光纖通信 第三章 光放大器

第3章光放大器光纖傳感與通信教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室1本章內(nèi)容3.1光放大器基礎(chǔ)3.2半導(dǎo)體光放大器3.3摻鉺光纖放大器3.4光纖喇曼放大器23.1光放大器基礎(chǔ)本節(jié)內(nèi)容（1）光電中繼（2）光放大器的種類(lèi)（3）光放大器的基本性能（重點(diǎn)）（4）光放大器的應(yīng)用形式（5）放大器的級(jí)聯(lián)31光電中繼光電中繼背景：1）傳輸中：損耗導(dǎo)致能量降低；色散導(dǎo)致脈沖展寬。2）在傳輸一段距離后需要進(jìn)行光信號(hào)放大和處理。光電中繼的工作原理：41光電中繼光電中繼存在的缺點(diǎn)：1）裝置復(fù)雜，體積大；2）需要供電，耗能高；3）波分復(fù)用增加光電中繼規(guī)模和成本。解決辦法：采用光放大器代替。53.1光放大器基礎(chǔ)本節(jié)內(nèi)容：（1）光電中繼；（2）光放大器的種類(lèi)；（3）光放大器的基本性能（重點(diǎn)）；（4）光放大器的應(yīng)用形式；（5）放大器的級(jí)聯(lián)。62光放大器的種類(lèi)1）半導(dǎo)體光放大器（SOA，SemiconductorOpticalAmplifier）半導(dǎo)體激光器半導(dǎo)體光放大器：工作條件：粒子數(shù)反轉(zhuǎn)和正反饋

粒子數(shù)反轉(zhuǎn)光的產(chǎn)生：增益條件和相位條件增益譜和入射光工作形式：SOA類(lèi)型：TW-SOA，端面鍍?cè)鐾改ぃ?/p>

FP-SOA，未鍍膜，（工作在閾值電流下）LD電注入激光輸出SOA電注入激光輸出激光輸入72光放大器的種類(lèi)2）非線性光纖放大器

SRS光纖放大器SBS光纖放大器原理：受激喇曼散射（SRS）；受激布里淵散射（SBS）82）非線性光纖放大器

SRS光纖放大器SBS光纖放大器原理：受激喇曼散射（SRS）；受激布里淵散射（SBS）泵浦：雙向泵浦；逆向泵浦頻移：大；小增益帶寬：6THz；30~100MHz2光放大器的種類(lèi)92光放大器的種類(lèi)3）摻雜光纖放大器雜質(zhì)：Er3+（鉺）：1.55μm；Pr3+（鐠）、Nd3+（釹）：1.3μm泵浦方式：光泵浦，實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。103.1光放大器基礎(chǔ)本節(jié)內(nèi)容：（1）光電中繼；（2）光放大器的種類(lèi)；（3）光放大器的基本性能（重點(diǎn)）；（4）光放大器的應(yīng)用形式；（5）放大器的級(jí)聯(lián)。113光放大器的基本性能光放大器與激光器的唯一區(qū)別就是光放大器沒(méi)有正反饋機(jī)制(2)受激輻射(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級(jí)系統(tǒng)假設(shè)，光放大器增益系數(shù)：1）g0峰值增益，T2為橫向馳豫時(shí)間（0.1ps~1ns），

Ps為飽和光功率；2）與頻率有關(guān)，ω0為激活介質(zhì)躍遷頻率，ω以ω0為中心遞減；3）存在飽和特性133光放大器的基本性能1）增益和帶寬：在P<<Ps時(shí)：增益帶寬（g的半值全寬，F(xiàn)WHM）：或?qū)τ赟OA，T20.1ps，vg3THz

143光放大器的基本性能放大器增益：放大器帶寬（G的FWHM）：教材（3.1-7）錯(cuò)誤153光放大器的基本性能2）增益飽和：隨著P增大，g（ω）減小，G（ω）減小。當(dāng)

