiasBias+DATAIssues--AdditionalComponent光源的外調(diào)制技術調(diào)制信號不直接施加在LD上，而是施加在光調(diào)制器上。外調(diào)制技術分類：電光調(diào)制

ElectroopticEffects電致吸收

Electro-AbsorptionEffects磁光調(diào)制MagnetoopticEffects聲光調(diào)制AcousticModulators其中電光調(diào)制和電致吸收最為常用。電光效應光調(diào)制器電光效應：電壓施加于某些電光晶體(如LiNbO3)

，導致晶體折射率發(fā)生變化，引起通過該晶體的光波特性發(fā)生變化。折射率變化n與外加電場E有著復雜的關系，可近似地認為n與(rE+RE2)成正比。電光調(diào)制器主要利用普科爾(Pocket)效應.普科爾(Pocket)效應：晶體折射率與外加電場幅度成線性變化克爾(Kerr)效應：晶體折射率與外加電場幅度的平方成比例變化線性電光效應應用1:相位調(diào)制器Ex和Ey的相位差為：當線偏振光沿z軸傳輸距離L后，變化，于是變化。施加的外電壓在兩個電場分量間產(chǎn)生一個可調(diào)整的相位差，因此出射光波的偏振態(tài)可被施加的外電壓控制?？梢苑謩e控制晶體厚度d和長度L。線性電光效應應用1:相位調(diào)制器§1調(diào)制器－鈮酸鋰調(diào)制器線性電光效應應用2:強度調(diào)制器§1調(diào)制器－鈮酸鋰調(diào)制器鈮酸鋰強度調(diào)制器的原理鈮酸鋰調(diào)制器的主要指標消光比插入損耗外加電壓偏振相關性晶體折射率隨外加電場而變化。具有非常好的消啁啾特性，適合于高速系統(tǒng)的超長距離傳輸。但調(diào)制器的插入損耗大，需要較高的驅(qū)動電壓(典型值為4V)，難以與光源集成，而且對偏振敏感?！?調(diào)制器－鈮酸鋰調(diào)制器鈮酸鋰調(diào)制器實物圖電致吸收光調(diào)制器§1調(diào)制器－EA是一種損耗器件，利用Franz-Keldysh效應和量子限制Stark效應，工作在調(diào)制器材料吸收邊界波長處。半導體材料發(fā)生本征吸收的波長：陡峭介質(zhì)邊吸收帶電致吸收光調(diào)制器Franz-Keldysh效應：1958年提出，是指在電場作用下半導體材料的吸收邊紅移的理論。原理：改變調(diào)制器上的偏壓，使多量子阱(MQW)的吸收邊界波長發(fā)生變化，進而改變光束的通斷，實現(xiàn)調(diào)制。當調(diào)制器無偏壓時，光束處于通狀態(tài)，輸出功率最大；隨著調(diào)制器上偏壓的增加，MQW的吸收邊移向長波長，原光束波長處吸收系數(shù)增大，調(diào)制器為斷狀態(tài)，輸出功率最小。電吸收調(diào)制器與LD集成使用材料：III-V族半導體材料特點：易與激光器集成、體積小、驅(qū)動電壓低（~2V）、啁啾大于LN調(diào)制器、消光比低于LN調(diào)制器（~10dB）聲光效應光調(diào)制器聲光效應是指聲波作用于某晶體時，產(chǎn)生光彈性作用，使折射率發(fā)生變化，從而達到光調(diào)制的目的。特點：消光比高（～30dB）、驅(qū)動功率較低、調(diào)制速率低、帶寬窄§1調(diào)制器－聲光當外加信號通過驅(qū)動電源作用到聲光器件時，超聲強度隨此信號變化，衍射光強也隨之變化，從而實現(xiàn)了對激光的振幅或強度調(diào)制。磁光效應又稱為法拉第效應。當光通過介質(zhì)傳播時，若在垂直光的傳播方向上加一強磁場，則光的偏振面產(chǎn)生偏轉(zhuǎn)，其旋轉(zhuǎn)角度與介質(zhì)長度、外加磁場強度成正比。調(diào)制原理：經(jīng)起偏器的光信號通過磁光晶體，其偏轉(zhuǎn)角與調(diào)制電流有關。由于起偏器與檢偏器的透光軸相互平行，當調(diào)制電流為零時，透過檢偏器的光強最大；隨著電流逐漸增大，旋轉(zhuǎn)角加大，透過檢偏器的光強逐漸下降。磁光效應光調(diào)制器§1調(diào)制器－磁光OEORegenerator1R,2Rand3RRegeneration什么是光放大受激吸收受激輻射自發(fā)輻射§2光放大器RegeneratorsvsO-AmplifiersRegeneratorsspecifictobitrateandmodulationformatused;O-Ampsareinsensitive(I.e.transparent)Asystemwithopticalamplifierscanbemore

