第4章光源与光发送机

光通信原理与技术第4章光源与光发送机本章内容物质与光之间的互作用半导体发光二极管半导体激光器光放大器光发送机的基本组成及指标4.1

物质与光之间的互作用光的波粒二象性光具有波粒二象性光波，光子描述光波的特征参量：频率υ和波矢量k描述光子的特征参量：能量E和动量P之间的关系原子的能级原子的能量状态是量子化的，这些分离的能量状态称为能级最低的能量状态称为基态或基能级，其他的较高的能量状态都称为激发态或高能级处于高能级原子有向高能级跃迁的趋势，处于低能级的原子有吸收能量向高能级跃迁的可能费米-狄拉克分布在热平衡状态下，某个能级被电子占据的几率服从费米-狄拉克分布，即电子占据能量为E的能级的几率为其中，T为绝对温度，k为玻尔兹曼常数，Ef为材料的费米能级，是一个参考能级对于E>Ef

的能级，被电子占据的可能性小于1/2，而对于E<Ef

的能级，被电子占据的可能性大于1/2。原子中电子的跃迁原子中的电子存在着三种跃迁过程，对应着三种光与物质的互作用过程受激吸收自发辐射受激辐射hυhυhυhυhυE2E1E1E2E1E2受激吸收自发辐射受激辐射跃迁几率受激吸收几率自发发射几率受激发射几率B12

和B21：

爱因斯坦系数

发光与光的放大在热平衡状态下，低能级粒子占绝对多数，此时光子的受激吸收是占绝对优势的非热平衡状态下，可能出现高能级粒子数占多数的情况，称之为粒子数反转粒子数反转的情况下，物质的自发辐射和受激辐射占一定优势，物质表现出发光特性光放大受激发射的特点：产生的新光子与原光子严格同频、同相、同极化如果外部有合适频率的光信号进入粒子数反转区，则在受激辐射的作用下，该光信号被放大、光子数倍增，原有光波特点保留4.2半导体发光二极管（LED）4.2.1半导体发光机理纯净半导体晶体的能带半导体晶体的晶格结构使分立的能级形成具有一定宽度的能带在共价晶体中，最外层的电子和相邻的原子形成共价键通常把价电子所占据的能带称为价带价带以上的能带（被自由电子占据）称为导带价带顶和导带底之间的能量差为Eg，称为禁带宽度或带隙宽度在较低温度下，本征半导体的费米能级处于禁带的中间位置Eg

较大时，导带被电子占据的可能性远小于1/2，而价带被占据的可能性远大于1/2价带导带禁带宽度EgEf费米能级半导体的掺杂纯净半导体几乎是绝缘体掺杂可使其特性发生变化当掺入受主杂质时（外层电子数少于4个），P型半导体当掺入施主杂质时（外层电子数多于4个），N型半导体Ef本征半导体EfP型半导体EfN型半导体PN结的形成P型半导体与N型半导体接触时，在边界面上，由于载流子浓度不同，出现扩散P区空穴向N区扩散并与该区电子复合N区电子向P区扩散并与该区空穴复合载流子扩散后，打破了原先的电平衡，在P区和N区的界面附近形成自建场，方向从N区指向P区载流子在自建场作用下发生漂移，方向与扩散运动相反载流子的扩散运动和漂移运动终将取得平衡，此时PN结形成自建场空间电荷区-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+P区N区PN结的特点自建场的方向由N区指向P区空间电荷区几乎没有载流子存在，又称为耗尽区PN结具有单向导电性当在N区加正电压P区接地时，外加电场与自建场方向一致，加强了自建场，在漂移作用下，耗尽区变宽，PN结电阻愈大，几乎不导电当在P区加正电压N区接地时，外加电场与自建场方向相反，抵消了自建场，当消弱后的自建场不再能阻止载流子发生扩散运动时，PN结开始导电有源区的形成P区N区热平衡状态下，费米能级统一P区N区Ef外加正向电压时，费米能级分裂，形成两个准费米能级（Ef）c（Ef）v有源区增益区有源区形成粒子数反转，自发辐射和受激辐射将占优势，半导体发光，且光子能量约为禁带宽度，即：hυ≈Eg

