光放大器1課件

第6章光放大器6.1光放大器概述6.2光放大器基本概念6.3摻鉺光纖放大器6.4半導(dǎo)體光放大器6.5光纖喇曼放大器6.6光纖參量放大器光放大器的出現(xiàn)，可視為光纖通信發(fā)展史上的重要里程碑。光放大器出現(xiàn)之前，光纖通信的中繼器采用光－電－光(o-e-o)變換方式。中繼器能將弱光信號(hào)轉(zhuǎn)變成電信號(hào)，然后利用該電信號(hào)驅(qū)動(dòng)發(fā)射機(jī)，發(fā)射機(jī)復(fù)制輸入信號(hào)?？梢哉J(rèn)為它是一個(gè)背對(duì)背放置的接收機(jī)和發(fā)射機(jī)。

裝置復(fù)雜、耗能多、不能同時(shí)放大多個(gè)波長(zhǎng)信道，在wdm系統(tǒng)中復(fù)雜性和成本倍增，可實(shí)現(xiàn)1r、2r、3r中繼光放大器（o-o）多波長(zhǎng)放大、低成本，只能實(shí)現(xiàn)1r中繼,光放大器不能再生信號(hào)，它們僅僅增加信號(hào)的振幅、噪聲。

§6.1光放大器概述一、中繼器與光放大器光放大器的功能：提供光信號(hào)增益，以補(bǔ)償光信號(hào)在通路中的傳輸衰減，增大系統(tǒng)的無中繼傳輸距離。在泵浦能量（電或光）的作用下，實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)（非線性光纖放大器除外），然后通過受激輻射實(shí)現(xiàn)對(duì)入射光的放大。光放大器是基于受激輻射或受激散射原理實(shí)現(xiàn)入射光信號(hào)放大的一種器件。其機(jī)制與激光器完全相同。實(shí)際上，光放大器在結(jié)構(gòu)上是一個(gè)沒有反饋或反饋較小的激光器。二、光放大器類型：摻雜光纖放大器（edfa、pdfa、tdfa） 半導(dǎo)體光放大器（soa） 非線性光纖放大器（fra、fba、fpa）三、發(fā)展歷程：上世紀(jì)80年代中、后期soa的研究為主；90年代edfa獲得巨大成功，成為光纖通信系統(tǒng)必不可少的器件；2001年fra得到更廣泛應(yīng)用。光放大器基本結(jié)構(gòu)示意圖

輸入信號(hào)光輸出信號(hào)光電流

摻雜光纖輸入信號(hào)光輸出信號(hào)光耦合器耦合器泵浦光純石英光纖-------------------------------泵浦光泵浦光輸入信號(hào)光輸出信號(hào)光

(a)半導(dǎo)體光放大器

(b)摻雜光纖放大器

(c)非線性光纖放大器

放大器類型工作原理激勵(lì)方式工作長(zhǎng)度小信號(hào)增益噪聲特性常規(guī)光纖耦合偏振敏感度失真和串?dāng)_集成性非線性光纖放大器光學(xué)非線性效應(yīng)光數(shù)十米到數(shù)千米>40好容易大嚴(yán)重?zé)o半導(dǎo)體光放大器粒子數(shù)反轉(zhuǎn)電100μm至1mm>30差困難大嚴(yán)重易摻稀土光纖放大器粒子數(shù)反轉(zhuǎn)光數(shù)米到數(shù)十米>40好容易無可忽略無光放大器的類型和各自優(yōu)缺點(diǎn)1,450nm1,490nm1,530nm1,570nm1,610nm1,650nms+bandsbandcbandlbandl+bandrfatdfaedtfags-edfaedfaerbiumdopedfiberamplifiergain-shiftederbiumdopedfiberamplifiertellurite-basederbiumdopedfiberamplifierthuliumdopedflouride-basedfiberamplifierramanfiberamplifiertotal~200nm:500~1,000waves?80nm:~200waves?40nm1,550nm1,580nmpotentialofopticalfiber:perhaps250wavesx100gb/s=25,000gb/s=25tb/s?光放大器種類fujitsuproprietary在泵浦能量（電或光）的作用下，實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)（非線性光纖放大器除外），然后通過受激輻射實(shí)現(xiàn)對(duì)入射光的放大。與激光器不同之處在于光放大器沒有反饋機(jī)制。6.2光放大器基本概念光放大器的增益不僅與信號(hào)光的頻率（波長(zhǎng)）有關(guān)，而且還與放大器內(nèi)部任一點(diǎn)的光強(qiáng)有關(guān)，即光增益與頻率及強(qiáng)度的關(guān)系決定于放大器增益介質(zhì)的特性。對(duì)于均勻加寬的二能級(jí)增益介質(zhì)，其增益系數(shù)可表示為：6.2.1光放大器一般工作特性最大增益系數(shù)；

