光放大器1

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1、2019年10月17日5时11分,1,第七章,光放大器,教师：张佳岩 Email: zhangjiayan_0 电话：86413513-8219 (O) 办公地点：哈工大科学园2A栋1219室 2010.12,2019年10月17日5时11分,2,内容简介：,7.1 光放大器概述,7.2 掺铒光纤放大器,7.3 光纤喇曼放大器,7.4 其他光放大器,2019年10月17日5时11分,7.1 光放大器概述,被取代,2019年10月17日5时11分,7.1 光放大器概述,光放大器是可将微弱光信号直接进行光放大的器件。,作用： 光波分复用技术； 光接入网； 光孤子光通信新技术； 为未来的全光通信网

2、奠定了扎实的基础,4,迅速成熟并得以商用,WDM+EDFA 使光纤通信技术产生了质的飞跃。,2019年10月17日5时11分,7.1 光放大器概述,光放大器的分类,重点,主要,简要,2019年10月17日5时11分,7.1 光放大器概述,粒子数正常：低能级E1的原子数高能级E2的原子数 粒子数反转：低能级E1的原子数高能级E2的原子数,6,泵浦（抽运）：各种激发方式,比E2高一些的泵浦能级抽运,自发辐射：自发地 电子高能级到低能级，释放光子 LED 受激辐射：外来光子激励 电子高能级到低能级，释放光子 LD 受激吸收：外来光子激励 电子低能级到高能级，自由电子 PIN，APD,自发辐射：光放大

3、器相当于噪声。,2019年10月17日5时11分,7.1.3光纤放大器的重要指标-增益,(1) 增益G：,功率增益：,放大器的放大能力,与泵浦功率和光纤长度的参数有关,7,放大器增益与增益系数g有关，在沿光纤方向上，增益系数和光纤中掺杂浓度有关，还和该处信号光和泵浦光功率有关。,光放大器的基本原理,2019年10月17日5时11分,7.1.3光纤放大器的重要指标-增益,8,(2) 放大器的带宽:,希望放大器的增益在很宽的频带内与波长无关，实际放大器有一定的频率范围。,放大器的带宽：小信号增益低于峰值小信号增益N(dB)时的频率间隔，通常N3dB。,G/dB,/nm,2019年10月17日5时1

4、1分,7.1.3光纤放大器的重要指标-增益,(3)增益饱和与饱和输出功率：,表示最大输出能力,由于信号放大过程消耗了高能级上粒子，因而使增益系数减小。当放大器增益减小为峰值的一半时，所对应的输出功率就叫饱和输出功率，这是放大器的一个重要的参数，饱和功率用Pouts表示。,9,2019年10月17日5时11分,7.1.3光纤放大器的重要指标-噪声,(1)光纤放大器的噪声来源： 主要由于自发辐射被放大。在激光器中，自发辐射是产生激光振荡必不可少的，而放大器中却是噪声主要来源，与放大信号在光纤中一起传输、放大，降低了信号光的信噪比。,(2)噪声系数 定义为输入信噪比与输出信噪比之比。 接收机端将光信

5、号转换成光电流后功率来计算的。,对于粒子数反转放大系统，Fn=2(3dB)是最小的噪声系数(噪声系数极限)。,10,2019年10月17日5时11分,内容简介：,7.1 光放大器概述,7.2 掺铒光纤放大器,7.3 光纤喇曼放大器,7.4 其他光放大器,11,2019年10月17日5时11分,7.2 掺铒光纤放大器,掺铒（Er3+）光纤放大器(Erbium-Doped Fiber Amplifier，EDFA)是将掺铒光纤在泵浦源作用下形成的光纤放大器。,发展进程： 1.1964年，美国光学公司制成了第一台掺铒玻璃激光器。 2.1970年，光纤出现后，转入进行在光纤中掺杂激光器件的研究。 3.

