第6章 光放大器2013Apr3

1、1 第第3 3章章 光放大器光放大器 l一般概念一般概念 l半導(dǎo)體光放大器半導(dǎo)體光放大器 l摻鉺光纖放大器摻鉺光纖放大器 l光纖光纖拉拉曼放大器曼放大器 2 再生再生中繼器的缺點中繼器的缺點 任何光纖通信系統(tǒng)的傳輸距離都受光纖損耗或色散限制；任何光纖通信系統(tǒng)的傳輸距離都受光纖損耗或色散限制； 因此，傳統(tǒng)的長途光纖傳輸系統(tǒng)，需要每隔一定的距離，就因此，傳統(tǒng)的長途光纖傳輸系統(tǒng)，需要每隔一定的距離，就 增加一個再生中繼器，以便保證信號的質(zhì)量。這種再生中繼增加一個再生中繼器，以便保證信號的質(zhì)量。這種再生中繼 器的基本功能是進行光器的基本功能是進行光-電電-光轉(zhuǎn)換，并在光信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦殴廪D(zhuǎn)換，并在光信號

2、轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦?號時進行再生、整形和定時處理，恢復(fù)信號形狀和幅度，然號時進行再生、整形和定時處理，恢復(fù)信號形狀和幅度，然 后再轉(zhuǎn)換回光信號，沿光纖線路繼續(xù)傳輸。后再轉(zhuǎn)換回光信號，沿光纖線路繼續(xù)傳輸。 這種方式有許多缺點。首先，通信設(shè)備復(fù)雜，系統(tǒng)的穩(wěn)定性這種方式有許多缺點。首先，通信設(shè)備復(fù)雜，系統(tǒng)的穩(wěn)定性 和可靠性不高，特別是在多信道光纖通信系統(tǒng)中更為突出，和可靠性不高，特別是在多信道光纖通信系統(tǒng)中更為突出， 因為每個信道均需要進行波分解復(fù)用，然后光因為每個信道均需要進行波分解復(fù)用，然后光-電電-光變換，光變換， 經(jīng)波分復(fù)用后，再送回光纖信道傳輸，所需設(shè)備更復(fù)雜，費經(jīng)波分復(fù)用后，再送回光纖信道傳輸，

3、所需設(shè)備更復(fù)雜，費 用更昂貴。其次，傳輸容量受到一定的限制。用更昂貴。其次，傳輸容量受到一定的限制。 3 WDM光光-電電-光轉(zhuǎn)換再生中繼器結(jié)構(gòu)光轉(zhuǎn)換再生中繼器結(jié)構(gòu) 缺點缺點: 通信設(shè)備復(fù)雜，系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可通信設(shè)備復(fù)雜，系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可 靠性不高，傳輸容量受到一定的限制。靠性不高，傳輸容量受到一定的限制。 1 2 N . 光纖光纖 1 2 N 光光 解解 復(fù)復(fù) 用用 . . . O/EADME/O 光光 復(fù)復(fù) 用用 1 2 N . . . 1 2 N . 光纖光纖 Amp 4 光放大器光放大器出現(xiàn)出現(xiàn) 多年來，人們一直在探索能否去掉上述光多年來，人們一直在探索能否去掉上述光-電電- 光轉(zhuǎn)換過

4、程，直接在光路上對信號進行放大，光轉(zhuǎn)換過程，直接在光路上對信號進行放大， 然后再傳輸，即用一個全光傳輸中繼器代替目然后再傳輸，即用一個全光傳輸中繼器代替目 前的這種光前的這種光-電電-光再生中繼器。光再生中繼器。 半導(dǎo)體光放大器（半導(dǎo)體光放大器（SOA） 摻鉺光纖放大器（摻鉺光纖放大器（EDFA） 分布光纖拉曼放大器（分布光纖拉曼放大器（DRA） 5 3.1 一般概念 3.1.1 增益和帶寬 3.1.2 增益飽和 3.1.3 放大器噪聲 3.1.4 光放大器應(yīng)用 6 3.1 一般概念一般概念 光放大器通過受激發(fā)射放大入射光信號，其機光放大器通過受激發(fā)射放大入射光信號，其機 理與激光器的相同。光