4.2.2LED的结构直接带隙和间接带隙直接带隙半导体的导带底和价带顶在E-k空间中是对齐的，电子-空穴复合时，电子的动量不变，直接产生辐射复合间接带隙半导体的导带底和价带顶在E-k空间中是错位的，为了保持动量守恒，电子-空穴复合时，必须有一个声子参与，因此发光概率非常低硅是间接带隙半导体，所以难以用于制作发光器件常用的直接带隙半导体材料包括GaAs、GaInP、AlGaAs、InGaAs和GaAsP等同质结的效率问题同质结指制作P区和N区均使用同一种半导体掺杂制成同质PN结发光效率比较低电子-空穴分布范围大，浓度低，辐射跃迁几率也低PN结与P区和N区的相对折射率差小，光子方向杂散，不能有效输出改进办法：使用异质PN结Eg导带价带折射率光强0.1~1%使用异质结提高发光效率异质结结构指在有源区的两边加上相异的宽带隙的半导体材料异质结结构，特别是双异质结结构，对载流子和光子都形成约束，大大提高了发光效率导带价带折射率光强0.1~1%同质结单异质结~5%双异质结面发射和边发射按发光面可以将LED分为两种类型面发射二极管发射方向垂直于p-n结区优点：便于与圆形的光纤端面耦合边发射二极管从p-n结型有源区的端面发射优点：功率较大，方向性较好4.2.3发光二极管的工作特性LED的P-I特性输出光功率基本上与注入电流成正比PI频谱特性LED没有谐振腔，其光谱就是半导体材料的自发辐射谱LED的发射谱线较宽GaAlAsLED谱线宽度约30~50nmInGaAsPLED谱线宽度约60~120nm面发光LED较边发光LED的谱宽更宽边发光LED面发光LED光束发射特性LED发出的光束为非相干光，可视作朗伯光源，空间发散角较大面发光LED光束的辐射功率随角度的变化而呈余弦变化，光束的半功率发散角为120°边发光LED由于在平行于PN结的方向有异质结的折射率变化约束，因此光束的垂直发射角小一些，约30~50°，另外一个方向上发射角较大，约120°调制特性LED的频率响应特性取决于以下几个因素有源区的掺杂浓度复合区的注入载流子寿命LED的寄生电容提高LED调制特性的方法加大有源区的掺杂浓度，减小有源区的体积加大调制电流，提高空穴浓度减少寄生电容通信用LED的常用典型值出纤功率典型值：-15dBm调制带宽100Mbps以上半功率谱线宽度50~120nm工作电流100mA4.3半导体激光器（LD）4.3.1LD的工作原理

光与物质的三种相互作用发光及光放大有源区的形成

形成有源区是否可以产生激光？激射条件当PN结外加正向电压形成有源区后，还不能产生激光电振荡器的起振必要条件反馈，净增益同样，产生激光也需要类似的两个条件存在光学谐振腔（振荡的必要条件：反馈）有源区对光的增益足够大（振荡的必要条件：克服损耗）LD的基本结构增益介质由P区和N区之间的有源区（增益区）提供光反馈解理面构成的F-P腔提供泵浦注入电流PN解理面L有源区注入电流R1R2增益介质F-P腔ZXY工作条件物质条件增益介质光反馈泵浦起振条件阈值条件相位条件起振条件——阈值条件阈值条件指光在腔内往返一次，在介质中所获得的增益必须不小于介质的损耗和腔的反射损耗PN解理面L有源区注入电流R1R2增益介质F-P腔ZXY起振条件——相位条件相位条件指波从某一点出发，经腔内往返一周后应与初始相位同相，即相差为2π

的整数倍，从而形成光的相加干涉PN解理面L有源区注入电流R1R2增益介质F-P腔ZXY频率间隔：结论阈值增益稳定驻波条件4.3.2LD的分类与制作按制作材料分直接带隙、间接带隙按垂直于PN结方向上的结构分同质结、单异质结、双异质结、量子阱按平行于PN结方向上的结构分宽面激光器条形激光器台面条形、平面条形、隐埋条形LD的分类制作材料短波长LD双异质结结构，由衬底开始各层及其大约厚度为：N-GaAs(50~80m)、N-GaAlAs(~2m)

、P-GaAs(有源层，0.05~2m)

