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

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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光放大器发展历史

历史： 1954年第一台NH3分子微波盆子放大器研制成功，人们发现，可通过原子或分子中的受激放大来获得单色的相干电磁波，称为脉塞(Maser——Microwave Amplification by Stimulated Emission of radiation)。1958年肖洛(Schawlow ) 和汤斯(Townes) 将Maser原理推广到光频波段，1960年梅曼(Mamain)利用红宝石介质的受激放大原理研制成第一台红宝石激光器，称为莱塞(Laser—Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation) 或称激光。不管是Maser还是Laser，其产生相干电磁波辐射的机理都是基于电滋波的受激放大。自1960年以来激光器已得到了飞跃的发展和广泛的应用，然而作为激光器先导的光放大的发展却比较缓慢，直到80年代，在光纤通信发展的推动下，才开始引起足够的重视。进人90年代后光纤放大器的问世已引起了光纤通信技术的重大变革，在60年代半导体激光二极管尚未成熟，但已在77K下，首先进行了GaAs同质结行波半导体放大器的研究，开创了半导体光放大器研究的先河，确立了半导体光放大器的基本理论。至1970年，双异质结结构（DH）激光器问世后，又实现了TW半导体光放大器的室温连续工作。在1973年至1975年间，开始从光纤通信应用要求出发，研究双异质结结构TW和F-P光放大器的特性并取得重要进展。80年代初，采用消除反射光的光隔离器和精确的光频率调谐技术，深人研究了AlGaAs F-P 光放大器的增益、带宽、饱和增益与噪声特性及其对光纤通信系统性能的影响。同时开始研究半导体放大器的注人锁定现象、机理、设计和放大特性。随着光纤通信技术的发展,80年代中期开始研究适用于1. 3μm和1. 5μm波长的InGaAsP半导体光放大器 60年代初，与半导体光放大现象研究的同时，也对掺稀土元素的光纤的光谱特性进行了研究,Koesker发现了掺钕(Nd)光纤的激光辐射现象，Snitzerr发现了掺铒光纤在1.5μm处的激光辐射特性,当时这些研究都是期望研制稀土光纤激光光源而不是光纤放大器，由于稀土光纤的热悴灭效应难以解决，而半导体激光器发展迅速并日趋成熟，因此稀土光纤放大器的研究处于停步不前状态。直至80年代初，在光纤中发现了受激喇受效应，人们又开始恢复了对光纤放大器研究的兴趣，期望能用于光纤通信系统中但这种放大方案效率低，需要高功率的泵浦光源，无法在通信系统中应用。当时光纤通信的研究重点集中在高性能再生中继器和高灵敏度相干检测技术。但是在1985~ 1986年间，英国南安普顿大学的Payne等人有效地解决了掺铒光纤(EDF)的热淬灭问题，首次用MCVD方法研制成纤芯掺杂的铒光纤，并实现了1. 55μm低损耗窗口的激光辐射,1987年他们采用650nm染料激光器作为泵浦光源，获得了28dB小信号增益。同年AT&TBell实验室的Desurvire等人，采用514nm氢离子激光器作为泵浦光源，也获得了22. 4dB的小信号增益。接着在1989年，利用1. 49μm半导体激光器作为泵浦源获得了37dBE小信号增益，Laming等利用980nm, 11mW泵浦功率也得到24dB小信号增益，同年日本NTT实验室首次利用1. 48μm半导体激光泵浦的掺饵光纤放大器作为全光中继器放大5Gb/s孤子脉冲，实现了100km的无误码传输。980nm和1 480nm 半导体激光泵浦的掺铒光纤放大器具有增益高、频带宽、噪声低、效率高，连接损耗低，偏振不灵敏等特点，在90年代初得到了飞速发展，成为当时光放大器研究发展的主要方向，极大地推动了光纤通信技术的发展。自此以后，掺饵光纤放大器的研究在多方面开展，建立了多种理论分析模型，提出了增益均衡和扩大增益带宽的方案和方法，进行了多种系统应用研究，同时进行了氟化玻璃饵光纤放大、分布式光纤放大器和双向放大器的研究，使掺饵光纤放大器及其应用得到了飞速发展。此外又开展了掺镨(Pr),掺镱(Yb) ,掺钬(Ho},掺铥(Tm)等光纤放大器的研究。使光纤放大器的研究全面发展。 60年代初，在激光技术发展起来后，以高强度单色光照射光学介质，开辟了非线性光学的研究领域，揭示了受激喇曼散射、受激布里渊散射、四波混频和参量过程的物理机制。1972年Stolen等首先在光纤喇曼激光器的实验中发现了喇曼增益，初期的研究主要侧重于制成光

光纤通信课后习题解答第7章光放大器参考题答案 (1)