easily

upgradedtohigherbitratewithoutreplacingtheamplifiersOpticalamplifiershavelargegainbandwidthsIssues:AmplifiersintroduceadditionalnoisethataccumulatesSpectralshapeofgain(flatness),outputpower,transientbehaviorneedtobecarefullydesigned§2光放大器－應用§2光放大器－應用

IdealopticalamplifierHighpowergainBroadbandFlatgain-wavelengthresponsibilityLow

noiseHighSNRHighsaturationpowerOpticalAmplifierTypesSemiconductoropticalamplifier(SOA)FiberAmplifiersErbiumdopedfiberamplifier(EDFA)Praseodymiumdopedfiberamplifier(PDFA)Thuliumdopedfiberamplifier

(TDFA)StiumlatedRamanfiberamplifer

（SRFA）

TheintroductionofSOATheimprovementofsemiconductorlaserleadtoFP(Fabry-Perot)

semiconductoramplifier,andalsotothestudyoftravelingwavesemiconductoramplifier.SOAismadeof 3-5groupcompoundsemiconductor,suchasGaAs,GaP,InPCentralwavelength:~800nm,~1300nm,~1550nmFrequencybandlargerthan40nmGainishigherthan30dBTheadvantagesofSOASmallsize,andeasytobeintegratedwithsemiconductorcircuits.Fabricationissimpleandwithlowpowerconsumption,longlife-spanandlowcost.Gainresponseisveryquickandwellsuitedforswitchingandsignalprocessinginopticalnetworksapplication.Canamplifyopticalsignalandprocesssignalinthesametimesuchasswitch,socanbeusedinwavelengthconvertingandopticalswitch.ThedisadvantagesofSOAThecouplinglosswithopticalfiberistoolarge

SensitivetopolarizationNoisefigureishigh(~8dB)CrosstalkEasytobeaffectedbytemperature,lowstability

TheclassificationofSOATherearetwokindsofSOA：(1)Fabry-PerotAmplifier,FPA

usetheFPcavityastheopticalamplifier.(2)Travelling-WaveAmplifier,TWA

tocoatthetwoendoftheFabry-Perotwithanti-reflectionpellicle,soacquirebroadbandandhighpoweroutputandlownoiseopticalamplification.TheclassificationofSOAOutputamplifiedlightMirrorinjectedcurrentIncidencelightMirrorFabry-PerotAmplifierTheclassificationofSOAanti-reflectionpellicle

ARinjectedcurrentIncidencelightOutputamplifiedlightTraveling-WaveAmplifier,TWAanti-reflectionpellicle