6、1985年，英国的南安普顿人学的迈尔斯等人制成了掺铒光纤激光器。 4.1986年，又制造出EDFA，其工作波长为l.54m。,12,2019年10月17日5时11分,7.2.1 EDFA的工作原理,参与激光放大的只有三个能级： 能级1代表基态， 能量最低 能级2是亚稳态，处于中间能级 能级3代表激发态， 能量最高,13,2019年10月17日5时11分,7.2.1 EDFA的工作原理,当泵浦(Pump, 抽运)光的光子能量等于能级3和能级1的能量差时，铒离子吸收泵浦光从基态跃迁到激发态(13)。 但是激发态是不稳定的，Er3+很快返回到能级2。 如果输入的信号光的光子能量等于能级2和能级1的能

7、量差，则处于能级2的Er3+将跃迁到基态(21)，产生受激辐射光，因而信号光得到放大。,14,平均寿命,1s,平均寿命,泵浦态,亚稳态,基态,2019年10月17日5时11分,7.2.1 EDFA的工作原理,EDFA的工作过程：,EDFA的工作过程, 980 nm光子泵浦激光器 电子基态-泵浦能级；,15,受激离子泵浦带-亚稳带 衰变得非常快(约1s)。 多余的能量以声子形式释放，或等价认为产生机械振动。,激发态离子亚稳态能带-底端， 时间长（10 ms左右）。,2019年10月17日5时11分,7.2.1 EDFA的工作原理,EDFA的工作过程,1480nm光子泵浦激光器 直接把电子从基态-

8、亚稳态能级的顶部；,16,电子亚稳态能级的顶部-较低端；,2019年10月17日5时11分,7.2.1 EDFA的工作原理,EDFA的工作过程,当能量相当于从基态到亚稳态间信号光子流通过器件时，两种类型的跃迁： 基态的离子将吸收一小部分外部光子，将跃迁到亚稳态； 受激吸收 ,17,亚稳态电子，在没有外部激励光子流时，一部分-基态； 自发辐射-导致放大器的噪声。,2. 信号光子触发激发态的离子下降到基态 受激辐射-发射与输入信号光子具有相同能量、相同波矢量以及相同偏振态的新光子。 光信号放大,2019年10月17日5时11分,亚稳态和基态的宽度：,15301560n,超过1560nm时增益会稳定

9、下降， 在大约1616nm处降至0dB。,7.2.1 EDFA的工作原理,2019年10月17日5时11分,7.2.1 EDFA的工作原理,19,放大作用是泵浦光能量到信号光的转换。 为提高放大器增益，应提高对泵浦光的吸收，使基态Er3尽可能跃迁到激发态。,泵浦效率：Wp可以用来衡量泵浦的有效性，其表达式如下：,Wp=放大器增益(dB)/泵浦功率(mW),2019年10月17日5时11分,7.2.1 EDFA的工作原理,不同吸收频率处的泵浦效率相差很大。实验测得： 在泵浦波长p=0.532m，Wp=1.35dB/mW； p=0.8m ， Wp=0.8dBmW； p=0.98m ， Wp=4.9

10、dBmW； p=1.48m ， Wp=3.9dBmW；。,泵浦频带需选用无激发态吸收的频带； 激发态吸收：吸收外来光子继续向更高能级跃迁。 电子在激发吸收带，吸收泵浦光子或信号光向更高能级跃迁，大大降低了泵浦效率，引起信号光衰减。 泵浦源应选在无激发吸收频带，如0.98m、1.48m。,20,2019年10月17日5时11分,7.2.1 EDFA的工作原理,0.98m：增益高、泵浦效率高、噪声小 饱和输出功率低 前置发大器。,1.48m：其与信号光波长接近，因而1.55m单模光纤对信号光和泵浦光都是单模传输。 低掺铒分布式光纤放大器,21,2019年10月17日5时11分,7.2.2 EDFA

11、构成和特性-构成,22,2019年10月17日5时11分,7.2.2 EDFA构成和特性-构成,掺铒光纤(EDF)和高功率泵浦光源是关键器件；,波分复用器(WDM)把泵浦光与信号光耦合；,光隔离器置于两端防止光反射；,光滤波器是滤除放大器噪声。,2019年10月17日5时11分,24,7.2.2 EDFA构成和特性-构成,同向泵浦,因泵浦方式不同，分成同向、反向及双向。 1同向泵浦：泵浦光与信号光从同一端注入掺铒光纤。输入端泵浦光较强，故粒子反转激励也强，其增益系数大。吸收，将泵浦光沿光纤长度衰减，在一定的光纤长度上达到增益饱和而使噪声迅速增加。,2019年10月17日5时11分,25,7.2