第七章光放大器 复习思考题答案 1．光放大器在光纤通信中有哪些重要用途？ 答：（1）利用光放大器代替原有的光电光再生中继器，能够大幅度延长系统传输距离。 （2）在波分复用系统中，它一方面可以同时实现多波长的低成本放大，另一方面，可以补偿波分复用器，波分解复用器、光纤光缆等无源器件带来的损耗。 （3）光放大器在接入网中使用，可以补偿由于光分支增加带来的损耗，使得接入网服务用户增加，服务半径扩大。 （4）光孤子通信必须依靠光放大器放大光信号，使光脉冲能量大到可以在光纤中满足孤子传输条件，从而实现接近无穷大距离的电再生段传输。 （5）光放大器在未来的光网络中必将发现越来越多的新用途。 2．光放大器按原理可分为几种不同的类型？ 答：光放大器按原理不同大体上有三种类型。 （1）掺杂光纤放大器，就是将稀土金属离子掺于光纤纤芯，稀土金属离子在泵浦源的激励下，能够对光信号进行放大的一种放大器。 （2）传输光纤放大器，就是利用光纤中的各种非线性效应制成的光放大器。 （3）半导体激光放大器，其结构大体上与激光二极管（Laser Diode，LD）相同。如果在法布里－派罗腔（Fabry-Perot cavity，F-P）两端面根本不镀反射膜或者镀增透膜则形成行波型光放大器。半导体光放大器就是行波光放大器。 3．光放大器有哪些重要参数？ 答：光放大器参数主要有（1）增益；（2）增益带宽；（3）饱和输出光功率；（4）噪声指数。 4．简述掺杂光纤放大器的放大原理。 答：在泵浦源的作用下，掺杂光纤中的工作物质粒子由低能级跃迁到高能级，得到了粒子数反转分布，从而具有光放大作用。当工作频带范围内的信号光输入时，信号光就会得到放大，这就是掺杂光纤放大器的基本工作原理。只是掺杂光纤放大器细长的纤形结构使得有源区能量密度很高，光与物质的作用区很长，有利于降低对泵浦源功率的要求。 5．EDFA有哪些优缺点？ 答：EDFA之所以得到迅速的发展，源于它的一系列优点： （1）工作波长与光纤最小损耗窗口一致，可在光纤通信中获得广泛应用。 （2）耦合效率高。因为是光纤型放大器，易于与光纤耦合连接，也可用熔接技术与传输光纤熔接在一起，损耗可降至0.1dB，这样的熔接反射损耗也很小，不易自激。 （3）能量转换效率高。激光工作物质集中在光纤芯子，且集中在光纤芯子中的近轴部分，而信号光和泵浦光也是在近轴部分最强，这使得光与物质作用很充分。 （4）增益高，噪声低。输出功率大，增益可达40dB，输出功率在单向泵浦时可达14dBm，双向泵浦时可达17dBm，甚至可达20dBm，充分泵浦时，噪声系数可低至3~4dB，串话也很小。 （5）增益特性不敏感。首先是EDFA增益对温度不敏感，在100 C内增益特性保持稳定，另外，增益也与偏振无关。

半导体光放大器(SOA)

半导体光放大器(SOA) SOA的放大原理与半导体激光器的工作原理相同，也是利用能级间受激跃迁而出现粒子数反转的现象进行光放大。SOA有两种：一种是将通常的半导体激光器当作光放大器使用，称作F—P半导体激光放大器(FPA)；另一种是在F—P激光器的两个端面上涂有抗反射膜，消除两端的反射，以获得宽频带、高输出、低噪声。 早在半导体激光器出现时，就开始了对SOA的研究，但由于初期的半导体材料激光放大器偏振灵敏度较高，使得SOA一度沉寂。但近几年来应变量子阱材料的研制成功，克服了偏振敏感的缺点，性能也有许多改进。半导体光放大器的增益可以达到30dB以上，而且在1310nm窗口和1550nm窗口上都能使用。如能使其增益在相应使用波长范围保持平坦，那么它不仅可以作为光放大的一种有益的选择方案，还可促成l310nm窗口WDM系统的实现。SOA的优点是：结构简单、体积小，可充分利用现有的半导体激光器技术，制作工艺成熟，成本低、寿命长、功耗小，且便于与其他光器件进行集成。另外，其工作波段可覆盖l.3～1．6／μm波段，这是EDFA或PDFA所无法实现的。但最大的弱点是与光纤的耦合损耗太大，噪声及串扰较大且易受环境温度影响，因此稳定性较差。SOA除了可用于光放大外，还可以作为光开关和波长变换器。 2．拉曼光纤放大器拉曼放大技术是采用受激拉曼散射(SRS)这种非线性效应来进行放大的。石英光纤具有很宽的受激拉曼散射增益谱，并在13THz附近有一较宽的主峰。如果一个弱信号与一强泵浦光波同时在光纤中传输，并使弱信号波长置于泵浦光的拉曼增益带宽内，弱信号光即可得到放大，这种基于受激拉曼散射机制的光放大器即称为拉曼光纤放大器。 (1)拉曼光纤放大器的类型拉曼光纤放大器有两种类型：一种是集总式拉曼光纤放大器；另一种是分布式拉曼放大器。集总式拉曼光纤放大器所用的光纤增益介质比较短，一般在几km，泵浦功率要求很高，一般为几W左右，可产生40dB以上的高增益，可作为功率放大器，放大EDFA所无法放大的波段。分布式拉曼放大器所用的光纤比较长，一般为几十km，泵源功率可降低到几百mW，主要辅助EDFA用于WDM通信系统性能的提高，抑制非线性效应，提高信噪比。在WDM系统中，采用分布式拉曼光纤放大辅助传输可大大降低信号的入射功率，同时保持适当的光信号信噪比(OSNR）。(2)拉曼光纤放大器的优点 拉曼光纤放大器的增益高、串扰小、噪声系数低、频谱范围宽、温度稳定性好，将拉曼光纤放大器与常规EDFA混合使用时可大大降低系统的噪声指数，增加传输跨距。①增益介质为传输光纤本身，与光纤系统有良好的兼容性这使得拉曼光纤放大器可以对光信号进行在线放大，构成分布式放大，实现长距离的无中继传输和远程泵浦，尤其适用于海底光缆通信等不方便设立中继器的场合。而且因为放大是沿光纤分布而不是集中作用，光纤中各处的信号光功率都比较小，从而可降低非线性效应尤其是四波混频(FWM)效应的干扰。②增益波长由泵浦光波长决定，不受其他因素的限制理论上只要泵浦源的波长适当，就可以放大任意波长的信号光。所以拉曼光纤放大器可以放大：EDFA所不能放大的波段，使用多个泵源还可得到比EDFA宽得多的增益带宽，对于开发光纤的整个低损耗区1260～1675nm具有无可替代的作用。 总之，拉曼光纤放大器结合EDFA等稀土掺杂光纤放大器必将成为未来宽带、高速、长距离光通信传输实现光放大的理想方案。 3．掺铒光纤放大器(EDFA) (1)掺杂光纤放大器简介 在介绍EDFA之前，首先来了解以下掺杂光纤放大器的基本概念。掺杂光纤放大器又称为掺稀土离子光纤放大器，是利用稀土金属离子作为激光工作物质的一种放大器。掺杂光纤放

