《光纤通信有源器》PPT课件

第5章光纤通信-有源器件光纤技术专题,专题一：半导体激光器、半导体发光二极管p61专题二：光纤激光器专题三：光纤放大器p76,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受激发射作用的器件。其工作原理是，通过一定的激励方式，在半导体物质的能带(导带与价带)之间，或者半导体物质的能带与杂质(受主或施主)能级之间，实现非平衡载流子的粒子数反转，当处于粒子数反转状态的大量电子与空穴复合时，便产生受激发射作用。,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GaAs(砷化镓)，InAs(砷化铟)，InSb(锑化铟)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，在结平面区域产生受激发射。光泵式半导体激光器，一般用N型或P型半导体单晶(如GaAs,InAs,InSb等)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光器，一般也是用N型或者P型半导体单晶(如PbS，CdS，ZnO等)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异质结构的电注入式GaAs二极管激光器。,半导体激光器,半导体激光器发展现状,半导体激光器又称激光二极管(LD)。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(QW)和应变量子阱(SL-QW)等新颖性结构，引进了折射率调制Bragg发射器以及增强调制Bragg发射器最新技术，同时还发展了MBE、MOCVD及CBE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，使用寿命也明显加长。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换系统的分布反馈(DFB)和动态单模LD、窄线宽可调谐DFB-LD、用于光盘等信息处理技术领域的可见光波长(如波长为670nm、650nm、630nm的红光到蓝绿光)LD、量子阱面发射激光器以及超短脉冲LD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、可调谐以及短波长化和光电单片集成化等。,半导体激光器发展现状,高功率LD1983年，波长800nm的单个LD输出功率已超过100mW，到了1989年，0.1mm条宽的LD则达到3.7W的连续输出，而1cm线阵LD已达到76W输出，转换效率达39%。1992年，美国人又把指标提高到一个新水平：1cm线阵LD连续波输出功率达121W，转换效率为45%。现在，输出功率为120W、1500W、3kW等诸多高功率LD均已面世。高效率、高功率LD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(LDP)的固体激光器的迅猛发展提供了强有力的条件。近年来，为适应EDFA和EDFL等需要，波长980nm的大功率LD也有很大发展。最近配合光纤Bragg光栅作选频滤波，大幅度改善其输出稳定性，泵浦效率也得到有效提高。,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，因而可与之单片集成。并且还可以用高达GHz的频率直接进行电流调制以获得高速调制的激光输出。由于这些优点，半导体二极管激光器在激光通信、光存储、光陀螺、激光打印、测距以及雷达等方面以及获得了广泛的应用。,半导体发光二极管,半导体发光二极管(lightemittingdiode，LED)发射的是自发辐射光（非相干光）。大多采用双异质结结构，把有源层夹在P型和N型限制层间，但没有光学谐振腔，故无阈值。LED分为正面发光型和侧面发光型，侧面发光型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，故入纤光功率比正面发光型LED高。,半导体发光显示器件（LED）,WhatisLED?Lightemittingdiodes,commonlycalledLEDs,areusedfordozensofdifferentapplicationsandarefoundinallkindsofdevices(digitalclocks,remotecontrols,lightupwatchesandtellturnedonindicator).Televisionscreen,P-N结发光原理,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,发光二极管发射的是自发辐射光，没有光学谐振腔对波长的选择，谱线宽，短波长LED谱线宽度为3050nm。长波长LED的谱线宽度为6120nm。,LED的输出光功率特性,LED的一般外量子效率小于10%，驱动电流较小时，P-I特性呈线性，I过大时，由于PN结发热产生饱和现象，使P-I特性曲线斜率减小。通常LED的工作电流为50100mA，输出光功率为几mW，由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,电压：LED使用低压电源，供电电压在6-24V之间，根据产品不同而异，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。