=0時(shí)，光放大器中的P（z）滿(mǎn)足：163光放大器的基本性能小信號(hào)放大倍數(shù)173光放大器的基本性能放大器增益飽和效應(yīng)：G隨著Pout增大而減小。183光放大器的基本性能飽和輸出功率，G從G0下降3dB時(shí)的輸出功率由于結(jié)論：一般為Ps的70%。193光放大器的基本性能3）放大器噪聲光放大器信號(hào)Si噪聲Ni信號(hào)So=Si*G噪聲No=Ni*GASE噪聲No’當(dāng)放大器對(duì)信號(hào)進(jìn)行放大時(shí)，必然要降低入射信號(hào)的SNR。噪聲系數(shù)：表征光放大器導(dǎo)致的SNR下降程度。F≥1SNR：電信號(hào)（光電轉(zhuǎn)換后）的信噪比。203光放大器的基本性能放大器噪聲系數(shù)F的推導(dǎo)思路：光放大器O/ESNRinO/ESNRoutPinRPinGPinRGPinSsp(RGPin)(RSsp)RSsp自發(fā)輻射噪聲自發(fā)輻射和信號(hào)的拍噪聲213光放大器的基本性能放大器噪聲系數(shù)F的推導(dǎo)：假設(shè)無(wú)熱噪聲，只有點(diǎn)噪聲情況下：（a）SNRin的計(jì)算223光放大器的基本性能（b）SNRout的計(jì)算自發(fā)輻射噪聲：白噪聲近似；噪聲譜：其中反轉(zhuǎn)因子：二能級(jí)系統(tǒng)光電轉(zhuǎn)換后噪聲：放大后信號(hào)的點(diǎn)噪聲拍噪聲自發(fā)輻射噪聲忽略當(dāng)G>>1時(shí)：233光放大器的基本性能教材中（3.1-17）存在錯(cuò)誤（c）F的計(jì)算理想的放大器：

N1=0說(shuō)明SNR下降了3dB。

結(jié)論：（1）實(shí)際的放大器：F＞3dB；（2）F越低越好。

243.1光放大器基礎(chǔ)本節(jié)內(nèi)容：（1）光電中繼；（2）光放大器的種類(lèi)；（3）光放大器的基本性能（重點(diǎn)）；（4）光放大器的應(yīng)用形式；（5）放大器的級(jí)聯(lián)。254光放大器的應(yīng)用形式光放大器的應(yīng)用形式： （1）在線放大器； （2）功率放大； （3）前置放大； （4）分配補(bǔ)償放大。 264光放大器的應(yīng)用形式（1）在線放大器位置：光纖傳輸線路中；作用：線路放大，周期性補(bǔ)償各段光纖損耗。 274光放大器的應(yīng)用形式（2）功率放大位置：光發(fā)射機(jī)后；作用：增加入纖光功率，延長(zhǎng)傳輸距離。 284光放大器的應(yīng)用形式（3）前置放大位置：光接收機(jī)前；作用：提高接收靈敏度。 294光放大器的應(yīng)用形式（4）分配補(bǔ)償放大位置：局域網(wǎng)中；作用：增加光節(jié)點(diǎn)數(shù)目。 303.1光放大器基礎(chǔ)本節(jié)內(nèi)容：（1）光電中繼；（2）光放大器的種類(lèi)；（3）光放大器的基本性能（重點(diǎn)）；（4）光放大器的應(yīng)用形式；（5）放大器的級(jí)聯(lián)。315放大器的級(jí)聯(lián)光放大器級(jí)聯(lián)形式：

G1

G2G3Gk光放大器級(jí)聯(lián)的影響：（1）ASE噪聲的積累效應(yīng)影響接收機(jī)性能；（2）增大的ASE噪聲使放大器飽和。 …325放大器的級(jí)聯(lián)G1

G2G3GkF1F2F3FkSNRinSNRout說(shuō)明：1）第1級(jí)的噪聲系數(shù)應(yīng)盡量低；

2）后續(xù)放大器采用高飽和輸出功率的放大器。333.2半導(dǎo)體光放大器上小節(jié)的回顧（1）光電中繼（2）光放大器的種類(lèi)（3）光放大器的基本性能（重點(diǎn)）（4）光放大器的應(yīng)用形式343.2半導(dǎo)體光放大器本小節(jié)主要內(nèi)容（1）放大器的結(jié)構(gòu)（2）放大器的性能（3）多信道放大（4）脈沖放大（5）系統(tǒng)應(yīng)用

