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實驗室1本章內容3.1光放大器基礎3.2半導體光放大器3.3摻鉺光纖放大器3.4光纖喇曼放大器23.1光放大器基礎本節(jié)內容（1）光電中繼（2）光放大器的種類（3）光放大器的基本性能（重點）（4）光放大器的應用形式（5）放大器的級聯(lián)31光電中繼光電中繼背景：1）傳輸中：損耗導致能量降低；色散導致脈沖展寬。2）在傳輸一段距離后需要進行光信號放大和處理。光電中繼的工作原理：41光電中繼光電中繼存在的缺點：1）裝置復雜，體積大；2）需要供電，耗能高；3）波分復用增加光電中繼規(guī)模和成本。解決辦法：采用光放大器代替。53.1光放大器基礎本節(jié)內容：（1）光電中繼；（2）光放大器的種類；（3）光放大器的基本性能（重點）；（4）光放大器的應用形式；（5）放大器的級聯(lián)。62光放大器的種類1）半導體光放大器（SOA，SemiconductorOpticalAmplifier）半導體激光器半導體光放大器：工作條件：粒子數(shù)反轉和正反饋

粒子數(shù)反轉光的產生：增益條件和相位條件增益譜和入射光工作形式：SOA類型：TW-SOA，端面鍍增透膜；

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92光放大器的種類3）摻雜光纖放大器雜質：Er3+（鉺）：1.55μm；Pr3+（鐠）、Nd3+（釹）：1.3μm泵浦方式：光泵浦，實現(xiàn)粒子數(shù)反轉。103.1光放大器基礎本節(jié)內容：（1）光電中繼；（2）光放大器的種類；（3）光放大器的基本性能（重點）；（4）光放大器的應用形式；（5）放大器的級聯(lián)。113光放大器的基本性能光放大器與激光器的唯一區(qū)別就是光放大器沒有正反饋機制(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系統(tǒng)假設，光放大器增益系數(shù)：1）g0峰值增益，T2為橫向馳豫時間（0.1ps~1ns），

Ps為飽和光功率；2）與頻率有關，ω0為激活介質躍遷頻率，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：增益帶寬（g的半值全寬，F(xiàn)WHM）：或對于SOA，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

=0時，光放大器中的P（z）滿足：163光放大器的基本性能小信號放大倍數(shù)173光放大器的基本性能放大器增益飽和效應：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時的輸出功率由于結論：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Si噪聲Ni信號So=Si*G噪聲No=Ni*GASE噪聲No’當放大器對信號進行放大時，必然要降低入射信號的SNR。噪聲系數(shù)：表征光放大器導致的SNR下降程度。F≥1SNR：電信號（光電轉換后）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：假設無熱噪聲，只有點噪聲情況下：（a）SNRin的計算223光放大器的基本性能（b）SNRout的計算自發(fā)輻射噪聲：白噪聲近似；噪聲譜：其中反轉因子：二能級系統(tǒng)光電轉換后噪聲：放大后信號的點噪聲拍噪聲自發(fā)輻射噪聲忽略當G>>1時：233光放大器的基本性能教材中（3.1-17）存在錯誤（c）F的計算理想的放大器：

N1=0說明SNR下降了3dB。

結論：（1）實際的放大器：F＞3dB；（2）F越低越好。

243.1光放大器基礎本節(jié)內容：（1）光電中繼；（2）光放大器的種類；（3）光放大器的基本性能（重點）；（4）光放大器的應用形式；（5）放大器的級聯(lián)。254光放大器的應用形式光放大器的應用形式： （1）在線放大器； （2）功率放大； （3）前置放大； （4）分配補償放大。 264光放大器的應用形式（1）在線放大器位置：光纖傳輸線路中；作用：線路放大，周期性補償各段光纖損耗。 274光放大器的應用形式（2）功率放大位置：光發(fā)射機后；作用：增加入纖光功率，延長傳輸距離。 284光放大器的應用形式（3）前置放大位置：光接收機前；作用：提高接收靈敏度。 294光放大器的應用形式（4）分配補償放大位置：局域網(wǎng)中；作用：增加光節(jié)點數(shù)目。 303.1光放大器基礎本節(jié)內容：（1）光電中繼；（2）光放大器的種類；（3）光放大器的基本性能（重點）；（4）光放大器的應用形式；（5）放大器的級聯(lián)。315放大器的級聯(lián)光放大器級聯(lián)形式：

G1

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

G2G3GkF1F2F3FkSNRinSNRout說明：1）第1級的噪聲系數(shù)應盡量低；

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（3）光放大器的基本性能（重點）（4）光放大器的應用形式343.2半導體光放大器本小節(jié)主要內容（1）放大器的結構（2）放大器的性能（3）多信道放大（4）脈沖放大（5）系統(tǒng)應用

注：本節(jié)對應教材第三章，第77~95頁351放大器的結構半導體光放大器：SemiconductorOpticalAmplifier,SOA（1）SOA與LD的關系SOALD注入電流I1）SOA由LD發(fā)展而來；2）LD自己產生光，SOA放大輸入的光信號；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1放大器的結構（2）SOA的分類1）FP（Fabry-Perot）-SOA：兩端自然解理面；2）TW（Traveling-wave）-SOA：鍍增透膜；FP-SOATW-SOAR≈32%R＜10e-337（3）FP-SOA1放大器的結構FP-SOAR1R2G諧振頻率：縱模間隔：典型值：100GHz，n≈3，可知L≈0.5mm請問FP-SOA的腔長？381放大器的結構放大器帶寬：why？典型值：vL約為100GHz，vA約為10GHz。工程應用：1）由于帶寬小，不適合光纖通信中的應用；2）有源濾波器；3）用于光信號處理。391放大器的結構（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放大器的結構41最大與最小增益之比值為：