、P-GaAlAs(~2)

、P-GaAs(~1m)工作在850nm左右长波长LD双异质结结构，各层厚度与短波长LD接近，使用材料为N+-InP、N-InP、P-InGaAsP、P-InP、P-InGaAsP根据InGaAsP各材料浓度的不同，可实现波长从920~1650nm变化，用于光纤通信时一般选择在1310nm和1550nm附近制作工艺流程制备衬底材料外延生长衬底按结构要求连续生长出各外延层液相外延生长汽相外延生长分子束外延生长掩蔽和隔离形成耦合电极解理和键合耦合和封装InP或GaAs与光纤直接耦合热沉LD管芯光纤光纤夹持器边发光器件电极光纤胶有源区Cu热沉SiO2SiO2面发光器件存在问题LD发射的光束均有一定的空间发散角度掩埋条形LD：约30~50°，

‖约5~10°光纤的集光能力：数值孔径：多模光纤NA约0.2，空间角度约11.5°

；单模光纤NA约0.1，空间角度约6°

如果光纤和光源直接耦合，将有大部分光能量不能耦合进光纤，耦合效率很低，仅有10%左右，造成出纤功率下降提高耦合效率方法两大类方法加入微型光学元件在光源与光纤之间加入各种透镜等光学元件，使更多的光能量能够有效入射进光纤纤芯处理光纤端面将光纤端面加工成球形、楔形等，提高其集光能力通过上述方法，光源与光纤的耦合效率可提高到70%左右用微型光学元件提高耦合效率球透镜微球透镜附加透镜GRIN柱透镜处理光纤端面提高耦合效率圆头光纤球形光纤端面楔形光纤端面面发光器件组合方法柱透镜+球形光纤端面柱透镜LD柱透镜光纤热沉LD管芯致冷器封装接线条PD管芯热敏电阻4.3.3LD的工作特性激光器的工作特性内容包括以下几个方面P-I特性转换效率频谱特性温度特性调制特性激光光束的空间特性PI1、P-I特性激光器的P-I特性表现出明显的阈值特性当注入电流小于阈值电流时，不发射激光，输出光功率随注入电流的增加而缓慢增长当注入电流大于阈值电流时，发射激光，输出光功率随注入电流的增加而迅速线性增长Ith两个问题对于通信应用来说，阈值电流大点好还是小点好？如何改善？2、转换效率功率效率输出光功率比上输入电功率内量子效率有源区内每秒产生的光子数比上每秒注入的电子-空穴对数外量子效率每秒LD输出的光子数比上外部向激光器内注入的电子-空穴对数外微分量子效率在激射段，净增的输出光子速率比上净增的注入电子-空穴对速率3、频谱特性使用天然解理面构成F-P谐振腔的半导体激光器存在多纵模振荡的情况每一个纵模对应一个振荡波长总体上LD的频谱呈现多谱线结构，谱线包络为高斯轮廓纵模波长主模频率（波长）增益谱纵模频率（波长）满足两个条件增益条件，各纵模对应的光子的能量必须在有源区的增益谱内相位条件，各纵模频率必须是2倍腔长倒数的整数倍输出谱线随注入电流变化75mA2.3mW80mA4mW100mA10mW纵模之间存在竞争，即争夺反转的粒子数在低注入条件下，各纵模竞争力均不强，在较宽谱范围内出现多条振荡谱线随着注入电流的增大，主模的竞争力提高，边模在较大程度上被抑制，电流增大到一定程度时，出现单纵模输出LD的光谱特性参数峰值波长具有最大辐射功率的纵模的峰值所对应的波长中心波长光谱中各模波长的加权平均值光谱辐射宽度（谱宽）发射功率大于等于峰值波长功率一半的所有波长，也称为半高全宽光谱宽度光谱线宽（线宽）在一个纵模中光谱辐射功率为其最大值一半的谱线两点间的波长间隔边模抑制比MSR主模功率与最强边模功率之比，是半导体激光器频谱纯度的一种度量

FWHM意义下谱宽与线宽谱宽和线宽4、温度特性LD是温度敏感器件，温度变化对LD的工作状态影响主要存在以下几个方面温度升高，阈值电流升高温度升高，外微分量子效率降低温度变化，LD发光的中心波长变化温度升高时性能下降，阈值电流随温度按指数增长T0是LD的特征温度，与器件的材料、结构等有关上式反映了Ith