注：本節(jié)對(duì)應(yīng)教材第三章，第77~95頁(yè)351放大器的結(jié)構(gòu)半導(dǎo)體光放大器：SemiconductorOpticalAmplifier,SOA（1）SOA與LD的關(guān)系SOALD注入電流I1）SOA由LD發(fā)展而來(lái)；2）LD自己產(chǎn)生光，SOA放大輸入的光信號(hào)；3）LD注入電流大于閾值電流；SOA注入電流低于閾值電流。36注入電流I輸入光信號(hào)1放大器的結(jié)構(gòu)（2）SOA的分類(lèi)1）FP（Fabry-Perot）-SOA：兩端自然解理面；2）TW（Traveling-wave）-SOA：鍍?cè)鐾改?；FP-SOATW-SOAR≈32%R＜10e-337（3）FP-SOA1放大器的結(jié)構(gòu)FP-SOAR1R2G諧振頻率：縱模間隔：典型值：100GHz，n≈3，可知L≈0.5mm請(qǐng)問(wèn)FP-SOA的腔長(zhǎng)？381放大器的結(jié)構(gòu)放大器帶寬：why？典型值：vL約為100GHz，vA約為10GHz。工程應(yīng)用：1）由于帶寬小，不適合光纖通信中的應(yīng)用；2）有源濾波器；3）用于光信號(hào)處理。391放大器的結(jié)構(gòu)（4）TW-SOAR1=R2=0G在殘留部分端面反射率的情況下：最大增益：最小增益：最大與最小增益之比值為：

401放大器的結(jié)構(gòu)41最大與最小增益之比值為：

1放大器的結(jié)構(gòu)為了G＜2（3dB）：

要求：

降低端面反射率的辦法：1）鍍?cè)鐾改ぃ?）傾斜波導(dǎo)；3）窗面結(jié)構(gòu)。

423.2半導(dǎo)體光放大器（1）放大器的結(jié)構(gòu)（2）放大器的性能（3）多信道放大（4）脈沖放大（5）系統(tǒng)應(yīng)用432放大器的性能（1）增益譜：

說(shuō)明：1）增益隨諧振頻率發(fā)生微小起伏；（剩余反射率造成）2）帶寬70nm。3dB70nm44R=4×10-42放大器的性能（2）增益飽和特性：

半導(dǎo)體光放大器的增益系數(shù)：說(shuō)明：增益系數(shù)g與載流子濃度N成線性關(guān)系。

為限制因子；g是微分增益系數(shù)；V為激活區(qū)體積；N0為透明載流子濃度

載流子速率方程：其中：q為電子電荷；為載流子壽命；為波導(dǎo)模式的截面積

注入電流自發(fā)輻射受激輻射452放大器的性能穩(wěn)態(tài)：N（穩(wěn)態(tài)）其中：小信號(hào)增益系數(shù)飽和功率典型值：5~10mW。飽和輸出功率：46（3）噪聲系數(shù)：

2放大器的性能半導(dǎo)體光放大器的噪聲系數(shù)：工程應(yīng)用中的典型值為：5~7dB當(dāng)考慮剩余端面反射率時(shí)：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寬度和厚度尺寸不同，使得TE模和TM模的增益不同（5~8dB），稱(chēng)為偏振相關(guān)。48消除偏振相關(guān)的辦法：（1）結(jié)構(gòu)：大光腔，厚度和寬度尺寸接近；2放大器的性能例：厚度0.26μm，寬度0.4μm，TE模和TM模增益差1.3dB。（2）系統(tǒng)：對(duì)稱(chēng)放大（a）旋轉(zhuǎn)光放大器；（b）分別放大；（c）旋轉(zhuǎn)光場(chǎng)。493.2半導(dǎo)體光放大器（1）放大器的結(jié)構(gòu)（2）放大器的性能（3）多信道放大（4）脈沖放大（5）系統(tǒng)應(yīng)用503多信道放大（1）什么是多信道放大？SOA注入電流波分復(fù)用器波分解復(fù)用器513多信道放大（2）多信道放大存在的問(wèn)題主要影響：信道串?dāng)_。SOA形成機(jī)理：四波混頻和交叉飽和521)四波混頻：3多信道放大多信道情況下的總功率：現(xiàn)象：消除方法：差頻載流子濃度變化速率載流子濃度變化速率無(wú)法跟上差頻調(diào)制速率。辦法：頻率間隔大于10GHz。光散射533多信道放大2)交叉飽和：不考慮差頻項(xiàng)