5、放大器只是一個沒有反理與激光器的相同。光放大器只是一個沒有反 饋的激光器，其核心是當放大器被光或電泵浦饋的激光器，其核心是當放大器被光或電泵浦 時，使粒子數(shù)反轉(zhuǎn)獲得光增益時，使粒子數(shù)反轉(zhuǎn)獲得光增益 。 該增益通常不僅與入射信號的頻率（或波長）該增益通常不僅與入射信號的頻率（或波長） 有關(guān)，而且與放大器內(nèi)任一點的局部光強有關(guān)；有關(guān)，而且與放大器內(nèi)任一點的局部光強有關(guān)； 該頻率和光強與光增益的關(guān)系又取決于放大器該頻率和光強與光增益的關(guān)系又取決于放大器 介質(zhì)。介質(zhì)。 7 行波光放行波光放 大器是一大器是一 個沒有反個沒有反 饋的激光饋的激光 器。器。 其核心是其核心是 當放大器當放大器 被光或電被光

6、或電 泵浦時，泵浦時， 使粒子數(shù)使粒子數(shù) 反轉(zhuǎn)獲得反轉(zhuǎn)獲得 光增益。光增益。 行波半導(dǎo)體光放大器行波半導(dǎo)體光放大器 注注入入電電流流 輸輸入入 光光信信號號 輸輸出出光光信信號號 有有源源區(qū)區(qū) L z = 0 z = L z z 8 相 對 增 益 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 -4-2024 歸一化失諧 G( ) g ( ) 02 T A g 2 2 2 0 0 1T g g 增益系數(shù)：增益系數(shù)： 0 當入射光頻與原子躍遷頻率當入射光頻與原子躍遷頻率 相同時增益最大。相同時增益最大。 增益曲線，洛倫茲（增益曲線，洛倫茲（Lorentzian）分布曲線）分布曲線 增益：增益：

7、 ( )exp, exp GgP L g 3.1.1 增益和帶寬增益和帶寬 9 相 對 增 益 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 -4-2024 歸一化失諧 G( ) g ( ) 02 T A g g v 2g 2 T 2 g g 1 2T 對于洛倫茲頻譜曲線，增益帶寬對于洛倫茲頻譜曲線，增益帶寬 與與 的關(guān)系是：的關(guān)系是： A G( ) g 放大器帶寬放大器帶寬定義為定義為 曲線半最大值的全寬曲線半最大值的全寬 的關(guān)系是：的關(guān)系是： 21 0 gA 2ln 2ln G 它與增益帶寬它與增益帶寬 10 G0為不飽和放大器增益為不飽和放大器增益 歸 一 化 放 大 器 增 益 0.

8、0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 歸一化輸出功率 10010 210 1101 10dB 15dB 30dBG0= PoutPsat/ G0G/ - sat out 0 1 exp GP PG GG 3.1.2 增益飽和增益飽和 11 3.1.3 放大器噪聲放大器噪聲 與電子放大器類似，用放大器噪聲指數(shù)與電子放大器類似，用放大器噪聲指數(shù)Fn來量度來量度SNR 下降的程度，并定義為：下降的程度，并定義為： out in n SNR SNR F 光纖通信（第3版） 原榮 編著12 用光放大器取代光用光放大器取代光-電電-光中繼器，作為在線放大器使用。光中繼器，作為在線放大器使用。 插在光

9、發(fā)射機之后，來增強光發(fā)射機功率，作為功率放大器，可增加傳輸插在光發(fā)射機之后，來增強光發(fā)射機功率，作為功率放大器，可增加傳輸 距離（距離（10100）km。 在接收機之前，插入一個光放大器，對微弱光信號進行預(yù)放大，提高接收在接收機之前，插入一個光放大器，對微弱光信號進行預(yù)放大，提高接收 機靈敏度，這樣的放大器稱為前置放大器，也可以用來增加傳輸距離。機靈敏度，這樣的放大器稱為前置放大器，也可以用來增加傳輸距離。 補償局域網(wǎng)（補償局域網(wǎng)（LAN）的分配損耗。）的分配損耗。 3.1.4 光放大器應(yīng)用光放大器應(yīng)用 光光發(fā)發(fā) 射射機機 EDFA 光光接接 收收機機 EDFA 光光纖纖光光纖纖 (a) 在在

10、線線放放大大器器 在在線線放放大大器器 光光發(fā)發(fā) 射射機機 光光接接 收收機機 EDFA 光光纖纖 (c) 前前置置放放大大器器 接接收收機機前前置置放放大大器器 光光發(fā)發(fā) 射射機機 EDFA 光光接接 收收機機 光光纖纖 (b) 功功率率放放大大器器 光光發(fā)發(fā)射射機機功功率率增增強強器器 光光發(fā)發(fā) 射射機機 EDFA 光光接接 收收機機 (d) 補補償償損損耗耗放放大大器器 光光纖纖總總線線 節(jié)節(jié)點點 在在局局域域網(wǎng)網(wǎng)中中用用于于補補償償分分配配損損耗耗 EDFA 13 3.2 半導(dǎo)體光放大器半導(dǎo)體光放大器 3.2.1 放大器設(shè)計放大器設(shè)計 3.2.2 放大器特性放大器特性 3.2.3 半導(dǎo)