对温度的敏感度温度vs.阈值电流温度变化的P-I曲线温度vs.中心波长温度升高或电流增加，由电流的热效应使结温升高，从而使发光的中心波长漂移结温升高，半导体材料禁宽变窄，激光器发射光谱峰值波长移向长波长5、调制特性--瞬态性质对半导体激光器进行调制时，呈现出复杂的动态性质——光电瞬态响应光强相关电光延迟张弛振荡码型效应光谱相关频谱展宽与啁啾电光延迟与张驰振荡LD存在两种现象会影响其调制特性电光延迟激光输出较电流滞后张驰振荡当阶跃电流注入激光器后（0），电子浓度持续增大，达阈值后输出光子（1）由于光子密度增加需要时间，在到达稳态前（1-3），电子出现超量填充，如此光子密度可增大到稳态值以上高密度光子超量消耗电子（3-5），造成电子浓度迅速下降，直到稳态以下，如此光子密度也将随之下降到稳态以下重复以上过程，出现张驰振荡INP012345码型效应由于电光延迟的存在，光脉冲的高度与信号序列图样出现关联，称之为码型效应长连0后的1码光脉冲高度较低在用两个相邻的1码调制LD，前一个延迟较大且幅度和宽度较小；而后一个光脉冲的延迟时间较小而幅度和宽度较大电流脉冲光脉冲抑制光强相关瞬态效应的方法电光延迟、张弛振荡及码型效应均可使用加偏置电流的方法来抑制偏置电流越大，抑制效果越好，但如果超过阈值电流则可能引入较大的0码光，这将使接收机误码率升高通常偏置电流取得小于但又很很接近阈值电流频谱展宽与频率啁啾频谱展宽在强注入条件下，LD进入单纵模振荡状态，但如果加上变化的调制电流，LD将重新回到多纵模振荡状态，出现频谱展宽频率啁啾有源区内，电子浓度的变化将导致其折射率发生微小的变化，直接影响纵模波长和纵模的竞争在调制脉冲的上升沿主模波长向短波长方向漂移，在调制脉冲的下降沿主模波长向长波长方向漂移，此即为频率啁啾频率啁啾同样会造成LD的频谱展宽，光信号在光纤中传输时，受到色散的影响将加重啁啾（Chirp）在直接调制激光器时，不仅输出光功率随调制电流发生变化，而且光的频率也会发生波动，即在幅度调制的同时还受到频率调制解决办法：采用外部调制器6、光束发射特性半导体激光器的有源区是一个类似于矩形平面介质波导近区场呈椭圆形分布，长轴在波导的宽边方向，短轴在窄边方向远区场也呈椭圆形分布，但由于激光为相干光，相干叠加的结果使得光束的长轴在波导的窄边方向，短轴在宽边方向远区场表现出LD光束的发射特性，通常垂直发散角约300～500，水平发散角约

50～100

4.3.4LD的改进理想的光纤通信光源性能考虑合适的功率窄光谱高调制速率成本考虑长寿命小体积低功耗简单的外围电路早期LD的情况1962年，出现同质结半导体激光器（GaAs）低温下脉冲工作77K，重频50kHz高阈值电流密度105A/cm2寿命短小时量级问题剖析寿命影响因素：大电流温度寿命短性能更高的效率更窄的谱线方法效率载流子利用效率（内量子效率）光子输出效率（外量子效率）谱线动态单纵模振荡解决内量子效率问题同质结的效率问题同质PN结发光效率比较低电子-空穴分布范围大，浓度低，增益低PN结与P区和N区的相对折射率差小，杂散方向上光子多，不能有效反馈、输出发光效率低意味着阈值高，工作电流大，LD温度高，寿命短改进办法：使用异质PN结Eg导带价带折射率光强0.1~1%矮墙使用异质结提高发光效率异质结结构指在有源区的两边加上相异的宽带隙的半导体材料异质结结构，特别是双异质结结构，对载流子和光子都形成约束，大大提高了发光效率，可降低LD的阈值，延长LD的寿命导带价带折射率光强0.1~1%同质结单异质结~5%双异质结量子阱（QW）技术对非平衡载流子的约束双异质结相当于用“宽沟”将对载流子进行约束，沟内的载流子能量连续分布量子阱技术使用“窄沟”对载流子进行约束，沟内载流子由于空间约束，其能量形成量子化分布在注入条件一定的情况下，量子阱技术可在局部（势阱内）形成某些能量差之间更高的非平衡载流子浓度，使阈值条件变得更低量子阱的实现将有源层厚度减小到nm量级，可出现量子阱多层半导体可形成多量子阱结构Eg2有源层（100Å）Eg1SQW势垒量子阱MQW量子线与量子点技术思路：利用空间分割，进一步约束注入载流子的分布方法：3维纳米尺度效果10Gb/s直调在20℃至50℃的温度范围内，光输出特性基本不依赖温度的变化内量子效率改进小结同质结结构，105A/cm2势阱结构双异质结，103~