1放大器的結構為了G＜2（3dB）：

要求：

降低端面反射率的辦法：1）鍍增透膜；2）傾斜波導；3）窗面結構。

423.2半導體光放大器（1）放大器的結構（2）放大器的性能（3）多信道放大（4）脈沖放大（5）系統(tǒng)應用432放大器的性能（1）增益譜：

說明：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：

半導體光放大器的增益系數(shù)：說明：增益系數(shù)g與載流子濃度N成線性關系。

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放大器的性能半導體光放大器的噪聲系數(shù)：工程應用中的典型值為：5~7dB當考慮剩余端面反射率時：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），稱為偏振相關。48消除偏振相關的辦法：（1）結構：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)：對稱放大（a）旋轉光放大器；（b）分別放大；（c）旋轉光場。493.2半導體光放大器（1）放大器的結構（2）放大器的性能（3）多信道放大（4）脈沖放大（5）系統(tǒng)應用503多信道放大（1）什么是多信道放大？SOA注入電流波分復用器波分解復用器513多信道放大（2）多信道放大存在的問題主要影響：信道串擾。SOA形成機理：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法跟上差頻調制速率。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

自身光功率+其他信道光功率

SOA543.2半導體光放大器本節(jié)內容：（1）放大器的結構（2）放大器的性能（3）多信道放大（4）脈沖放大（5）系統(tǒng)應用554脈沖放大光脈沖包絡的傳播方程：c：譜寬增強因子，表示載流子濃度導致的折射率變化。增益系數(shù)g隨時間的變化：飽和能量Es

：經坐標變換：

A:電場強度564脈沖放大這是一個h（τ）的微分方程。574脈沖放大h（τ）的微分方程：h（τ）G0為放大器的小信號增益，E0()的定義為時，E0()

Ein。說明：（1）對脈沖的不同部分，放大器具有不同的增益；（2）脈沖前沿經歷最大的增益G0，而脈沖后沿經歷最小的增益Gf，脈沖中部增益的大小與脈沖形狀有關。584脈沖放大脈沖放大增益實例：超高斯脈沖594脈沖放大能量增益：說明：（1）能量增益與脈沖形狀無關。（2）只與脈沖的前沿增益G0和后沿增益Gf有關。604脈沖放大相位影響：附加相位：說明附加相位與時間相關。物理解釋：（1）增益飽和導致載流子濃度隨時間發(fā)生變化；（2）載流子濃度的變化又通過譜寬增強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)象的工程實例：輸入：不同能量高速脈沖說明：（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例：timefrequency輸入：高速脈沖輸入脈沖633.2半導體光放大器本節(jié)內容：（1）放大器的結構（2）放大器的性能（3）多信道放大（4）脈沖放大（5）系統(tǒng)應用645系統(tǒng)應用（1）前放：提高接收靈敏度，降低SNR（F=5~7dB）；（2）在線放大：級聯(lián)；（3）功率放大：飽和輸出功率（5~10mW）導致輸出功率（＜10mW）；（4）補償分路損耗；（5）光信號處理：光開關、波長轉換、光邏輯。653.3摻鉺光纖放大器本節(jié)內容（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的能級結構：泵浦波長：980nm和1480nm；泵浦效率：11dB/mW(高)；幾mW達到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)內容：（1）工作原理（2）增益特性（3）放大器的噪聲系數(shù)（4）EDFA設計和實驗（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)

二能級系統(tǒng)簡化Er3+玻璃非晶結構導致非均勻加寬：能級模型：ns量級ms量級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：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信號光有效面積Nt：總粒子數(shù)濃度712增益特性與N1，N2無關。N1、N2表達式代入得到：數(shù)值求解，求放大器的增益特性。信號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，信號光的吸收系數(shù)

泵浦光的吸收系數(shù)72說明：1）增益隨泵浦功率在開始時按指數(shù)增加；2）當泵浦功率超過一定值時，增益的增加逐漸減慢，并趨于一恒定值。3）長度越長，恒定值越大（隨著泵浦功率增大）。1）增益與泵浦功率的關系：2增益特性732增益特性2）增益與放大器長度的關系：說明：1）增益先隨長度增加，后隨長度減小；2）存在最優(yōu)長度。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)：說明：1）在一定泵浦光功率情況下，F(xiàn)隨長度增加而增大；2）泵浦功率增大可減小噪聲系數(shù)。噪聲系數(shù)和放大器長度的關系（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多信道復用時可不考慮；（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：無影響；（2）fs脈沖：脈沖頻譜寬度接近增益帶寬， 導致增益色散效應和自激喇曼散射。80EDFA工程設計實例所用的摻Er3＋光纖長度為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，截止波長為0.98m。EDFA設計考慮因素：1）參雜2）泵浦方式及長度3）器件性能指標3.4光纖喇曼放大器本節(jié)內容：（1）研究背景（2）