光纖無源及有源器件

1、光纖無源及有源器件第1頁，共149頁，2022年，5月20日，17點53分，星期一光器件： 光通信網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)2第2頁，共149頁，2022年，5月20日，17點53分，星期一光無源器件定義：不需要外加能源驅(qū)動工作的光電子器件光纖連接器（固定、活動,FC/PC,FC/APC）光纖定向耦合器/分支器光分插復(fù)用器（OADM)光波分/密集波分復(fù)用器（WDM/DWDM)光衰減器（固定、連續(xù)）光濾波器（帶通、帶阻）光纖隔離器與環(huán)行器（偏振有關(guān)、無關(guān)）光偏振態(tài)控制器、光纖延遲線、光纖光柵3第3頁，共149頁，2022年，5月20日，17點53分，星期一光有源器件定義：需要外加能源驅(qū)動工作的光電子器件半導(dǎo)體光

2、源(LD,LED,DFB,QW,SQW,VCSEL)半導(dǎo)體光探測器(PD,PIN,APD）光纖激光器（OFL:單波長、多波長）光放大器(SOA,EDFA)光波長轉(zhuǎn)換器(XGM,XPM,FWM)光調(diào)制器（EA）光開關(guān)/路由器4第4頁，共149頁，2022年，5月20日，17點53分，星期一光器件與電器件的類比5第5頁，共149頁，2022年，5月20日，17點53分，星期一光器件的應(yīng)用多波長光源DWDM光調(diào)制器光隔離器光耦合器光波長轉(zhuǎn)換光放大DWDM光色散補償光隔離器光環(huán)行器光波長轉(zhuǎn)換OADMDWDM光隔離器光環(huán)行器光開關(guān)可調(diào)諧濾波DWDMOXC光耦合器光調(diào)制解調(diào)6第6頁，共149頁，2022年

3、，5月20日，17點53分，星期一6.1 自聚焦透鏡 第7頁，共149頁，2022年，5月20日，17點53分，星期一球透鏡與自聚焦透鏡1、均勻折射率分布材料2、依靠彎曲的光學(xué)界面 實現(xiàn)光學(xué)成像3、通過非球面來克服像差， 提高成像質(zhì)量1、漸變折射率分布材料2、依靠光線軌跡的彎曲 實現(xiàn)光學(xué)成像3、通過優(yōu)化折射率分布， 提高成像質(zhì)量8第8頁，共149頁，2022年，5月20日，17點53分，星期一自聚焦透鏡應(yīng)用：無源器件的耦合系統(tǒng)、復(fù)印機、傳真機、計算機光盤系統(tǒng)、攝影物鏡、 顯微物鏡、醫(yī)用內(nèi)窺鏡等方面。9第9頁，共149頁，2022年，5月20日，17點53分，星期一自聚焦透鏡的基本特征平方率折射

4、率分布光線軌跡為cos或sin曲線從一點發(fā)出的不同角度的光線將會聚于另一點，形成“自聚焦”具有獨到特點：體積小、平端面超短焦距組合透鏡成像特性可以彎曲成像10第10頁，共149頁，2022年，5月20日，17點53分，星期一直角坐標(biāo)系中的射線方程11第11頁，共149頁，2022年，5月20日，17點53分，星期一12第12頁，共149頁，2022年，5月20日，17點53分，星期一13第13頁，共149頁，2022年，5月20日，17點53分，星期一光線的傳播軌跡14第14頁，共149頁，2022年，5月20日，17點53分，星期一透鏡傳輸矩陣qdsdxdydz15第15頁，共149頁，20