ARFPA與TWA的帶寬比較不同反射率時FP－SOA的增益譜SOA的集成優(yōu)勢全光型波長轉(zhuǎn)換器指不經(jīng)過電域處理，直接把信息從一個光波長轉(zhuǎn)換到另一個光波長。在光域中直接實現(xiàn)波長轉(zhuǎn)換可以克服光-電-光波長轉(zhuǎn)換器中電器件的速度瓶頸、透明性低等不足。SOA用于全光波長變換全光波長變換器基于光調(diào)制原理基于光混頻原理交叉增益調(diào)制（XGM）交叉相位調(diào)制（XPM）——四波混頻（FWM）XGM：利用信號光攜帶的信息調(diào)制有源介質(zhì)的增益，從而調(diào)制在同一介質(zhì)中傳播的探測光(通常是連續(xù)光)的放大倍數(shù)，使其強度產(chǎn)生調(diào)制，實現(xiàn)信息從信號光到探測光的轉(zhuǎn)換。它實際上可以看作是特殊的光控光開關。基于XGM的SOA全光波長變換原理：當信號脈沖處于上升沿時,載流子密度迅速增大,放大器的增益很快飽和,因此轉(zhuǎn)化到連續(xù)探測波上的信號為0。當信號脈沖處于下降沿時,載流子密度迅速減小,放大器的增益恢復,因此轉(zhuǎn)化到連續(xù)探測波上的信號為1。這樣信號光上的光脈沖被反轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)化到波長上?；赬GM的SOA全光波長變換優(yōu)點：結(jié)構(gòu)簡單轉(zhuǎn)換效率高波長轉(zhuǎn)換范圍寬對偏振不敏感缺點：輸入輸出信號反相輸出消光比退化比特率透明有限噪聲指數(shù)高啁啾大基于XPM的SOA全光波長變換XPM：當信號光和探測光共同傳播時，信號光強度信號能夠調(diào)制非線性介質(zhì)的有效折射率，從而改變探測光的傳播相位。如果利用干涉儀將探測光分成兩路，并利用信號光改變兩路光之間的相差，在輸出端發(fā)生相長或相消干涉，就可使得信號光的信息同相或反相地轉(zhuǎn)換到了探測光上。常用的干涉儀有馬赫一曾德干涉儀（MZI）、邁克爾遜干涉儀（MI）等。優(yōu)點：輸入信號功率小頻率啁啾小或負啁啾消光比大大提高缺點：輸入功率的動態(tài)范圍比較窄，所以必須對輸入信號的功率進行嚴格控制?；赬PM的SOA全光波長變換基于FWM的SOA全光波長變換FWM：一個或幾個光波的光子被湮滅，同時產(chǎn)生了幾個不同頻率的新光子，且在此參量過程中，凈能量和動量是守恒的。由于FWM能夠頗為有效地產(chǎn)生新的光波，可被利用實現(xiàn)完全透明的全光波長變換?！盘栴l率——泵浦頻率優(yōu)點：調(diào)制格式透明，任何信息（幅度，相位和頻率）都能保留下來能同時轉(zhuǎn)換多個波長作用距離短，對相位匹配不敏感轉(zhuǎn)換后信號光譜反轉(zhuǎn)，因此可以用于色散補償缺點：轉(zhuǎn)換效率低，轉(zhuǎn)換后信噪比惡化上轉(zhuǎn)換效率比下轉(zhuǎn)換低轉(zhuǎn)換范圍小偏振相關基于FWM的SOA全光波長變換OpticalAmplifierVarieties

IntroductionofOFAUsedopedfiberasamplifyingmedium,

suchasEDFerbiumdopedfiber;PDFpraseodymiumdopedfiber;TDFthuliumdopedfiber.In1985,

thefirstEDFwasdevelopedbytheUniversityofSouthampton,UKIn1987,theEDFAwhichcandirectlyamplifying1.5mopticalsignalwasdevelopedbyBellLabs

&

UniversityofSouthamptonatthesametime.In1994,theEDFAisavailable,nowisamaturetechnologyandisakeycomponentinopticalsystem,

espinDWDMEDFAsuccessfactorsAvailabilityofcompactandreliablehigh-powersemiconductorpumplasersEDFAisanall-fiberdevice=>polarization-independent&easytocouplelightin/outSimplicityofdeviceNocrosstalkintroducedwhileamplifying!EDF:ErbiumionisdopedinthecenterofthecoreHighlydopedarea100~2000ppmerbium3~6um

Core

125umSilicacladding250umcoatingRadialdistanceOpticalmodeTheareawheretheenergiesofthepumplaserandinputsignalexchangeThecomponentsofEDFA摻鉺光纖中的鉺離子能級示意圖ExperimentallymeasuredabsorptionspectrumofanEr3+-dopedgermano-alumino-silicafiber.摻鉺光纖放大器的基本結(jié)構(gòu)示意圖同向泵浦結(jié)構(gòu)ThepumplaserofEDFAPumplasersource980nm1480nmpumpmodel3energylevel2energylevelExchangeefficiency

