半导体光放大器1半导体光放大器的工作原理由半导体激光器的相关
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。
半导体的基本原理与应用
半导体的基本原理与应用在现代科技领域中，半导体技术作为一种重要的技术手段，广泛应用于电子设备、通信领域、光电子学等众多领域。
本文将介绍半导体的基本原理以及其在各个应用领域的应用。
一、半导体的基本原理半导体是介于导体和绝缘体之间的材料，其电导率介于两者之间。
半导体的电导率可以被外界环境或电磁场的改变所调控，具有可控性很强的特点。
半导体的基本原理有以下几个方面：1. 带隙：半导体的带隙是指能带中能量最高的不可占用能级与能带中能量最低的可占用能级之间的能量间隔。
半导体的带隙决定了其导电性质，一般分为直接带隙和间接带隙两种。
2. 杂质掺杂：半导体通过在其晶体结构中引入少量杂质，掺入一些外来的原子，从而改变其导电性能。
掺杂可以分为施主型掺杂和受主型掺杂两种，分别提高或降低材料的导电性能。
3. PN结：PN结是半导体器件中常见的结构，由两种掺杂类型不同的半导体材料接触而成。
PN结具有单向导电性，形成了半导体器件中重要的基础元件。
二、半导体的应用领域1. 电子设备：半导体技术在电子器件领域中有着广泛应用。
如晶体管、场效应管、二极管等都是基于半导体的器件，广泛应用于计算机、电视、手机等电子设备中。
半导体的小尺寸、低功耗以及高可靠性是其在电子设备中应用的重要原因。
2. 光电子学：半导体材料在光电转换中有着重要作用。
通过对半导体材料施加电场或光照，可以将电能转换为光能，实现光电转换效应。
例如，太阳能电池就是利用半导体材料将光能转化为电能的典型应用。
3. 通信领域：半导体技术在通信领域中发挥着至关重要的作用。
光纤通信系统利用半导体激光器将信号转换为光脉冲，并通过光纤传输实现远距离高速通信。
半导体材料的选择和应用直接影响通信系统的传输性能和稳定性。
4. 工业自动化：半导体器件在工业自动化领域中被广泛应用。
通过应用半导体材料制作的传感器、控制器等设备，可以实现对工业过程的实时监测和自动控制，提高生产效率和产品质量。
5. 医疗科技：半导体技术在医疗科技领域也有重要应用。
4-光放大器和光纤激光器课件
光放大器的发展最早可追溯到1923年A·斯梅尔卡 预示的自发喇曼散射，而后，科学家在半个世纪的时 间里做了大量研究。1987年英国南安普敦大学和美国A T&T 贝尔实验室报道了离子态的稀土元素铒在光纤中 可以提供1.55µm波长处的光增益，这标志着掺铒光纤 放大器（EDFA）的研究取得突破性进展。1989年现 安捷伦科技有限公司制成首件半导体光放大器（Semiconductor Optical Amplifier，SOA）产品。
光放大器是可将光纤线路上微弱的光信号 直接放大的器件，它的出现免去了光在放大时 必须经过的光/电/光转换，使光纤通信技术产 生了质的飞跃。
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光放大器是基于受激辐射或受激散射的原 理来实现对微弱入射光进行放大的，其机制与 激光器类似。当光介质在泵浦电流或泵浦光作 用下产生粒子数反转时就获得了光增益。
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目前在线路中使用的光放大技术主要是采用E DFA，EDFA 属于掺杂稀有元素的光纤放大器家 族中的一种，此外其他可能的掺杂元素还包括钕 （通常用于高功率的激光器）和镱（它们通常和 铒一起混合用）等元素。目前已经商品化并获得 大量应用的是EDFA。
16
拉曼放大器（FRA）
FRA的工作原理是基于受激拉曼散射（SRS）的 非线性效应，在光纤中光功率较高时就会产生受激 拉曼散射。FRA利用强的光源对光纤进行激发，使 光纤产生非线性效应，在受激发的一段光纤的传输 过程中得到放大。它的主要缺点是需要大功率的半 导体激光器做泵浦源（约0.5-1w），因而其实用化 受到了一定的限制。
脉冲整形
电信号
光信号
电光转换
6