5、22年，5月20日，17點53分，星期一近軸子午光線近似16第16頁，共149頁，2022年，5月20日，17點53分，星期一透鏡傳輸矩陣17第17頁，共149頁，2022年，5月20日，17點53分，星期一矩陣光學(xué)符號公約(1)原點:頂點、主點或焦點(2)線段:以原點為基點,順光線傳播方向為正,反之為負(fù);(3)角度:以光軸或端面法線為基軸,從基軸向光線轉(zhuǎn)動, 順時針為負(fù),逆時針為正;(4)標(biāo)記:在成象圖中出現(xiàn)的幾何量(長度和角度)均取絕 對值,正量直接標(biāo)注,負(fù)量冠以“-號之后標(biāo)注。18第18頁，共149頁，2022年，5月20日，17點53分，星期一透鏡成像矩陣19第19頁，共149頁，20

6、22年，5月20日，17點53分，星期一總成像矩陣?yán)猛哥R傳輸矩陣S進行簡化:20第20頁，共149頁，2022年，5月20日，17點53分，星期一GRIN透鏡的成像（I）21第21頁，共149頁，2022年，5月20日，17點53分，星期一GRIN透鏡的成像（II）22第22頁，共149頁，2022年，5月20日，17點53分，星期一GRIN透鏡的成像（III）23第23頁，共149頁，2022年，5月20日，17點53分，星期一GRIN透鏡的成像（III）24第24頁，共149頁，2022年，5月20日，17點53分，星期一GRIN透鏡的成像（IV）25第25頁，共149頁，2022年，5

7、月20日，17點53分，星期一GRIN透鏡的成像（V）26第26頁，共149頁，2022年，5月20日，17點53分，星期一透鏡成像性質(zhì)170129頁表6.227第27頁，共149頁，2022年，5月20日，17點53分，星期一GRIN透鏡的應(yīng)用：準(zhǔn)直-聚焦28第28頁，共149頁，2022年，5月20日，17點53分，星期一0.25P lens:on axis29第29頁，共149頁，2022年，5月20日，17點53分，星期一0.25P lens：off axis雙光纖準(zhǔn)直器,波分復(fù)用器件30第30頁，共149頁，2022年，5月20日，17點53分，星期一GRIN透鏡的應(yīng)用：光源耦合31

8、第31頁，共149頁，2022年，5月20日，17點53分，星期一0.23P lens：angle compress32第32頁，共149頁，2022年，5月20日，17點53分，星期一0.29P lens：facula compress33第33頁，共149頁，2022年，5月20日，17點53分，星期一自聚焦透鏡的重要特性重要性能參數(shù)：焦距：f = -1/n0A1/2sin(A1/2L)聚焦參數(shù)：A = 2D/a2數(shù)值孔徑：NA = n0(2D)1/2節(jié)距：P = 2p/A1/2成像特性：與透鏡長度有關(guān)：1/4 節(jié)距透鏡1/2 節(jié)距透鏡0.23節(jié)距透鏡0.29 節(jié)距透鏡34第34頁，共14

9、9頁，2022年，5月20日，17點53分，星期一GRIN透鏡的應(yīng)用：準(zhǔn)直-聚焦35第35頁，共149頁，2022年，5月20日，17點53分，星期一0.25P lens:on axis單光纖準(zhǔn)直器,光無源器件36第36頁，共149頁，2022年，5月20日，17點53分，星期一0.25P lens：off axis雙光纖準(zhǔn)直器,波分復(fù)用器件37第37頁，共149頁，2022年，5月20日，17點53分，星期一GRIN透鏡的應(yīng)用：光源耦合38第38頁，共149頁，2022年，5月20日，17點53分，星期一0.23P lens：angle compress39第39頁，共149頁，2022年，

10、5月20日，17點53分，星期一0.29P lens：facula compress40第40頁，共149頁，2022年，5月20日，17點53分，星期一自聚焦透鏡的重要特性重要性能參數(shù)：焦距：f = -1/n0A1/2sin(A1/2L)聚焦參數(shù)：A = 2D/a2數(shù)值孔徑：NA = n0(2D)1/2節(jié)距：P = 2p/A1/2成像特性：與透鏡長度有關(guān)：1/4 節(jié)距透鏡1/2 節(jié)距透鏡0.23節(jié)距透鏡0.29 節(jié)距透鏡41第41頁，共149頁，2022年，5月20日，17點53分，星期一6.2 光纖定向耦合器 第42頁，共149頁，2022年，5月20日，17點53分，星期一6.2.1 耦