11、體光放大器的應(yīng)用半導(dǎo)體光放大器的應(yīng)用 14 3.2.1 3.2.1 半導(dǎo)體光放大器的設(shè)計半導(dǎo)體光放大器的設(shè)計 對于半導(dǎo)體光放大器對于半導(dǎo)體光放大器(SOA)的研究，早在的研究，早在 1962年發(fā)明半導(dǎo)體激光器不久就已開始年發(fā)明半導(dǎo)體激光器不久就已開始 了。了。 然而，只有在上世紀然而，只有在上世紀80年代，在認識到年代，在認識到 它將在光波系統(tǒng)中具有廣泛應(yīng)用前景的它將在光波系統(tǒng)中具有廣泛應(yīng)用前景的 驅(qū)使下，才對驅(qū)使下，才對SOA進行了廣泛的研究和進行了廣泛的研究和 開發(fā)。開發(fā)。 光纖通信（第3版） 原榮 編著15 半導(dǎo)體光放大器外形半導(dǎo)體光放大器外形 16 半導(dǎo)體光放大器的機理半導(dǎo)體光放大器的

12、機理 半導(dǎo)體光放大器的機理與激光器的相同，即通半導(dǎo)體光放大器的機理與激光器的相同，即通 過受激發(fā)射放大入射光信號。過受激發(fā)射放大入射光信號。 光放大器只是一個沒有反饋的激光器，其核心光放大器只是一個沒有反饋的激光器，其核心 是當放大器被光或電泵浦時，使是當放大器被光或電泵浦時，使粒子數(shù)反轉(zhuǎn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)獲獲 得得光增益光增益（P49, P234 3-20） 。 該增益通常不僅與入射信號的頻率（或波長）該增益通常不僅與入射信號的頻率（或波長） 有關(guān)，而且與放大器內(nèi)任一點的局部光強有關(guān)，有關(guān)，而且與放大器內(nèi)任一點的局部光強有關(guān)， 該關(guān)系取決于放大器介質(zhì)。該關(guān)系取決于放大器介質(zhì)。 光纖通信（第3版） 原

13、榮 編著17 行 波 光行 波 光 放 大 器放 大 器 是 一 個是 一 個 沒 有 反沒 有 反 饋 的 激饋 的 激 光器。光器。 其 核 心其 核 心 是 當 放是 當 放 大 器 被大 器 被 光 或 電光 或 電 泵浦時，泵浦時， 使 粒 子使 粒 子 數(shù) 反 轉(zhuǎn)數(shù) 反 轉(zhuǎn) 獲 得 光獲 得 光 增益。增益。 行波半導(dǎo)體光放大器行波半導(dǎo)體光放大器 注注入入電電流流 輸輸入入 光光信信號號 輸輸出出光光信信號號 有有源源區(qū)區(qū) L z = 0 z = L z z 18 半導(dǎo)體激半導(dǎo)體激 光器由于光器由于 在介質(zhì)表在介質(zhì)表 面存在反面存在反 射，當偏射，當偏 流低于閾流低于閾 值時，減值

14、時，減 小腔體界小腔體界 面反射，面反射， 可使激光可使激光 器變?yōu)榉牌髯優(yōu)榉?大器。大器。 注入電流注入電流 輸入輸入 光信號光信號 輸出光信號輸出光信號 有源區(qū)有源區(qū) L z = z = L z z 反射面反射面R 反射面反射面R 0 F-P SOA的結(jié)構(gòu)和原理的結(jié)構(gòu)和原理 19 F-P諧振腔反射諧振腔反射 率率 R 越大，越大， SOA的增益越的增益越 大。大。 但是，當?shù)牵?R 超超 過一定值后，過一定值后， 光放大器將變光放大器將變 為激光器。為激光器。 當當 GsR = 1 時，時， F-P SOA將變將變 為無限大，此為無限大，此 時，時， SOA 產(chǎn)生產(chǎn)生 激光發(fā)射。激光發(fā)

15、射。 頻率頻率 增益增益 g G FPA R =0.03 R =0.32 R =0 0 G FPA max G FPA min 0 +2 0 -2 0 行波放大器行波放大器 ( ) 2 s s 2 1 1 RG GR max FPA )( G 不同反射率時的不同反射率時的F-P SOA的增益頻譜的增益頻譜 20 角度面或有源區(qū)傾斜結(jié)構(gòu)，反射光束已與前向光束分角度面或有源區(qū)傾斜結(jié)構(gòu)，反射光束已與前向光束分 開。開。 在大多數(shù)情況下，使用抗反射膜和有源區(qū)傾斜，可以在大多數(shù)情況下，使用抗反射膜和有源區(qū)傾斜，可以 使反射率使反射率 0.1% 減小反射率的方法減小反射率的方法 有有源源區(qū)區(qū) 光光輸輸入入