浅析光放大器特性及其应用

浅析光放大器特性及其应用 发表时间：2011-03-01T16:38:22.000Z 来源：《新校园》理论版2010年第6期供稿作者：彭婉娟刘锋华[导读] 光放大器能解决光纤通信系统中传输信号的功率衰减问题，它不仅可以提升光信号的传输距离彭婉娟刘锋华（江西先锋软件职业技术学院，江西南昌330041） 摘要：光放大器能解决光纤通信系统中传输信号的功率衰减问题，它不仅可以提升光信号的传输距离，而且能够同时放大多路高速光信号，大大简化了光纤通信系统。本文介绍掺铒光纤放大器（EDFA）、光纤拉曼放大器（FRA）和半导体光放大器（SOA）这三种光放大器的工作原理、特性及其在光纤通信系统中的应用。 关键词：光放大器；传输距离；光纤通信 在光纤通信中，光信号传输距离一直是人们关注的焦点。由于光纤具有损耗特性，光信号的传输距离受到很大限制，通常使用中继器来解决这个问题。光放大器是一种常用中继器，它直接放大光信号，能实现信号透明式传输，成为延长光信号传输距离的重要器件。 Ⅰ掺铒光纤放大器 掺铒光纤放大器是利用掺铒光纤作为增益介质实现光的放大。在泵浦光的激励下，掺铒光纤中的铒离子迅速跃迁至亚稳态，由于亚稳态上的铒离子寿命较长（约为10ms），亚稳态与基态之间很快形成粒子数反转，此时，向掺铒光纤中注入信号光，由于受激辐射效应，将释放出大量与信号光子完全相同的光子，信号光迅速被放大。 目前EDFA 技术十分成熟，它具有诸多优点。首先，工作波段处在传输光纤的低损耗窗口上，能减少信号光功率的衰减。其次，增益高，噪声系数低。EDFA 的增益和泵浦功率、输入信号光功率和掺铒光纤长度有关，在强泵浦高增益条件下，放大器噪声系数近乎极限值3dB。同时，EDFA 还具有增益谱平坦、增益可控和输出光功率可控的特性。 EDFA 在数字光纤通信系统中发挥着重要作用，主要有以下四种。第一种是在系统发射端用作功率放大器，提高发端入纤的信号光功率；第二种是在传输线路中用作中继放大器，及时补偿线路中信号光功率的衰减；第三种是在系统接收端用作前置放大器，提高光接收机的灵敏度。这三种用途均能延长光信号的传输距离。第四种是补偿局域网中的分配损耗，增加网络节点数。 Ⅱ光纤拉曼放大器 光纤拉曼放大器是利用受激拉曼散射效应来放大信号光。频率为强光与光纤介质相互作用，发出一个频率为光子和一个频率为的声子，或吸收一个频率为的声子，发出一个频率为的光子，这被称为斯托克斯过程。拉曼散射的峰值增益位置在下频移13THz 处。如果用比信号光频率高13THz的强光进行泵浦，在斯托克斯过程中，泵浦光功率将转移到信号光上，使弱信号光得到放大。 FRA 具有以下优势。首先，传输光纤既可作为传输介质，亦可作为放大介质；其次，增益带宽的位置会随泵浦波长的改变而改变，可以灵活调节增益范围；第三，采用多波长泵浦可以得到宽带、平坦的增益谱，实现宽带信号放大；第四，噪声小，在超长距离高速传输系统中能使光信号保持好的光信噪比。 相比EDFA，FRA 在增益带宽、噪声系数方面具有明显优势，但是，FRA 的泵浦效率不高，在超长距离传输系统中，需要大功率泵浦，增加系统成本。实际应用中常用FRA+EDFA 混合型光放大器，可以实现增益平坦宽带达到100nm。 Ⅲ半导体光放大器 半导体光放大器的结构类似于半导体激光器，它是在半导体材质制成的有源区内非平衡载流子（即电子空穴对）实现信号光放大。 根据半导体的发光效应，在泵浦激励下，有源区内将产生非平衡载流子，即电子、空穴分别累积在导带底、价带顶，实现粒子数反转分布。当非平衡载流子都迅速落回能带最底点并复合时，就发出一个能量等于禁带宽度的光子。在持续的泵浦激励下，释放出大量光子，实现信号光持续放大。放大的信号光波长和半导体材料有关，选取不同的半导体材料，就可以使其输出不同频率的且被放大的信号光。 SOA 的特点是，增益带宽很宽，能覆盖光纤的两个低损耗窗口（1.31μm 和1.55μm），并且有平坦的增益谱；器件体积小，泵浦方式简单，成本低。另外，非常显著的一点是，SOA能实现动态转换波长[5]，不仅改变输入光波长，同时输出放大的信号光功率。基于SOA 的波长转换器在光开关、再生存储器等技术中有着广泛应用。 此外，SOA 还具有一定缺点，如噪声、串扰较显著，耦合效率较低，成本偏高，这抑制了SOA 商用化。总之，SOA 还有待进一步的开发和利用，相信在未来光纤通信网中能更好地发挥优势。 结束语 光放大器具有增益高、带宽宽的特点，能补偿光纤通信系统中信号光功率的衰减，实现大容量高速信号的远距离传输。根据EDFA、FRA、SOA 各自特性，根据不同应用场景，选择合适的光放大器或者光放大器组合来优化系统性能。随着新的设计和制造技术、新的器件组合方式，光放大器必然推动光纤通信网向高性能、低成本的方向迈进。 参考文献： [1]陈才和.光纤通信[M].北京：电子工业出版社，2004. [2] Masuda H, Kawai S, Aida K. Ultra-wideband hybrid amplifier comprising distributed Raman amplifier and erbium-doped fiber amplifier[J]. Electron.lett., 1998, 33(9):1342～1344. [3]赵书安.半导体光放大器的原理及应用分析[J].金陵科技学院学报,2005,21(3):22-26.

