光通信系统中的激光器和放大器

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激光原理及应用 陈鹤鸣 赵新彦
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3. 分布布拉格反射半导体激光器（DBR-LD）
➢ DBR-LD也需要使用外调制器才能满足长 距离传输的需要。
➢ 由于DBR-LD是通过改变光栅区的注入电流 实现调谐的，这导致了较大的谱线展宽。
➢由于DFB-LD的激射波长相对稳定，人们就将 多个波长不同的DFB-LD集成起来，组成波长 可选择光源。
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4. 垂直腔面发射激光器（VCSEL）
➢ 低成本激光器中，垂直腔面发射激光器 （VCSEL）是最有前途的半导体激光器。
➢ 具有光束特性好、易耦合、调制速率高、 价格低廉的优势。
➢ 由于器件结构及生长材料等原因，VCSEL依然 存在着基横模输出功率不高、散热困难、极化控 制困难及在长波方面表现不理想等问题，因此限 制了其在长途干线通信等领域的应用。
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掺铒光纤放大器
(2) EDFA的泵浦方式
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掺铒光纤放大器
(3) EDFA的特点
EDFA的工作波长恰好落在光纤通信的最佳波长 1330nm～1600nm。
EDFA的增益高，在较宽的波段内提供平坦的增 益，因此能放大多个光信道中的信号，尤其适合 于密集波分复用（DWDM）系统。
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10.2 光 放 大 器
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光放大激光器原的理及三应用种陈典鹤鸣型赵新应彦用
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10.2.1 半 导 体 光 放 大 器
Semiconductor Optical Amplifier （SOA）
某些半导体材料所形成的PN结有源区（注入电流时）， 在外来光子的作用下会产生受激辐射而产生光放大， 半导体的这种光放大作用是制作半导体激光器的基础。
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5. 量子阱半导体激光器
➢ 量子阱结构的半导体激光器可以使激射 的阈值电流大大降低。
➢ 量子阱结构已成为应用于长距离大容量光 纤通信系统中的光源的首选有源区结构。
➢ 考虑到DFB半导体激光器和量子阱半导体激 光器的优点，把两者优点结合起来的DFB量子 阱长波半导体激光器，其阈值电流较低，量子 效率较高，其输出光谱是动态单纵模结构，啁 啾效应较小，特别适宜于 GB/s级数字光纤通信 使用。
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2. 分布反馈半导体激光器（DFB－LD）
➢DFB－LD的特点是，光栅分布在整个谐振腔中， 光波在反馈的同时获得增益，因此其单色性优于一 般的FP－LD。
➢直接调制DFB－LD的最大优点是在高速调制的情 况下仍能保持动态单模，非常适合高速短距离的光 纤通信系统。
➢DFB－LD的单频特性虽然很好，但波长的准确控 制却比较困难，而且在高速调制下的线宽展宽比较严 重，因此在超高速、超长距离通信系统中，需要使用 外调制激光器。
EDFA：1550nm PDFA：1300nm
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1. 掺铒光纤放大器
(1) EDFA的结构与工作原理
EDFA的结构示意图
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掺铒光纤放大器
石英光纤中 Er的3 相关能级
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EDFA的典型参数
输出功率（输入 3dBm ） 增益（输入 35dBm） 噪声系数（输入 35dBm）
带宽
13dBm，15dBm ，18dBm 或 24dBm 25dB，30dB，33dB 0/9/15
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2.非线性光纤放大器
➢目前光纤通信中采用的FP－LD的制作技术已经相当成熟。
➢对FP－LD进行高速调制时，原有的激光模式会发生变化， 出现多模工作，这就决定了FP－LD不能应用于高速光纤 通信系统。
➢相对于其他结构的激光器来说，FP－LD的结构和制作工艺 最简单，成本最低，适用于信息传输速率较低的情况。
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法布里－珀罗放大器（FP－SOA）
行波放大器（TW－SOA）
其驱动电流低于其阈值，即未 在半导体激光器的两个镜端面 产生激光，这时向其一端输入 涂敷或蒸镀一层防反射膜，使 光信号，当这个光信号的频率 其反射率很小，形成透明区， 处2于020激/9/1光5 器的频谱中心激附光近原理，及应用 陈不鹤产鸣 赵生新彦反射，这时光信号通过9 便被放大而从另一端输出； 有源波导层时将边行进边放大
半导体行波光放大器原理
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10.2.2 光 纤 放 大 器
掺杂光纤放大器：利用光纤中掺杂稀土物质引起的增益机制
实现光放大，放大器的特性主要由掺杂元 素决定。 铒（Er）、钬（Ho）、钕（Nd）、钐（Sm）、铥（Tm）、 镨（Pr）和镱（Yb）等稀土元素可用于实现不同波长的放大， 波长覆盖从可见光到红外的范围。
噪声低，接近量子极限。 增益与光纤的偏振状态无关，故稳定性好。 与传输光纤易耦合，与光纤的耦合损耗小。
放大特性与系统比特率和数据格式无关，因
2020/9/1而5 对数字和模拟信激光息原理都及应可用以陈鹤放鸣大赵新传彦 输。
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掺铒光纤放大器
EDFA的缺点：尺寸较大；泵浦源寿命不长； 不能与其他器件集成，限制了EDFA在光电子 集成（OEIC）中的应用；EDFA的增益带宽 仅覆盖石英单模光纤低损耗窗口的一部分， 从而制约了光纤能够容纳的波长信道数。
光纤拉曼放大器 拉曼效应：当向光纤中射入强功率的光信号时，输入光的一部
分能变换成比输入光波长更长的光波信号输出，这是由于输入光 功率的一部分在光纤的晶格运动中消耗所产生的现象，这种现象 称之为拉曼散射，它具有散射光和使光波长发生偏移的作用。
第十章 光通信系统中的 激光器和放大器
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光纤通信系统的基本组成
光纤通信 光通信
无线激光通信
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10.1 半导体激光器在光纤通信中的应用
10.1.1 作为光纤通信光源的半导体激光器 1. 法布里－珀罗激光器（FP－LD）