自身光功率+其他信道光功率

SOA543.2半導(dǎo)體光放大器本節(jié)內(nèi)容：（1）放大器的結(jié)構(gòu)（2）放大器的性能（3）多信道放大（4）脈沖放大（5）系統(tǒng)應(yīng)用554脈沖放大光脈沖包絡(luò)的傳播方程：c：譜寬增強(qiáng)因子，表示載流子濃度導(dǎo)致的折射率變化。增益系數(shù)g隨時(shí)間的變化：飽和能量Es

：經(jīng)坐標(biāo)變換：

A:電場(chǎng)強(qiáng)度564脈沖放大這是一個(gè)h（τ）的微分方程。574脈沖放大h（τ）的微分方程：h（τ）G0為放大器的小信號(hào)增益，E0()的定義為時(shí)，E0()

Ein。說(shuō)明：（1）對(duì)脈沖的不同部分，放大器具有不同的增益；（2）脈沖前沿經(jīng)歷最大的增益G0，而脈沖后沿經(jīng)歷最小的增益Gf，脈沖中部增益的大小與脈沖形狀有關(guān)。584脈沖放大脈沖放大增益實(shí)例：超高斯脈沖594脈沖放大能量增益：說(shuō)明：（1）能量增益與脈沖形狀無(wú)關(guān)。（2）只與脈沖的前沿增益G0和后沿增益Gf有關(guān)。604脈沖放大相位影響：附加相位：說(shuō)明附加相位與時(shí)間相關(guān)。物理解釋?zhuān)海?）增益飽和導(dǎo)致載流子濃度隨時(shí)間發(fā)生變化；（2）載流子濃度的變化又通過(guò)譜寬增強(qiáng)因子引起折射率的變化；（3）折射率的變化使光脈沖相位發(fā)生變化。附加頻移（啁啾）：其中：614脈沖放大啁啾現(xiàn)象的工程實(shí)例：輸入：不同能量高速脈沖說(shuō)明：（1）脈沖前沿紅移；（2）隨著輸入脈沖能量的增大，頻率啁啾增加。624脈沖放大脈沖放大實(shí)例：timefrequency輸入：高速脈沖輸入脈沖633.2半導(dǎo)體光放大器本節(jié)內(nèi)容：（1）放大器的結(jié)構(gòu)（2）放大器的性能（3）多信道放大（4）脈沖放大（5）系統(tǒng)應(yīng)用645系統(tǒng)應(yīng)用（1）前放：提高接收靈敏度，降低SNR（F=5~7dB）；（2）在線放大：級(jí)聯(lián)；（3）功率放大：飽和輸出功率（5~10mW）導(dǎo)致輸出功率（＜10mW）；（4）補(bǔ)償分路損耗；（5）光信號(hào)處理：光開(kāi)關(guān)、波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換、光邏輯。653.3摻鉺光纖放大器本節(jié)內(nèi)容（1）工作原理（2）增益特性（3）放大器的噪聲系數(shù)（4）多信道放大和脈沖放大661工作原理EDFA的能級(jí)結(jié)構(gòu)：泵浦波長(zhǎng)：980nm和1480nm；泵浦效率：11dB/mW(高)；幾mW達(dá)到30~40dB。泵浦方向：同向、逆向和雙向。671工作原理增益譜：

