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轉(zhuǎn)變成電信號，然后利用該電信號驅(qū)動發(fā)射機，發(fā)射機復制輸入信號。可以認為它是一個背對背放置的接收機和發(fā)射機。

裝置復雜、耗能多、不能同時放大多個波長信道，在wdm系統(tǒng)中復雜性和成本倍增，可實現(xiàn)1r、2r、3r中繼光放大器（o-o）多波長放大、低成本，只能實現(xiàn)1r中繼,光放大器不能再生信號，它們僅僅增加信號的振幅、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：提供光信號增益，以補償光信號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現(xiàn)對入射光的放大。光放大器是基于受激輻射或受激散射原理實現(xiàn)入射光信號放大的一種器件。其機制與激光器完全相同。實際上，光放大器在結構上是一個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得到更廣泛應用。光放大器基本結構示意圖

輸入信號光輸出信號光電流

摻雜光纖輸入信號光輸出信號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光輸出信號光

(a)半導體光放大器

(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方式工作長度小信號增益噪聲特性常規(guī)光纖耦合偏振敏感度失真和串擾集成性非線性光纖放大器光學非線性效應光數(shù)十米到數(shù)千米>40好容易大嚴重無半導體光放大器粒子數(shù)反轉(zhuǎn)電100μm至1mm>30差困難大嚴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現(xiàn)對入射光的放大。與激光器不同之處在于光放大器沒有反饋機制。6.2光放大器基本概念光放大器的增益不僅與信號光的頻率（波長）有關，而且還與放大器內(nèi)部任一點的光強有關，即光增益與頻率及強度的關系決定于放大器增益介質(zhì)的特性。對于均勻加寬的二能級增益介質(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)；

入射信號光頻率；增益介質(zhì)原子躍遷的中心頻率或增益最大值對應的中心頻率；被放大的光信號功率；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。

偶極子馳豫時間

（也稱非輻射弛豫時間，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：小信號增益系數(shù)降至最大值一半處的全寬（fwhm）設放大器長度為l，光信號沿l放大，則光功率隨距離的變化為在z點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)與光信號的功率有關，在p<<ps時，為小信號增益，這時可不計p對g(ω)的影響；當p增大至可與ps比擬時，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增益的一半時的輸出功率小信號增益g0＝30db時，增益對輸入光功率的典型依存關系輸入光功率較小時，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光放大器的小信號增益。g0飽和輸出功率：放大器增益降至小信號增益一半時的輸出功率。3dbpout,sat當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把自發(fā)輻射（或散射）疊加到信號光上，導致被放大信號的信噪比（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)中電子空穴對的自發(fā)復合。自發(fā)復合導致了與光信號一起放大的光子的寬譜背景。edfa放大1540波長信號時產(chǎn)生的影響ase噪聲疊加在信號上，導致信噪比下降。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;當粒子數(shù)不完全反轉(zhuǎn)時，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)，接收機前接入光放大器后，新增加的噪聲主要來自ase噪聲與信號本身的差拍噪聲。噪聲指數(shù)為：表明：即使對nsp=1的完全粒子數(shù)反轉(zhuǎn)的理想放大器，被放大信號的snr也降低了二倍（或3db）。對大多數(shù)實際的放大器fn均超過3db，并可能達到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