半导体激光器工作原理及主要参数

半导体激光器工作原理及主要参数 OFweek激光网讯：半导体激光器又称为激光二极管（LD，Laser Diode），是采用半导体材料作为工作物质而产生受激发射的一类激光器。常用材料有砷化镓（GaAs）、硫化镉（CdS）、磷化铟（InP）、硫化锌（ZnS）。激励方式有电注入、电子束激励和光泵浦激励三种形式。半导体激光器件，一般可分为同质结、单异质结、双异质结。同质结激光器和单异质结激光器室温时多为脉冲器件，而双异质结激光器室温时可实现连续工作。半导体激光器的优点在于体积小、重量轻、运转可靠、能耗低、效率高、寿命长、高速调制，因此半导体激光器在激光通信、光存储、光陀螺、激光打印、激光医疗、激光测距、激光雷达、自动控制、检测仪器等领域得到了广泛的应用。 半导体激光器工作原理是：通过一定的激励方式，在半导体物质的能带（导带与价带）之间，或者半导体物质的能带与杂质（受主或施主）能级之间，实现非平衡载流子的粒子数反转，当处于粒子数反转状态的大量电子与空穴复合时便产生受激发射作用。半导体激光器的激励方式主要有三种：电注入式、电子束激励式和光泵浦激励式。电注入式半导体激光器一般是由GaAS（砷化镓）、InAS（砷化铟）、Insb（锑化铟）等材料制成的半导体面结型二极管，沿正向偏压注入电流进行激励，在结平面区域产生受激发射。电子束激励式半导体激光器一般用N型或者P型半导体单晶（PbS、CdS、ZhO等）作为工作物质，通过由外 部注入高能电子束进行激励。光泵浦激励式半导体激光器一般用N型或P型半导体单晶（GaAS、InAs、InSb等）作为工作物质，以其它激光器发出的激光作光泵激励。 目前在半导体激光器件中，性能较好、应用较广的是：具有双异质结构的电注入式GaAs 二极管半导体激光器。 半导体光电器件的工作波长与半导体材料的种类有关。半导体材料中存在着导带和价带，导带上面可以让电子自由运动，而价带下面可以让空穴自由运动，导带和价带之间隔着一条禁带，当电子吸收了光的能量从价带跳跃到导带中去时就把光的能量变成了电，而带有电能的电子从导带跳回价带，又可以把电的能量变成光，这时材料禁带的宽度就决定了光电器件的工作波长。 小功率半导体激光器（信息型激光器），主要用于信息技术领域，例如用于光纤通信及光交换系统的分布反馈和动态单模激光器（DFB-LD）、窄线宽可调谐激光器、用于光盘等信息处理领域的可见光波长激光器（405nm、532nm、635nm、650nm、670nm）。这些 器件的特征是：单频窄线宽、高速率、可调谐、短波长、光电单片集成化等。 大功率半导体激光器（功率型激光器），主要用于泵浦源、激光加工系统、印刷行业、生物医疗等领域。 半导体激光器主要参数： 波长nm：激光器工作波长，例如405nm、532nm、635nm、650nm、670nm、690nm、780nm、810nm、860nm、980nm。 阈值电流Ith：激光二极管开始产生激光振荡的电流，对小功率激光器而言其值约在数 十毫安。

半导体激光器工作原理

半导体激光器工作原理 半导体激光器工作原理是：通过一定的激励方式，在半导体物质的能带（导带与价带）之间，或者半导体物质的能带与杂质（受主或施主）能级之间，实现非平衡载流子的粒子数反转，当处于粒子数反转状态的大量电子与空穴复合时便产生受激发射作用。半导体激光器的激励方式主要有三种：电注入式、电子束激励式和光泵浦激励式。电注入式半导体激光器一般是由GaAS（砷化镓）、InAS（砷化铟）、Insb （锑化铟）等材料制成的半导体面结型二极管，沿正向偏压注入电流进行激励，在结平面区域产生受激发射。电子束激励式半导体激光器一般用N型或者P型半导体单晶（PbS、CdS、ZhO等）作为工作物质，通过由外部注入高能电子束进行激励。光泵浦激励式半导体激光器一般用N型或P型半导体单晶（GaAS、InAs、InSb等）作为工作物质，以其它激光器发出的激光作光泵激励。

目前在半导体激光器件中，性能较好、应用较广的是：具有双异质结构的电注入式GaAs二极管半导体激光器。 半导体光电器件的工作波长与半导体材料的种类有关。半导体材料中存在着导带和价带，导带上面可以让电子自由运动，而价带下面可以让空穴自由运动，导带和价带之间隔着一条禁带，当电子吸收了光的能量从价带跳跃到导带中去时就把光的能量变成了电，而带有电能的电子从导带跳回价带，又可以把电的能量变成光，这时材料禁带的宽度就决定了光电器件的工作波长。 小功率半导体激光器（信息型激光器），主要用于信息技术领域，例如用于光纤通信及光交换系统的分布反馈和动态单模激光器（DFB-LD）、窄线宽可调谐激光器、用于光盘等信息处理领域的可见光波长激光器（405nm、532nm、635nm、650nm、670nm）。这些器件的特征是：单频窄线宽、高速率、可调谐、短波长、光电单片集成化等。大功率半导体激光器（功率型激光器），主要用于泵浦源、激光加工系统、印刷行业、生物医疗等领域。 半导体激光器主要参数： 1.波长nm：激光器工作波长，例如405nm、532nm、635nm、650nm、670nm、690nm、780nm、810nm、860nm、980nm。 2.阈值电流Ith：激光二极管开始产生激光振荡的电流，对小功率激光器而言其值约在数十毫安。 3.工作电流Iop：激光二极管达到额定输出功率时的驱动电流，此