光/电/光中继器需要光接收机和光发送机来分 别完成光电变换和电光变换，其设备复杂，维护 不便，速度慢。随着光纤通信的速率不断提高， 这种光电光中继器的成本也随之提高，使得光纤 通信系统的成本增加，性价比下降。
光纤通信复习题库(整合版)
光纤通信复习题库（整合版）一、填空题1.有规律地破坏长连“0”和长连“1”的码流，以便时产生信号的提取，称_扰码电路 __ 。
2.PIN光电二极管是在P型材料和N型材料之间加一层_ _I___型材料，称为__耗尽层。
3.APD中促使其电流猛增的是__倍增效应。
碰撞电离4．在半导体激光器的P—I 曲线上，当I＞It 时，激光器发出的是激光，反之为荧光5. EDFA在光纤通信系统中主要的应用形式主要有作前置放大器使用、作功率放大器使用和作_线路放大器使用。
6. SDH网有一套标准化的信息结构等级，称为_同步传送模块STM-N_。
7.从波动理论的观点看，光波作为一种电磁波来处理。
8.目前光纤通信的长波波长低损耗工作窗口是 1.31μm和1.55um 。
9.光纤主要由纤芯和包层两部分构成。
10.LED适用于模拟的光纤传输系统。
11．光纤中的传输信号由于受到光纤的损耗和色散的影响，使得信号的幅度受到衰减，波形出现失真。
12．光纤数值孔径的物理意义是表示光纤端面_ 集光 _的能力。
接受和传输光13.准同步数字体系的帧结构中，如果没有足够的开销字节，就不能适应网络管理、运行和维护。
14.SDH中STM—1的速率是 155Mb/s 。
15. 按照泵浦方式的不同，EDFA可分为正向泵浦结构、反向泵浦结构和双向泵浦结构等三种形式。
16.响应度和量子效率都是描述光电检测器光电转换能力的一种物理量。
17.目前光纤通信三个实用的低损耗工作窗口是0.85um ,1.55um 和__1.31um_。
18.PDH复用成SDH信号必须经过映射、定位、复用三个步骤。
19.受激辐射过程中发射出来的光子与外来光子不仅频率相同，而且相位、偏振方向、传播方向都相同，因此，称它们是_相干光 ___。
20. SDH中STM—4的速率是 622 Mb/s 。
21.常用的SDH设备有：终端复用器、__再生器_和数字交叉连接设备等。
22.在光接收机中，与___光检测器__紧相连的放大器称为前置放大器。
第5章 光放大器
（1） 宽的增益平坦度（30 nm）。如对1500 nm波 长 区 的 宽 带 信 号 放 大， 最 高 带 宽 已 达 到80 nm， 是 EDFA最佳数据的两倍。在1530～1610 nm的波长区， 得到了20 dB以上的增益，增益平坦度达1.5 dB。 （2） 放大波段向长波长移动。硅和氟EDFA大约
拉曼光纤放大器的主要问题在于所需泵浦的种类， 其次是如何使放大器本身作为一个谐振腔来获得高数 量级的拉曼效应。 目前， 拉曼光纤放大器的小信号增 益为30 dB， 饱和输出功率为+25 dBm， 特别适于作光 功率放大级。
5.4 其他光纤放大器
1. 掺镨光纤放大器（PDFA） EDFA光纤放大器只能对1550 nm波段的光信号进 行放大，为了能对1310 nm波段的光信号进行放大， 人们在光纤中掺入镨。PDFA具有高的增益（约30 dB） 和高的饱和功率（20 dBm），适用于EDFA不能放大
放 大器
电 光变 换 (E /O )
光纤
光 的范 围
电 的范 围
光 的范 围
图5.1 传统的中继器原理框图
尽管这种方式对于单个波长且数据速率不太高的 通信很适用， 但对于高速率的多个波长系统显然是相 当复杂的， 每一波长就需一个再生器， 如有N个波长 就需要N个这样的再生器，造价是相当高的。另一方面， 对于很高的数据速率，电放大器的实现难度很大。 因 此， 人们试图对光信号直接放大， 如果这种放大的带 宽较宽， 则可以同时对多个波长进行放大，因而只需 一个放大器即可。 人们经过很大的努力， 终于研制成
模光纤的构造一样， 如图5.3所示。 铒离子位于EDF的
纤芯中央地带， 将铒离子放在这里有利于其最大地吸 收泵浦和信号能量， 从而产生好的放大效果。
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
激光原理第三章激光放大器与振荡器
谐振腔
用于选择和限制放大输出的光 束质量。
放大器的应用
军事领域
