光波导理论基础（第3版）课件 10有源光器件

内容第1章电磁场理论第2章几何光学第3章光波导几何分析第4章薄膜波导模式理论第5章三维光波导第6章光纤模式理论第7章电磁场分析的有限元法第8章模式耦合理论第9章无源光器件第10章有源光器件第11章光子晶体波导第12章光波导的制备光波导器件的分类无源光波导器件有源光波导器件不具备能量转换功能的器件，特别是对光波呈现静态特性的器件，也就是对那些不具备利用外部信号控制光波功能的器件称为无源器件（passivedevice）对光波具有动态控制功能的器件称为有源器件（functionaldevice,activedevice）光路变换器、分配器、波分复用/解复用器、波导光栅、耦合器、传感器、谐振器、偏振器、透镜等光波导放大器、光波导调制器、半导体激光器等10.1光波导放大器10.2光波导调制器10.1光波导放大器10.1.1概述光纤的损耗谱特性为什么采用光放大器？

(OpticalAmplifier，OA)S波段1460nm-1530nmC波段1530nm-1565nmL波段1565nm-1625nm当前各国光纤通信大都运用在C与L波段普通光纤

0.2dB/km超低损耗光纤0.16dB/km10.1光波导放大器10.1.1概述最终限制光纤通信系统的是带宽和损耗模拟光纤通信系统成本非常高，且可能带来附加噪声！光信号转换成电信号电信号放大电信号调制光源光纤传输全光放大!光-电-光中继转换使传输速率和传输带宽受到限制—电子瓶颈效应10.1光波导放大器10.1.1概述Anopticalamplifierisadevicewhichamplifiestheopticalsignaldirectlywithouteverchangingittoelectricity.Thelightitselfisamplified.PumpingEnergyOpticalSignalinOpticalSignaloutOA基本原理10.1光波导放大器10.1.1概述分类Amplifierscanbebuiltinopticalwaveguides:EDFA:ErbiumDopedFiberAmplifiers(1550nm)SRFA:StimulatedRamanFiberAmplifiers

(1270-1670nm)EDWA:ErbiumDopedWaveguideAmplifiers(1550nm)Amplifierscanbebuiltinsemiconductor:SOA：SemiconductorOpticalAmplifiersAlmostanysemiconductorlasercanbemadeintoanamplifierwithafewmodifications.10.1光波导放大器10.1.1概述掺铒(Er3+)光放大器可以实现波长在1550nm附近光的光放大其它波长光放大器掺镨(Pr3+)光放大器可实现波长在1310nm附近的光放大；掺铥(Tm3+)光放大器(810nm)；掺钕(Nd3+)光纤放大器(1300nm)等等。10.1光波导放大器10.1.1概述光路与应用EDFAEDWA10.1光波导放大器10.1.2铒离子的光谱特性Er3+能级结构图10.3铒离子斯塔克能级分裂图(EnergyLevelsofErbiumIon)

稀土元素铒(Er)：ⅢB族、镧系原子序数68Er原子的电子排布为[Kr]4d104f125s25p66s2容易失去2个6s电子和一个4f电子形成Er3+未满壳层的4f电子决定了Er3+的光电特性。Er3+:[Kr]4d104f11

5s25p6

10.1光波导放大器10.1.2铒离子的光谱特性Er3+发射光谱泵浦源图10.4铒离子发射谱光纤通信C、L波段谱线宽30-50nm其它波段光致发光谱10.1光波导放大器10.1.2铒离子的光谱特性

泵浦源光致发光(PL)电致发光(EL)热发光化学发光等使用半导体激光器泵浦源是EDFA和EDWA实用化的前提。光致发光泵浦源:520nm(氩离子激光器输出波长)、650nm(染料激光器)、800nm(半导体激光器)、980nm(半导体激光器)、1480nm(半导体激光器)等，这些频带光都可用来泵浦。10.1光波导放大器10.1.2铒离子的光谱特性

光放大原理铒离子简化能级示意图吸收泵浦光快速非辐射跃迁光放大受激辐射产生噪声自发辐射受激吸收基态能带泵浦能带980nm1480nm亚稳态能带1550nm980nm和1480nm的LD已商品化,通常采用980nm和1480nm光泵浦，980nm的泵浦效率高。DavidPayne英国-南安普顿大学198510.1光波导放大器10.1.2铒离子的光谱特性

