第5章 光放大器(修改)

1、第第5 5章章 光放大器光放大器 第第5章章 光放大器光放大器 5.1 引言引言 5.2 掺铒光纤放大器掺铒光纤放大器EDFA 5.3 受激拉曼光纤放大器受激拉曼光纤放大器SRA 5.4 受激布里渊光纤放大器受激布里渊光纤放大器SBA 5.5 其他光纤放大器其他光纤放大器 5.6 半导体光放大器半导体光放大器SOA 5.7 光放大器的应用光放大器的应用 5.8 光纤激光器光纤激光器 5.9 光波长变换器光波长变换器 第第5 5章章 光放大器光放大器 复习复习2x2光纤耦合器P1输 入 端 口P2P1P2输 出 端 口拉 锥 区耦 合 区拉 锥 区1234MZI的结构图输入端囗1输入端囗23dB

2、 耦合器3dB 耦合器输出端囗 1输出端囗 2行程差 L34第第5 5章章 光放大器光放大器 5.1 引引 言言 在光放大器研制成功之前， 主要采用光电混合中继器（或称再生器）放大光信号。 首先将光纤中送来的光信号转换为电信号， 然后对电信号进行放大， 最后再将放大了的电信号转换为光信号送到光纤中去光电变换(O/E)放大器电光变换(E/O)光纤光纤光的范围电的范围光的范围缺点: (1)造价高 (2)速度低第第5 5章章 光放大器光放大器 5.2 掺铒光纤放大器掺铒光纤放大器EDFA 光纤放大器的主要特性如下： (1) 增益: 是输出光功率与输入光功率的比值（以dB为单位）。 (2) 增益效率:

3、 是增益对输入光功率的函数。 (3) 增益带宽: 是放大器放大信号的有效频率范围。 (4) 增益饱和: 一般情况下输入信号应该足够大， 以便能引起放大器的饱和增益。 饱和时的增益随信号功率增加而减小。 (5) 增益波动: 是增益带宽内的增益变化范围（以 dB为单位）。 第第5 5章章 光放大器光放大器 (6) 噪声: 与放大光信号有关的噪声包括两个方面： 光场噪声和强度/光电流噪声习题：一个EDFA功率放大器， 波长为1542 nm的输入信号功率为2 dBm， 得到的输出功率为Pout=27 dBm， 求放大器的增益。 第第5 5章章 光放大器光放大器 5.2.1 EDFA的放大原理 掺铒光纤

4、芯层的几何模型 掺铒高密度带(1002000 ppm)直径36 m掺锗的纤芯直径125 mSiO2包层直径250 m涂覆层第第5 5章章 光放大器光放大器 图5.4 EDFA的放大原理 第第5 5章章 光放大器光放大器 5.2.2 EDFA的组成结构 EDFA的基本组成， 包括： 泵浦激光、 波分复用(WDM)耦合器、 光隔离器和掺铒光纤（EDF）以及光滤波器。EDFA的基本组成 第第5 5章章 光放大器光放大器 EDFA常用的结构有三种， 即同向泵浦、 反向泵浦和双向泵浦。 (1) 同向泵浦是一种信号光与泵浦光以同一方向从掺铒光纤的输入端注入的结构， 也称为前向泵浦。 噪声性能较好。 (2)

5、 反向泵浦是一种信号光与泵浦光从两个不同方向注入掺铒光纤的结构， 也称为后向泵浦。较高的输出功率。 （3） 双向泵浦是同向泵浦与反向泵浦结合的方式。结合了以上两种方式的优点。第第5 5章章 光放大器光放大器 EDFA的三种结构 (a)(b)铒光纤输入光输出光信号泵浦LDWDM铒光纤输入光泵浦LDWDM输出光(c)铒光纤输入光泵浦LDWDM输出光信号泵浦LDWDM光隔离器偏振器第第5 5章章 光放大器光放大器 5.2.3 EDFA的增益特性 (1)增益特性代表了放大器的放大能力， 其定义为输出功率与输入功率之比。 (2)EDFA的增益通常为1540 dB。 (3)影响增益大小的因素 a)光纤中的

6、掺铒浓度 b)泵浦光功率 c)光纤长度 d)泵浦光的波长(980/1480nm)。第第5 5章章 光放大器光放大器 1.EDFA的噪声 EDFA的噪声主要有四种： 信号光的散粒噪声； 被放大的自发辐射(ASE)； ASE光谱与信号光之间的差拍噪声(指的是信号和ASE经光检测器输出的光生电流表达式中的交叉项)； ASE光谱间的差拍噪声(指的是ASE的二次项)。2.放大的自发辐射(ASE) 自发辐射的光子落在与信号光相同的频率范围内， 但它们在相位和方向上是随机的形成噪声(它们对于信号光没有贡献而产生了信号带宽内的噪声)。第第5 5章章 光放大器光放大器 (1)自发辐射因子即粒子数反转因子(nsp