11、合器的基本知識 43第43頁，共149頁，2022年，5月20日，17點53分，星期一耦合器的分類44第44頁，共149頁，2022年，5月20日，17點53分，星期一6.2.2 耦合器的工作原理 兩光纖的纖芯很接近時，光場導(dǎo)致介質(zhì)極化，模場互相滲透，發(fā)生耦合45第45頁，共149頁，2022年，5月20日，17點53分，星期一平行光纖之間的耦合耦合波方程組：dR/dz- jdR = -jKS; dS/dz+ jdS = -jKRAm=R exp(-jdz); An= S exp(jdz)失諧系數(shù)：d=(bn-bm)/2 耦合系數(shù): K46第46頁，共149頁，2022年，5月20日，17點5

12、3分，星期一耦合波方程組的解邊界條件:R(0)=1,S(0)=047第47頁，共149頁，2022年，5月20日，17點53分，星期一兩參數(shù)相同光纖的耦合d=0，R2(z)=cos2(Kz)S2(z)=sin2(Kz)耦合長度 ：Lc=p/2K耦合系數(shù) ：2a2adn2n1n2n1n2可以通過控制平行光纖的長度以及兩光纖間距來控制耦合比48第48頁，共149頁，2022年，5月20日，17點53分，星期一耦合長度 耦合長度定義為對于確定波長的光信號功率從一根光纖100%耦合進入另一根光纖的最小長度。光信號功率耦合的強弱以及耦合長度取決于兩光纖纖芯的間距，間距越大耦合耦合長度就越長。耦合長度與傳

13、輸?shù)牟ㄩL也緊密相關(guān)！不同波長的光具有不同的耦合長度。耦合長度的波長相關(guān)性49第49頁，共149頁，2022年，5月20日，17點53分，星期一相同波長光信號耦合R(0)=1,S(0)=0 d=0，R2(z)=cos2(Kz) S2(z)=sin2(Kz)耦合長度:Lc=p/2K功率100%耦合P1P2P3P450第50頁，共149頁，2022年，5月20日，17點53分，星期一光互易定理當(dāng)耦合器的參數(shù)相同時(1)相同波長間的耦合總是會引入3dB(50%)損耗(2)不可能利用光纖耦合器將兩個光纖的相同波長光信號功率耦合到同一根光纖之中！51第51頁，共149頁，2022年，5月20日，17點53

14、分，星期一不同波長光信號的耦合(分波)兩個波長從輸入端口P1輸入,分別在輸出端口P2,P3輸出l1l2l1 l2P1P2P352第52頁，共149頁，2022年，5月20日，17點53分，星期一不同波長光信號的耦合(合波)兩個波長從P1, P4端口輸入,在同一個輸出端口P2輸出l1l2l1 l2P1P2P453第53頁，共149頁，2022年，5月20日，17點53分，星期一光纖耦合器WDM(1)對EDFA注入光功率（泵浦光信號光）(2)對簡單的 WDM系統(tǒng)作波長分離(3)對DWDM系統(tǒng)增加管理信道54第54頁，共149頁，2022年，5月20日，17點53分，星期一1XN 耦合器55第55頁

15、，共149頁，2022年，5月20日，17點53分，星期一Tap 耦合器從主干線傳輸光信號功率中分出一小部分光功率供監(jiān)控等應(yīng)用；典型分光比 : 99:1 或 1% tap耦合器。56第56頁，共149頁，2022年，5月20日，17點53分，星期一星型耦合器57第57頁，共149頁，2022年，5月20日，17點53分，星期一性能參數(shù)5. 回波損耗：沿輸入光路返回的光功率與輸入光功率之比58第58頁，共149頁，2022年，5月20日，17點53分，星期一制備工藝59第59頁，共149頁，2022年，5月20日，17點53分，星期一6.3 光隔離器與環(huán)行器 第60頁，共149頁，2022年，5