泵浦方式图10.10掺铒光纤放大器光泵浦方式示意图10.1光波导放大器10.1.3速率方程

能级跃迁机制（980nm泵浦）Ni:各能级上的粒子数密度铒离子能级跃迁示意图泵浦光的受激吸收跃迁速率R13=W13N1

受激吸收跃迁几率：

13:Er3+对泵浦光的吸收截面，

31:Er3+对泵浦光的受激辐射截面Ip:泵浦光强h

p:泵浦光子能量泵浦光的受激辐射跃迁速率R31=W31N3

受激辐射跃迁几率：10.1光波导放大器10.1.3速率方程

能级跃迁机制（980nm泵浦）铒离子能级跃迁示意图信号光的受激吸收跃迁速率R12=W12N1

受激吸收跃迁几率：

12:Er3+对信号光的吸收截面，

21:Er3+对信号光的受激辐射截面Is:信号光强h

s:信号光子能量信号光的受激辐射跃迁速率R21=W21N2

受激辐射跃迁几率：10.1光波导放大器10.1.3速率方程

能级跃迁机制（980nm泵浦）铒离子能级跃迁示意图

自发辐射

R2=A2N2

自发辐射跃迁几率：

……

无辐射跃迁

R32=S32N3

R43=S43N4

……

3、

4能级平均寿命10.1光波导放大器10.1.3速率方程

能级跃迁机制（980nm泵浦）下转换机制用短波长的光照射样品后，获得长波长低能量的光辐射。频率

i

光子入射→

01、

02的光子辐射。一个入射光子可能获得2个或3个光子输出，量子效率大于100%，可达200%以上。10.1光波导放大器10.1.3速率方程

能级跃迁机制（980nm泵浦）上转换机制光与粒子或粒子与粒子作用，粒子向高能级跃迁。上转换机制主要有激发态吸收(ESA)激发态受激吸收截面10.1光波导放大器10.1.3速率方程

能级跃迁机制（980nm泵浦）上转换机制能量传递(ET)Ktr能量传递系数合作上转换(CU)Cup合作上转换系数跃迁速率R=CupN22交叉弛豫(CR)Ccr交叉弛豫系数跃迁速率R=CcrN1N3

转移速率离子间相互作用10.1光波导放大器10.1.3速率方程首先需要实现4I13/2

和

4I15/2能级间的粒子数反转。信号光激励，受激辐射大于受激吸收，实现光放大。考虑光和粒子及粒子间的作用机制引起的各种跃迁，给出相关能级粒子数随时间变化的微分方程--速率方程。图10.9980nm泵浦下光放大示意图10.1光波导放大器10.1.3速率方程NEr：铒粒子数密度

51能级4F9/2的辐射寿命

61能级4S3/2的辐射寿命980nm泵浦Er3+能级跃迁示意图解稳态速率方程可得各能级粒子数密度。不同泵浦波长下粒子数反转示意图10.1光波导放大器10.1.3速率方程

粒子数反转粒子数反转度受泵浦功率和掺杂浓度的影响。一般来说，实现粒子数反转存在一个最低泵浦功率，称为阈值泵浦功率。10.1光波导放大器10.1.4光波传输方程

(x,y)：归一化光强分布信号光传输方程:

：波导损耗系数光波导信号、泵浦光传播示意图zz+dz10.1光波导放大器10.1.4光波传输方程光波导信号传播示意图

(x,y)：归一化光强分布

：波导损耗系数

联立求解传输方程和速率方程，可得被放大的信号功率PS

(z)。泵浦光传输方程:10.1光波导放大器10.1.5放大器增益特性

放大器增益(dB)光波导信号传播示意图，分别表示输出和输入信号的光功率10.1光波导放大器10.1.5放大器增益特性

放大器增益光波导信号传播示意图1.53m0.98mEDWA增益与波导长度关系EDWAG

PP的关系及偏振特性10.1光波导放大器10.1.5放大器增益特性

噪声噪声系数定义为输入信噪比与输出信噪比的比值。放大器将信号的功率放大到可用的程度，但同时对信号光波段的自发辐射也进行了放大(放大的自发辐射ASE)，从而产生了附加噪声，导致信息信号的信噪比降低。通常表示为(dB)10.1光波导放大器10.1.5放大器增益特性

噪声m是信号光导模个数，

j和

为Er3+自发辐射谱经离散化后的第j个取样中心频率和取样频宽，设取样数目为M，j=1～M。放大的自发辐射ASE不携带调制信号，其传输方程为沿放大器传播方向噪声系数ASE在波导（长为L）两端的边界条件为：10.1光波导放大器10.1.5放大器增益特性