16、光光輸輸出出 反反射射 21 插入透明窗口。插入透明窗口。 光束在到達半導(dǎo)體和空氣界面前，在該窗口區(qū)已發(fā)散，光束在到達半導(dǎo)體和空氣界面前，在該窗口區(qū)已發(fā)散， 光束經(jīng)界面反射后進一步發(fā)散，只有極小部分光耦合光束經(jīng)界面反射后進一步發(fā)散，只有極小部分光耦合 進薄的有源層。進薄的有源層。 透透明明區(qū)區(qū) 有有源源區(qū)區(qū) 光光輸輸入入 光光輸輸出出 增增透透膜膜 減小反射率的方法減小反射率的方法 22 3.2.2 半導(dǎo)體光放大器的特性半導(dǎo)體光放大器的特性 增益：芯片增益：芯片 30 35 dB,除除 8 10 dB的的 耦合損耗外，還有耦合損耗外，還有22 25 dB的增益。的增益。 帶寬很寬，可以對窄至幾

17、個帶寬很寬，可以對窄至幾個 ps 的超的超 窄光脈沖進行放大。窄光脈沖進行放大。 可與光發(fā)射機和接收機一起單片集可與光發(fā)射機和接收機一起單片集 成在一起成在一起。 23 增益頻譜曲線和帶寬增益頻譜曲線和帶寬 (a) 法布里法布里-玻羅放大器玻羅放大器(FPA)和行波放大器和行波放大器(TWA)的帶寬的帶寬 (b) 行波光放大器的增益與波長的關(guān)系行波光放大器的增益與波長的關(guān)系 信 號 增 益 波長 0 10 20 30 1.441.461.481.501.521.54 /dB m (TE)橫電模 / 頻率 增益g G FPA 0 0 G TWA v v vFPA vTWA 24 減小偏振態(tài)對增益

18、的影響減小偏振態(tài)對增益的影響 偏振分光器 放大器 (a)(b)兩個放大器并接 TE TM 兩個結(jié)平面相互垂直的放大器串接 偏振 合光器 TM TE 25 反射鏡 法拉第 旋轉(zhuǎn)器 放大器芯片 偏振控制 輸出 輸入45 (c) 光信號通過同一個放大器兩次, 極化旋轉(zhuǎn)了 o 90 ,使總增益與偏振態(tài)無關(guān) o 信號通過同一個放大器兩次，但是兩次間信號通過同一個放大器兩次，但是兩次間 的極化旋轉(zhuǎn)了，使得總增益與偏振態(tài)無關(guān)的極化旋轉(zhuǎn)了，使得總增益與偏振態(tài)無關(guān) 。 26 波長可調(diào)激光器波長可調(diào)激光器 + 光放大光放大 + 調(diào)制器調(diào)制器 集成化器件集成化器件 可可調(diào)調(diào)諧諧光光柵柵 濾濾波波器器 增增益益區(qū)區(qū)

19、D DB BR R 調(diào)調(diào)諧諧 半半導(dǎo)導(dǎo)體體 光光放放大大 探探測測 E EA A 調(diào)調(diào)制制 抗抗反反射射膜膜 高高 反反 射射 膜膜 后后鏡鏡面面 前前鏡鏡面面 I I 27 3.2.3 半導(dǎo)體光放大器的應(yīng)用半導(dǎo)體光放大器的應(yīng)用 SOA存在增益受偏振影響、以及耦合損耗較大等缺存在增益受偏振影響、以及耦合損耗較大等缺 點，所以不能作為在線放大器使用。點，所以不能作為在線放大器使用。 SOA可以在可以在1.3 m光纖系統(tǒng)中作為光放大使用，因光纖系統(tǒng)中作為光放大使用，因 為一般的為一般的EDFA不能在該窗口使用。不能在該窗口使用。 SOA芯片具有高達芯片具有高達3035 dB的增益，除輸入和輸出的增