16、月20日，17點53分，星期一1. 光隔離器光隔離器是一種光的非互易傳輸器件，只允許光波沿著一個方向傳輸，而光的另一個方向的傳輸是禁止的。也就是說，光信號沿著指定正方向傳輸時損耗低，光路被接通；光信號沿著反方向傳輸時損耗大，光路被阻斷。 61第61頁，共149頁，2022年，5月20日，17點53分，星期一法拉第效應(yīng) 把磁光介質(zhì)放到磁場中，使光線平行于磁場方向通過介質(zhì)時，入射的平面偏振光的振動方向就會發(fā)生旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)移角度的大小與磁光介質(zhì)的性質(zhì)、光程和磁場強度等因素有關(guān)。 磁光效應(yīng)的非互易性: 光波的偏振方向總是沿與磁場（H）方向構(gòu)成右手螺旋方向旋轉(zhuǎn)，而與光波的傳播方向無關(guān)。當(dāng)光正、反方向兩次通過

17、法拉第旋光片時，偏振方向旋轉(zhuǎn)角度將迭加而不抵消。 磁光效應(yīng)的基本材料 :釔鐵石榴石（YIG：Yttrium-Iron-Garnet）、康寧（Corning）8363號玻璃等 62第62頁，共149頁，2022年，5月20日，17點53分，星期一偏振相關(guān)光隔離器自然偏振光入射功率損耗50!與起偏方向垂直的偏振光入射損耗100！.隨機偏振光入射帶來嚴(yán)重的偏振噪聲!63第63頁，共149頁，2022年，5月20日，17點53分，星期一偏振無關(guān)光隔離器將入射的任意偏振光分解為兩束相互正交的線偏振光；分別處理這兩束線偏光； 再將經(jīng)過處理的兩束線偏振光合束輸出。64第64頁，共149頁，2022年，5月2

18、0日，17點53分，星期一同軸結(jié)構(gòu)光隔離器1、3：偏振分束鏡：YVO4雙折射晶體（“Walk-off”）2：非互易的法拉第旋光片與光互易的玻片1 2 365第65頁，共149頁，2022年，5月20日，17點53分，星期一應(yīng)用高速光通信系統(tǒng)中的DFB激光器的光隔離光放大器中的光隔離光纖環(huán)行腔中的單向器。66第66頁，共149頁，2022年，5月20日，17點53分，星期一2. 光環(huán)形器 光環(huán)形器總是使得光沿著規(guī)定的路徑進行傳輸，即從器件的1端口輸入，2端口輸出；由2端口輸入，就由3端口輸出，由3端口輸入，就由4端口輸出，由4端口輸入，就由1端口輸出。 67第67頁，共149頁，2022年，5月

19、20日，17點53分，星期一順序傳輸對于從1端口向2端口傳輸?shù)墓?，由端?輸入的光，被第一雙折射鏡(block A)分成偏振方向互相正交的兩束光，這兩束光經(jīng)45法拉第旋光片與互易旋光片后，偏振方向均發(fā)生90的旋轉(zhuǎn)，在第二雙折射鏡(block B)處，兩光束再次折射并合成，由2端口輸出。 68第68頁，共149頁，2022年，5月20日，17點53分，星期一逆序傳輸由2端口向1端口傳輸?shù)墓?，首先由block B進行分光，兩束互相正交的偏振光經(jīng)45法拉第旋光片與互易旋光片后，兩束光的偏振態(tài)維持不變，由block B輸出后，兩光束通過反射棱鏡和偏振分光鏡作合并，最終由3端口輸出。69第69頁，共14