关于光放大器的最新发展及应用

2004年6月 第19卷第2期 山东师范大学学报(自然科学版) Journal of Shandong Normal Universi ty(Natural Science) Jun.2004 Vol.19No.2关于光放大器的最新发展及应用 辛化梅1)薛林2) (1)山东师范大学物理与电子科学学院,250014,济南;2)海军工程大学信息与电气学院,433033,湖北武汉M第一作者32岁,女,讲师) 摘要介绍了国际上光放大器的最新发展及应用,主要包括掺铒光纤放大器、Er3+:Yb3+共掺玻璃波导放大器、掺铥光纤放大器、光纤拉曼放大器及半导体光放大器,并指出相关光放大器的发展趋势. 在光纤通信系统中,随着传输速率的增加,传统的O P E P O中继方式的成本迅速增加,于是,人们寻找用光放大的方法来代替传统的中继方式,并延长传输距离.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灵活,它的出现和实用化在光纤通信发展史上具有里程碑意义,使超高速、超大容量、超常距离的波分、密集波分、全光传输、光孤子传输等成为现实. 光放大器大致可分三种:1稀土掺杂光放大器,如掺铒光纤放大器(EDFA)、掺铥光纤放大器(TDFA)、掺镨光纤放大器(PDFA),Er3+:Yb3+共掺玻璃波导放大器(EDW A)等;o非线性效应光放大器,如光纤拉曼放大器(FRA)等;?半导体光放大器(SOA). 目前,光纤通信的发展从电信光纤低损耗波长1550nm的C波段(1528~1565nm)向邻近波段L波段(1570~1610nm)、S波段(1450~1520nm)发展.可以说,随着光纤大容量、高速率传输技术的发展,对光放大器也提出了新的技术要求与挑战,促使其向高性能、宽带、多功能、智能化、标准化、低功耗、低价位发展. 1掺铒光纤放大器(EDFA) EDFA是密集波分复用(DWDM)光纤传输系统的核心器件之一,是DWD M系统的传输链路的重要组成部分,其性能直接影响到系统的传输特性.EDFA以掺铒光纤为增益介质,利用980nm和1480nm泵浦作为泵浦光源,使铒离子Er3+粒子数反转,信号光入射使亚稳态Er3+粒子受激辐射,产生信号放大. EDFA的结构如图1所示[1] 图1EDFA结构 由图1可见,EDFA主要由掺铒光纤、泵浦光源、光耦合器、光隔离器以及光滤波器组成,而其主体部件是泵浦光源和掺铒光纤.按照泵浦光源的泵浦方式不同,EDFA又有三种不同的结构方式,即同向泵浦结构、反向泵浦结构及双向泵浦结构.采用同向泵浦,可获得较好的噪声性能;采用反向泵浦,可获得较高的输出功率;采用双向泵浦,使EDFA的增益和噪声性能都优于单向泵浦,但增加一个泵浦源,成本也增加很多. 目前,对于常规通信段,多采用EDFA对光信号进行放大.EDFA具有饱和输出光功率高、信号增益大、工作带宽宽等特点,且在1520~1610nm都存在放大的可能性;缺点是带宽还不够大,在1530nm~1560nm波段才有较大且平坦的增益,这对WDM宽带宽传输系统放大有很大的限制,并且EDFA中光纤非线性限制入射功率,同时也限制信噪比的提高.在EDFA增益谱上还有潜在L波段的平坦增益谱,其波长范围为1570~1610nm,由于该波段远离铒离子的发射谱中心,增益明显低于C波段,因此其带宽资源一直没有被利用.目前,有以下几种光纤放大器来提高有用带宽[2]:碲化物EDFA、增益漂移碲化物EDFA、1580nm带宽EDFA、掺铥光纤放大器、Raman放大器,而对L波段的放大主要为以宽带放大特性见称的碲化物EDFA,碲化物EDFA是相干光放大器.在掺铒光纤放大器中,激励光和信号光的同向分量与正交分量受到同样程度的放 收稿日期:2003-02-15

半导体光放大器(SOA)