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LED小片是3-5mm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稳定性：10万小时，光衰为初始的50%。响应时间：其白炽灯的响应时间为毫秒级，LED灯的响应时间为纳秒级。对环境污染：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LED，随着电流的增加，可以依次变为橙色，黄色，最后为绿色。价格：LED的价格比较昂贵，较之于白炽灯，几只LED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上300500只二极管构成。,单色光LED的种类及其发展历史,最早应用半导体P-N结发光原理制成的LED光源问世于20世纪60年代初。当时所用的材料是GaAsP，发红光（=650nm），在驱动电流为20毫安时，光通量只有千分之几个流明，相应的发光效率约0.1流明/瓦。70年代中期，引入元素In和N，使LED产生绿光（=555nm），黄光（=590nm）和橙光（=610nm），光效也提高到1流明/瓦。到了80年代初，出现了GaAlAs的LED光源，使得红色LED的光效达到10流明/瓦。90年代初，发红光、黄光的GaAlInP和发绿、蓝光的GaInN两种新材料的开发成功，使LED的光效得到大幅度的提高。在2000年，前者做成的LED在红、橙区（=615nm）的光效达到100流明/瓦，而后者制成的LED在绿色区域（p=530nm）的光效可以达到50流明/瓦。,单色光LED应用,最初LED用作仪器仪表的指示光源，后来各种光色的LED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效益。以12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140瓦白炽灯作为光源，它产生2000流明的白光。经红色滤光片后，光损失90%，只剩下200流明的红光。而在新设计的灯中，Lumileds公司采用了18个红色LED光源，包括电路损失在内，共耗电14瓦，即可产生同样的光效。,单色光LED应用,汽车信号灯也是LED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，由于LED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，减少汽车追尾事故的发生。另外，LED灯在室外红、绿、蓝全彩广告显示屏得到了广泛的应用。,360LED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LED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,激光器和光纤激光器的基本原理几种实用型光纤激光器,激光器的基本原理,激光器的基本原理是光受激辐射的放大激光器的三个组成部分：泵浦源，工作物质，谐振腔短脉冲激光器的产生：锁模技术,光纤激光器的基本原理,光纤激光器的基本结构光纤激光器中的工作物质是掺杂光纤，光纤环是谐振腔，一般采用半导体激光器泵浦光纤激光器的优点短脉冲光纤激光器：高速短脉冲光纤激光器，超短脉冲光纤激光器,几种实用的光纤激光器,大功率双掺杂光纤激光器窄线宽光纤激光器短脉冲光纤激光器,大功率光纤激光器,实现大功率输出的主要技术采用包层泵浦技术，采用特种光纤作为增益介质，同时采用特种材料制造光纤大功率光纤激光器的应用激光加工，激光医疗和军事,大功率双掺杂光纤激光器1,英国SPI公司的大功率光纤激光器redPOWERTM高功率光纤激光模块-1550nm输出最大可达4W，波长1.5mredPOWERTM紧凑激光模块(2W-10W)最大输出可达10W，波长1m,大功率双掺杂光纤激光器2,俄罗斯IPG公司的大功率光纤激光器YLR-SMSeries100Wto1.5kWoutputOpticalPower1060to1080nmWavelengthRange100khrsEstimatedPumpDiodeMTBF,光纤激光器打标系统,大功率双包层光纤激光器打标系统的光路图JDSUniphasesContinuousWave(CW)FiberLaserMarking(FLM)System,光纤激光器打标系统的应用1,激光雕刻，右图为激光雕刻的示意图下图为激光雕刻的图形,光纤激光器打标系统的应用2,光纤激光器可以用于材料的改性，右图为示意图下图为材料改性的例子,光纤激光器打标系统的应用3,大功率光纤激光器可以用于激光切割和剥离。右图为示意图下图为剥离出来的图形,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,和二氧化碳激光器比较可以有更高峰值功率脉冲激光，可以加工的材料种类更多使用方便，采用光纤传输可以有更大的扫描范围能量转换效率高，光纤激光器的电光转换效率为25，而二氧化碳激光器只有5光束质量好,和YAG激光器比较光光转换效率高，光纤激光器的转换效率为70，YAG只有20使用寿命长，无需复杂的冷却系统。容易调节光纤传输，不怕污染，光束质量好,光纤激光器与YAG固体激光器的比较,窄线宽光纤激光器,实现窄线宽的相关技术主要采用光纤光栅或者光纤F-P干涉仪等滤波器进行线宽压缩窄线宽光纤激光器的应用窄线宽光纤激光器的相关长度长，在相关光通信系统，光纤传感系统，光学测量系统有很好的应用前景。