7、): 自发辐射因子越大， 光放大器所产生的放大的自发辐射的功率也越大。122NNNnsp (2)放大的自发辐射的平均总功率PASE： BGhfnPspASE2 其中， hf是光子的能量， G是放大器增益， B是放大器的光带宽。 nsp越大， 放大的自发辐射(ASE)也越大。 第第5 5章章 光放大器光放大器 5.3 受激拉曼光纤放大器受激拉曼光纤放大器SRA SRA的放大原理 : 拉曼效应是在光纤介质中传输高功率信号时发生的非线性相互作用， 它是由介质的分子激励(声子)所诱发的非弹性光子散射。 光与声子相互作用导致斯托克斯(Stokes)线的频移(与信号光频不同)， 适当地选择光纤介质和泵浦频

8、率， 可以将Stokes线调谐到被放大信号的频率上。 第第5 5章章 光放大器光放大器 SRA的原理性结构示意 光纤耦合器pas光纤光滤波器as(a)基态振动态sp(b)E3E2E1asp(c)E3E2E1psasp第第5 5章章 光放大器光放大器 5.4 受激布里渊光纤放大器受激布里渊光纤放大器SBA SBA的放大原理 : 当一个窄线宽、 高功率信号沿光纤传输时， 将产生一个与输入光信号同向的声波， 此声波波长为光波长的一半， 且以声速传输。 理解非线性布里渊效应的一个简单方法是将此声波想像为一个把入射光反射回去的移动布拉格光栅， 由于光栅向前移动， 因此反射光经多普勒频移后变为一个较低的频

9、率值。 第第5 5章章 光放大器光放大器 布里渊散射效应 输入信号(0194 THz)反射信号(0B)0.53 m光纤纤芯A5.8 mm / s声波：B11 GHz第第5 5章章 光放大器光放大器 5.6 半导体光放大器半导体光放大器SOA 究开发光纤通信的初期就已着手研制SOA了， 但受噪声、 偏振相关性、 连接损耗、 非线性失真等因素的影响， 其性能达不到实用化要求。 应用量子阱材料的SOA具有结构简单， 可批量生产, 成本低, 寿命长, 功耗小等优点， 并且便于与其他部件一块集成， 可望制作出1310 nm和1540 nm波段的宽带放大器。第第5 5章章 光放大器光放大器 5.6.1 S

10、OA的放大原理 Uf(c)(b)耗尽层(a)P 型N 型粒子数反转：第第5 5章章 光放大器光放大器 SOA的基本工作原理 有源层光输入信号光纤ARAR光纤放大的光输出信号AR：防反射涂层泵浦源电流注入第第5 5章章 光放大器光放大器 SOA的两种主要结构： (1)法布里-珀罗放大器（FPA） 两个端面上镀多层介电薄膜。 当光信号进入腔内后， 它在两个端面来回反射并得到放大， 直至以较高的功率发射出去。 (2)非谐振的行波放大器（TWA) 两个端面上镀的是增透膜(防反射膜或涂层AR)。减少SOA与光纤之间的耦合损耗， 有源区不会发生内反射. 只要注入的电流在阈值以上， 在腔内仍可获得增益， 入

11、射光信号只需通过一次TWA就会得到放大。第第5 5章章 光放大器光放大器 5.6.2 SOA的性能与应用 SOA的应用主要集中在以下四个方面： 1. 光信号放大器 2. 光电集成器件 3. 光开关 4. 全光波长变换器AOWC 第第5 5章章 光放大器光放大器 5.7 光放大器的应用光放大器的应用 光放大器在不同的光纤通信系统中均有应用，主要有四种基本的应用。 (1) 在线放大器 (2) 后置放大器 (3) 前置放大器 (4) 功率补偿放大器 第第5 5章章 光放大器光放大器 光放大的四种应用情形(a) 在线放大器； (b) 后置放大器； (c) 前置放大器； (d) 功率补偿放大器(a)光

12、TX光 RXG光纤链路光 TX光 RXG(b)(c)(d)光 TX光 RXG光 RX光 RX光 TX光 RXG第第5 5章章 光放大器光放大器 5.8 光光 纤纤 激激 光光 器器 铒光纤激光器的结构 泵浦激光铒光纤EDFWDM耦合器泵浦激光WDM耦合器偏振控制器光滤波器输出激光耦合器5.8.1掺铒光纤激光器第第5 5章章 光放大器光放大器 单/多波长光纤光栅激光器的基本组成 (a) 单波长； (b) 多波长泵浦激光隔离器光栅光栅输出掺铒光纤(EDF)泵浦激光隔离器光栅光栅输出(a)光栅光栅EDFEDF(b)5.8.2 光纤光栅激光器第第5 5章章 光放大器光放大器 5.9 光波长变换器光波长变换器 5.9.1 半导体光放大器(SOA)中的交叉增益调制(XGM)技术 SOA-XGM的基本结构和原理 (a) 基本结构； (b) 原理探测光s泵浦光pSOA偏流变换后输出s滤波器SOA的增益变换输出输入光功率(b)(a)第第5 5章章 光放大器光放大器 5.9.2 半导体光放大器中的交叉相位调制（XPM）技术 MZI型SOA-XPM型AOWC CW探测波(