第五章 光有源器件概述

5.1 光调制器
光调制器
光发射机的功能是把输入电信号转换为光信 号, 并用耦合技术把光信号最大限度地注入 光纤线路。 其中把电信号转换为光信号的过程就是光调 制。 调制后的光波经过光纤信道送到接收端, 由 光接收机鉴别出它的变化, 再恢复原来的信 息, 这个过程称为光解调。 调制和解调是光纤通信系统的重要内容。
驱动和控制
二、光纤来自百度文库信系统中的外调制器

根据物理机制，外部调制器主要分为四类： 声光调制器、磁光调制器、电光调制器、 电吸收调制器。
声光调制器：是由声光介质、电声换能器、 吸声（或反射）装置及驱动电源组成。
声光调制器的工作原理
声光调制是利用声光效应将信息加载于光频载 波上的一种物理过程。
调制信号是以电信号(调辐)形式作用于电-声 换能器上，电-声换能器将相应的电信号转化为变化 的超声场，当光波通过声光介质时，由于声光作用， 使光载波受到调制而成为“携带”信息的强度调制 波。
色散
时间
输入信号 损耗 时间 非线性

脉冲展宽
输出信号 衰减
频率
新频率

光纤的损耗将使光信号传输时按指数衰减，限制 了通信距离，应在长途通信线路上设置中继放大 器。以补偿光信号的衰减和对畸变信号进行整形， 然后继续向终端传送。
光电光混合中继器

采用光-电-光转换方式，结构复杂，价格昂贵，且 不能用于波分复用系统中。 采用光放大器对光信号进行直接放大的中继器，多 波长放大、低成本。

当泵浦光射到掺铒光纤中时, 基态铒离子吸收泵浦 光能量, 向高能级跃迁。 泵浦光的波长不同, 粒子所跃迁到的高能级也不同。 由于Stark(斯塔克)效应, 原子能级产生分裂, 铒离子 的能级展宽为带状。 粒子跃迁时, 先跃迁到上能级, 并迅速以非辐射跃迁 的形式由泵浦态变至亚稳态。在亚稳态, 粒子有较 长的存活时间, 由于源源不断地进行泵浦, 粒子数不 断增加, 从而实现了粒子数反转，产生受激辐射。

电吸收调制

电吸收调制是利用材料的电吸收效应对光进行调 制的光调制器。 电吸收调制器是一种损耗调制器，它利用弗朗兹凯尔迪什效应和量子约束斯塔克效应，工作在调 制器材料吸收边界波长处。


具有调制带宽大、插入损耗低、消光比高、调制 效率高等特点。
5.2 光放大器
光放大器
在光纤通信系统中, 随着传输速率的增加, 传 统的光—电—光中继方式的成本迅速增加。 长时间以来, 人们一直在寻找用光放大的方 法来替代传统中继方式, 以延长传输距离。 光放大器能直接放大光信号, 对信号的格式 和速率具有高度的透明性, 使得整个系统更 加简单和灵活。 它的出现和实用化, 是光纤通信发展中的一 个里程碑。


在光纤通信系统的设计中, 光放大器有四种 用途, 如图：
线路放大(In-line)：周期 性补偿各段光纤损耗 功率放大(Boost)：增加 入纤功率,延长传输距离
前置放大(Pre-Amplify): 提高接收灵敏度
局域网的功率放大器： 补偿分配损耗，增大网 络节点数

光纤的损耗和色散限制了通信距离。
全光中继器

在混合中继器中先将从光纤接收到的脉冲光 信号用PD转换为光电流。 经前置放大器、主放大器、判决再生电路在 电域实现脉冲信号放大与整形。 驱动光源产生光脉冲信号沿光纤继续传输。

1988年安装的 TAT-8使用了 103个中继器 （每隔35km40km ）
掺铒光纤放大器EDFA

一、光信号的调制
直接调制：用电信号直接调制半导体激光器或发 光二级管的驱动电流，是输出光信号发生变化。
光纤
激光源
光信号输出 电信号输入
驱动器
间接调制：在这种光纤链路中，调制信号不是直接 施加在激光二极管上，而是施加在光调制器上。 尽管增加了插入损耗，但却甚好的解决了直接调制 存在的啁啾现象。
电信号输入 光纤 激光源 调制器 光信号输出
磁光调制
磁光调制主要是应用法拉第旋转效应，使一束线 偏振光在外加磁场作用下的介质中传播时，其偏振方 向发生旋转 ：
VHL
式中V为韦尔德系数，H 为沿光束传播方向的磁场 强度，L为光在介质中的传播长度。
电光调制

电光调制是利用某些电光晶体，如铌酸锂 （LiNbO3）、砷化镓（GaAs）等的电光效应制 成。 电光效应是指外电场加到晶体上引起晶体折射率 变化的效应，从而影响光波在晶体中春传播特性 的变化，实质上是电场作用引起晶体的非线性电 极化。



根据泵浦光和信号光传播方向的相对关系, EDFA 的结构可分为正向泵浦、反向泵浦和 双向泵浦, 其结构如下图所示。
正向泵浦
反向泵浦
双向泵浦

在石英光纤中掺入一些三价稀土金属元素, 如Er(铒)、 Pr(镨)、Nd(钕) 等, 形成一种在泵浦光的激励下可以 放大光信号的特殊光纤, 因此可以用于制作光纤放大 器, 其中EDFA目前应用最为广泛。掺铒光纤的能级 图及部分吸收谱和发射谱如下图所示。

EDFA 主要由合波器WDM、泵浦激光器(大 功率LD)、光隔离器和掺铒光纤构成。 EDFA 是利用掺铒光纤中掺杂的稀土离子在 泵浦光源(波长 980nm 或 1480nm)的作用下, 形成粒子数反转, 产生受激辐射, 辐射光随入 射光的变化而变化, 进而对入射光信号提供 光增益。

EDFA工作原理
掺杂光纤放大器优点：
掺铒与掺镨光纤放大器具有增益高、
噪声低、频带宽、输出功率高等优 点，具有广泛的应用前景。
光放大器的类型
半导体激光放大器（SLA）
第五章 光有源器件 Active Optical components
光有源器件定义：需要外加能源驱动工作的光电 子器件

5.1 光调制器 5.2 光放大器 5.3 可调谐光滤波器 5.4 偏振控制器 5.5 光电探测器件
光有源器件

光有源器件在光通信系统和光纤技术中占有 重要地位。光通信系统的实用和发展是和光 有源器件的发展密切相关的,其中掺铒光纤放 大器的实用化是光通信系统中的一个里程碑。 常见的光有源器件:光调制器、光放大器、可 变光衰减器、可调光滤波器、光分差复用器、 偏振控制器等。