20、9頁，2022年，5月20日，17點53分，星期一應(yīng)用應(yīng)用光環(huán)形器組成光反射鏡 應(yīng)用光環(huán)形器構(gòu)成單纖雙向傳輸 70第70頁，共149頁，2022年，5月20日，17點53分，星期一課堂習(xí)題（8）自聚焦透鏡與球透鏡成象的異同點?常用的自聚焦透鏡有哪幾種?如圖1所示的光纖耦合器 ,L為1/2耦合長度,計算input 1=100mw, input 2=0mw求 output 1,output 2各為多少? input1=50mw, input2= 50mw,且波長相同,求output1 為多少? 圖171第71頁，共149頁，2022年，5月20日，17點53分，星期一6.4 光纖光柵 第72頁，共

21、149頁，2022年，5月20日，17點53分，星期一衍射光柵 73第73頁，共149頁，2022年，5月20日，17點53分，星期一光纖光柵 500 nm (Bragg grating) 200 m (Long-period grating)125 m8 m1 mm to 1500 mmSingle mode fibreCoreCladdingRegions with higher refractive index than that of cores摻鍺光纖紫外吸收折射率周期變化光纖光柵74第74頁，共149頁，2022年，5月20日，17點53分，星期一分類布拉格光柵（Fiber Bra

22、gg Grating）: 前向傳輸?shù)哪Ｊ胶秃笙騻鬏斈Ｊ降鸟詈? 反射帶通濾波光柵，對特定的波長反射并后向傳輸；長周期光柵（Long Period Grating）: 導(dǎo)模和包層模耦合,帶阻透射濾波，從透射光中濾除某些特定波長光；閃耀光柵(Blaze FBG)：對特定的波長反射并濾除掉。相移光柵(Phase-Shift FBG) ：FP型透射濾波光纖光柵。75第75頁，共149頁，2022年，5月20日，17點53分，星期一An in-fibre Bragg grating is constructed by varying the refractive index of the core le

23、ngthwise along the fibre. Light of the specified wavelength traveling along the fibre is reflected from the grating back in the direction from which it came.Wavelengths which are not selected are passed through with little or no attenuation.光纖布拉格光柵76第76頁，共149頁，2022年，5月20日，17點53分，星期一工作原理 resonant wav

24、elengths are reflected back toward the source non-resonant wavelengths are transmitted through the device without loss.The centre wavelength is given by:77第77頁，共149頁，2022年，5月20日，17點53分，星期一Principle of OperationThe grating forms an electromagnetic resonant circuit. Power from the forward direction is

25、 coupled into the resonant circuit and then reflected back. Non-resonant wavelengths are not affected very much.78第78頁，共149頁，2022年，5月20日，17點53分，星期一結(jié)構(gòu)參數(shù)The grating period is the distance between modulations of the refractive index in the grating.The grating length.The “modulation depth” , determined

26、by the RI contrast within the grating.The RI contrast profile.79第79頁，共149頁，2022年，5月20日，17點53分，星期一性能參數(shù)Centre Wavelength This is the wavelength at the centre of the gratings reflection band.Bandwidth This is the width of the reflection band and specifies the range of wavelengths reflected.Reflectance

27、Peak This is a measure of the proportion of incident light reflected at the centre wavelength.80第80頁，共149頁，2022年，5月20日，17點53分，星期一分析理論模式耦合理論 前向模式與后向模式之間的耦合薄膜光學(xué)理論高低折射率相間的1/4光學(xué)厚度膜層結(jié)構(gòu)濾光片。81第81頁，共149頁，2022年，5月20日，17點53分，星期一Dielectric Fabry-Perot Filters flat passband； polarization independent； low insert

28、ion loss； good temperatutre performance (0.001nm/oC)。0/20/200 , 1， 2， 3，n0 ,1， 3，n0 /40Mirror Cavity MirrorStack Stack82第82頁，共149頁，2022年，5月20日，17點53分，星期一反射譜(a) typical reflection spectrum of a 1 cm long FBG with relatively low RI contrast. The height of the peak is 100% reflection and the width of t

29、he reflection band is .2 nm; (b) same grating with a stronger contrast. The reflection band has been broadened; (c) same grating as part (a) but after apodisation. Note the reflection peak is now not quite 100%.83第83頁，共149頁，2022年，5月20日，17點53分，星期一切趾光柵（變跡光柵）Apodisation is a process of tapering the str