lowhighnoiselowhighcosthighlowTheretwokindsofpumplaserforEDFA:980nm&1480nm

Compareof980nm&1480nmpumplasersourceThecomponentsofEDFAThecomponentsofEDFAOpticalisolatorOnewaypassforopticalsignal.Shouldbelowinsertinglossandhighseparation.TheinputportisolatorpreventsbackwardtransmissionofopticalsignalandASEthatwoulddecreasethestabilityofinputportlaser.TheoutputportisolatorpreventsbackwardlightenterEDFotherwiseitwillgreatlyreducethedegreeofpopulationinverse,lowerthegainandincreasenoisefigure,whatismoreresultunexpectedlaserresonance.OpticalmultiplexerTocoupleopticalsignalandpumplaserintoEDF.ShouldbelowinsertinglossandhighbandwidthsoastopromotetheamplifyingbandwidthofEDFA摻鉺光纖放大器的基本結(jié)構(gòu)示意圖反向泵浦結(jié)構(gòu)§2光放大器－EDFA摻鉺光纖放大器的基本結(jié)構(gòu)示意圖雙向泵浦結(jié)構(gòu)§2光放大器－EDFAThecharacteristicsofC-bandEDFATherelationofgainandinputofEDFAsaturationGainThecharacteristicsofEDFAGain增益頻譜增益帶寬（FWHM）大于10nm纖芯中摻入鋁離子，帶寬還可增大且增益頻譜相當平坦。小信號增益EDFA的增益與鉺離子濃度、芯徑、摻雜光纖長度和泵浦功率有關。對于給定的放大器長度（EDF長度），增益隨泵浦功率在開始時按指數(shù)增加，當泵浦功率超過一定值時，增益增加變緩，并趨于一恒定值。小信號增益當泵浦功率一定時，放大器在某一最佳長度時獲得最大增益，如果放大器長度超過此值，由于泵浦的消耗，最佳點后的摻鉺光纖不能受到足夠泵浦，而且要吸收已放大的信號能量，導致增益很快下降。增益飽和（或壓縮）特性

在EDFA泵浦功率一定的情況下，輸入信號功率較小時，放大器的增益不隨入射信號的增加而變化。當輸入信號增大到一定值后，增益開始隨信號功率的增加而下降，這是入射信號導致EDFA出現(xiàn)增益飽和的緣故。ThecharacteristicsofEDFAinputamplifiedamplifiedNoiseFigure,NFThecharacteristicsofEDFAamplifiedoriginalSourceSpontaneousEmission,SSEASE+(GainxSSE)NoiseFigureGainInputsignalandamplifiedsignalThecharacteristicsofEDFA0.6nm:resolutionofspectralanalyzer:Plank’constant:lightspeed:gainofamplifier:powerofASE摻鉺光纖放大器級聯(lián)后的增益響應§2光放大器－EDFA動態(tài)增益均衡光纖放大器的技術要求動態(tài)增益均衡放大器的概念包括：

（1）增益譜平坦：

在一定帶寬范圍內(nèi)的多路信號同時放大時，各

信道增益相同；（2）增益鎖定（自動增益控制）：

信道增、減或某信道功率改變時，對本信道或

其它信道增益沒有影響。要求同時實現(xiàn)平坦鎖定§2光放大器－EDFA增益譜的平坦化方法工作在77oK.引入另外一種摻雜，如鉺鐿共摻.EDF長度、泵浦功率的優(yōu)化制作特種結(jié)構(gòu)的光纖波導結(jié)構(gòu)，如雙芯光纖光纖光柵濾波§2光放大器－EDFA利用長周期光柵平坦摻鉺光纖放大器的增益譜§2光放大器－EDFA§2光放大器－EDFAEDFA實物圖光纖拉曼放大器FRA光纖中的非線性效應SRS受激拉曼散射實現(xiàn)光信號的放大增益介質(zhì)：系統(tǒng)傳輸光纖FRA光纖(a)無泵激光的1550nm傳輸光功率(dB)波長1550nm波長光功率(dB)1550nm1450nm光纖(b)有泵激光的1550nm傳輸1550nm經(jīng)光纖傳輸衰減1450nm1550nm如果一個弱信號和一個強泵浦光同時在光纖中傳輸，并使弱信號波長置于泵浦光的拉曼增益帶寬內(nèi)，則弱信號即可被放大。這種基于SRS機制的光放大器稱為光纖拉曼放大器FRA。硅光纖拉曼增益系數(shù)頻譜曲線增益帶寬（FWHM）可以達到約8THz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3.6dB。在增益峰值附近的增益帶寬約為7~8THz。小信號光在長光纖內(nèi)的拉曼增益FRA放大增益和泵浦功率的關系增益飽和FRA的優(yōu)缺點優(yōu)點1.增益波長由泵浦光波長決定。2.增益介質(zhì)可以為傳輸光纖本身。3.噪聲系數(shù)低。FRA的NF小于4.5dB，好于SOA（約8dB）和EDFA（約6dB）。缺點

