第6章光放大器2013Apr3

1第3章光放大器一般概念半导体光放大器掺铒光纤放大器 光纤拉曼放大器2再生中继器的缺点任何光纤通信系统的传输距离都受光纤损耗或色散限制；因此，传统的长途光纤传输系统，需要每隔一定的距离，就增加一个再生中继器，以便保证信号的质量。这种再生中继器的基本功能是进行光-电-光转换，并在光信号转变为电信号时进行再生、整形和定时处理，恢复信号形状和幅度，然后再转换回光信号，沿光纤线路继续传输。这种方式有许多缺点。首先，通信设备复杂，系统的稳定性和可靠性不高，特别是在多信道光纤通信系统中更为突出，因为每个信道均需要进行波分解复用，然后光-电-光变换，经波分复用后，再送回光纤信道传输，所需设备更复杂，费用更昂贵。其次，传输容量受到一定的限制。3WDM光-电-光转换再生中继器结构缺点:通信设备复杂，系统的稳定性和可靠性不高，传输容量受到一定的限制。Amp4光放大器出现多年来，人们一直在探索能否去掉上述光-电-光转换过程，直接在光路上对信号进行放大，然后再传输，即用一个全光传输中继器代替目前的这种光-电-光再生中继器。半导体光放大器（SOA）掺铒光纤放大器（EDFA）分布光纤拉曼放大器（DRA）53.1一般概念3.1.1增益和带宽3.1.2增益饱和3.1.3放大器噪声3.1.4光放大器应用63.1一般概念光放大器通过受激发射放大入射光信号，其机理与激光器的相同。光放大器只是一个没有反馈的激光器，其核心是当放大器被光或电泵浦时，使粒子数反转获得光增益。该增益通常不仅与入射信号的频率（或波长）有关，而且与放大器内任一点的局部光强有关；该频率和光强与光增益的关系又取决于放大器介质。

7行波光放大器是一个没有反馈的激光器。其核心是当放大器被光或电泵浦时，使粒子数反转获得光增益。行波半导体光放大器8增益系数：

当入射光频与原子跃迁频率相同时增益最大。增益曲线，洛伦兹（Lorentzian）分布曲线

增益：

3.1.1增益和带宽9对于洛伦兹频谱曲线，增益带宽与的关系是：放大器带宽定义为曲线半最大值的全宽的关系是：它与增益带宽10G0为不饱和放大器增益3.1.2增益饱和113.1.3放大器噪声与电子放大器类似，用放大器噪声指数Fn来量度SNR下降的程度，并定义为：《光纤通信》（第3版）原荣编著12用光放大器取代光-电-光中继器，作为在线放大器使用。插在光发射机之后，来增强光发射机功率，作为功率放大器，可增加传输距离（10~100）km。在接收机之前，插入一个光放大器，对微弱光信号进行预放大，提高接收机灵敏度，这样的放大器称为前置放大器，也可以用来增加传输距离。补偿局域网（LAN）的分配损耗。3.1.4光放大器应用133.2半导体光放大器3.2.1放大器设计3.2.2放大器特性3.2.3半导体光放大器的应用143.2.1半导体光放大器的设计对于半导体光放大器(SOA)的研究，早在1962年发明半导体激光器不久就已开始了。然而，只有在上世纪80年代，在认识到它将在光波系统中具有广泛应用前景的驱使下，才对SOA进行了广泛的研究和开发。《光纤通信》（第3版）原荣编著15半导体光放大器外形16半导体光放大器的机理半导体光放大器的机理与激光器的相同，即通过受激发射放大入射光信号。光放大器只是一个没有反馈的激光器，其核心是当放大器被光或电泵浦时，使粒子数反转获得光增益（P49,P2343-20）。该增益通常不仅与入射信号的频率（或波长）有关，而且与放大器内任一点的局部光强有关，该关系取决于放大器介质。《光纤通信》（第3版）原荣编著17行波光放大器是一个没有反馈的激光器。其核心是当放大器被光或电泵浦时，使粒子数反转获得光增益。行波半导体光放大器18半导体激光器由于在介质表面存在反射，当偏流低于阈值时，减小腔体界面反射，可使激光器变为放大器。F-PSOA的结构和原理19F-P谐振腔反射率R越大，SOA的增益越大。但是，当R超过一定值后，光放大器将变为激光器。当GsR=1时，F-P

