2009光纖光學(xué)6-5.ppt

1、6.5 光纖放大器與光纖激光器,2,光纖放大器的發(fā)展,如何加長(zhǎng)傳輸距離 光-電-光中繼 相干光通信，提高接收靈敏度 直接光放大 光纖放大器的發(fā)展歷程 1964年報(bào)道了摻雜光纖放大器的研究； 此后的25年間，缺乏很好的有源光纖、泵浦光源； 1989年英國(guó)南安普頓大學(xué)研制出摻鉺光纖放大器，在 較短的光纖內(nèi)（15m），使信號(hào)放大1000倍（30dB）。,3,6.5-1 摻鉺光纖放大器,4,光-電-光中繼放大,對(duì)每一波長(zhǎng)要分別處理，不適WDM系統(tǒng)； 由于電的參與，處理速度受到限制； 但能對(duì)信號(hào)再放大、再定時(shí)和再整形。,5,全光放大,光放大器是一種勿需光電轉(zhuǎn)換即可對(duì)光信號(hào)進(jìn)行直接放大的器件,6,How

2、to make an OA,半導(dǎo)體光放大器 （Semiconductor Optical Amplifier) 光纖放大器 EDFA: Erbium （鉺）Doped Fibre Amplifiers(1530nm1610nm) PDFA: Praseodymium （鐠 ）Doped Fibre Amplifiers(12601360) TDFA：Thulium（銩 ） Doped Fibre Amplifiers(14501490nm) SRFA: Stimulated Raman Fibre Amplifiers PFA: Plastic Fibre Amplifier,7,8,1550

3、,EDFA,增益窗口,30nm 60nm,光,放,大,器,增,益,光,纖,衰,減,除去,OH,峰外,300nm,低損耗窗口,波長(zhǎng),nm,850,1310,PDFA,SOA,SRA,Development of OA,EDFA,增益窗口,30nm 60nm,PDFA,SOA,SRA,9,工作原理,泵浦光實(shí)現(xiàn)摻鉺光纖的粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，外界的信號(hào)光對(duì)反轉(zhuǎn)粒子數(shù)形成受激輻射，從而實(shí)現(xiàn)信號(hào)光的放大,10,有源光纖,由摻有稀土雜質(zhì)的增益介質(zhì)所制成的光纖稱為有源光纖。 稀土元素(也稱鑭系元素),包括元素周期表中倒數(shù)第二行中從鑭(La. 原子序數(shù)為57)到镥(Lu.原子序數(shù)為71)的15個(gè)元素。 目前較成熟的有源

4、光纖中摻入的稀土離子有： 鉺(Er+3,發(fā)射中心波長(zhǎng)為1.53m) 釹(Nd+3,發(fā)射中心波長(zhǎng)為0.92m、1.06m、1.4m) 鐠(Pr+3,發(fā)射中心波長(zhǎng)為1.3m)。,11,泵浦光波長(zhǎng)的選擇： 514nm、532nm：氬離子氣體激光作為泵浦激光，體積龐大； 667nm：可由半導(dǎo)體激光器產(chǎn)生，但在摻鉺光纖激光器中多模傳輸，泵浦效率不高； 800nm：可由半導(dǎo)體激光器產(chǎn)生，但會(huì)產(chǎn)生激發(fā)態(tài)吸收，基態(tài)的粒子泵浦到激發(fā)態(tài)后，不是弛豫到亞穩(wěn)態(tài)，而是在吸收泵浦光后，向更高的能級(jí)躍遷，消耗泵浦光功率。 980nm：鉺離子相當(dāng)于三能級(jí)系統(tǒng)完全的粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，噪聲特性好，但泵浦效率不高； 1480nm：鉺離子

5、相當(dāng)于二能級(jí)系統(tǒng)完全的粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，泵浦效率高，但噪聲特性也變差。,12,能級(jí)圖,980nm波長(zhǎng)泵浦：鉺離子相當(dāng)于三能級(jí)系統(tǒng) ，粒子數(shù)完全反轉(zhuǎn)，噪聲特性好，但量子效率不高 ； 1480nm波長(zhǎng)泵浦：鉺離子相當(dāng)于二能級(jí)系統(tǒng)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)不徹底，盡管量子效率較高，但噪聲特性變差,13,14,EDFAs,15,典型泵浦結(jié)構(gòu),前向泵浦,后向泵浦,雙向泵浦,16,重要計(jì)算公式,速率方程 放大器增益 噪聲指數(shù)： 當(dāng)泵浦充分，且 時(shí)，噪聲系數(shù)達(dá)到極限3dB,17,Gain Saturation 增益飽和,18,增益與泵浦光功率、摻鉺光纖長(zhǎng)度的關(guān)系, 光放大器的增益隨著泵浦光功率的增大，呈現(xiàn)增益飽和； 在給定的泵浦

6、光功率下，有一最佳摻鉺光纖長(zhǎng)度，實(shí)現(xiàn)最大的增益,19,非飽和增益與輸出飽和功率, 非飽和增益： 注入小信號(hào)時(shí)，放大器產(chǎn)生的增益，此時(shí)放大器為線性放大器 輸出飽和光功率：光放大器的增益下降3dB所對(duì)應(yīng)的輸出光功率。,20,EDFA的主要技術(shù)參數(shù),工作波長(zhǎng)范圍、輸入功率范圍、輸出功率范圍、飽和輸出功率、噪聲系數(shù)、偏振相關(guān)增益、小信號(hào)增益、增益平坦度、增益變化、增益斜度、輸入光回?fù)p、輸出光回?fù)p等。 對(duì)EDFA模塊的其它要求： - 具有泵浦源自動(dòng)關(guān)閉功能；壽命不小于30萬(wàn)小時(shí)；具有放大器自動(dòng)增益均衡（控制）功能,21,高性能（低噪聲）摻鉺光纖放大器,利用980nm和1480nm兩不同泵浦波長(zhǎng)的摻鉺光纖

7、放大器級(jí)聯(lián),在高增益下實(shí)現(xiàn)近量子噪聲極限,22,Gain Characteristics of EDFAs,23,Response of Cascaded EDFAs,24,摻鉺光纖放大器增益平坦技術(shù), 采用寬帶濾波器：長(zhǎng)周期光纖光柵 共摻雜技術(shù)：鋁或氟化物的摻鉺光纖 采用不同光波長(zhǎng)混合泵浦技術(shù) 采用增益鎖定技術(shù),25,LPG for Flattening the Gain,26,增益鉗制EDFA,27,增益的自動(dòng)控制,28,Cladding Pumps,Output powers of up to 10 watts!,29,MultiStage EDFAs,1) 增大輸出功率的同時(shí)使噪聲水平

8、較低 2)使整個(gè)增益變得平坦 3) 降低ASE噪聲,30,Remote Pumping,兩路光纖.一路傳信號(hào)光，一路傳泵浦光 泵浦光工作波長(zhǎng)1480 nm 海底通信系統(tǒng)中可使傳輸距離在 100 km 150 甚至到 200 km.,31,EDFA System Resilience,信號(hào)能夠通過(guò)失效的光纖放大器而保持信號(hào)不受改變。,32,Using OTDRs in Amplified Links,To diagnose link condition right through the amplifier.,33,EDFA的應(yīng)用,Preamplifiers Power Amplifiers L

9、ine Amplifiers,6.5-2 摻鉺光纖激光器,35,光纖激光器的特點(diǎn),實(shí)現(xiàn)靈活的激光光源（窄線寬、可調(diào)諧、多波長(zhǎng)、超短光脈沖源） 易獲得高功率、高的光脈沖能量 激光波長(zhǎng)與光纖通信傳輸窗口相匹配 采用激光器泵浦形式（半導(dǎo)體激光器泵浦） 熱穩(wěn)定性、價(jià)格低廉、易小型化,36,放大器與激光器的差別,光放大器：無(wú)諧振腔，無(wú)反饋，外界信號(hào)引起的受激輻射 激光器： 有諧振腔，有反饋，內(nèi)部自發(fā)輻射導(dǎo)致的受激輻射,37,構(gòu)成激光振蕩的必要條件,粒子數(shù)反轉(zhuǎn)：N 2 N 1 0,需要外界光泵浦 形成對(duì)激射光子的正反饋： 需要激光諧振腔 光纖激光器光纖放大器激光諧振腔 激光諧振腔是光纖激光器與光纖放大器在

10、結(jié)構(gòu)上的唯一差別,38,光纖激光器的構(gòu)成,激光增益介質(zhì)：有源光纖 激光諧振腔：直腔、環(huán)行腔 泵浦源：光泵,39,光纖激光器的諧振腔,諧振腔的基本要求：透射泵浦光、反射激光 諧振腔的基本形式： 法布里-珀洛(FP)平行平面鏡諧振腔 光纖光柵對(duì)諧振腔 光纖環(huán)行腔,40,法布里-珀洛(FP)平行平面鏡諧振腔,Pumping Light (980nm),Lasing Light (1550nm),EDF,M1,M2,41,光纖光柵對(duì)諧振腔,Pumping Light (980nm),Lasing Light (1550nm),EDF,FBG1,FBG2,42,光纖環(huán)行腔,Pumping Light (

11、980nm),Lasing Light (1550nm),EDF,Coupler,Isolator,43,環(huán)形腔光纖激光器諧振腔,44,光纖激光器的泵浦技術(shù),端面泵浦技術(shù) 側(cè)面泵浦技術(shù) 分布式泵浦技術(shù) 雙向泵浦技術(shù) 泵浦合束技術(shù),Pumping LD (980nm),Lasing Light (1550nm),EDF,FBG1,FBG2,Pumping LD (980nm),Pumping LD (980nm),45,輸出特性,46,重要的計(jì)算公式,輸出光功率： 閾值泵浦功率： 斜率效率： 最佳摻鉺光纖長(zhǎng)度,47,光纖激光器的性能,高的內(nèi)量子效率：在有源光纖中產(chǎn)生的光子被限制在由纖芯波導(dǎo)內(nèi),使其只能沿光纖軸向傳播。 高的泵浦效率：可用波長(zhǎng)與稀土離子吸收帶相匹配的體積很小的高功率半導(dǎo)體激光器來(lái)直接泵浦。 良好的散熱特性：由于光纖具有很高的表面積與體積比, 因而能在不加強(qiáng)制冷卻的情況下