光通信系统中的激光器和放大器
光放大器和光中继器
第 6章
光放大器和光中继器
在E2上，离子除了发生受激辐射外，还有少数
离子要产生自发辐射，即在上短暂停留还没有机
会与光子相互作用，就会自发地从亚稳态跃迁到
基态并发射出1550nm波段的光子，这种光子与信
号光不同，它是随机的，它构成了EDFA的噪声，
由于这种自发辐射的光子在掺铒光纤中传输，同
样也会得到放大，因此，在EDFA的输入光功率 较低时，会产生较大的噪声。
3°双向泵浦结构 同时具备1°和2°的泵浦光源（如图6.3）。
从输出功率看：单泵浦的输出功率可达14 dBm，
双泵浦达17 dBm。
第 6章
光放大器和光中继器
§6-3 EDFA的工作原理 在§3-2节，我们讨论了半导体激光器的工作原理，
它是在泵浦源（能使工作物质产生粒子数反转分布的
外界激励源）的作用下，使工作物质的粒子处于反转 分布状态，具有了光放大作用，对于EDFA，其基本原
5. 泵浦源(P中继器
WDM 光纖耦合器 輸入光
摻鉺光纖
輸出光
1480或980 nm 激勵光源
光隔離器 光帶通 濾波器
第 6章
光放大器和光中继器
二、作用 光耦合器：是将输入光信号和泵浦光源输出的光波混合起来， 它是无源光器件，一般采用波分复用器（WDM） 光隔离器：是防止反射光影响光放大器的工作稳定性，保证 光信号只能正向传输的器件。 掺铒光纤：是一段长度大约为10～100m的石英光纤，将稀土 元素铒离子注入到纤芯中，浓度约为25mg/kg。 泵浦光源：为半导体激光器，输出功率约为10～100mw（几 十mw），工作波长为0.98μm。 光滤波器：其作用是滤除光放大器的噪声，降低噪声对系统 的影响，提高系统的信噪比。
光通信原理与系统光通信器件
4.1.3 半导体激光器的机理 三要素 工作介质：二元化合物（GaAs）、三元化合物
（GaAlAs）和四元化合物（GaInAsP）等。
谐振腔：有解理面组成（F-P腔）；
泵浦源：电流激励、电子束激励、光激励等。 多为电流激励。
光学谐振腔
镀有反射镜面的光学谐振腔只有
准直镜
包装外壳 光电管
光纤
非对称准直透镜 热敏电阻
制冷器 密封窗口
各种结构的半导体激光器
同质结半导体激光器 异质结半导体激光器 量子阱激光器 分布反馈激光器 (DFB) 垂直腔表面发射激光器 (VCSEL)
1、同质结构LD
同质结构只有一个简单PN结，且 P 区和 N 区都是 同一物质的半导体激光器。 解 理 面
反射波相互干涉
波。
M2 a反
射 镜
b R2
在谐振腔里建立稳定振荡的条件
在半导体激光器里，由两个起反射镜作用的 晶体解理面构成的法布里珀罗谐振腔，它把 光束闭锁在腔体内，使之来回反馈。
当受激发射使腔体得到的放大增益等于腔体 损耗时（阈值条件），并且谐振腔内的前向 和后向光波发生相干时（相干条件），就保 持振荡，形成等相面和腔体端面平行的驻波， 然后穿透谐振腔的两个端面，输出谱线很窄 的相干光束。
LD横模：决定光场的空间特性
S
W 近场 图案
10o
远
场
光 斑
30 o
横模光场：
纵模：
损耗
增益
纵模
增益 g ( ) g th
频率 ( )
发射 主模
增益 法布里 - 珀罗 LD
g
通常发射多个纵模的光
0
频率
半导体激光器的增益频谱 相当宽（约10 THz），在 F-P 谐振腔内同时存在着许多纵模，但只有接近增 益峰的纵模变成主模。
光信号放大器常见故障及排查措施
光信号放大器常见故障及排查措施以光信号放大器常见故障及排查措施为标题，本文将详细介绍光信号放大器的常见故障以及相应的排查措施。
光信号放大器是光通信系统中的重要组成部分，负责放大光信号以增强信号的传输距离和质量。
然而，由于各种因素，光信号放大器也会出现故障。
下面将列举一些常见故障并提供相应的排查措施。
1. 光功率过低或过高故障表现：接收到的光功率较低或较高，导致信号传输质量下降。
排查措施：- 检查光纤连接是否松动或损坏，重新连接或更换光纤；- 检查光源是否正常工作，如需要，更换光源；- 检查光信号放大器的增益设置，调整增益至适当的范围内。
2. 光信号放大器无输出信号故障表现：光信号放大器无法输出信号或输出信号很弱。
排查措施：- 检查光纤连接是否正常，确保连接牢固；- 检查输入光功率是否过低，如果是，调整输入光功率；- 检查输出光纤是否受损，如需要，更换输出光纤；- 检查光信号放大器的工作状态指示灯，如果指示灯异常，可能需要更换光信号放大器。
故障表现：光信号放大器输出的信号带有明显的噪声。
排查措施：- 检查输入光信号的质量，如有必要，使用光衰减器调整输入光功率；- 检查光信号放大器的工作环境，确保光信号放大器正常工作温度范围内；- 检查光信号放大器的输入和输出端口是否干净，如有必要，清洁端口；- 检查光信号放大器的光纤连接是否松动或损坏，重新连接或更换光纤。
4. 光信号放大器出现波长漂移故障表现：光信号放大器输出的信号波长发生漂移，导致信号无法正常传输。
排查措施：- 检查光信号放大器的波长设置，确保设置正确；- 检查光信号放大器的温度稳定性，如有必要，调整工作环境温度；- 检查光信号放大器的泵浦激光器是否正常工作，如需要，更换泵浦激光器；- 检查光信号放大器的光纤连接是否松动或损坏，重新连接或更换光纤。
故障表现：光信号放大器无法正常工作或工作不稳定。
排查措施：- 检查光信号放大器的电源是否正常，确保电源供应稳定；- 检查光信号放大器的工作环境是否符合要求，如有必要，调整工作环境；- 检查光信号放大器的控制线路是否正常连接，确保控制信号传输正常；- 检查光信号放大器的散热是否良好，如有必要，清理散热器或增加散热设备。
光路的系统基本结构
光路的系统基本结构1.引言1.1 概述光路系统是一个关键的通信基础设施，它在现代通信中起着至关重要的作用。
光路系统通过光纤传输光信号，实现高速、可靠的数据传输。
它被广泛应用于互联网、电信、无线通信等领域。
光路系统的基本组成包括光纤、光传输设备和光接口设备。
光纤是一种具有极高传输速度和大带宽的介质，它能够将光信号以光的方式传输。
光传输设备包括光纤放大器、光解复用器等，它们能够对光信号进行增强、分解和重新组合，保证信号在光纤中的传输质量。
光接口设备用于连接光路系统和其他设备，确保光信号的顺利传输。
光路系统的建立需要考虑多个因素，包括光线的传输损耗、光纤的折射率、设备的性能等。
同时，光路系统还需要考虑信号的传输距离、带宽、信噪比等参数，以满足不同应用场景的需求。
随着技术的不断发展，光路系统也在不断演进和改进。
近年来，光路系统在传输速度、带宽和距离等方面都取得了巨大的突破。
未来，随着光子技术的进一步发展，光路系统将更加高效、稳定和可靠地满足人们日益增长的通信需求。
光路系统的未来发展将呈现出更加多元化和创新性的特点。
总之，光路系统作为现代通信的重要组成部分，其基本结构和功能对于实现高速、可靠的数据传输至关重要。
通过不断的技术创新和发展，光路系统将进一步提升其传输速度和性能，推动通信技术的进步和应用的拓展。
1.2 文章结构文章结构是指文章的整体组织架构和布局，合理的文章结构能够使读者更好地理解和获得文章的信息。
本文主要围绕着光路的系统基本结构展开，采用以下结构来组织文章内容。
第一部分是引言，包括概述、文章结构和目的。
在概述中，将简要介绍光路系统的定义和作用，引起读者的兴趣。
接下来，说明文章的结构安排，列举出各个部分的主题和目的，方便读者了解整篇文章的流程和内容。
第二部分是正文，包括光路的定义和作用以及光路的基本组成。
在光路的定义和作用部分，将深入探讨光路在通信领域中的重要性和应用。
对光路的基本组成进行详细介绍，包括光纤、光源、光探测器等关键部件的作用和性能要求。
光纤通信技术第六章光通信中的光放大器 (1)
6.1.1 光放大器的概念
光纤的损耗和色散限制了光纤的传输距离, 延长通信距离的方法是采用中继器, 中继器的 放大过程较为复杂, 它是将输入的光信号转换 为电信号, 在电信号上进行放大、再生、再定 时等处理后, 再将经处理后的电信号转换为光 信号经光纤传送出去, 这种中继方式称为光/电/ 光中继方式。
（2）有源光纤或掺杂光纤放大（DFA）
有源光纤放大器的有源媒体是稀土族元 素（如Er、Pr、Tm、Nd 等）, 它掺杂在光纤 的玻璃基体中, 所以也称作掺杂光纤放大器 （DFA）。DFA是利用光纤中掺杂稀土元素引 起的增益机制实现光放大的。
光纤通信系统最适合的掺杂光纤放大器是 工作波长为1550nm掺铒光纤放大器（EDFA） 和工作波长为1310nm的掺镨光纤放大器 （PDFA）。用于1310nm窗口的PDFA, 因受 氟化物光纤制作困难和氟化物光纤特性的限制, 机械强度较差, 与常规光纤的熔接较为困难, 究 进展比较缓慢, 尚未获得广泛应用。
光增益不仅与入射光频率（或波长）有关, 也与放大器内部光束强度有关。光增益与频率 和强度的具体关系取决于放大器增益介质的特 性。
由激光原理可知, 对于均匀展宽二能级系 统模型, 其增益系数为
g(
) 1(
g0 0)2T 22P /P s
（6.1）
当放大器的输出功率远远小于饱和功率时, 即放大 器工作在小信号状态时, 式（6.1）中的 P /项Ps可忽 略, 增益系数简化为
Fn
(SNR)in (SNR)out
（6.9）
即使是理想的放大器, 输入信号的 (SNR)也in
被降低一倍（3db）, 实际放大器的
F
都超过
n
3db, 有些放大器的 F n 达到6-8db。从光纤应用
光通信的结构
光通信的结构光通信是一种利用光信号进行信息传输的通信方式。
它采用光纤作为传输介质，利用光的特性来传输信息。
光通信的结构主要包括光源、调制器、光纤、接收器和解调器等组成部分。
本文将从这几个方面来介绍光通信的结构。
一、光源光源是光通信系统中的重要组成部分，其作用是产生光信号。