20、益，除輸入和輸出 端存在總共端存在總共810 dB的耦合損耗外，還有的耦合損耗外，還有2225 dB 的增益。的增益。 另外行波半導(dǎo)體光放大器具有很寬的帶寬，可以對另外行波半導(dǎo)體光放大器具有很寬的帶寬，可以對 窄至幾個窄至幾個ps的超窄光脈沖進行放大。的超窄光脈沖進行放大。 在在DWDM光纖通信中，可作為波長轉(zhuǎn)換和快速交光纖通信中，可作為波長轉(zhuǎn)換和快速交 換器件使用。換器件使用。 28 3.3 摻鉺光纖放大器（摻鉺光纖放大器（EDFA） 3.3.1 EDFA構(gòu)成構(gòu)成 3.3.2 摻鉺光纖結(jié)構(gòu)摻鉺光纖結(jié)構(gòu) 3.3.3 工作原理及其特性工作原理及其特性 3.3.4 EDFA的優(yōu)點的優(yōu)點 29 光纖

21、放大器光纖放大器 增益性介質(zhì)為：摻有稀土離子的光纖增益性介質(zhì)為：摻有稀土離子的光纖 光纖放大器的工作頻帶光纖放大器的工作頻帶 30 摻鉺光纖放大器摻鉺光纖放大器 使用鉺離子作為增益介質(zhì)的光纖放大器，稱為摻鉺光使用鉺離子作為增益介質(zhì)的光纖放大器，稱為摻鉺光 纖放大器纖放大器(EDFA)。這些離子在光纖制造過程中被摻入。這些離子在光纖制造過程中被摻入 光纖芯中，使用泵浦光直接對光信號放大，提供光增光纖芯中，使用泵浦光直接對光信號放大，提供光增 益。益。 雖然摻雜光纖放大器早在雖然摻雜光纖放大器早在1964年就有研究，但是直到年就有研究，但是直到 1985年才首次研制成功摻鉺光纖。年才首次研制成功摻

22、鉺光纖。1988年低損耗摻鉺年低損耗摻鉺 光纖技術(shù)已相當成熟，其性能相當優(yōu)良，已可以提供光纖技術(shù)已相當成熟，其性能相當優(yōu)良，已可以提供 實際使用。實際使用。 放大器的特性，如工作波長、帶寬由摻雜劑所決定。放大器的特性，如工作波長、帶寬由摻雜劑所決定。 摻鉺光纖放大器因為工作波長在靠近光纖損耗最小的摻鉺光纖放大器因為工作波長在靠近光纖損耗最小的 1.55 m 波長區(qū)，它比其它光放大器更引人注意。波長區(qū)，它比其它光放大器更引人注意。 31 3.3.1 EDFA構(gòu)成構(gòu)成 輸入信號輸入信號 泵浦泵浦 光隔離器光隔離器 光隔離器光隔離器 波分復(fù)用器波分復(fù)用器 摻鉺光纖摻鉺光纖 輸出信號輸出信號 熔接熔接

23、 光纖通信（第3版） 原榮 編著32 EDFA各部分作用各部分作用 (1) 摻鉺光纖摻鉺光纖 光纖放大器的關(guān)鍵部件是具有光纖放大器的關(guān)鍵部件是具有增益增益放大特性的摻鉺光纖，因放大特性的摻鉺光纖，因 而使摻鉺光纖的設(shè)計最佳化是主要的技術(shù)關(guān)鍵。而使摻鉺光纖的設(shè)計最佳化是主要的技術(shù)關(guān)鍵。EDFA的增的增 益與許多參數(shù)有關(guān)，如鉺離子濃度、摻餌光纖長度、芯徑以益與許多參數(shù)有關(guān)，如鉺離子濃度、摻餌光纖長度、芯徑以 及泵浦光功率等。及泵浦光功率等。 (2) 泵浦源泵浦源 對泵浦源的基本要求是高功率和長壽命。它是保證光纖放大對泵浦源的基本要求是高功率和長壽命。它是保證光纖放大 器性能的基本因素。幾個波長可有

24、效激勵摻鉺光纖。器性能的基本因素。幾個波長可有效激勵摻鉺光纖。 最先使用最先使用1480nm的的 InGaAs 多量子阱多量子阱(MQW)激光器，其輸激光器，其輸 出功率可達出功率可達 100 mW，泵浦增益系數(shù)較高。，泵浦增益系數(shù)較高。 隨后采用隨后采用980nm 波長泵浦，效率高波長泵浦，效率高, 噪聲低，現(xiàn)已廣泛使用。噪聲低，現(xiàn)已廣泛使用。 33 (3) 波分復(fù)用器波分復(fù)用器 其作用是使泵浦光與信號光進行復(fù)合。對它的其作用是使泵浦光與信號光進行復(fù)合。對它的 要求是插入損耗低，因而適用的要求是插入損耗低，因而適用的WDM器件有器件有 熔融拉錐形光纖耦合器。熔融拉錐形光纖耦合器。 (4) 光