12、.2 EDFA构成和特性-构成,2.反向泵浦：泵浦光与信号光从不同的方向输入掺杂光纤。 优点：当光信号放大到很强时，泵浦光也强，不易达到饱和，因而噪声性能较好。,输出信号,反向泵浦,2019年10月17日5时11分,26,7.2.2 EDFA构成和特性-构成,3.双向泵浦：可用多个泵浦源从多个方向激励光纤。 多个泵浦源部分前向，部分后向，结合前两种优点。使泵浦光在光纤中均匀分布，从而使其增益在光纤中均匀分布。,双向泵浦,2019年10月17日5时11分,7.2.2 EDFA构成和特性-构成,三种方式各部分要求： 设计高增益掺铒光纤(EDF)是实现光纤放大器的技术关键， EDF的增益取决于Er3

13、+的浓度、光纤长度和直径以及泵浦光功率等多种因素，通常由实验获得最佳增益。 对泵浦光源（波长通常为980 m或1480 m）的基本要求是大功率和长寿命。波长为1480 m的InGaAsP多量子阱(MQW)激光器， 输出光功率高达100 mW，泵浦效率在6 dB/mW以上。波长为980 nm的泵浦效率更高，达10 dB/mW， 且噪声较低，是未来发展的方向。,27,2019年10月17日5时11分,7.2.2 EDFA构成和特性-构成,三种方式各部分要求： 对波分复用器的基本要求是： 插入损耗小，熔拉双锥光纤耦合器型和干涉滤波型波分复用器最适用。 光隔离器的作用是: 防止光反射，保证系统稳定工作

14、和减小噪声 对光隔离器的的基本要求是： 插入损耗小，反射损耗大。,28,2019年10月17日5时11分,29,7.2.2 EDFA构成和特性-特性,三种泵浦方式比较： 1.信号输出功率，三种方式的转换效率分别为61%、76和77。在同样泵浦条件下，同向泵浦式的输出最低。,信号输出光功率与泵浦光功率的关系,2019年10月17日5时11分,30,7.2.2 EDFA构成和特性-特性,三种泵浦方式比较： 2.噪声特性 输出功率加大将导致粒子反转数的下降，因而在未饱和区，同向泵浦式噪声指数最小，但在饱和区，情况将发生变化。 对于不同掺铒光纤长度，同向泵浦方式噪声都最小。,放大器输出功率与NF的关系

15、,光纤长度与NF的关系,2019年10月17日5时11分,31,7.2.2 EDFA构成和特性-特性,三种泵浦方式比较： 3.饱和输出特性 同向泵浦式饱和输出光功率最小。双向泵浦式输出功率最大，且放大器性能与输入信号方向无关。,放大器输出功率与NF的关系,2019年10月17日5时11分,三种泵浦方式性能差异总结： 同向泵浦: 噪声性能好 反向泵浦: 输出功率大 双向泵浦: 兼有上述优点,但成本高,7.2.2 EDFA构成和特性-特性,2019年10月17日5时11分,33,7.2.3 EDFA的重要指标-增益,1 .增益特性 放大器的增益与泵浦强度及光纤长度有关。 不同泵浦光功率下，当光纤长

16、度较短时，增益增加很快；而超过某一长度，增益反而下降。 原因：长度增加，光纤中泵浦光功率下降，且掺铒光纤损耗远大于普通光纤，从而导致增益下降。,掺铒光纤长度与放大器增益关系,对不同的泵浦功率存在一个最佳光纤长度。,2019年10月17日5时11分,34,7.2.3 EDFA的重要指标-增益,1 .增益特性 不同长度的掺铒光纤，在泵浦功率不受限时，最大的光放大器增益G受限于光纤长度。,泵浦功率与放大器增益关系,有饱和现象,2019年10月17日5时11分,7.2.3 EDFA的重要指标-增益,掺铒光纤长度与放大器增益关系,泵浦功率与放大器增益关系,在给定掺铒光纤的情况下，选合适的泵浦功率与光纤长度，实现优化设计。,2019年10月17日5时11分,36,7.2.3 EDFA的重要指标-带宽,2.EDFA的带宽 增益系数随着波长不同而不同。 带宽对波分复用十分重要，要求被放大各信号输出几乎相等增益平坦度。 EDFA在1.55m波段的带宽为3040nm。 用于DWDM系统，