半导体光放大器（SＯA) SOA的放大原理与半导体激光器的工作原理相同，也是利用能级间受激跃迁而出现粒子数反转的现象进行光放大。SOA有两种：一种是将通常的半导体激光器当作光放大器使用，称作F—P半导体激光放大器(FPA);另一种是在F—P激光器的两个端面上涂有抗反射膜,消除两端的反射,以获得宽频带、高输出、低噪声。 早在半导体激光器出现时，就开始了对SOA的研究，但由于初期的半导体材料激光放大器偏振灵敏度较高，使得ＳOA一度沉寂。但近几年来应变量子阱材料的研制成功，克服了偏振敏感的缺点,性能也有许多改进。半导体光放大器的增益可以达到30ｄB以上，而且在1310ｎｍ窗口和155０nm窗口上都能使用。如能使其增益在相应使用波长范围保持平坦，那么它不仅可以作为光放大的一种有益的选择方案,还可促成l３１0nｍ窗口WDM系统的实现。SOA的优点是：结构简单、体积小,可充分利用现有的半导体激光器技术，制作工艺成熟,成本低、寿命长、功耗小，且便于与其他光器件进行集成。另外，其工作波段可覆盖l.3~1.6/μm 波段,这是ＥDFA或PDＦA所无法实现的。但最大的弱点是与光纤的耦合损耗太大,噪声及串扰较大且易受环境温度影响,因此稳定性较差。ＳOA除了可用于光放大外,还可以作为光开关和波长变换器。 2.拉曼光纤放大器拉曼放大技术是采用受激拉曼散射(SRＳ)这种非线性效应来进行放大的。石英光纤具有很宽的受激拉曼散射增益谱，并在13ＴＨz附近有一较宽的主峰。如果一个弱信号与一强泵浦光波同时在光纤中传输,并使弱信号波长置于泵浦光的拉曼增益带宽内,弱信号光即可得到放大,这种基于受激拉曼散射机制的光放大器即称为拉曼光纤放大器。(１)拉曼光纤放大器的类型拉曼光纤放大器有两种类型:一种是集总式拉曼光纤放大器;另一种是分布式拉曼放大器。集总式拉曼光纤放大器所用的光纤增益介质比较短，一般在几km，泵浦功率要求很高,一般为几W左右，可产生40ｄＢ以上的高增益,可作为功率放大器,放大EDFA所无法放大的波段。分布式拉曼放大器所用的光纤比较长,一般为几十km，泵源功率可降低到几百ｍW，主要辅助EDFA用于WDＭ通信系统性能的提高,抑制非线性效应,提高信噪比。在WDＭ系统中,采用分布式拉曼光纤放大辅助传输可大大降低信号的入射功率，同时保持适当的光信号信噪比（OSNR)。(２)拉曼光纤放大器的优点?拉曼光纤放大器的增益高、串扰小、噪声系数低、频谱范围宽、温度稳定性好，将拉曼光纤放大器与常规EＤFA混合使用时可大大降低系统的噪声指数,增加传输跨距。①增益介质为传输光纤本身,与光纤系统有良好的兼容性这使得拉曼光纤放大器可以对光信号进行在线放大,构成分布式放大,实现长距离的无中继传输和远程泵浦,尤其适用于海底光缆通信等不方便设立中继器的场合。而且因为放大是沿光纤分布而不是集中作用，光纤中各处的信号光功率都比较小，从而可降低非线性效应尤其是四波混频(FWＭ)效应的干扰。②增益波长由泵浦光波长决定,不受其他因素的限制理论上只要泵浦源的波长适当，就可以放大任意波长的信号光。所以拉曼光纤放大器可以放大：EDFA所不能放大的波段,使用多个泵源还可得到比ＥDＦA宽得多的增益带宽，对于开发光纤的整个低损耗区1260～16７５nｍ具有无可替代的作用。?总之,拉曼光纤放大器结合EDFA等稀土掺杂光纤放大器必将成为未来宽带、高速、长距离光通信传输实现光放大的理想方案。 ３．掺铒光纤放大器(EDFA) （1)掺杂光纤放大器简介?在介绍EＤFA之前,首先来了解以下掺杂光纤放大器的基本概念。掺杂光纤放大器又称为掺稀土离子光纤放大器，是利用稀土金属离子作为激光工作物质的一种放大器。掺杂光纤放大器的原理与激光放大器的原理相类似。但掺杂光纤放大器的工作腔是一段掺稀土粒子光纤，细长的纤形结构使得有源区能量密度很高，光与物质的作用区很长,

半导体光放大器在光纤通信中的作用

半导体光放大器在光纤通信中的作用 摘要： 中国现在的的光纤通信产业已经初具规模，光缆、光纤、半导体、光电子器件以及光纤通信系统都已经能够自己生产供应，不用进口。我国光纤通信主要干线已经建成，光纤通信容量达到 Tbps，几乎用不完，因此不要发展光纤通信技术了但由于光纤本身制造属性决定，光纤仍然有较大的发展空间：半导体光放大器，新光纤研制，光子晶体随着宽带业务的发展网络需要扩容等，光纤通信仍有巨大的市场。现在每年光纤通信设备和光缆的销售量是上升的，光纤无论是在通信速率还是在传输容量上都有突破性进展。 光纤通信的价值正在得到社会的广泛认同，在光纤通信系统的组建和维护过程中，半导体光放大器的应用是一个重要的技术要点，应该引起同行业的高度重视和广泛关注。本文立足于光纤通信行业，说明了半导体光放大器在光纤通信中应用的必要性，阐述了光纤通信的特点，通信扩大建设对光纤技术发展的原则性要求，光纤通信新技术在近年研究实验和应用的进展趋向，结合通信技术的具体应用，提出了半导体光放大器在光纤通信中具体应用的要点，希望对提升半导体光放大器的应用水平，扩宽光纤通信中技术的应用空间有所启迪。 关键词：半导体光放大器；光纤通信；通信容量；传输容量；光脉冲；放大；压缩；整形 21 世纪，计算机通信和网络技术必将得到迅速的发展，这为光纤网络的覆盖和扩大提供了客观的前提和需要近些年来，光纤的进步极大程度上促进了科技的发展，并且达到了方便通信加速进步和便利交往的效果，应该利用光纤通信的技术优势和系统优势，以光纤通信的加速作用，推进整个社会和经济的科技化和综合发展进程半导体放大器是光纤通信过程中重要组件和部分，应该坚持半导体光放大器在光纤通信中具体应用的要点，提升半导体光放大器的应用水平，进而促进光纤通信技术的加速发展和应用。 一、光纤通信的特点 光纤通信的容量大，根据理论计算，单根光纤在单方向的通信过程中可以达到 1Tb/s，理论最高值可以达到 10Tb/s，这是其他传输网络所不可及的光纤通信的的距离长，光纤通信的传输过程利用的是光的全反射原理，特别是光纤的介质均匀，适于长距离传输新时期，光纤传输通信信号可以实现陆地海洋的跨越，并不会出现过大的信号损失光纤通信的带宽宽，光纤通信系统中可以利用不同波段的光波来保障不同线路的信息传输，进而提升光纤通信的带宽根据实验室数据和试用经验，色散平坦的单模光纤对于相对应波段的光信号有着区别的传输作用，并且相互之间不易干扰，这在客观上提高了光纤通信的能力光纤可以实现波