入射信號(hào)光頻率；增益介質(zhì)原子躍遷的中心頻率或增益最大值對(duì)應(yīng)的中心頻率；被放大的光信號(hào)功率；飽和功率；決定于增益介質(zhì)的摻雜參數(shù)，如介質(zhì)的自發(fā)輻射壽命及躍遷截面等。

偶極子馳豫時(shí)間

（也稱非輻射弛豫時(shí)間，約0.1ps）

上式可用于討論放大器的增益帶寬、放大倍數(shù)、飽和輸出功率等一、光增益譜寬和放大器帶寬放大器的增益(或放大倍數(shù))定義為：小信號(hào)下（p<<ps），增益系數(shù)隨的改變而按洛倫茲分布變化增益譜寬：小信號(hào)增益系數(shù)降至最大值一半處的全寬（fwhm）設(shè)放大器長(zhǎng)度為l，光信號(hào)沿l放大，則光功率隨距離的變化為在z點(diǎn)處的光功率為或者放大器帶寬：放大器增益（放大倍數(shù)）降至最大放大倍數(shù)一半處的全寬度（fwhm）光纖放大器的洛侖茲譜和相應(yīng)的放大器增益譜所以放大器增益為輸出功率為二、增益飽和與飽和輸出功率增益飽和：增益系數(shù)與光信號(hào)的功率有關(guān)，在p<<ps時(shí)，為小信號(hào)增益，這時(shí)可不計(jì)p對(duì)g(ω)的影響；當(dāng)p增大至可與ps比擬時(shí)，g(ω)隨p的增大而下降，放大器增益g(ω)也下降，這種現(xiàn)象稱為增益飽和。飽和輸出功率：放大器增益降至最大小信號(hào)增益的一半時(shí)的輸出功率小信號(hào)增益g0＝30db時(shí)，增益對(duì)輸入光功率的典型依存關(guān)系輸入光功率較小時(shí)，g是一常數(shù)，即輸出光功率ps,out與輸入光功率ps,in成正比例。g0光放大器的小信號(hào)增益。g0飽和輸出功率：放大器增益降至小信號(hào)增益一半時(shí)的輸出功率。3dbpout,sat當(dāng)ps,in增大到一定值后，光放大器的增益g開始下降——增益飽和現(xiàn)象。飽和區(qū)域三、放大器噪聲

所有光放大器在放大過程中都會(huì)把自發(fā)輻射（或散射）疊加到信號(hào)光上，導(dǎo)致被放大信號(hào)的信噪比（snr）下降，其降低程度通常用噪聲指數(shù)fn來表示，其定義為：主要噪聲源：放大的自發(fā)輻射噪聲（ase），它源于放大器介質(zhì)中電子空穴對(duì)的自發(fā)復(fù)合。自發(fā)復(fù)合導(dǎo)致了與光信號(hào)一起放大的光子的寬譜背景。edfa放大1540波長(zhǎng)信號(hào)時(shí)產(chǎn)生的影響ase噪聲疊加在信號(hào)上，導(dǎo)致信噪比下降。寬譜光源ase噪聲ase噪聲近似為白噪聲，噪聲功率譜密度為：自發(fā)發(fā)射因子或粒子數(shù)反轉(zhuǎn)因子對(duì)于原子都處于激發(fā)態(tài)或完全粒子數(shù)反轉(zhuǎn)的光放大器，nsp=1;當(dāng)粒子數(shù)不完全反轉(zhuǎn)時(shí)，nsp>1；激發(fā)態(tài)的粒子數(shù)基態(tài)的粒子數(shù)研究發(fā)現(xiàn)，接收機(jī)前接入光放大器后，新增加的噪聲主要來自ase噪聲與信號(hào)本身的差拍噪聲。噪聲指數(shù)為：表明：即使對(duì)nsp=1的完全粒子數(shù)反轉(zhuǎn)的理想放大器，被放大信號(hào)的snr也降低了二倍（或3db）。對(duì)大多數(shù)實(shí)際的放大器fn均超過3db，并可能達(dá)到6~8db。希望放大器的fn盡可能低。ase噪聲ase噪聲功率：ase有效帶寬，由放大器增益譜特性決定6.2.2光放大