30、ength of the grating at either end so that the apparent RI change is gradual rather than abrupt. The reflection band of an apodised grating is shown in part (c) of the figure.84第84頁，共149頁，2022年，5月20日，17點53分，星期一多波長光纖光柵you can write many different FBGs into the same section of fibre - one on top of th

31、e other. Each grating will then respond quite separately and independently to light of its own resonant wavelength.85第85頁，共149頁，2022年，5月20日，17點53分，星期一啁啾光柵A “chirp” is where you get a variation in the period of the grating (and hence a variation in its response to different wavelengths) along the len

32、gth of the grating:vary the period of the grating orvary the average RI of the grating.86第86頁，共149頁，2022年，5月20日，17點53分，星期一啁啾切趾光柵a good 100% reflection over the whole reflected band.87第87頁，共149頁，2022年，5月20日，17點53分，星期一Caused by expansion and contraction of the fibre with temperature and consequent cha

33、nge in the spacing of the RI variations in the core; or a variation in the RI of the fibre itself with temperature.The unpackaged grating: a total variation of about 1 nm over a temperature range of 80C!Temperature Stability of In-Fibre Bragg Gratings88第88頁，共149頁，2022年，5月20日，17點53分，星期一FBG Packaging

34、for Passive Thermal Compensation89第89頁，共149頁，2022年，5月20日，17點53分，星期一閃耀光柵A blazed grating is constructed when the grating is written at an oblique angle to the centre axis of the core. The selected wavelength is reflected out of the fibre.Another usage is to equalise power across a range of wavelength

35、s for example to“flatten” the response of an EDFA.90第90頁，共149頁，2022年，5月20日，17點53分，星期一長周期光柵Most FBGs are constructed as first order gratings. That is the grating period is the same as the centre wavelength of the reflection band.A long-period grating is one where the grating period is many hundreds o

36、r thousands of times the resonant wavelength.91第91頁，共149頁，2022年，5月20日，17點53分，星期一PrincipleIn LPG it couples forward guideing mode into a cladding mode. Thus after a while the coupled light leaves the system and is lost. A long-period grating then gives much the same effect as a blazed grating - reson

37、ant wavelengths are removed from the system.92第92頁，共149頁，2022年，5月20日，17點53分，星期一Phase-Shifted FBGsA “transmission fringe” is created in the centre of the reflection band where light is transmitted through the filter rather than being reflected.93第93頁，共149頁，2022年，5月20日，17點53分，星期一Writing the Grating光纖光

38、柵的制作(1)增敏摻鍺(Ge),氫載(2)寫光柵 (準(zhǔn)分子激光器 244nm)干涉法,衍射法94第94頁，共149頁，2022年，5月20日，17點53分，星期一(1) Make the fibre core more sensitiveto increase the level of germanium dopant.this too far before mechanical effects in the fibre stop you. Co-doping with boron and/or aluminium helps make the core more photosensitive

39、.“Loading” the fibre with hydrogen 95第95頁，共149頁，2022年，5月20日，17點53分，星期一(2) Writing the GratingThe grating is written by exposing the fibre to UV light. UV light (244 nm) is able to make permanent modifications in the refractive index of the core.The change in the refractive index is very small indeed

40、. An index change of.0001 is sufficient to make an effective grating.96第96頁，共149頁，2022年，5月20日，17點53分，星期一Interference Pattern Technique97第97頁，共149頁，2022年，5月20日，17點53分，星期一Phase Mask Technique98第98頁，共149頁，2022年，5月20日，17點53分，星期一Summary for FBGsConsists of a periodic stack of regions of high and low refr

41、active index along an optical fiber.Made by exposing the fiber to an interference pattern of ultraviolet(UV) light.Narrow band, almost square wavelength response.Low temperature sensitivity with athermal packaging(as low as 0.4pm/oc , For unpackaged grating it is about 0.01nm/oc)Need to use fiber Ma