25、隔離器光隔離器 在輸入、輸出端插入光隔離器是為了抑制光路在輸入、輸出端插入光隔離器是為了抑制光路 中的反射，從而使系統(tǒng)工作穩(wěn)定可靠、降低噪中的反射，從而使系統(tǒng)工作穩(wěn)定可靠、降低噪 聲。對隔離器的基本要求是插入損耗低、反向聲。對隔離器的基本要求是插入損耗低、反向 隔離度大。隔離度大。 34 3.3.2 摻鉺光纖結(jié)構(gòu)摻鉺光纖結(jié)構(gòu) 摻耳光纖結(jié)構(gòu)、折射率分布、光場分布摻耳光纖結(jié)構(gòu)、折射率分布、光場分布 35 3.3.3 EDFA工作工作 原理及其特性原理及其特性 在摻鉺離子的能級圖中，在摻鉺離子的能級圖中， E1是基態(tài)，是基態(tài)， E2 是中間能是中間能 級，級，E3代表激發(fā)態(tài)。代表激發(fā)態(tài)。 若泵浦光的

26、光子能量等若泵浦光的光子能量等 于于 E3 與與 E1之差，鉺離子之差，鉺離子 吸收泵浦光后，從吸收泵浦光后，從E1升升 至至 E3。但是激發(fā)態(tài)不穩(wěn)。但是激發(fā)態(tài)不穩(wěn) 定，激發(fā)到定，激發(fā)到E3 的鉺離子的鉺離子 很快返回到很快返回到 E2。 若信號光的光子能量等若信號光的光子能量等 于于 E2 和和 E1 之差，則當之差，則當 處于處于 E 2的鉺離子返回的鉺離子返回E1 時則產(chǎn)生信號光子，這時則產(chǎn)生信號光子，這 就是受激發(fā)射，結(jié)果使就是受激發(fā)射，結(jié)果使 信號光得到放大。信號光得到放大。 1530nm 980nm 980nm 泵浦光泵浦光 放大后放大后 的信號光的信號光 . . . 1E 2 E

27、 3E 信號光信號光 1550nm 1550nm 0 能級能級 3 r E 0.80eV 1.27eV 鉺離子能級圖鉺離子能級圖 習(xí)題習(xí)題7-1 36 泵浦光如何將能量轉(zhuǎn)移給信號光？泵浦光如何將能量轉(zhuǎn)移給信號光？ 為了提高放大器的增益，應(yīng)盡可能使基態(tài)鉺離子激發(fā)到激發(fā)為了提高放大器的增益，應(yīng)盡可能使基態(tài)鉺離子激發(fā)到激發(fā) 態(tài)能級態(tài)能級 E3。 從以上分析可知，能級從以上分析可知，能級 E2 和和 E1 之差必須是需要放大信號光之差必須是需要放大信號光 的光子能量，而泵浦光的光子能量也必須保證使鉺離子從基的光子能量，而泵浦光的光子能量也必須保證使鉺離子從基 態(tài)態(tài) E1 躍遷到激活態(tài)躍遷到激活態(tài) E3

28、。 EDFA的增益特性與的增益特性與泵浦方式泵浦方式及其光纖摻雜劑有關(guān)。及其光纖摻雜劑有關(guān)。 可使用多種不同波長的光來泵浦可使用多種不同波長的光來泵浦 EDFA，但是，但是 0.98 m 和和 1.48 m的半導(dǎo)體激光泵浦最有效。使用這兩種波長的光泵的半導(dǎo)體激光泵浦最有效。使用這兩種波長的光泵 浦浦 EDFA 時，只用幾毫瓦的泵浦功率就可獲得高達時，只用幾毫瓦的泵浦功率就可獲得高達 30 40 dB 的放大器增益。的放大器增益。 37 EDFA三種泵浦方式三種泵浦方式 38 1530nm 980nm 980nm 泵浦光泵浦光 放大后放大后 的信號光的信號光 . . . 1E 2 E 3E 信號

29、光信號光 1550nm 1550nm 0 能級能級 3 r E 0.80eV 1.27eV 鉺離子能級圖鉺離子能級圖 ASE 自發(fā)輻射自發(fā)輻射 光纖通信（第3版） 原榮 編著39 40 習(xí)題習(xí)題: EDFA增益計算增益計算 鉺鉺光光纖纖的的輸輸入入光光功功率率是是 300 W，輸輸出出功功率率是是 60mW, EDFA 的的增增益益是是多多少少？假假如如放放大大自自發(fā)發(fā)輻輻射射噪噪聲聲功功率率是是 30 ASE P W，EDFA的的增增益益又又是是多多少少： 解解：EDFA 增增益益是是2003001060 3 inout PPG，或或 dB23)log(10 inoutdB PPG。 當當考