需要特大功率的泵浦激光器幾種光放大器的比較放大器類型原理激勵方式工作長度噪聲特性與光纖耦合與光偏振關系穩(wěn)定性摻稀土光纖放大器粒子數(shù)反轉(zhuǎn)光數(shù)米到數(shù)十米好容易無好半導體光放大器粒子數(shù)反轉(zhuǎn)電100m~1mm差很難大差光纖拉曼放大器光學非線性(拉曼)效應光數(shù)千米好容易大好EDFA和FRA的混合放大應用光功率在分布式拉曼放大傳輸光纖中的分布Contents(??)Ⅰ.WhatistheFIBERLaser?LASER(LightAmplificationbyStimulatedEmissionofRadiation)?What’stheLASER?PUMPSOURCEREARMIRRORFRONTMIRRORROD(MEDIUM)StimulatedEmissionLaserOutputSpontaneousEmissionContents(??)?RequisitesforLASER1)MEDIUM2)CAVITY3)PUMPSOURCENd:YAG,Nd:YVO4,Nd:YLP,FIBERMirror,FiberBraggGratings,coupler

FlashLamp,LaserDiodeYAGRODLAMPMOUNTTRIGGERWIREXENONLAMPEx)Nd:YAG,XENONLAMPPUMPTYPELASERYAGCrystalContents(??)?DPSSLaserNd:YAGCrystalStimulatedEmissionXenonLampPumpPowerSupplyConnectionPartialReflector(Mirror)TotalReflector(Mirror)PumpingDirectionLaserOutputDPSS(DiodePumpedSolidState)Contents(??)?FIBERLASERCladding-PumpedACTIVEFIBERFBG(FiberBraggGratings)MultimodeCouplerSplicetoMultimodeDiodePumpPumpCombinerLDLDLDLDLDLDLDLDCollimatedLaserOutputOpticalPowerMeterLensContents(??)?AdvantagesofFIBERLaser,MaintenanceEfficiency-NoConsumableParts-MaintenanceFree-AirCoolingType(NoDIWaterCoolingSystem,去離子水冷卻系統(tǒng))Contents(??)?AdvantagesofFIBERLaser,SpaceEfficiency-SmallerSizeCO2LaserNd:YAGLaserDPSSFIBER1,372x495x331286x215x95LaserOuterDimension(mm)HANMIFIBERLaserFIBERLaseris40timessmallerthanexistingCO2&DPSSLaserwithexceptionofLaserControllerContents(??)Ⅲ.AdvantagesofFIBERLaser?AdvantagesofFIBERLaser,DurabilityElapsedTime(hr)OutputPower(mW)LaserDiodeTestbyIPGPhotonicsLifeTime:Over100kHrs-LaserDiodeswithLongerLife-Time10timeslongerthanusualDPSSLaserContents(??)?AdvantagesofFIBERLaser,Performance-ExcellentLaserBeamQualityBestLaserBeamQualityinSemiconductorPackageMarking(M2=3)-BestSolutionforHighPerformance?AdvantagesofFIBERLaser,Economical&CostSaving-LowerPowerConsumption-NoUsingDIWaterCoolingSystem-LowerLaserUnitPrice-NoConsumable&FreeMaintenanceforLaserFiberLasersFiberlasersoccurinagreatvarietyofforms,servingverydifferentapplications,e.g.:LasersgeneratingoutputsatspecialwavelengthsLasersforveryhighoutputpower(manywattsorevenkilowatts)withgoodbeamqualityQ-switchedandmode-lockedlasersforshortorultrashortpulsesFibertechnologycreatesahugeamountofattractivetechnicaloptions,butalsocomeswithabunchoftechnicaldifficulties.Inanopticalresonator,lightisconfinedandstoredatcertainresonancefrequencies

Lightcirculatesoris

repeatedly

reflected

withinthecavity

Wavelength

selectivity

isduetoopticalfeedbackFabry-PerotcavityMirrorOpticalfibreringcavityFiberCouplerIsolator腔體線形腔環(huán)形腔“8”字形腔pumpOpticalfiberFPcavityOutput1Output2ActiveFiberpumpIsolatorOpticalfiberringcavityFiberoutputActiveFiberpumpoutputFigure8cavityfiberlaserActiveFiber50:50Alotofstructureshavebeenused分布布拉格反射光纖激光器：使用兩個較高反射率的光纖光柵作為反射鏡置于摻雜光纖的兩端，構(gòu)成線形諧