(发展战略)全光网络的发展历程与发展方向

全光网络的发展历程与发展趋势 彭承柱彭明宇 摘要：本文阐述全光网络如何经过WDM技术的发展与演变、全光网络的技术研发、过渡到自动光交换网、直到当前智能光交换网络的发展历程与发展趋势。 1 引言 据国外统计，骨干因特网的带宽在1997年为622Mbps,1998年是2.5Gbps,1999年突破10Gbps,2000年接近40Gbps；也就是说每经过6-9个月因特网的带宽或业务量翻一番。按照目前单波长光纤系统的传输速率最高为40Gbps考虑，仅因特网的数据流就占满了整个单波长系统的传输容量，更不用说宽带业务和其他多媒体应用了。事实上随着因特网的飞速发展，几乎在网络的所有层面，如企业网、接入网，传输、选路与交换等都在研发与应用高速宽带技术。带宽的"饥渴"极大地促进了DWDM技术的快速发展，基础速率为2.5Gbps/10bps的8波、16波、32波、40波乃至80波的DWDM系统已经商用，所有的波长都落在常规的C带内(1530-1565nm)；此波带又分为蓝带和红带。各个波长或光路的间隔从100GHz(0.8nm)缩小到50GHz(0.4nm)。进一步增加波长数，例如增加到160波以上时需要应用L波带(1565-1625nm)，也就是第4代WDM光纤通信系统。当波长数达到数百量级时各光路间隔将缩小到25GHz(0.2nm)；此时对光源的精度与稳定度，对分光滤波器的分辨率的要求均很高。表1给出新世纪开始DWDM系统研发水平的概貌。由表1可见10Tbps的总容量业已突破，很多公司例如Ciena公司已在研发16Tbps 的系统；而朗讯贝尔实验室的科研人员认为商用的DWDM系统容量最高将达到100Tbps。 DWDM系统在长途光传送网中的发展方向是超密集波分复用，超大容量和超常中继距离传输；而在城域光传送网中的发展方向是稀疏波分复用，超大容量、短传输距离和价廉的CWDM系统，也就是和具有第5光窗口的无水峰光纤即新的全波光纤相应的第5代WDM系统。此类光纤系统可利用的光谱是1280-1615nm，是常规可用波长范围的数倍，复用波长数大大增加，从而经济有效地解决网络扩容问题，故WDM系统和技术的发展为全光网络打下了物质基础。 2 WDM技术的发展与演变 在电信运营商寻找新的创收方法的同时，他们还在力图削减成本。直到几年前，削减成本的努力目标是在传输方面。例如血癌用DWDN系统就能经济有效地扩充网络容量，极大地削减了每话路的成本。此外，在长途中心局(CO)之间避免电信号再生是另一个削减成本的主要途径。通常每隔500km左右，光信号必须被变换到电信号，再消除失真后再变换成光信号。由于此再生过程需要再光链路两端配置相同的设备，故比无再生中继的光链路端对系统的成本增加约1倍。采用喇曼(Raman)放大的超常距离(ULH)无电中继的DWDM系统，每波长或每个光路光信号的传输距离由约500km延伸到1500-2000km。例如由芝加哥到旧金山一个OC-192(STM-64)光路原来需要2个电再生中继器，经过2次光一电一光变换，现在即可不再需要了。据Cable&Wire less公司的网络战略规划高级主管Dave Garbin估计，ULH DWDM系统可能会将传送一个新波长的成本减少到有电中继系统成本的1/3，甚至1/4。 尽管光一电一光中继方式对光纤的损耗和色散搜有补偿作用，但毕竟装置复杂、提及打且损能多，使多波长

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

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。

半导体激光器的原理及分类方式

摘要: 本文就半导体激光器介绍了半导体激光器的工作原理，较详尽地阐述了它在光纤通信中的应用情况。 关键词：半导体激光器谐振腔泵浦源工作物质光纤通信WDM 激光技术; 半导体激光 一、半导体激光器 1.什么叫激光 激光的英文叫Laser light amplification by stimulated emission of radiation. 就是通过受激 发射实现光放大。 光通过谐振腔的选模作用和增益介质的放 大作用，经过震荡和放大，实现拥有单色性、 准直性、相干性非常好的光束，这个就是激光。 激光器有很多种类型，但他的必要组成部 分无外乎：谐振腔、增益介质、泵浦源。 2、半导体激光器的工作原理 2.1基本条件： （1）有源区载流子反转分布 （2）谐振腔：使受激辐射多次反馈，形成振荡 （3）满足阈值条件，使增益>损耗，有足够的注入电流。 2.2工作原理 半导体激光器工作原理是激励方式，利用半导体物质(既 利用电子)在能带间跃迁发光，用半导体晶体的解理面形成两 个平行反射镜面作为反射镜，组成谐振腔，使光振荡、反馈、 产生光的辐射放大，输出激光。 半导体激光器是以一定的半导体材料做工作物质而产生 受激发射作用的器件.其工作原理是,通过一定的激励方式,在 半导体物质的能带(导带与价带)之间,或者半导体物质的能带 与杂质(受主或施主)能级之间,实现非平衡载流子的粒子数反 转,当处于粒子数反转状态的大量电子与空穴复合时,便产生 受激发射作用.半导体激光器的激励方式主要有三种,即电注入式,光泵式和高能电子束激励式。 理论上认为半导体激光器应该是在直接带隙半导 体PN结中．用注入载流子的方法实现由柏纳德—— 杜拉福格条件所控制的粒子数反转；由高度简并的电 子和空穴复合所产生的受激光辐射在光学谐振腔内振 荡并得到放大，最后产生相干激光输出。 就基本原理而论，半导体激光器和其它类型的激 光器没有根本的区别，都是基于受激光发射．要使激 光器得到相干的、受激光输出，须满足两个条件，即 粒子数反转条件与阈值条件．前者是必要条件，它意味着处于高能态的粒子（如半导体导带中的电子）数多于低能态的粒子数．达到这一条件，有源工作物质就具有增益。后者是充分

