光纤通信 第三章 光放大器

第3章光放大器光纤传感与通信教育部重点实验室1本章内容3.1光放大器基础3.2半导体光放大器3.3掺铒光纤放大器3.4光纤喇曼放大器23.1光放大器基础本节内容（1）光电中继（2）光放大器的种类（3）光放大器的基本性能（重点）（4）光放大器的应用形式（5）放大器的级联31光电中继光电中继背景：1）传输中：损耗导致能量降低；色散导致脉冲展宽。2）在传输一段距离后需要进行光信号放大和处理。光电中继的工作原理：41光电中继光电中继存在的缺点：1）装置复杂，体积大；2）需要供电，耗能高；3）波分复用增加光电中继规模和成本。解决办法：采用光放大器代替。53.1光放大器基础本节内容：（1）光电中继；（2）光放大器的种类；（3）光放大器的基本性能（重点）；（4）光放大器的应用形式；（5）放大器的级联。62光放大器的种类1）半导体光放大器（SOA，SemiconductorOpticalAmplifier）半导体激光器半导体光放大器：工作条件：粒子数反转和正反馈

粒子数反转光的产生：增益条件和相位条件增益谱和入射光工作形式：SOA类型：TW-SOA，端面镀增透膜；

FP-SOA，未镀膜，（工作在阈值电流下）LD电注入激光输出SOA电注入激光输出激光输入72光放大器的种类2）非线性光纤放大器

SRS光纤放大器SBS光纤放大器原理：受激喇曼散射（SRS）；受激布里渊散射（SBS）82）非线性光纤放大器

SRS光纤放大器SBS光纤放大器原理：受激喇曼散射（SRS）；受激布里渊散射（SBS）泵浦：双向泵浦；逆向泵浦频移：大；小增益带宽：6THz；30~100MHz2光放大器的种类92光放大器的种类3）掺杂光纤放大器杂质：Er3+（铒）：1.55μm；Pr3+（镨）、Nd3+（钕）：1.3μm泵浦方式：光泵浦，实现粒子数反转。103.1光放大器基础本节内容：（1）光电中继；（2）光放大器的种类；（3）光放大器的基本性能（重点）；（4）光放大器的应用形式；（5）放大器的级联。113光放大器的基本性能光放大器与激光器的唯一区别就是光放大器没有正反馈机制(2)受激辐射(1)能量注入光放大器的基本工作原理：123光放大器的基本性能二能级系统假设，光放大器增益系数：1）g0峰值增益，T2为横向驰豫时间（0.1ps~1ns），

Ps为饱和光功率；2）与频率有关，ω0为激活介质跃迁频率，ω以ω0为中心递减；3）存在饱和特性133光放大器的基本性能1）增益和带宽：在P<<Ps时：增益带宽（g的半值全宽，FWHM）：或对于SOA，T20.1ps，vg3THz

143光放大器的基本性能放大器增益：放大器带宽（G的FWHM）：教材（3.1-7）错误153光放大器的基本性能2）增益饱和：随着P增大，g（ω）减小，G（ω）减小。当

=0时，光放大器中的P（z）满足：163光放大器的基本性能小信号放大倍数173光放大器的基本性能放大器增益饱和效应：G随着Pout增大而减小。183光放大器的基本性能饱和输出功率，G从G0下降3dB时的输出功率由于结论：一般为Ps的70%。193光放大器的基本性能3）放大器噪声光放大器信号Si噪声Ni信号So=Si*G噪声No=Ni*GASE噪声No’当放大器对信号进行放大时，必然要降低入射信号的SNR。噪声系数：表征光放大器导致的SNR下降程度。F≥1SNR：电信号（光电转换后）的信噪比。203光放大器的基本性能放大器噪声系数F的推导思路：光放大器O/ESNRinO/ESNRoutPinRPinGPinRGPinSsp(RGPin)(RSsp)RSsp自发辐射噪声自发辐射和信号的拍噪声213光放大器的基本性能放大器噪声系数F的推导：假设无热噪声，只有点噪声情况下：（a）SNRin的计算223光放大器的基本性能（b）SNRout的计算自发辐射噪声：白噪声近似；噪声谱：其中反转因子：二能级系统光电转换后噪声：放大后信号的点噪声拍噪声自发辐射噪声忽略当G>>1时：233光放大器的基本性能教材中（3.1-17）存在错误（c）F的计算理想的放大器：

N1=0说明SNR下降了3dB。

结论：（1）实际的放大器：F＞3dB；（2）F越低越好。

243.1光放大器基础本节内容：（1）光电中继；（2）光放大器的种类；（3）光放大器的基本性能（重点）；（4）光放大器的应用形式；（5）放大器的级联。254光放大器的应用形式光放大器的应用形式： （1）在线放大器； （2）功率放大； （3）前置放大； （4）分配补偿放大。 264光放大器的应用形式（1）在线放大器位置：光纤传输线路中；作用：线路放大，周期性补偿各段光纤损耗。 274光放大器的应用形式（2）功率放大位置：光发射机后；作用：增加入纤光功率，延长传输距离。 284光放大器的应用形式（3）前置放大位置：光接收机前；作用：提高接收灵敏度。 294光放大器的应用形式（4）分配补偿放大位置：局域网中；作用：增加光节点数目。 303.1光放大器基础本节内容：（1）光电中继；（2）光放大器的种类；（3）光放大器的基本性能（重点）；（4）光放大器的应用形式；（5）放大器的级联。315放大器的级联光放大器级联形式：

G1

G2G3Gk光放大器级联的影响：（1）ASE噪声的积累效应影响接收机性能；（2）增大的ASE噪声使放大器饱和。 …325放大器的级联G1

G2G3GkF1F2F3FkSNRinSNRout说明：1）第1级的噪声系数应尽量低；

2）后续放大器采用高饱和输出功率的放大器。333.2半导体光放大器上小节的回顾（1）光电中继（2）光放大器的种类（3）光放大器的基本性能（重点）（4）光放大器的应用形式343.2半导体光放大器本小节主要内容（1）放大器的结构（2）放大器的性能（3）多信道放大（4）脉冲放大（5）系统应用

注：本节对应教材第三章，第77~95页351放大器的结构半导体光放大器：SemiconductorOpticalAmplifier,SOA（1）SOA与LD的关系SOALD注入电流I1）SOA由LD发展而来；2）LD自己产生光，SOA放大输入的光信号；3）LD注入电流大于阈值电流；SOA注入电流低于阈值电流。36注入电流I输入光信号1放大器的结构（2）SOA的分类1）FP（Fabry-Perot）-SOA：两端自然解理面；2）TW（Traveling-wave）-SOA：镀增透膜；FP-SOATW-SOAR≈32%R＜10e-337（3）FP-SOA1放大器的结构FP-SOAR1R2G谐振频率：纵模间隔：典型值：100GHz，n≈3，可知L≈0.5mm请问FP-SOA的腔长？381放大器的结构放大器带宽：why？典型值：vL约为100GHz，vA约为10GHz。工程应用：1）由于带宽小，不适合光纤通信中的应用；2）有源滤波器；3）用于光信号处理。391放大器的结构（4）TW-SOAR1=R2=0G在残留部分端面反射率的情况下：最大增益：最小增益：最大与最小增益之比值为：

401放大器的结构41最大与最小增益之比值为：

1放大器的结构为了G＜2（3dB）：

要求：

降低端面反射率的办法：1）镀增透膜；2）倾斜波导；3）窗面结构。

423.2半导体光放大器（1）放大器的结构（2）放大器的性能（3）多信道放大（4）脉冲放大（5）系统应用432放大器的性能（1）增益谱：

说明：1）增益随谐振频率发生微小起伏；（剩余反射率造成）2）带宽70nm。3dB70nm44R=4×10-42放大器的性能（2）增益饱和特性：

半导体光放大器的增益系数：说明：增益系数g与载流子浓度N成线性关系。

为限制因子；g是微分增益系数；V为激活区体积；N0为透明载流子浓度

载流子速率方程：其中：q为电子电荷；为载流子寿命；为波导模式的截面积

注入电流自发辐射受激辐射452放大器的性能稳态：N（稳态）其中：小信号增益系数饱和功率典型值：5~10mW。饱和输出功率：46（3）噪声系数：

2放大器的性能半导体光放大器的噪声系数：工程应用中的典型值为：5~7dB当考虑剩余端面反射率时：R1：入射端面反射率。472放大器的性能（4）偏振特性：

TE模zxyGxTM模Gy由于SOA宽度和厚度尺寸不同，使得TE模和TM模的增益不同（5~8dB），称为偏振相关。48消除偏振相关的办法：（1）结构：大光腔，厚度和宽度尺寸接近；2放大器的性能例：厚度0.26μm，宽度0.4μm，TE模和TM模增益差1.3dB。（2）系统：对称放大（a）旋转光放大器；（b）分别放大；（c）旋转光场。493.2半导体光放大器（1）放大器的结构（2）放大器的性能（3）多信道放大（4）脉冲放大（5）系统应用503多信道放大（1）什么是多信道放大？SOA注入电流波分复用器波分解复用器513多信道放大（2）多信道放大存在的问题主要影响：信道串扰。SOA形成机理：四波混频和交叉饱和521)四波混频：3多信道放大多信道情况下的总功率：现象：消除方法：差频载流子浓度变化速率载流子浓度变化速率无法跟上差频调制速率。办法：频率间隔大于10GHz。光散射533多信道放大2)交叉饱和：不考虑差频项

自身光功率+其他信道光功率

SOA543.2半导体光放大器本节内容：（1）放大器的结构（2）放大器的性能（3）多信道放大（4）脉冲放大（5）系统应用554脉冲放大光脉冲包络的传播方程：c：谱宽增强因子，表示载流子浓度导致的折射率变化。增益系数g随时间的变化：饱和能量Es

：经坐标变换：

A:电场强度564脉冲放大这是一个h（τ）的微分方程。574脉冲放大h（τ）的微分方程：h（τ）G0为放大器的小信号增益，E0()的定义为时，E0()

Ein。说明：（1）对脉冲的不同部分，放大器具有不同的增益；（2）脉冲前沿经历最大的增益G0，而脉冲后沿经历最小的增益Gf，脉冲中部增益的大小与脉冲形状有关。584脉冲放大脉冲放大增益实例：超高斯脉冲594脉冲放大能量增益：说明：（1）能量增益与脉冲形状无关。（2）只与脉冲的前沿增益G0和后沿增益Gf有关。604脉冲放大相位影响：附加相位：说明附加相位与时间相关。物理解释：（1）增益饱和导致载流子浓度随时间发生变化；（2）载流子浓度的变化又通过谱宽增强因子引起折射率的变化；（3）折射率的变化使光脉冲相位发生变化。附加频移（啁啾）：其中：614脉冲放大啁啾现象的工程实例：输入：不同能量高速脉冲说明：（1）脉冲前沿红移；（2）随着输入脉冲能量的增大，频率啁啾增加。624脉冲放大脉冲放大实例：timefrequency输入：高速脉冲输入脉冲633.2半导体光放大器本节内容：（1）放大器的结构（2）放大器的性能（3）多信道放大（4）脉冲放大（5）系统应用645系统应用（1）前放：提高接收灵敏度，降低SNR（F=5~7dB）；（2）在线放大：级联；（3）功率放大：饱和输出功率（5~10mW）导致输出功率（＜10mW）；（4）补偿分路损耗；（5）光信号处理：光开关、波长转换、光逻辑。653.3掺铒光纤放大器本节内容（1）工作原理（2）增益特性（3）放大器的噪声系数（4）多信道放大和脉冲放大661工作原理EDFA的能级结构：泵浦波长：980nm和1480nm；泵浦效率：11dB/mW(高)；几mW达到30~40dB。泵浦方向：同向、逆向和双向。671工作原理增益谱：

1480nm30nm谱宽683.3掺铒光纤放大器本节内容：（1）工作原理（2）增益特性（3）放大器的噪声系数（4）EDFA设计和实验（5）多信道放大和脉冲放大692增益特性增益系数：均匀加宽：掺杂离子跃迁频率的分布函数

二能级系统简化Er3+玻璃非晶结构导致非均匀加宽：能级模型：ns量级ms量级70粒子数的速率方程：sp：受激态的自发辐射寿命；Wp：泵浦速率：N2/t=0稳态时：2增益特性Ws：受激辐射速率：p：泵浦截面，Ap泵浦光有效面积s：受激辐射截面，As信号光有效面积Nt：总粒子数浓度712增益特性与N1，N2无关。N1、N2表达式代入得到：数值求解，求放大器的增益特性。信号光和泵浦光的传播方程p、s分别为泵浦截面和受激辐射截面“-”：同向泵浦；“+”反向泵浦，信号光的吸收系数

泵浦光的吸收系数72说明：1）增益随泵浦功率在开始时按指数增加；2）当泵浦功率超过一定值时，增益的增加逐渐减慢，并趋于一恒定值。3）长度越长，恒定值越大（随着泵浦功率增大）。1）增益与泵浦功率的关系：2增益特性732增益特性2）增益与放大器长度的关系：说明：1）增益先随长度增加，后随长度减小；2）存在最优长度。m742增益特性3）饱和特性：存在增益饱和。饱和输出功率的典型值为：10~20mW。753.3掺铒光纤放大器本节内容：（1）工作原理（2）增益特性（3）放大器的噪声系数（4）多信道放大和脉冲放大763放大器的噪声系数噪声系数：说明：1）在一定泵浦光功率情况下，F随长度增加而增大；2）泵浦功率增大可减小噪声系数。噪声系数和放大器长度的关系（不同泵浦光功率）优化后的EDFA噪声系数很好773.3掺铒光纤放大器本节内容：（1）工作原理（2）增益特性（3）放大器的噪声系数（4）多信道放大和脉冲放大784多信道放大和脉冲放大EDFA的增益谱宽：30nm，可用于信道复用和多信道放大。多信道放大的影响：（1）四波混频在EDFA多信道复用时可不考虑；（2）交叉饱和存在。要求限制输入光功率，工作在非饱和区；（3）增益平坦：减小信道间的增益差；（4）增益控制：减小信道撤出和加入对剩余信道的影响。约10ms794多信道放大和脉冲放大脉冲放大的影响：（1）ps脉冲：无影响；（2）fs脉冲：脉冲频谱宽度接近增益带宽， 导致增益色散效应和自激喇曼散射。80EDFA工程设计实例所用的掺Er3＋光纤长度为7.5m，具有12mol%GeO2、3mol%Al2O3和660ppmEr3＋的掺杂参数，光纤芯径为2.4m，纤芯与包层折射率差n=0.02，截止波长为0.98m。EDFA设计考虑因素：1）参杂2）泵浦方式及长度3）器件性能指标3.4光纤喇曼放大器本节内容：（1）研究背景（2）