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,上一页,回首页,下一页,回末页,回目录,第九章 激光在信息技术中的应用,9.1光纤通信系统中的激光器和光放大器,1.,光纤通信对半导体激光器光源的要求,9.1.1 半导体激光器,半导体激光器是激光器中的一个大家族。它与固体激光器、气体激光器以及其它类型的激光器相比，具有体积小、重量轻、电光转换效率高、可以直接调制、使用方便等优点，因此它非常适用于光纤通信之中。图,9-1,给出了光发射端机的工作原理。,2.,作为通信光源的半导体激光器,半导体激光器是光纤通信用的主要光源，由于光纤通信系统具有不同的应用层次和结构，因而需要不同类型的半导体激光器。,图9-1,光发射端机组成方框图,9.1.1 半导体激光器,2.,作为通信光源的半导体激光器,(1) 法布里珀罗激光器,法布里珀罗激光器（FP-LD）是最常见、最普通的半导体激光器，它的谐振腔由半导体材料的两个解理面构成。目前光纤通信上采用的FP-LD的制作技术已经相当成熟。FP-LD的结构和制作工艺最简单，成本最低，适用于调制速度小于622Mbit/s的光纤通信系统。,(2)分布反馈半导体激光器,#,实现动态单纵模工作的最有效的方法之一就是在半导体内部建立一个布拉格光栅，依靠光栅的选频原理来实现纵模选择。分布反馈布拉格半导体激光器（DFB-LD）的特点在于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。,图9-2,DFB-LD结构示意图,#,在DFB-LD制作技术的发展过程中，人们发现直接在有源层刻蚀光栅会引入污染和损伤，于是又提出了图9-2所示的DFB-LD结构,9.1.1 半导体激光器,2.,作为通信光源的半导体激光器,(3)分布布拉格反射半导体激光器,考虑到布拉格光栅反射性好的特点，将光栅置于激光器谐振腔的两侧或一侧，增益区没有光栅，光栅只相当于一个反射率随波长变化的反射镜，这样就构成了DBR-LD。其中，三电极DBR-LD是最典型的基于DBR-LD的单模波长可调谐半导体激光器，其原理性结构如图9-3。,图9-3,三电极DBR-LD结构示意图,9.1.1 半导体激光器,2.,作为通信光源的半导体激光器,(4)垂直腔面发射激光器,光数据传输和交换的多通道往往需要能够二维集成的器件，而垂直腔面发射激光器（VCSEL）是一个很好的选择。,它与边发射激光器最大的不同点是：出射光垂直于器件的外延表面，即平行于外延生长的方向。图9-4为其典型结构图，其上下分别为分布布拉格反射（DBR）介质反射镜，中间（InGaAsN）为量子阱有源区，氧化层有助于形成良好的电流及光场限制结构，电流由P、N电极注入，光由箭头方向发出。,图9-4 VCSEL的典型结构示意图,9.1.2 光纤激光器,2.,光纤激光器的分类及应用,(1)稀土类掺杂光纤激光器,光纤激光器种类很多，,如,按光纤结构可分为：单包层光纤激光器和双包层光纤激光器；按掺杂元素可分为：掺铒、钕、镨、铥、镱、钬等15种；,图9-6 受激拉曼散射光纤激光器示意图,稀土元素包括15种元素，在元素周期表中位于第五行。目前在比较成熟的有源光纤中掺入的稀土离子有：铒（Er,3+,）、钕(Nd,3+,)、镨(Pr,3+,)、铥(Tm,3+,)、镱(Yd,3+,)。,(2)光纤受激拉曼散射激光器,这类激光器与掺杂光纤激光器相比具有更高的饱和功率，且没有泵浦源限制，在光纤传感、波分复用（WDM）及相干光通信系统中有着重要应用。一种简单的全光纤受激拉曼散射激光器见图9-6所示，这是一种单向环形行波腔，耦合器的光强耦合系数为K。一般典型的受激拉曼分子主要有GeO,2,、SiO,2,、P,2,O,5,。,9.1.2 光纤激光器,2.,光纤激光器的分类及应用,(3)光纤光栅激光器,图9-7,DBR光纤光栅激光器基本结构示意图,DBR光纤激光器基本结构如图9-7所示,，利用一段稀土掺杂光纤和一对相同谐振波长的光纤光栅构成谐振腔，它能实现单纵模工作。,DFB光纤光栅激光器基本结构如图9-8所示,，在稀土掺杂光纤上直接写入的光栅构成谐振腔，其有源区和反馈区同为一体。,图9-8 DFB光纤光栅激光器基本结构示意图,9.1.3 光放大器,1.,光放大器是放大光信号的器件，它在光纤通信领域中的主要功能有,图9-9,光放大器在干线光纤通信系统中的应用示意图,2.,图9-9为光放大器在干线光纤系统中的应用示意图。图中（a）为无中继系统，图（b）中采用光放大器作功率放大器和接收机前置放大器图（c）为线内多中继系统,。,图（d）中用光放大器作为在线中继放大器或1R（仅有整形功能）中继器,（1）,光功率提升放大。将光放大器置于光发射机前端，以提高入纤的光功率。,（2）,在线中继放大。在光纤通信系统中取代现有的中继器。,（3）,前置放大。在接收端的光电检测器之前先将微弱的光信号进行预放，以提高接收的灵敏度。,9.1.3 光放大器,图9-11 掺杂光纤放大器的结构示意图,（,2） 掺铒光纤放大器,掺杂（如,E,r,3,）光纤放大器的结构如图9-11所示。它由三部分组成：一是长度为几米到几十米的掺杂光纤；二是激光泵浦源；三是耦合器,一个EDFA的完整结构应包括如下几部分：铒石英光纤作为有源介质；高功率泵浦光源；,光纤耦合器，用于信号光与泵浦光的合路；偏振不灵敏光隔离器，用于消除反射抑制振荡；,窄带光滤波器，用以降低自发辐射噪声。,9.1.3 光放大器,图9-12 EDFA的结构示意图,（,2） 掺铒光纤放大器,铒光纤及泵浦源是EDFA的关键和研究重点。根据泵浦光和信号光传播方向的相对关系，EDFA的结构又可分为同向泵浦、反向泵浦和双向泵浦。它们的具体结构图分别如图9-12（a）（b）（c）所示。,
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