全光网络的发展历程与发展趋势

全光网络的发展历程与 发展趋势 Company Document number：WUUT-WUUY-WBBGB-BWYTT-1982GT

全光网络的发展历程与发展趋势 彭承柱彭明宇 摘要：本文阐述全光网络如何经过WDM技术的发展与演变、全光网络的技术研发、过渡到自动光交换网、直到当前智能光交换网络的发展历程与发展趋势。 1 引言 据国外统计，骨干因特网的带宽在1997年为622Mbps,1998年是,1999年突破10Gbps,2000年接近40Gbps；也就是说每经过6-9个月因特网的带宽或业务量翻一番。按照目前单波长光纤系统的传输速率最高为40Gbps考虑，仅因特网的数据流就占满了整个单波长系统的传输容量，更不用说宽带业务和其他多媒体应用了。事实上随着因特网的飞速发展，几乎在网络的所有层面，如企业网、接入网，传输、选路与交换等都在研发与应用高速宽带技术。带宽的"饥渴"极大地促进了DWDM技术的快速发展，基础速率为10bps的8波、16波、32波、40波乃至80波的DWDM系统已经商用，所有的波长都落在常规的C带内(1530-1565nm)；此波带又分为蓝带和红带。各个波长或光路的间隔从100GHz缩小到50GHz。进一步增加波长数，例如增加到160波以上时需要应用L波带(1565-1625nm)，也就是第4代WDM光纤通信系统。当波长数达到数百量级时各光路间隔将缩小到25GHz；此时对光源的精度与稳定度，对分光滤波器的分辨率的要求均很高。表1给出新世纪开始DWDM系统研发水平的概貌。由表1可见10Tbps的总容量业已突破，很多公司例如Ciena公司已在研发16Tbps的系统；而朗讯贝尔实验室的科研人员认为商用的DWDM系统容量最高将达到100Tbps。 DWDM系统在长途光传送网中的发展方向是超密集波分复用，超大容量和超常中继距离传输；而在城域光传送网中的发展方向是稀疏波分复用，超大容量、短传输距离和价廉的CWDM系统，也就是和具有第5光窗口的无水峰光纤即新的全波光纤相应的第5代WDM系统。此类光纤系统可利用的光谱是1280-1615nm，是常规可用波长范围的数倍，复用波长数大大增加，从而经济有效地解决网络扩容问题，故WDM系统和技术的发展为全光网络打下了物质基础。 2 WDM技术的发展与演变 在电信运营商寻找新的创收方法的同时，他们还在力图削减成本。直到几年前，削减成本的努力目标是在传输方面。例如血癌用DWDN系统就能经济有效地扩充网络容量，极大地削减了每话路的成本。此外，在长途中心局(CO)之间避免电信号再生是另一个削减成本的主要途径。通常每隔500km左右，光信号必须被变换到电信号，再消除失真后再变换成光信号。由于此再生过程需要再光链路两端配置相同的设备，故比无再生中继的光链路端对系统的成本增加约1倍。采用喇曼(Raman)放大的超常距离(ULH)无电中继的DWDM系统，每波长或每个光路光信号的传输距离由约

半导体光放大器

F-P 半导体光放大器的频率响应特性摘要: 从描述F2P 型半导体光放大器( FPSOA)中光子与载流子相互作用的行波速率方程出发,利用小信号分析法得到了光腔内部前、后向光场的微扰量的微分方程组,并利用其分析了FPSOA 的 频率响应特性。计算结果表明:FPSOA 具有高通的频率响应特性。所得结论与已有文献报道的实验 结果符合较好。 关键词: 半导体光放大器; 频率响应; 小信号分析 0 引言 目前,半导体光放大器( SOA) 由于具有体积小、功耗低、响应速度快(皮秒量级) 以及易于集成等优点,在光通信及光信息领域引起了越来越多的关注。SOA 对不同调制频率下的输入信号的响应特性是其应用于通信领域时的一个重要参量。事实上,一些学者已经从理论和实验两个方面对行波式半导体光放大器( TWSOA ,即两个端面反射率为0的SOA) 的频率响应特性进行了比较系统的研究。文献[ 1 ]通过理论分析得出了TWSOA 具有高通频率响应的结论,并提出利用这种高通特性来抑制低频模式分配噪声的方法。文献[ 2 ]在更为详细的计算基础上指出工作在饱和状态下的TWSOA 的频率响应不仅具有高通特性,而且应该存在两个特征频率,最后利用实验验证了理论结果。文献[3 ]中作者提出了一种基于直接扣除法的TWSOA 的频率响应测量系统,所得结果也进一步地验证了以往文献中的结论。众所周知,由于制造工艺上的一些不可克服的原因,我们不可能真正镀制出具有零端面反射率的TWSOA 。而且,最近有学者指出将SOA 的一个端面镀上一定的减反射膜而在另一个端面保持较高的反射率会有助于提高SOA 的动态增益响应速度,能够优化SOA 在全光信号处理中的性能。为此,从理论上对这类具有一定端面反射率的SOA ———即Fabry2Perot 型SOA ( FPSOA) 的频率响应特性的研究是十分必要的。但至今为止还鲜有相关的报道。本文将对输入光为一束调幅波情形下FPSOA的频率响应特性进行比较深入的分析和讨论。首先,从FPSOA 的行波速率方程组出发,利用小信号分析得到描述有源区内前、后向光场的微扰量的微分方程组,推导过程中我们还考虑了两个方向传播光场之间相干叠加的因素。然后,在一定边界条件下利用有限差分法求解了关于微扰量的微分方程组,得到了FPSOA 的频率响应。最后,我们在计算结果的基础上分析了FPSOA 的频率响应特性,并与前人的实验研究结果进行了对比,本文结论与实验结果吻合较好。 1 理论分析 在SOA 有源区内的总光场可以表示为前向波和后向波的叠加,其各自分别服从如下的行波方程: 其中,A 和B 分别表示前向波和后向波的慢变复振幅,i= ,Γ为限制因子, N 为载流子 浓度, g 和α分别为材料增益和吸收系数, 其中g = g0( N -N tr) , N tr为透明载流子浓度。而β= 2πn1νsig为传播常数, n1为有效折射率,νsig 为信号光频率。而前向波和后向波必须满足如下边界条件: