光放大器概述

1、第第 13 讲讲 光放大器概述*横向均匀激励连续激光放大器 增益系数、最大输出光强、增益谱宽 *纵向激励连续激光放大器掺铒光纤放大器 小信号增益、大信号增益、饱和输出功率 脉冲行波放大器输运方程 反转粒子数、光子数密度输运方程第六章 激光放大特性 光放大器概述 发展光放大技术的意义 1.获得高质量的大能量、高功率激光束（固体激光器） 大能量、高功率与方向性、单色性、脉宽相互制约 2.光通信系统中的光中继器（EDFA) 3.全光信号处理器件(半导体光放大器SOA） 6.1 激光放大器的特点与分类 光放大概念利用受激辐射实现光放大 光放大的前提条件g0g=0粒子数反转分布吸收透明放大对入射光要求？

2、上述放大器与激光器的差别：无谐振腔行波光放大器激光器激光振荡器再生（光）放大器 按工作方式分类: 对入射光要求： 行波放大器行波放大器: 只要求入射光频率在增益介质谱线范围内 再生放大器: 入射光需在谐振腔本征频率附近, 保证频率匹配g00I lI0P lPg00I0P lI lP1r2r1I2I2I1Igj T行波放大器再生放大器(F-P放大器)行波放大器增益 00PlPIlIG10lgG dBG(6.1.1)再生放大器增益 多光束干涉处理1212IIIIGscsssvlsinGrrGrrGrrG2411122122121(6.1.3)22121111sscGrrGrrG当最大增益偏离c G

3、下降; r1、r2 越高，偏离c允许值越小，增益 g00I0P lI lP1r2r1I2I2I1I放大器增益再生放大器 行波放大器 GGs22121minmax11rrGrrGGGGFPFP17. 021rrGdBG2421107 . 1rrdBG30再生放大器举例：半导体光放大器 h 3.23.4r1、r2 060nm1nm再生放大器再生放大器行波放大器行波放大器按入射光时间特性分类 连续激光放大器 脉冲激光放大器 超短脉冲激光放大器 （入射信号脉宽t0 及工作物质弛豫时间T） 弛豫：某种物理状态的建立或消亡过程 弛豫时间 纵向弛豫时间T1：能级上的粒子数数目发生变化(T1t2) 横向弛豫时

4、间T2位相弛豫时间 宏观感应电极化的产生和消亡的时间 电磁场共振相互作用同相， 碰撞等其它作用消相 DLLTTt211*22L为主D为主 固体 气体 半导体 纵向弛豫时间(s) 10-310-4 10-610-9 10-9 横向弛豫时间(s) 10-1110-12 10-810-9 10-12 按功能分类按功能分类: （通信系统中）（通信系统中） 前置放大器: 小信号工作状态, 噪声系数小 功率放大器: 大信号, 增益饱和状态, 饱和输出功率大 线路放大器：补偿系统中各光纤段的损耗t0 T1 与连续波放大相似 稳态方法T2 t0 T1 脉冲放大 非稳态方法 t0 T2 超短脉冲放大 半经典 光

5、激励方式: 横向（均匀）激励： (固体或半导体光放大器) n，g0、Is 均为常数 纵向激励：n，g0，Is 与传输距离有关(光纤放大器)I0(t)I1(t)聚光器泵浦灯激光工作物质泵浦光980nm (1480nm)信号光1550nmI0(t)I1(t)掺铒光纤6.2 横向均匀激励连续激光放大器特性 sIzI lgIlIGmexp000前置放大器一、一、( (有损有损) )光放大器小信号增益光放大器小信号增益 假设: 均匀加宽、平均损耗系数、信号光频率0I0(t)I1(t)聚光器泵浦灯Nd:YAG光隔离器Nd:YAG光泵增益 小信号增益 最大输出光强 增益谱 饱和增益 （饱和输出功率）小信号增

6、益激光振荡器激光放大器二、二、( (有损有损) )光放大器大信号（饱和）增益光放大器大信号（饱和）增益 入射光信号较强或工作物质足够长 sIzI可得 mssmgIzIzIzdIIzIdzg111 11smIzIgdzzIzdI(6.2.1) 净增益系数(功率增益)公式 smsmmmIIgIlIgglgIlI0011lnln输出光强 smsmmIIgIlIggGG000011lnln放大器增益I0 已知，放大器的 gm、l、 可以测得，Is 已知0lmg dz（无损）光放大器（如气体介质）输出光强和增益表达式（略）(6.2.3)(6.2.4)自行推导自行推导三、最大输出光强（饱和输出功率）三、最

7、大输出光强（饱和输出功率） 当输入信号光很强或增益介质很长，由于增益饱和，放大器增益系数会下降直到净增益系数为0，光强不再增加。 011smIzIgdzzIzdI1msmgII四、放大器的增益谱宽及输出谱线轮廓四、放大器的增益谱宽及输出谱线轮廓 (无损)小信号均匀加宽光放大器2lnln2ln00GH400G时 H G0() 无损大信号均匀加宽光放大器： 中心频率处饱和效应强，偏离中心频率饱和减弱 I (l) H(6.2.10) 习题6-2 自行推导6.3 纵向光激励连续激光放大器的特性纵向光激励连续激光放大器的特性 掺铒光纤放大器 EDFAErbium Doped Fiber Amplifie

8、r 为什么EDFA属于连续激光放大器？ 光信号速率：1081010b/s（T=10-810-10 s ）铒离子 T1=10-2 s T0 0dzzIdp 泵浦光沿光纤 归一化信号光、泵浦光输运方程 ppnn1312掺杂光纤中信号光的小信号吸收系数掺杂光纤中泵浦光的小信号吸收系数 00dzzIdIzIdzzIdIzIpthppthp光信号放大光信号放大 光信号衰减光信号衰减 pthpsppppIzIhzIzIt13 spppthhIt13(6.3.11)(6.3.12)阈值泵浦光强 1PthPIzI分子上可实验测定可实验测定衡量信号光在铒光纤中传输时光强增长或衰减衡量信号光在铒光纤中传输时光强增

9、长或衰减二、光纤放大器小信号增益特性 小信号增益 （信号光很弱）6.3.14代入6.3.15 llIIGpppop1exp10 0ln11GlIlIpppop 式 6.3.12归一化泵浦光 lIlIIlIppoppopln输出端归一化泵浦光强(6.3.14) 1 zI 积分6.3.116.3.12 积分输出端归一化信号光强 lIIIlIIlIppopopoplnln(6.3.15) 1 zI001lnlnlnln1111popppopppthpthIIlGlGII(6.3.16)(6.3.17)(6.3.18)实验测得(G0=1)实验测量=G0 G0与信号光强无关, 与泵浦光强 IP0及掺铒光

10、纤长度 l 有关 最佳长度 lm 光纤长度太长, 后端 Ip Ipth 信号光衰减； 光纤长度过短 Ip 未充分利用 l = lm 时 应有 Ip(lm) = Ipth Ip(lm)=1lp归一化小信号增益归一化掺铒光纤长度归一化小信号增益归一化泵浦功率 1设pthppIzIzI0ln11110mpmppthpoGlII1ln1pthpopthpopmIIIIl最佳长度下的小信号增益1lnln0pthpopthpopmIIIIG结论: 存在最佳长度，输入泵浦光功率 Ipo l0, Gmo 光纤长度一定, 若泵浦光功率过强, 过剩的泵浦光 将从输出端逸出, 对提高增益系数无作用若dBGIImpt

11、hpop346. 2310dBGIImpthpop308161010 spppsppppppphzIzIznz ,IzIznznnzIzIzIzInzIzIznnzIzIzIznt21211300011111111111 sppppshzIzIhzIzItt1321=Is(,z) 饱和光强不是常数，主要决定泵浦光强， 纵向泵浦特点: Ip(z)随传输距离变化, g0(z) , Is(,z)随传 输距离变化, Ip(z)的变化还和信号光强 I(z)有关 (6.3.12)三、大信号增益特性表征EDFA高功率输出能力(6.3.9)小信号通常用数值解法，从输运方程求大信号 G 及 输出功率 求最大泵浦

12、光功率时， l=lm(大信号下最佳长度) 时的增益及输出功率（方法与讨论前面小信号情况相同）pthpopthpomppthmpIIIIGIIGlnln106.4 脉冲激光放大器的增益特性简化假设： 忽略光泵及SP的影响 n 横向分布均匀 均匀加宽工作物质 l l0 hF1, f1=f2一、 脉冲行波光放大器输运方程 t0 T1SdzdttzNSdzdttzNtzndtStdzzNtzNSdzdtttzN,21vvv tzJtzJtznztzJttzJtzJtznttzn,2,2121vvvzz+dzzI0(t)J0(t)vtzNtzJ,三能级系统脉冲行波放大器输运方程(6.4.2)(6.4.3

13、)l光子流强度光子流强度边界条件 lzntzntJtJ00,;,000二、脉冲激光放大器输出能量及能量增益 能量增益能量增益 (GE )zz+dzzI0(t)J0(t)关键：由输运方程求J(l) 00JlJEEGlE=单位面积输入的总光子数单位面积输出的总光子数0ttt虚设变量 tt00000,0lSJhdttlJShESJhdttJShEl输入信号能量输出信号能量 dttJJt000 lJ？入射光脉冲波形信号入射前的n空间分布（均匀）求能量增益：无需考虑脉冲各点（不同时刻）的行为，数学处 理方法 采用对时间积分 6.4.2代入6.4.3后积分 zJznndzzdJt,2102 . 4 . 6

14、dttzJtzntzndznntt021,2,0 zJenzn2120,t代入 zJnedzzdJzJ0221121(6.4.11)非线性微分方程，数值求解dttzJvdtttznvdtztzJvdtttzJtttt0000,2,0 dzzdJt,0znn zJ tzvJtzJtznvztzJvttzJtzJtznttzn,2,2121(6.4.2)(6.4.3) dttzJzJt0, 几种特殊情况下的 J(z) lneJlJzJndzzdJ0210021 (1) 小信号情况 lnJlJGE021exp0小信号能量增益 结论: GE与信号光强无关, l, n0 GE ；GE与 l, n0 指数

15、增加 121zJ zJnedzzdJzJ0221121幂级数展开取前两项 zJ2121 lllleJeneneJnlJ012202000积分后得 02120120000JlnGlnJenJlJEl1, 1lL较短结论: J(0)GE 增益饱和 强信号入射情况下, GE与 l, n0 线性增加, 而不是指 数增加, 因为n0 被脉冲前沿ST大量抽空l1强信号能量增益(2) 强入射信号 012121zJezJ zJnzJnedzzdJzJ0022112121 dznzJzdJ20改写为 lleneJnlJ20200开始时如同小信号情况，按指数增加, 随着传输距离的增加, 脉冲能量足够强, 出现增益饱和, 脉冲输出能量趋于饱和不再增加 (3) l 足够长 ，入射光信号强度介于两者之间 0120JnGEGE 趋于稳定值20nNm此时能量增益与放大器长度无关，放大器输出的最大光子数密度与输入能量无关，仅与