1480nm30nm譜寬683.3摻鉺光纖放大器本節(jié)內(nèi)容：（1）工作原理（2）增益特性（3）放大器的噪聲系數(shù)（4）EDFA設(shè)計(jì)和實(shí)驗(yàn)（5）多信道放大和脈沖放大692增益特性增益系數(shù)：均勻加寬：摻雜離子躍遷頻率的分布函數(shù)

二能級(jí)系統(tǒng)簡(jiǎn)化Er3+玻璃非晶結(jié)構(gòu)導(dǎo)致非均勻加寬：能級(jí)模型：ns量級(jí)ms量級(jí)70粒子數(shù)的速率方程：sp：受激態(tài)的自發(fā)輻射壽命；Wp：泵浦速率：N2/t=0穩(wěn)態(tài)時(shí)：2增益特性Ws：受激輻射速率：p：泵浦截面，Ap泵浦光有效面積s：受激輻射截面，As信號(hào)光有效面積Nt：總粒子數(shù)濃度712增益特性與N1，N2無(wú)關(guān)。N1、N2表達(dá)式代入得到：數(shù)值求解，求放大器的增益特性。信號(hào)光和泵浦光的傳播方程p、s分別為泵浦截面和受激輻射截面“-”：同向泵浦；“+”反向泵浦，信號(hào)光的吸收系數(shù)

泵浦光的吸收系數(shù)72說(shuō)明：1）增益隨泵浦功率在開(kāi)始時(shí)按指數(shù)增加；2）當(dāng)泵浦功率超過(guò)一定值時(shí)，增益的增加逐漸減慢，并趨于一恒定值。3）長(zhǎng)度越長(zhǎng)，恒定值越大（隨著泵浦功率增大）。1）增益與泵浦功率的關(guān)系：2增益特性732增益特性2）增益與放大器長(zhǎng)度的關(guān)系：說(shuō)明：1）增益先隨長(zhǎng)度增加，后隨長(zhǎng)度減小；2）存在最優(yōu)長(zhǎng)度。m742增益特性3）飽和特性：存在增益飽和。飽和輸出功率的典型值為：10~20mW。753.3摻鉺光纖放大器本節(jié)內(nèi)容：（1）工作原理（2）增益特性（3）放大器的噪聲系數(shù)（4）多信道放大和脈沖放大763放大器的噪聲系數(shù)噪聲系數(shù)：說(shuō)明：1）在一定泵浦光功率情況下，F(xiàn)隨長(zhǎng)度增加而增大；2）泵浦功率增大可減小噪聲系數(shù)。噪聲系數(shù)和放大器長(zhǎng)度的關(guān)系（不同泵浦光功率）優(yōu)化后的EDFA噪聲系數(shù)很好773.3摻鉺光纖放大器本節(jié)內(nèi)容：（1）工作原理（2）增益特性（3）放大器的噪聲系數(shù)（4）多信道放大和脈沖放大784多信道放大和脈沖放大EDFA的增益譜寬：30nm，可用于信道復(fù)用和多信道放大。多信道放大的影響：（1）四波混頻在EDFA多信道復(fù)用時(shí)可不考慮；（2）交叉飽和存在。要求限制輸入光功率，工作在非飽和區(qū)；（3）增益平坦：減小信道間的增益差；（4）增益控制：減小信道撤出和加入對(duì)剩余信道的影響。約10ms794多信道放大和脈沖放大脈沖放大的影響：（1）ps脈沖：無(wú)影響；（2）fs脈沖：脈沖頻譜寬度接近增益帶寬， 導(dǎo)致增益色散效應(yīng)和自激喇曼散射。80EDFA工程設(shè)計(jì)實(shí)例所用的摻Er3＋光纖長(zhǎng)度為7.5m，具有12mol%GeO2、3mol%Al2O3和660ppmEr3＋的摻雜參數(shù)，光纖芯徑為2.4m，纖芯與包層折射率差n=0.02，截止波長(zhǎng)為0.98m。EDFA設(shè)計(jì)考慮因素：1）參雜2）泵浦方式及長(zhǎng)度3）器件性能指標(biāo)3.4光纖喇曼放大器本節(jié)內(nèi)容：（1）研究背景（2）