用于高精度制导、激光雷达、光电对抗等。
医学领域
用于激光治疗、手术、诊断等。
工业领域
用于激光切割、焊接、打标等加工工艺。
科研领域
用于光谱学、量子光学、非线性光学等研究 。
02
CATALOGUE
03
气体振荡器
当光信号在气体放电管中传播时，会不断发生反射和散射，形成反馈机
制，使光信号在放电管中不断反射和传播，形成振荡。
振荡器的应用
光学反馈振荡器（OFDR）
01
用于光纤通信、光学传感等领域。
光纤振荡器（FO）
02
用于光纤激光器、光纤传感等领域。
气体振荡器
03
用于气体激光器、光谱分析等领域。
03
激光振荡器
优点是可产生高功率、高质量的激光 束，具有较高的光学转换效率。缺点 是结构复杂、调试难度大，需要精确 控制谐振腔的参数和激活介质的状态 。
04
CATALOGUE
激光放大器与振荡器的未来发展
技术发展趋势
新型材料的应用
随着新材料的不断涌现，未来激光放大器与振荡器将更多 地采用新型材料，如碳纳米管、二维材料等，以提高性能 和降低成本。
激光原理第三章激 光放大器与振荡器
目 录
• 激光放大器 • 激光振荡器 • 激光放大器与振荡器的比较 • 激光放大器与振荡器的未来发展
01
CATALOGUE
激光放大器
放大器的种类
01
02
03
04
固体激光放大器
利用固体激光介质实现光的放 大，常见于高功率激光系统。
光放大器1
1 2
2
g
ln 2 g0L ln
2
1
2
光纤放大器的洛仑兹谱和相应的放大器增益谱
二、增益饱和与饱和输出功率
•增益饱和：增益系数与光信号的功率有关，在P<<Ps时，为小 信号增益，这时可不计P对g(ω)的影响；当P增大至可与Ps比拟 时， g(ω)随P的增大而下降，放大器增益G(ω)也下降，这种现 象称为增益饱和。
L+ Band
1,450nm
1,490nm
1,530nm 1,550nm 1,570nm 1,580nm 1,610nm
1,650nm
40 nm
Fujitsu Proprietary
6.2 光放大器基本概念
6.2.1 光放大器一般工作特性
在泵浦能量（电或光）的作用下，实现粒子数反转（非线性光 纤放大器除外），然后通过受激辐射实现对入射光的放大。与 激光器不同之处在于光放大器没有反馈机制。
输出 信号光
(a) 半导体光放大器
输入 信号光
耦合器 掺杂光纤
耦合器
泵浦光
输出 信号光
(b)掺杂光纤放大器
输入 信号光
泵浦光
纯石英 光纤-----------------输--出 -----------信号光
泵浦光
(c)非线性光纤放大器
光放大器基本结构示意图
光放大器的类型和各自优缺点
放大器 类型
工作原 理
二、光放大器类型：掺杂光纤放大器（EDFA、PDFA、TDFA） 半导体光放大器（SOA） 非线性光纤放大器（FRA、FBA、FPA）
三、发展历程： 上世纪80年代中、后期SOA的研究为主；90年代EDFA获 得巨大成功，成为光纤通信系统必不可少的器件；2001年 FRA得到更广泛应用。
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半导体光放大器
1.半导体光放大器的工作原理
由半导体激光器的相关知识可知，由一些半导体材料形成的PN结有源区，在入射光子的作用下会发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。
由于半导体激光器的两端面形成了F—P（法布里—珀罗）谐振腔，它起到对光信号选择合适的波长并提供光学正反馈作用。
而半导体光放大器与半导体激光器所不同的是，它没有谐振腔（半导体光放大器的PN 结有源区两端面涂有抗反射膜，形成透明区，不发生反射）。
因而，通过半导体光放大器的光波为行波。
图3—69为半导体光放大器的工作原理示意图。
当向半导体光放大器中注入正向电流，并达到一定值时，N区自由电子增多并不断进入PN结中与空穴复合，以光子形式释放能量。
该光子在输入光信号的感应下形成受激辐射，使释放出的光子和入射光子同频、同向、同相位、同偏振方向、同模式并在光子不断前进中继续受感应而产生受激辐射，进而产生更多的新的光子，使输入光信号得到放大。
放大器的增益是沿着有源区的长度按指数增长的，而且注入电流越大，产生的光子数越多。