42、ch-Zehnder configuration or circulator to construct a demultiplexer99第99頁，共149頁，2022年，5月20日，17點53分，星期一Applications of FBGsWavelength Stable Lasers Dispersion Compensation Wavelength Selection in WDM Systems 100第100頁，共149頁，2022年，5月20日，17點53分，星期一Using in Dispersion CompensationChirped Bragg grating ll

43、onglshort101第101頁，共149頁，2022年，5月20日，17點53分，星期一Using in OADM Identical FBGs at l4l1 , l2 , l3 , l4 , l5l4 DDl4 AAReported CharacteristicsChannel passband: 0.1 - 0.5 nm Channel spacing: 0.7 - 1.6 nm Channel isolation: 20 - 30 dB Insertion loss 15 dBl1 , l2 , l3 , l4 , l5102第102頁，共149頁，2022年，5月20日，17點5

44、3分，星期一In-Fibre Bragg Grating Filters103第103頁，共149頁，2022年，5月20日，17點53分，星期一Using in OADM104第104頁，共149頁，2022年，5月20日，17點53分，星期一Fiber grating sensors是應(yīng)變是溫度變化量105第105頁，共149頁，2022年，5月20日，17點53分，星期一6.5 光纖放大器與光纖激光器 第106頁，共149頁，2022年，5月20日，17點53分，星期一6.5-1 摻鉺光纖放大器 107第107頁，共149頁，2022年，5月20日，17點53分，星期一光-電-光中繼放大

45、108第108頁，共149頁，2022年，5月20日，17點53分，星期一全光放大光放大器是一種勿需光電轉(zhuǎn)換即可對光信號進行直接放大的器件109第109頁，共149頁，2022年，5月20日，17點53分，星期一How to make an OAAmplifiers can be built in semiconductor: Semiconductor Optical Amplifiers (SOAs). Almost any semiconductor laser can be made into an amplifier with a few modifications - Amplif

46、iers can be built in fibres: Fibre AmplifiersEDFA: Erbium Doped Fibre Amplifiers(1530nm1610nm)PDFA: Praseodymium Doped Fibre Amplifiers(12601360) TDFA：Thulium Doped Fibre Amplifiers(14501490nm) SRFA: Stimulated Raman Fibre AmplifiersPFA: Plastic Fibre Amplifier110第110頁，共149頁，2022年，5月20日，17點53分，星期一11

47、1第111頁，共149頁，2022年，5月20日，17點53分，星期一1550EDFA增益窗口30nm 60nm光放大器增益光纖衰減除去OH峰外300nm低損耗窗口波長nm8501310PDFASOASRADevelopment of OAEDFA增益窗口30nm 60nmPDFASOASRA112第112頁，共149頁，2022年，5月20日，17點53分，星期一工作原理泵浦光實現(xiàn)摻鉺光纖的粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，外界的信號光對反轉(zhuǎn)粒子數(shù)形成受激輻射，從而實現(xiàn)信號光的放大 113第113頁，共149頁，2022年，5月20日，17點53分，星期一有源光纖由摻有稀土雜質(zhì)的增益介質(zhì)所制成的光纖稱為有源光纖。

48、稀土元素(也稱鑭系元素),包括元素周期表中倒數(shù)第二行中從鑭(La. 原子序數(shù)為57)到镥(Lu.原子序數(shù)為71)的15個元素。 目前較成熟的有源光纖中摻入的稀土離子有：鉺(Er+3,發(fā)射中心波長為1.53m)釹(Nd+3,發(fā)射中心波長為0.92m、1.06m、1.4m)鐠(Pr+3,發(fā)射中心波長為1.3m)。114第114頁，共149頁，2022年，5月20日，17點53分，星期一能級圖980nm波長泵浦：鉺離子相當(dāng)于三能級系統(tǒng) ，粒子數(shù)完全反轉(zhuǎn)，噪聲特性好，但量子效率不高 ；1480nm波長泵浦：鉺離子相當(dāng)于二能級系統(tǒng)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)不徹底，盡管量子效率較高，但噪聲特性變差 115第115頁，共1

49、49頁，2022年，5月20日，17點53分，星期一EDFAs116第116頁，共149頁，2022年，5月20日，17點53分，星期一典型泵浦結(jié)構(gòu)117第117頁，共149頁，2022年，5月20日，17點53分，星期一重要計算公式 速率方程放大器增益噪聲指數(shù)：當(dāng)泵浦充分，且 時，噪聲系數(shù)達到極限3dB 118第118頁，共149頁，2022年，5月20日，17點53分，星期一Technical Characteristics of EDFAsEfficient pumpingMinimal polarisation sensitivityLow insertion lossHigh out

50、put power (this is not gain but raw amount of possible output power)Low noiseVery high sensitivityLow distortion and minimal interchannel crosstalk119第119頁，共149頁，2022年，5月20日，17點53分，星期一DefinitionsGain (amplifier) : the ratio in decibels of input power to output power. Gain Coefficient: the small sign

51、al gain divided by the pump power.Bandwidth: the range of wavelengths over which the amplifier will operate.120第120頁，共149頁，2022年，5月20日，17點53分，星期一DefinitionsGain Saturation: the point where an increase in input power ceases to result in an increase in output power. Polarisation Sensitivity: the diffe

52、rence in gain of an input signal in one polarisation to the gain in the orthogonal polarisation. (typical .01 .1 dB).Noise Figure: the ratio of the SNR at the input to the SNR at the output (in decibels).121第121頁，共149頁，2022年，5月20日，17點53分，星期一Gain Saturation122第122頁，共149頁，2022年，5月20日，17點53分，星期一高性能（低噪聲

53、）摻鉺光纖放大器 利用980nm和1480nm兩不同泵浦波長的摻鉺光纖放大器級聯(lián),在高增益下實現(xiàn)近量子噪聲極限 123第123頁，共149頁，2022年，5月20日，17點53分，星期一Gain Characteristics of EDFAs124第124頁，共149頁，2022年，5月20日，17點53分，星期一Response of Cascaded EDFAs125第125頁，共149頁，2022年，5月20日，17點53分，星期一Flattening the Gain CurveOperating the device at 77oK. Introducing other dopan

54、t materials (such as aluminium or ytterbium) along with the erbium into the fibre core. Amplifier length is another factor influencing the flatness of the gain curve. Controlling the pump power (through a feedback loop) is routine to reduce ASE. 126第126頁，共149頁，2022年，5月20日，17點53分，星期一Flattening the Ga

55、in CurveAdding an extra WDM channel locally at the amplifier. This is called “gain clamping”.Manipulating the shape of the fibre waveguide within the amplifier. Fibres with dual cores have recently been shown to produce much superior gain flatness characteristics.127第127頁，共149頁，2022年，5月20日，17點53分，星期

56、一Flattening the Gain CurveUsing “blazed” fibre Bragg gratings as filters to reduce the peaks in the response curve. In other words, reduce the response at all wavelengths to that of the worst wavelength. This approach has been reported to work well in field trials.Using channel preemphasis on the si

57、gnals as they are transmitted. That is,transmit different WDM channels at different power levels to compensate for later amplifier gain characteristics.128第128頁，共149頁，2022年，5月20日，17點53分，星期一LPG for Flattening the Gain 129第129頁，共149頁，2022年，5月20日，17點53分，星期一增益鉗制EDFA泵浦源功率控制飽和光控制技術(shù)光功率檢測控制輸入光功率檢測輸出光功率檢測PinPout泵浦激光器EDFCouplerFilterCoupler130第130頁，共149頁，2022年，5月20日，17點53分，星期一增益的自動控制 131第131頁，共149頁，2022年，5月20日，17點53分，星期一Cladding PumpsOutput powers of up to 10 watts!132第132頁，共149頁，2022年，5月20日，17點53分，星期一MultiStage EDFAs1)