有源光器件

泵浦
铒 能带 离
子
简
化 能 吸收泵浦光
级
示
980nm
意
图
基态
能带
快速非辐 射跃迁
英国-南安普顿大学1985 亚稳态能带
1480nm
产生噪声
光放大
自发辐射 受激吸收 受激辐射
1550nm 14
第10章 有源光器件 10.1 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
Pumping Energy
Optical Signal in
Optical Signal out
OA
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第10章 有源光器件 10.1 光波导放大器
10.1.1 概述 分类
Amplifiers can be built in optical waveguides:
• EDFA: Erbium Doped Fiber Amplifiers (1550nm) • SRFA: Stimulated Raman Fiber Amplifiers
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第10章 有源光器件
10.1 光波导放大器
10.1.3 速率方程
能级跃迁机制（980nm泵浦）
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
hp:泵浦光子能量
光波导器件的分类
无源光波导器件 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（passive device） 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
有源光波导器件 对光波具有动态控制功能的器件称为有源器件 （functional device, active device） 光波导放大器、光波导调制器、半导体激光器等
光纤通信C、L波段
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第10章 有源光器件
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 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Baidu Nhomakorabea浦。
使用半导体激光器泵浦源是EDFA和EDWA实用化的前提。 13
第10章 有源光器件
10.1 光波导放大器
10.1.2 铒离子的光谱特性
David Payne
光放大原理
980nm 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。
(1270-1670nm) • EDWA: Erbium Doped Waveguide Amplifiers(1550nm)
Amplifiers can be built in semiconductor: • SOA：Semiconductor Optical Amplifiers Almost any semiconductor laser can be made into an amplifier with a few modifications.
10.1.1 概述 基本原理
An optical amplifier is a device which amplifies the optical signal directly without ever changing it to electricity. The light itself is amplified.
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第10章 有源光器件 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(810 nm)； 掺钕(Nd3+)光纤放大器(1300 nm)等等。
• 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
第10章 有源光器件
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第10章 有源光器件 10.1 光波导放大器
10.1.1 概述 光路与应用 EDFA
EDWA
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第10章 有源光器件
10.1 光波导放大器
10.1.2 铒离子的光谱特性
Er3+能级结构
稀土元素铒(Er)： • ⅢB族、镧系 • 原子序数68 • Er原子的电子排布为
[Kr]4d104f12 5s25p6 6s2 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]4d10 4f 11 5s25p6
图10.3 铒离子斯塔克能级分裂图 (Energy Levels of Erbium Ion)
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第10章 有源光器件 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
其它波段光致发光谱
谱线宽30-50nm
图10.4 铒离子发射谱
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第10章 有源光器件
10.1 光波导放大器 10.2 光波导调制器
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第10章 有源光器件
10.1 光波导放大器
10.1.1 概述
为什么采用光放大器？ (Optical Amplifier，OA)
光纤的损耗谱特性
普通光纤0.2 dB/km 超低损耗光纤0.16 dB/km
S波段 1460nm-1530nm C波段 1530nm-1565nm L波段 1565nm-1625nm 当前各国光纤通信大都运 用在 C与 L波段
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第10章 有源光器件 10.1 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
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
成本非常高，且可能带来附加噪声！
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
全光放大!
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第10章 有源光器件 10.1 光波导放大器