104A/cm2量子阱，102A/cm2空间分割量子线，101A/cm2量子点，100A/cm2解决外量子效率问题增益导引激光器特点使用窄条形金属电极和SiO2掩蔽层限制载流子分布，利用有源区内载流子浓度引起的微小射率变化对光子进约束使用晶体的天然解理面作为谐振腔反射镜存在问题光子输出效率低Cu热沉N-GaAs衬底N-GaAlAsP-GaAs有源层P-GaAlAs金属电极层SiO2掩蔽层解理镜面折射率导引激光器优点可以对有源区的横向光场形成更好的限制P-InPSiO2SiO2有源层-InGaAsPN-InPN+-InP

衬底Cu热沉脊弱折射率脊型导引LD

P-InPInGaAsP(有源层)N-InPN+-InP

衬底Cu热沉P-InPN-InP台面强折射率导引掩埋型LD解决动态单纵横振荡问题单纵模振荡LD单纵模振荡的实现方式选频反馈外腔式选频分布反馈选频DFB——分布反馈DBR——分布布拉格反射使用超短谐振腔，增大纵模波长间隔，使边模落在增益谱外存在问题：腔太短易引起光在腔内来回反射一次的增益不足以补偿反射镜的损耗DFB和DBRBragg光栅P区N区Bragg光栅有源区DBR-LDDFB和DBR均可实现单纵模输出，输出波长为布喇格波长二者相比较，DBR制作工艺要求更高，特性也更好一些有源区内载流子浓度会对其折射率造成影响有源区折射率的变化引起了光栅参数的变化，布拉格波长随之变化，导致LD谱线移动对LD调制时，信号电流导致载流子浓度交变，LD输出产生频率啁啾，频谱展宽DBR的光栅反射区基本没有折射率变化，因此反射波长稳定P区N区1/4波长Bragg光栅有源区DFB-LDVCSELVCSEL：Vertical-CavitySurfaceEmittingLaser，垂直腔面发射激光管专门设计了反射镜以降低反射损耗，有时还使用布拉格光栅增强其对特定波长的反射率优点：调制存速率高，结构较为简单，成本低，易集成缺点：功率较低，长波长VCSEL器件还不成熟电极光纤胶N-InPInGaAsPMQW有源区限流区镜面Cu热沉P-InP4.3.5LD的典型参数实际产品参数列表F-PMQWLDDFB-MQWLDP-I和V-I特性曲线通信用LD常用典型值功率大多LD功率可达0dBm阈值电流双异质结LD的Ith为典型值为20mA~40mA多量子阱LD的Ith典型值为10mA谱宽F-P腔LD的RMS谱宽典型值为2nmDFBLD的-20dB谱宽典型值为0.4nm4.4光放大器4.4.1光放大器基本概念光传输中的中继问题光纤通信目标：大容量、长距离通信对传输距离的限制因素损耗：信号幅度下降，接收机信噪比降低色散：信号脉冲展宽，出现码间串扰延伸传输距离的方法对光信号进行中继TR320kmRRR80km80km80km80km两种中继方法（一）光-电-光中继优点损耗、色散问题均可解决没有噪声积累问题，最大通信距离不受限缺点中继距离受限于接收机灵敏度，对于高速系统，中继距离较短速率受电器件限制，一般情况下，不同系统速率的中继器不通用在波分复用环境中，系统配置较为复杂电域光域光域O/EE/O2R/3R光纤光纤TTTTTRTRTRTRDWDMDWDMRRRRDWDMO/E/OO/E/OO/E/OO/E/ODWDM电中继DWDM应用时的情况TTTTTRTRTRTRDWDMDWDMRRRR电中继DWDM应用时的情况？