常见的光源有激光器和发光二极管。
激光器输出的光束具有高强度、窄带宽和方向性好的特点，适用于高速长距离传输；而发光二极管则具有较低的成本和较好的稳定性，适用于短距离传输。
二、调制器调制器是将要传输的信息信号转换成光信号的装置。
常见的调制方式有直接调制和外调制。
直接调制是指将信息信号直接作用在光源上，使光的强度、频率或相位发生变化；外调制则是将光源的输出光信号和信息信号进行叠加，通过改变光源的特性来实现信号的调制。
三、光纤光纤是光通信的传输介质，其作用是将光信号传输到目标地点。
光纤是一种由高纯度的玻璃或塑料制成的细长线状结构，具有较低的损耗和良好的传输性能。
光纤的结构主要包括纤芯、包层和包层外护套等部分，其中纤芯是光信号传输的核心。
四、接收器接收器是光通信系统中的接收装置，其作用是将传输过来的光信号转换成电信号。
接收器的结构包括光电探测器和前置放大器等部分。
光电探测器的作用是将光信号转换成电信号，常见的光电探测器有光电二极管和光电二极管阵列等；前置放大器的作用是对电信号进行放大和处理，以提高信号的质量和稳定性。
五、解调器解调器是将接收到的电信号还原成原始信息信号的装置。
解调器的结构主要包括滤波器、放大器和解调电路等部分。
滤波器的作用是去除电信号中的噪声和干扰，以提高信号的质量；放大器的作用是对电信号进行放大，以增强信号的强度；解调电路的作用是对电信号进行解调，将其还原成原始的信息信号。
光通信的结构包括光源、调制器、光纤、接收器和解调器等组成部分。
光源产生光信号，调制器将信息信号转换成光信号，光纤作为传输介质将光信号传输到目标地点，接收器将光信号转换成电信号，解调器将电信号还原成原始的信息信号。
清华大学-光纤通信技术
无损光纤中的光孤子传输
图8
图9
无损光纤中的光孤子传输
图 10
图 11
光孤子：利用非线性平衡色散效应 光孤子：
缺点：维持色散与非线性间 缺点： 的平衡条件过于精细， 的平衡条件过于精细，利用 非线性带来其它副作用
多种非线性效应共同作用
光纤的其它限制及解决方案
PMD补偿技术 PMD补偿技术 WDM/ETDM L+，S，S+ L+， +OTDM L波段WDM 波段WDM
WDM 色散补偿
PMD限制 PMD限制
改善PMD 改善PMD特 PMD特 性的光纤
新型光纤
OTDM
孤子
非线性限制 非零色散位移光纤 色散位移光纤
色散限制 普通单模光纤
提升容量方法：单信道比特率提高 提升容量方法：
OTDM 原理
时钟提取
MOD MOD
超短脉 冲光源
MOD
时分 解复 用器
EDFA
时钟源
2.5Gb/s 1:16 2.5 G Clock DeMultiplexer Optical Rx
2.5Gb/s Optical Output LOS/LOF +5v -5.2v
+3.3V DC TO DC Conventer
+3.3
五、WDM系统的发展趋势 WDM系统的发展趋势
单路超高速 单路超高速40Gb/s,160Gb/s,640Gb/s 超密信道间距 超密信道间距10GHz 信道数攀升 1022 Channel 展宽波长范围 Band,L-Band,S展宽波长范围C-Band,L-Band,S-Band 超长无中继 450km with remote Amp 超长传输距离 网络化
光纤通信第7章光放大器讲解学习
SOA也是一种 重要的光放大 器，其结构类 似于普通的半 导体激光器。
I
R1
R2
半导体光放大器示意图
•半导体光放大器的放大特性主要决定于激光腔的反射特性与 有源层的介质特性。
•根据光放大器端面反射率和工作偏置条件，将半导体光放大 器分为：----法布里－珀罗放大器(FP－SOA)
EDFA + 均衡器 → 合成增益
增益平坦/均衡技术(2)
2. 新型宽谱带掺杂光纤： 如掺铒氟化物玻璃光纤（30nm平坦带宽）、
铒/铝共掺杂光纤（20nm）等， 静态增益谱的 平坦，掺杂工艺复杂。
3. 声光滤波调节： 根据各信道功率，反馈控制放大器输出端的
多通道声光带阻滤波器，调节各信道输出功率使 之均衡，动态均衡需要解复用、光电转换、结构 复杂，实用性受限
增益钳制技术(1)
电控：监测EDFA的输入光功率，根据其大小调整 泵浦功率，从而实现增益钳制，是目前最为成熟的
方法。
In
Out
EDFA
LD Pump
泵浦控制均衡放大器（电控）
增益钳制技术(2)
在系统中附加一波长信道，根据其它信道的功率， 改变附加波长的功率，而实现增益钳制。
注入激光
四、EDFA的大功率化(1)
=1.3%
=0.7%
用于制作大功率EDFA 的双包层光纤结构图
芯层：5m 内包层： 50m 芯层(掺铒)，传播信号层(SM) 内包层，传播泵浦光(MM)
7.1 光放大器
7.1.1 光放大器概述 7.1.2 掺铒光纤放大器EDFA 7.1.3 半导体光放大器SOA 7.1.4 光纤拉曼放大器FRA
7.1.3 半导体光放大器SOA
输出信号光功率 输入信号光功率
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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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激光原理及应用 陈鹤鸣 赵新彦
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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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E激D光原F理A及的应三用 陈种鹤鸣泵赵浦新彦方式
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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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激光原理及应用 陈鹤鸣 赵新彦
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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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激光原理及应用 陈鹤鸣 赵新彦
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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。
激光原理及应用 陈鹤鸣 赵新彦
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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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激光原理及应用 陈鹤鸣 赵新彦
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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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激光原理及应用 陈鹤鸣 赵新彦
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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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激光原理及应用 陈鹤鸣 赵新彦
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
激光原理及应用 陈鹤鸣 赵新彦
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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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激光原理及应用 陈鹤鸣 赵新彦
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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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激光原理及应用 陈鹤鸣 赵新彦
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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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激光原理及应用 陈鹤鸣 赵新彦
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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）