SOA将变为无限大，此时，SOA产生激光发射。不同反射率时的F-PSOA的增益频谱

20角度面或有源区倾斜结构，反射光束已与前向光束分开。在大多数情况下，使用抗反射膜和有源区倾斜，可以使反射率<0.1%减小反射率的方法21插入透明窗口。光束在到达半导体和空气界面前，在该窗口区已发散，光束经界面反射后进一步发散，只有极小部分光耦合进薄的有源层。减小反射率的方法223.2.2半导体光放大器的特性增益：芯片3035dB,除810dB的耦合损耗外，还有2225dB的增益。带宽很宽，可以对窄至几个ps的超窄光脉冲进行放大。可与光发射机和接收机一起单片集成在一起。23增益频谱曲线和带宽(a)法布里-玻罗放大器(FPA)和行波放大器(TWA)的带宽(b)行波光放大器的增益与波长的关系24减小偏振态对增益的影响25信号通过同一个放大器两次，但是两次间的极化旋转了，使得总增益与偏振态无关。26波长可调激光器+光放大

+调制器集成化器件273.2.3半导体光放大器的应用SOA存在增益受偏振影响、以及耦合损耗较大等缺点，所以不能作为在线放大器使用。SOA可以在1.3m光纤系统中作为光放大使用，因为一般的EDFA不能在该窗口使用。SOA芯片具有高达30~35dB的增益，除输入和输出端存在总共8~10dB的耦合损耗外，还有22~25dB的增益。另外行波半导体光放大器具有很宽的带宽，可以对窄至几个ps的超窄光脉冲进行放大。在DWDM光纤通信中，可作为波长转换和快速交换器件使用。283.3掺铒光纤放大器（EDFA）3.3.1EDFA构成3.3.2掺铒光纤结构3.3.3工作原理及其特性3.3.4EDFA的优点29光纤放大器增益性介质为：掺有稀土离子的光纤光纤放大器的工作频带30掺铒光纤放大器使用铒离子作为增益介质的光纤放大器，称为掺铒光纤放大器(EDFA)。这些离子在光纤制造过程中被掺入光纤芯中，使用泵浦光直接对光信号放大，提供光增益。虽然掺杂光纤放大器早在1964年就有研究，但是直到1985年才首次研制成功掺铒光纤。1988年低损耗掺铒光纤技术已相当成熟，其性能相当优良，已可以提供实际使用。放大器的特性，如工作波长、带宽由掺杂剂所决定。掺铒光纤放大器因为工作波长在靠近光纤损耗最小的1.55m波长区，它比其它光放大器更引人注意。313.3.1EDFA构成《光纤通信》（第3版）原荣编著32EDFA各部分作用(1)掺铒光纤 光纤放大器的关键部件是具有增益放大特性的掺铒光纤，因而使掺铒光纤的设计最佳化是主要的技术关键。EDFA的增益与许多参数有关，如铒离子浓度、掺饵光纤长度、芯径以及泵浦光功率等。(2)泵浦源 对泵浦源的基本要求是高功率和长寿命。它是保证光纤放大器性能的基本因素。几个波长可有效激励掺铒光纤。最先使用1480nm的InGaAs多量子阱(MQW)激光器，其输出功率可达100mW，泵浦增益系数较高。随后采用980nm波长泵浦，效率高,噪声低，现已广泛使用。33(3)波分复用器

其作用是使泵浦光与信号光进行复合。对它的要求是插入损耗低，因而适用的WDM器件有熔融拉锥形光纤耦合器。(4)光隔离器

在输入、输出端插入光隔离器是为了抑制光路中的反射，从而使系统工作稳定可靠、降低噪声。对隔离器的基本要求是插入损耗低、反向隔离度大。343.3.2掺铒光纤结构掺耳光纤结构、折射率分布、光场分布353.3.3EDFA工作原理及其特性在掺铒离子的能级图中，E1是基态，E2是中间能级，E3代表激发态。若泵浦光的光子能量等于E3与E1之差，铒离子吸收泵浦光后，从E1升至E3。但是激发态不稳定，激发到E3的铒离子很快返回到E2。若信号光的光子能量等于E2和E1之差，则当处于E2的铒离子返回E1时则产生信号光子，这就是受激发射，结果使信号光得到放大。习题7-136泵浦光如何将能量转移给信号光？为了提高放大器的增益，应尽可能使基态铒离子激发到激发态能级E3。从以上分析可知，能级E2和E1之差必须是需要放大信号光的光子能量，而泵浦光的光子能量也必须保证使铒离子从基态E1跃迁到激活态E3。EDFA的增益特性与泵浦方式及其光纤掺杂剂有关。可使用多种不同波长的光来泵浦EDFA，但是0.98m和1.48m的半导体激光泵浦最有效。使用这两种波长的光泵浦EDFA时，只用几毫瓦的泵浦功率就可获得高达30~40dB的放大器增益。37EDFA三种泵浦方式38ASE自发辐射《光纤通信》（第3版）原荣编著3940习题:EDFA增益计算41EDFA噪声42习题噪声系数Fn计算43注意：对于给定的放大器长度L，放大器增益最初随泵浦功率按指数函数增加，但是当泵浦功率超过一定值后，增益的增加就减小。对于给定的泵浦功率，放大器的最大增益对应一个最佳光纤长度，并且当超过这个最佳值后很快降低，其原因是铒光纤的剩余部分没有被泵浦，反而吸收了已放大的信号。选择适当的L值和PP,，获得所需要的增益。当用1.48m波长的激光泵浦时，如泵浦功率5mW，放大器长度30m，则可获得35dB的光增益。443.3.4EDFA的优点《光纤通信》（第3版）原荣编著45463.4光纤拉曼放大器3.4.1分布式拉曼放大器的工作原理3.4.2拉曼放大技术应用47引言EDFA只能工作在1500~1630nm之间的C波段和L波段。光纤拉曼放大器可用于全波光纤工作窗口。因为分布式拉曼放大器的增益频谱只由泵浦波长决定，而与掺杂物的能级电平无关，所以只要泵浦波长适当，就可以在任意波长获得信号光的增益。光纤拉曼放大器已成功地应用于DWDM系统和海底光缆系统中。483.4.1分布式拉曼放大器（DRA）的工作原理和特性与EDFA利用掺铒光纤作为它的增益介质不同，分布式拉曼放大器（DRA）利用系统中的传输光纤作为它的增益介质。DRA是基于非线性光学效应的原理，它利用强泵浦光束通过光纤传输时产生受激拉曼散射，一个较高能量（较短波长）的入射泵浦光子产生一个较低能量（较长波长）的光子，剩余的能量以分子振荡的形式（光声子）被介质吸收。49一个弱信号光与一个强泵浦光同时在一根光纤中传输，弱信号光的波长在泵浦光的拉曼增益带宽内，则强泵浦光的能量通过受激拉曼散射耦合到光纤硅材料的振荡模中，然后又以较长的波长发射，该波长就是信号光的波长，从而使弱信号光得到放大，获得拉曼增益。《光纤通信》（第3版）原荣编著50受激拉曼散射

(SRS)本质上

与受激光发射(SOA)不同在受激发射中，入射光子激发另一个相同的光子发射而没有损失它自己的能量；但在SRS中，入射泵浦光子放弃了它自己的能量，产生了另一个较低能量（较低频率）的光子。与SOA电泵浦不同，SRS必须光泵浦，与EDFA不同，SRS也不要求粒子数反转。SRS是一种非线性现象，它不要求粒子数在能级间转移。51拉曼放大器的泵浦方式分布式拉曼放大器（DRA）采用强泵浦光对传输光纤进行泵浦，可以采用前向泵浦，也可以采用后向泵浦；因后向泵浦减小了泵浦光和信号光相互作用的长度，从而也就减小了泵浦噪声对信号的影响，所以通常采用后向泵浦。52光纤分布式喇曼放大器（DRA）构成

-----后向泵浦53多波长泵浦增益带宽增益波长由泵浦光波长决定，选择适当的泵浦光波长，可得到任意波长的信号放大。分布式光纤喇曼放大器的增益频谱是每个波长的泵浦光单独产生的增益频谱叠加的结果，所以它由泵浦光波长的数量和种类决定。543.4.2喇曼放大技术应用分布式喇曼放大器不但能够工作在EDFA常使用到的C波段和L波段，而