两种中继方法（二）全光中继（放大）优点能够同时实现多个波长的中继放大透明，信号速率几乎不受限制光放大器小信号增益能够达35dB以上，中继距离较长缺点：存在光噪声积累问题，全光中继最大通信距离受限不能解决光纤色散造成的光脉冲展宽问题，全光中继距离受限光放大器光域两种中继方法的常见应用场合光/电/光中继单路系统，需要上下低速通路，通信速率不高典型应用场景：早期单路光缆通信线路，长途光缆线路上下通路站全光中继高速多路系统，不需要上下低速通路典型应用场景海缆通信，我国西部长途光缆线路光放大器基本概念定义一种可以不经过任何光电、电光的内部转换而直接放大光信号的放大器作用对光信号放大，延伸中继距离光放大器基本原理受激辐射E1E2hυhυhυ同频、同相、同偏振态光放大器基本结构输入信号光输出信号光激励源辅助部件（耦合，隔离）增益物质光放大器与电放大器的异同工作原理（异）电放大器：四两拨千斤光放大器：滚雪球工作特性（同）增益、带（谱）宽、线性、噪声工作方式（同）小信号放大，功率放大光放大器种类半导体光放大器SOA光纤放大器掺杂光纤放大器典型代表：EDFA非线性光纤放大器典型代表：RFA光放大器的主要工作参数功率增益饱和输出功率噪声系数增益带宽（谱宽）功率增益功率增益定义表示光放大器的放大能力饱和输出功率输出饱和功率定义为小信号增益下降3dB时的输出功率噪声系数信噪比的恶化用噪声系数Fn表示,定义为输入信噪比与输出信噪比之比：噪声系数与粒子数反转差有关，充分泵浦有利于减小噪声增益带（谱）宽由于粒子受激辐射产生光放大的速度非常快，因此可以认为光放大器的输出能够完美地跟踪输入光信号的变化光放大器的增益带宽主要指可增益的光谱宽度，一般也称作增益谱宽对光放大器增益谱的要求尽可能宽尽可能平坦4.4.2半导体光放大器(SOA)FP型SOA原理半导体晶体的两个解理面作为形成法布里－珀罗腔的部分反射端面镜光信号进入FPA后，在两个镜面间来回反射并得到放大，直到以较高的强度辐射出去特点优点：容易制作，增益较高缺点：可能出现自激，存在谐振特性，且受外界影响大温度敏感，注入电流强度敏感，入射光频率敏感TW（行波）型SOA基本原理对LD的端面做增透处理（镀膜），或者斜切形成角度，避免发生内反射，入射光仅通过一次即形成光放大特点优点：增益谱较宽缺点：由于半导体腔长很短，因此增益受限SOA的优缺点优点：体积小、制作工艺成熟，且便于与其它光器件进行集成、组件器件少，结构紧凑具有快速的增益响应工作波段可覆盖1.3um和1.5um两个波段缺点与光纤耦合困难，耦合损失大噪声及串扰较大对光的偏振特性较为敏感增益较低，饱和输出功率较小SOA的偏振敏感性SOA结构上的特点增益腔形状：极扁的长方体，截面非轴对称横截面典型宽度=10m