噪声图10.24不同泵浦功率下，噪声系数与掺铒波导长度的关系曲线10.1光波导放大器10.1.5放大器增益特性

增益带宽若光放大器的增益与信号光波长无关，则可以在不降低增益的情况下增加信道数目，提高通信容量，并且降低噪声和误码率，性能好，应用价值高。铒离子能级4I15/2至4I13/2的吸收谱以及4I13/2至4I15/2的发射谱在1550nm波段的增益与波长有关，增益谱线不平坦。从增益考虑，需要铒离子具有较宽、较强的发射谱且能实现高浓度掺杂，以获得较强、较宽的增益谱。为获得较平坦的增益谱，需要对光放大器加以设计，如泵浦方式、放大器结构、长度等；还可以采用经过设计的增益平坦滤波器，有效地抑制输出光谱中的高增益部分，一般平坦增益宽度约为40nm。10.1光波导放大器10.1.6镱铒(Yb-Er)共掺光放大器Er3+能级结构Yb3+能级结构(2)Er3+与周围的Yb3+形成感应对,既有效地增加了Yb3+-Er3+的能量传递效率，又减少了Er3+之间的上转换这一不利因素；(3)Yb3+发射谱(2F5/2→2F7/2)与Er3+吸收谱(4I15/2→4I11/2)间有较大重叠，易于能量传递；(4)Yb3+在0.8mm到1.1mm之间有较宽的吸收带，在泵浦激光器波长的选择上比较灵活。(1)Yb3+对980nm的吸收截面要比Er3+的大一个量级，通过Yb3+-2F5/2(施主离子)和

Er3+-4I15/2(受主离子)的能量传递，Er3+得到泵浦,可极大提高泵浦效率；10.1光波导放大器10.1.6镱铒(Yb-Er)共掺光放大器（YEDWA）图10.21EDWA增益与波导长度的关系曲线图10.22YEDWA增益与波导长度的关系曲线确定Yb浓度下反转数随Er浓度的变化泵浦光强:1×104W/cm210.1光波导放大器10.1.7掺铒材料Si，SiO2，磷硅、钠钙硅玻璃，LiNbO3，Y2O3，Al2O3，有机聚合物，Er离子在不同的基质材料中荧光谱略有不同。

Er在不同基质中的溶解度不同，在硅中较低，在Y2O3、Al2O3中则较高。

掺铒玻璃波导放大器易于和光纤耦合，掺杂浓度有限；掺铒Al2O3波导放大器，n较大，可实现大曲率弯曲，模场约束好，可实现有效的泵浦和放大，可将高浓度的Er结合进Al2O3晶体结构中，从而在较短的尺寸内得到较高的增益。但制备比较复杂，不易刻蚀。聚合物材料制备的有机光波导放大器，只须通过室温旋涂和光刻等工艺就可以制作出功能复杂的光电集成器件，并且折射率差易于调整，制作的器件轻巧，适用于制作高密度集成器件。10.1光波导放大器

器件EDFASchematicDiagramofEDWAEDWA5~100cmlongwaveguidecanbewindedonafewmm210.2光波导调制器10.2.1光调制器电光效应、磁光效应、声光效应、Franz-Keldysh效应、量子阱Stark效应、载流子色散效应等外部输入信号(电、光、声、磁等）振幅相位强度偏振态光路切换。。。输入光输出光M-Z干涉仪结构改变和控制10.2光波导调制器10.2.1光调制器

电光调制器（Electro-OpticModulator，EOM）

电光晶体LiNbO3，GaAs，LiTaO3等

施加外部可控电压或电场

折射率

相位、幅度Pockels效应或线性电光效应；Kerr效应或二次电光效应

磁光调制器（Magneto-OpticModulator，MOM）

磁光晶体Y3Fe5O12，CdCr2S4等

磁场

光偏振面旋转声光调制器（Acousto-OpticModulator，AOM）

声波

晶体材料（如LiNbO3）产生应变

折射率变化AOM利用光弹效应实现对信号光的调制。

电吸收调制器（ElectroAbsorptionModulator，EAM）

半导体激子吸收效应，常用于信号的调制编码

热光效应、非线性光学效应

10.2光波导调制器10.2.2晶体的电光效应电光晶体的各向异性选用适合的主轴坐标系，得对角矩阵晶体中电场能量密度nx、ny、nz

主折射率折射率椭球方程10.2光波导调制器10.2.2晶体的电光效应施加外部调制电压或电场，折射率椭球各轴的方向和长度都将会发生变化，介电常数张量不再对称。此时的折射率矩阵非对角元不为零，折射率椭球方程Pockels电光晶体:折射率椭球系数变化量∆bj（j=1,2,…,6）与外加电场分量Ek（k=x，y，z）之间的关系线性电光系数：电光张量矩阵元

jk10.2光波导调制器10.2.2晶体的电光效应图10.26纵向相