30、考慮慮放放大大自自發(fā)發(fā)輻輻射射噪噪聲聲功功率率時時，EDFA 增增益益為為 dB23)log(10 inASEoutdB PPPG 。 請請注注意意，以以上上結(jié)結(jié)果果是是單單個個波波長長光光的的增增益益，不不是是整整個個 EDFA帶帶寬寬內(nèi)內(nèi)的的增增益益。 41 EDFA噪聲噪聲 42 習(xí)題習(xí)題 噪聲系數(shù)噪聲系數(shù)Fn計算計算 43 注意：注意： 對于給定的放大器長度對于給定的放大器長度L，放大器增益最初隨泵浦，放大器增益最初隨泵浦 功率按指數(shù)函數(shù)增加，但是當泵浦功率超過一定功率按指數(shù)函數(shù)增加，但是當泵浦功率超過一定 值后，增益的增加就減小。值后，增益的增加就減小。 對于給定的泵浦功率，放大器的

31、最大增益對應(yīng)一對于給定的泵浦功率，放大器的最大增益對應(yīng)一 個最佳光纖長度，并且當超過這個最佳值后很快個最佳光纖長度，并且當超過這個最佳值后很快 降低，其原因是鉺光纖的剩余部分沒有被泵浦，降低，其原因是鉺光纖的剩余部分沒有被泵浦， 反而吸收了已放大的信號。反而吸收了已放大的信號。 選擇適當?shù)倪x擇適當?shù)?L 值和值和 PP,，獲得所需要的增益。當用，獲得所需要的增益。當用 1.48 m 波長的激光泵浦時，如泵浦功率波長的激光泵浦時，如泵浦功率 5mW，放，放 大器長度大器長度 30 m，則可獲得，則可獲得 35dB 的光增益。的光增益。 44 3.3.4 EDFA的優(yōu)點的優(yōu)點 光纖通信（第3版）

32、原榮 編著45 46 3.4 光纖拉曼放大器光纖拉曼放大器 3.4.1 分布式拉曼放大器的工作原理分布式拉曼放大器的工作原理 3.4.2 拉曼放大技術(shù)應(yīng)用拉曼放大技術(shù)應(yīng)用 47 引言引言 EDFA只能工作在只能工作在15001630 nm之間的之間的C 波段波段 和和L波段。波段。 光纖拉曼放大器可用于全波光纖工作窗口。光纖拉曼放大器可用于全波光纖工作窗口。 因為分布式拉曼放大器的增益頻譜只由泵浦波因為分布式拉曼放大器的增益頻譜只由泵浦波 長決定，而與摻雜物的能級電平無關(guān)，所以只長決定，而與摻雜物的能級電平無關(guān)，所以只 要泵浦波長適當，就可以在任意波長獲得信號要泵浦波長適當，就可以在任意波長獲

33、得信號 光的增益。光的增益。 光纖拉曼放大器已成功地應(yīng)用于光纖拉曼放大器已成功地應(yīng)用于DWDM系統(tǒng)系統(tǒng) 和海底光纜系統(tǒng)中。和海底光纜系統(tǒng)中。 48 3.4.1 分布式拉曼放大器分布式拉曼放大器（DRA） 的工作原理和特性的工作原理和特性 與與EDFA利用摻鉺光纖作為它的增益介質(zhì)不同，利用摻鉺光纖作為它的增益介質(zhì)不同， 分布式拉曼放大器（分布式拉曼放大器（DRA）利用系統(tǒng)中的傳輸）利用系統(tǒng)中的傳輸 光纖作為它的增益介質(zhì)。光纖作為它的增益介質(zhì)。 DRA是基于非線性光學(xué)效應(yīng)的原理，它利用強是基于非線性光學(xué)效應(yīng)的原理，它利用強 泵浦光束通過光纖傳輸時產(chǎn)生受激拉曼散射，泵浦光束通過光纖傳輸時產(chǎn)生受激拉曼