一个光放大器输出的最大功率取决于注入电流的大小。
当保持注入电流不变，而不断增大输入信号强度时，放大器的增益将不能恒定，放大器增益较小信号增益减小3dB时，对应的放大器输出光功率值称为输出饱和功率，这种现象称为增益饱和效应。
以上讨论的放大器特性是对没有反馈的光放大器而言的,这种放大器被称作行波放大器。
半导体激光器由于在解理面产生的反射而具有相当大的反馈。
当注入电流低于阈值时，它被作为放大器使用，但是必须考虑在法布里—珀罗腔体界面上的多次反射。
这种放大器就称为F—P腔放大器。
如图3—70所示，入射光从左端面进入，通过具有增益的有源层介质之后到达右端面，部分从端面反射，大部分从端面出射。
反射光反向通过有源层至左端面，又经过一次放大，部分从左端面出射，其余部分又从左端面反射，再次通过有源层得到放大，如此反复，使反射光得到多次放大。
下面分析半导体激光放大器的增益特性，设入射光场为E i，半导体激光放大
器左右端面的透射系数分别为t
1和t
2
，反射系数分别为r1和r2，有源层长度为L，
则半导体光放大器输出光为多次透射光之和，可写为
(3—170) 式中为有源层的复传输常数，可表示为
=－（）
/2+j(3—171) 式中为模式限制因子，g为有源层增益系数，为有源层损耗系数，为有源层相位参数， =2 n/，n为有源层折射率。
由式(3—159)可得放大器的增益系数为G= =
=(3—172)
式中R1=r12，R2=r x2为端面功率反射系数；为F—P谐振频率； =c/(2L)为腔内纵横模间隔，也称F—P腔自由光谱区；G
s
为有源层的单程非饱和增益，相应于行波半导体放大器的增益。
通常F—P腔放大器的通带宽度只占自由谱区的
很小一部分，所以F—P腔放大器的带宽比行波放大器小得多，不适于在光波通信系统中作为高速或多信道光放大器应用，一般用作光信号处理器件。
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2.半导体光放大器的特性
半导体光放大器所能辐射出的光频率由有源区的材料决定，因此放大器输入光频率应与半导体光放大器所能辐射的光波段相一致。
可以通过适当选择半导体材料来得到所需光波段的放大器。
由于半导体行波放大器所用半导体材料的增益谱宽较宽，因此在一个较宽的光频率范围内，半导体光放大器都有放大作用，即它可以在很宽的频带进行放大。
光放大器的最大增益波长，随着注入电流的增加而略向短波长侧移动。
半导体光放大器的一个缺点是对偏振态非常敏感，即增益与输入光的偏振方向有关。
输入光的偏振方向在与结平面垂直时的增益比偏振方向与结平面平行的增益约高6dB。
偏振灵敏性是半导体光放大器应用中的一个限制因素，应设法尽量减少。
为使两个方向的增益一致，可以把两个光放大器串联并使二者结平面相互垂直，如图3—71所示。
但从应用的角度来看，为了降低偏振态灵敏性，改变半导体光放大器的设计结构比较可取。
可以采用宽度和厚度可比拟的有源层设计，使TE模和TＭ模的增益差减小。
半导体光放大器既可以在光纤通信系统中作为串级全光中继放大器和光接收机前置放大器，也可以在局域网中作为分支损耗补偿放大器；既可以用于强度调制直接检测光纤通信系统，也可以用于相干光通信系统，并都取得了满意的结果。
行波半导体放大器具有高增益、高输出功率、高带宽的特点，特别适合于用作波分复用光纤通信系统中多路光信号直接放大，也可用在高比特率光纤通信系统中对超短光脉冲进行直接放大。
但是半导体光放大器作为中继放大器和功率放大器同时放大多信道信号时，其非线性特性（如交叉相位调制和四波混频等）将变得十分突出，从而影响到通信系统的整体性能。
虽然半导体光放大器在光纤通信系统中具有一定的应用前景，但其增益输出功率瞬态特性、非线性失真、偏振灵敏性和连接损耗等诸多特性，均不如掺
铒光纤放大器。
因此，目前光纤通信系统中均普遍采用掺铒光纤放大器作为光放大器。
但是半导体光放大器的非线性效应却在全光信号处理中有着重要的应用。
例如，可利用其非线性特性产生的波长变换功能做成全光网中节点的波长路由器。
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