量级，高度<1m不同偏振方向上的光增益不同，此即为偏振敏感解决办法级联并联4.4.3掺铒光纤放大器(EDFA)SOA的主要缺点及其成因耦合损失大，对光的偏振特性较为敏感成因：极扁的增益腔截面较小的增益和饱和输出功率成因：增益腔很短噪声大成因：增益腔很短，增益随机分布较大串扰较大成因：增益腔体积小，载流子和光子浓度均很高，非线性效应强更理想的光放大器--EDFA使用掺铒光纤担任增益物质与输入输出光纤可形成良好匹配增益腔截面为圆形，无固有的偏振敏感特性增益腔截面面积大，长度长，光子密度相对较低，非线性效应弱，串扰小增益腔较长，可获得足够的增益和足够的饱和输出功率增益腔较长，增益随机性减弱，噪声系数较低EDFA的增益物质—铒Er3+的相关能级结构Er+3的能级结构图参与放大过程的三个能带基态能带E1亚稳能带E2泵浦能带E3（高能态）泵浦方式可使用980nm或1480nm的光实现对Er3+粒子的光泵浦E3E2E1Er3+受激辐射工作示意图980nm泵浦光将粒子从基态激发到E3态E3上粒子寿命很短，将通过无辐射跃迁的形式，迅速转移到E2能态当波长在1550nm附近的光子通过时，处于E2能态的粒子发生受激辐射回到基态，同时发射三同光子，形成光放大使用1480nm泵浦光时，粒子将直被接泵浦到E2能态两种波长的泵浦光的特点EDFA可以使用980nm和1480nm两种波长的泵浦光使用980nm泵浦光时，放大器噪声系数较小，但泵浦效率较低使用1480nm泵浦光时，特点与前者正好相反EDFA的基本结构掺铒光纤半导体泵浦二极管耦合器光隔离器EDFA的三种泵浦方式信号和泵浦光同方向传输—正向泵浦反向泵浦双向泵浦LD2WDM2EDFAPCAPCinoutLD1WDM1LDWDMEDFAPCAPCinoutLDWDMEDFAPCAPCinout三种泵浦方式的比较前泵增益系数大，但易达到增益饱和而使噪声增加

后泵不易达到饱和，因而噪声性能较好双向泵浦这种泵浦方式结合了同向泵浦和反向泵浦的优点，使泵浦光在光纤中均匀分布，从而使其增益也在光纤中均匀分布对于输出功率要求不高的应用场合，主要使用前两种泵浦方式，双向泵浦甚至多泵主要应用在功率放大场合，以期获得较大的饱和输出功率EDFA的典型增益曲线EDFA的优点（一）工作波长与光纤最低损耗窗口一致，可在光纤通信中获得应用耦合效率高因为是光纤型放大器，易与光纤耦合连接，连接损耗低至0.1dB能量转换效率高光与物质的作用充分，作用长度较长，转换效率很高EDFA的优点（二）增益高、噪声低、输出功率大增益可达40dB输出功率可达+20dBm以上噪声系数可低至3～4dB增益特性稳定对温度不敏感，适应各种环境EDFA的典型应用方式前置放大器利用EDFA的低噪特性，将其前置于接收机，以提高接收灵敏度功率放大器利用EDFA的高饱和输出功率和快速响应特性，将其置于高速光发射机的输出端，以提高高速光信号的入纤功率，延长传输距离中继放大器替代传统的光电光中继器，对线路中的光信号直接进行放大，以实现全光通信4.4.4拉曼光纤放大器（RFA）受激拉曼散射SRS量子力学描述入射光波的一个光子被一个分子散射成另一个低频光子，同时分子完成振动态间的跃迁，入射光作为泵浦光，产生称为斯托克斯波的频移光是泵浦光频率，是斯托克斯频率，是斯托克斯频移亚稳态稳态基态FRA原理石英光纤具有很宽的受激拉曼散射（SRS）增益谱，并在13THz附近有一较宽的主峰如果一个弱信号与一强泵浦光波同时在光纤中传输，并使弱信号波长置于泵浦光的拉曼增益带宽内，弱信号光即可得到放大FRA特点分布式放大FRA具有频带宽、增益高、输出功率大、响应快与系统连接方便等优点泵浦效率低，需要很大的泵浦光功率，限制了其应用4.5光发送机的基本组成及指标4.5.1光发送机一般结构光发送机的一般构成光发送机的任务实现电光转换数字式光发送机的主要部分包括光线路编码调制电路控制电路光线路编码调制电路光源控制电路数字电信号数字光信号4.5.2光源的调制内调制和外调制内调制指直接利用改变光源的注入条件实现调制利用半导体光源的输出光功率随注入电流的变化而变化的特点可实现LED和LD的内调制内调制通常只能实现强度调制（IM：IntensityModulation）外调制指光源本身光输出稳定，在外部使用专门的调制器