34、散射， 一個較高能量（較短波長）的入射泵浦光子產(chǎn)一個較高能量（較短波長）的入射泵浦光子產(chǎn) 生一個較低能量（較長波長）的光子，剩余的生一個較低能量（較長波長）的光子，剩余的 能量以分子振蕩的形式（光聲子）被介質(zhì)吸收。能量以分子振蕩的形式（光聲子）被介質(zhì)吸收。 49 一個弱信號光與一個強泵浦光同時在一根光纖中傳一個弱信號光與一個強泵浦光同時在一根光纖中傳 輸，輸， 弱信號光的波長在泵浦光的拉曼增益帶寬內(nèi)，弱信號光的波長在泵浦光的拉曼增益帶寬內(nèi)， 則強泵浦光的能量通過受激拉曼散射耦合到光纖硅則強泵浦光的能量通過受激拉曼散射耦合到光纖硅 材料的振蕩模中，然后又以較長的波長發(fā)射，該波材料的振蕩模中，然后

35、又以較長的波長發(fā)射，該波 長就是信號光的波長，從而使弱信號光得到放大，長就是信號光的波長，從而使弱信號光得到放大， 獲得拉曼增益。獲得拉曼增益。 振動態(tài) 基態(tài) p s 傳輸光纖 信號光 泵浦光 濾波器 信號光 p s s 耦合器 WDM 光纖通信（第3版） 原榮 編著50 受激拉曼散射受激拉曼散射 (SRS)本質(zhì)上本質(zhì)上 與受激光發(fā)射與受激光發(fā)射(SOA)不同不同 在受激發(fā)射中，入射光子激發(fā)另一個相同的光在受激發(fā)射中，入射光子激發(fā)另一個相同的光 子發(fā)射而沒有損失它自己的能量；子發(fā)射而沒有損失它自己的能量； 但在但在SRS中，入射泵浦光子放棄了它自己的能中，入射泵浦光子放棄了它自己的能 量，產(chǎn)生

36、了另一個較低能量（較低頻率）的光量，產(chǎn)生了另一個較低能量（較低頻率）的光 子。子。 與與SOA電泵浦不同，電泵浦不同，SRS必須光泵浦，與必須光泵浦，與 EDFA不同，不同，SRS也不要求粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。也不要求粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。SRS 是一種非線性現(xiàn)象，它不要求粒子數(shù)在能級間是一種非線性現(xiàn)象，它不要求粒子數(shù)在能級間 轉(zhuǎn)移。轉(zhuǎn)移。 51 拉曼放大器的泵浦方式拉曼放大器的泵浦方式 分布式拉曼放大器（分布式拉曼放大器（DRA）采用強泵浦光對傳輸）采用強泵浦光對傳輸 光纖進行泵浦，可以采用光纖進行泵浦，可以采用前向泵浦前向泵浦，也可以采用，也可以采用 后向泵浦后向泵浦； 因后向泵浦減小了泵浦光和信號光相互作用

37、的長因后向泵浦減小了泵浦光和信號光相互作用的長 度，從而也就減小了泵浦噪聲對信號的影響，所度，從而也就減小了泵浦噪聲對信號的影響，所 以通常采用后向泵浦。以通常采用后向泵浦。 振動態(tài) 基態(tài) p s 傳輸光纖 信號光 泵浦光 濾波器 信號光 p s s 耦合器 WDM 52 光纖分布式喇曼放大器（光纖分布式喇曼放大器（DRA）構(gòu)成）構(gòu)成 -后向泵浦后向泵浦 W WD DM M 傳傳輸輸光光纖纖 信信號號光光泵泵浦浦光光 光光復(fù)復(fù) 用用器器 泵泵浦浦光光 增增益益平平坦坦 濾濾波波器器 入入1 1 入入2 2 53 多波長泵浦多波長泵浦增益帶寬增益帶寬 增益波長由泵浦光波長決定，選擇適當增益波長由

38、泵浦光波長決定，選擇適當 的泵浦光波長，可得到任意波長的信號的泵浦光波長，可得到任意波長的信號 放大。放大。 分布式光纖喇曼放大器的增益頻譜是每分布式光纖喇曼放大器的增益頻譜是每 個波長的泵浦光單獨產(chǎn)生的增益頻譜疊個波長的泵浦光單獨產(chǎn)生的增益頻譜疊 加的結(jié)果，所以它由泵浦光波長的數(shù)量加的結(jié)果，所以它由泵浦光波長的數(shù)量 和種類決定。和種類決定。 54 3.4.2 喇曼放大技術(shù)應(yīng)用喇曼放大技術(shù)應(yīng)用 分布式喇曼放大器不但能夠工作在分布式喇曼放大器不但能夠工作在EDFA常使常使 用到的用到的C波段和波段和L波段，而且也能工作在波長波段，而且也能工作在波長 較短的較短的S波段，完全滿足全波光纖對工作窗口波段，完全滿足全波光纖對工作窗口 的要求。通過選擇泵浦光波長，可實現(xiàn)任意波的要求。通過選擇泵浦光波長，可實現(xiàn)任