,DBR型窄线宽光纤激光器,窄线宽光纤激光器1,NPPhotonics公司的窄线宽光纤激光器Verynarrowlinewidth(longcoherentlength)20mW高速短脉冲光源对于光时分复用系统，光学取样技术等有重要的意义，,超短脉冲光纤激光器1,美国Calmar公司飞秒光纤激光器。FPL-0X-XX波长范围：1535-1560nm可调或范围内固定重复频率：20M或10-50M可调，脉宽：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放大。,信号光与波长较其为短的光波(泵浦光)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。,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。,铒离子简化能级示意图,掺铒光纤放大器的基本结构,掺铒光纤：当一定的泵浦光注入到掺铒光纤中时，Er3+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：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：将信号光和泵浦光合路进入掺铒光纤中。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。,三种泵浦方式的EDFA,同向泵浦(前向泵浦)型：好的噪声性能,反向泵浦(后向泵浦)型：输出信号功率高,双向泵浦型：输出信号功率比单泵浦源高3dB，且放大特性与信号传输方向无关,MultistageEDFA,由于光纤对1480nm的光损耗较小，所以1480nm泵浦光又常用于遥泵方式。,RemotePumping,EDFA的工作特性,光放大器的增益放大器的噪声EDFA的多信道放大特性EDFA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，新增加的噪声主要来自ASE噪声与信号本身的差拍噪声。噪声指数为：,表明：即使对nsp=1的完全粒子数反转的理想放大器，被放大信号的SNR也降低了二倍（或3dB）。对大多数实际的放大器Fn均超过3dB，并可能达到68dB。希望放大器的Fn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。,EDFA的级联特性,信道间增益竞争，多级级连使用导致“尖峰效应”,1544,1569,典型的EDFA增益谱,固有的增益不平坦，增益差随级联放大而积累增大,各信道的信噪比差别增大,各信道的接收灵敏度不同,增益平坦,增益谱的形状随信号功率而变，在有信道上、下的动态情况下，失衡情况更加严重,1.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增益平坦，如：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。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。,EDFA+均衡器合成增益,增益平坦/均衡技术(1),2.新型宽谱带掺杂光纤：如掺铒氟化物玻璃光纤（30nm平坦带宽）、铒/铝共掺杂光纤（20nm）等，静态增益谱的平坦，掺杂工艺复杂。,3.声光滤波调节：根据各信道功率，反馈控制放大器输出端的多通道声光带阻滤波器，调节各信道输出功率使之均衡，动态均衡需要解复用、光电转换、结构复杂，实用性受限,增益平坦/均衡技术(2),4.预失真技术,不灵活，传输链路变换后，输入功率也要随之调整,增益平坦/均衡技术(3),WDM系统要求EDFA具有足够高的输出功率，以保证各信道获得足够的光功率。,方法：多级泵浦,EDFA的大功率化(1),EDFA的大功率化(2),用于制作大功率EDFA的双包层光纤结构图,芯层：5m内包层：50m芯层(掺铒)，传播信号层(SM)内包层，传播泵浦光(MM),双包层光纤是实现EDFA的重要技术，信号光在中心的纤芯里以单模传播，而泵浦光则在内包层中以多模传输。,长波段（L-band）掺铒光纤放大器,半导体光放大器SOA,SOA也是一种重要的光放大器，其结构类似于普通的半导体激光器。,半导体光放大器的放大特性主要决定于激光腔的反射特性与有源层的介质特性。根据光放大器端面反射率和工作偏置条件，将半导体光放大器分为：-法布里珀罗放大器(FPSOA)-行波放大器(TWSOA),多峰值、带宽窄，不适合通信系统应用，只可用于一些信号处理。,F-P半导体光放大器,入射光从左端面进入，通过具有增益的有源层，到达右端面后，部分从端面反射，然后反向通过有源层至左端面，部分光从左端面出射，其余部分又从端面反射，再次通过有源层，如此反复，使入射光得到放大。,行波半导体光放大器,TWSOA与FPSOA的区别在于端面的反射率大小，TWSOA具有极低的端面反射率，通常在0.1%以下。降低端面反射方法：倾斜有源区法、窗面结构。TWSOA的增益、增益带宽和噪声特性都可以满足光纤通信的要求，但如下两个缺点限制着它在光纤通信中的实际应用：对光信号偏振态的敏感性；对光信号增益的饱和性。,SOA的应用,多信道放大中存在问题噪声大信道串扰(交叉增益调制XGM、四波混频FWM)增益饱和引起信号畸变其他应用：光波长转换（XGM，XPM，FWM）光开关：直接调制SOA的注入电流实现光的通断。特点：高速、无损光信号处理器件。,SOAProduct,光纤拉曼放大器FRA,拉曼现象在1928年被发现。90年代早期，EDFA取代它成为焦点，FRA受到冷遇