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1、光放大器的重要性,影响：光放大器最重要的意义在于促使波分复用技术 (WDM) 走向实用化、促进了光接入网的实用化,历史：以1989年诞生的掺铒光纤放大器 (Erbium Doped Fiber Amplifier, EDFA) 代表的全光放大技术是光纤通信技 术上的一次革命,动机：解决电中继器设备复杂、维护难、成本高的问题,David Payne,波分复用系统中的光电中继,宽带宽的光放大器可以对多信道信号同时放大，而不需要进行解复用，光放大器的问世推动了DWDM技术的快速发展。,光放大器整形能力较差，在长途干线上需与光电中继器结合使用！,采用光放大器的中继方法,Optical Amplifie
2、rs,1、光放大器在现代光纤通信系统中的应用 光纤通信中用光纤来传输光信号。光纤的中继距离受限于光纤的损耗和色散。就损耗而言，目前光纤损耗典型值在1.31m波段为0.35dB/km左右，在1.55m波段为0.25dB/km左右。 以1989年诞生的掺铒光纤放大器(Erbium Doped Fiber Amplifier，EDFA)代表的光放大器技术可以说是光纤通信技术上的一次革命。 光放大器在光纤通信系统目前最重要的应用就是促使了波分复用技术(Wavelength Division Multiplexing，WDM)走向实用化。 光放大器还将促进光孤子通信技术的实用化。光孤子通信是利用光纤的非
3、线性来补偿光纤的色散作用的一种新型通信方式。 2、光放大器的发展史 光放大器的发展最早可追溯到1923年A斯梅卡尔预示的自发喇曼散射。1928年印度加尔各答大学的喇曼观测到自发喇曼效应。,这几种类型的光放大器的工作原理和激励方式各不相同。,(3)传输光纤放大器；其中有受激喇曼散射(Stimulated Raman Scattering，SRS)光纤放大器、受激布里渊散射(Stimulated Brilliouin Scattering，SBS) 光纤放大器和利用四波混频效应(FWM)的光放大器等。,(2)掺杂光纤放大器；就是利用稀土金属离子作为激光工作物质的一种放大器。,3、光放大器的分类 光
4、放大器按原理不同大体上有三种类型。 (1)半导体激光放大器；其结构大体上与激光二极管(Laser Diode，LD)相同。,(2) 受激辐射,(1) 能量注入,光放大器的工作原理,光放大器与激光器的区别是正反馈机制的有无？,Market for Optical Amplifiers,本章主要内容,光放大器的原理与一般特性 半导体光放大器 掺铒光纤放大器 光纤喇曼放大器,光放大器的原理与一般特性,光放大器的原理,基本原理：通过受激辐射或受激散射原理实现对入射光信号的放大，其机理与激光器完全相同。 基本结构：光放大器在结构上是一个没有反馈或反馈较小的激光器。,增益系数与光频率、光强有关！,对于增益
5、介质为均匀增宽的二能级系统，其增益系数可写为,光增益谱宽与带宽,在小信号放大时 ，增益系数为,增益带宽定义为增益谱 降至最大值一半处的全宽(FWHM),放大器的增益或放大倍数为,在长度为L的放大器中，光信号沿长度逐步被放大，光功率随距离的变化规律:,放大器的带宽 定义为 降至最大放大倍数一半（3dB）处的全宽度,它与介质增益谱宽 的关系为,二能级光放大器增益谱及相应介质的洛沦兹增益谱特性,放大器的带宽比介质增益谱宽窄得多,增益饱和,当P 增大至可与 Ps 相比拟时，g()降低，放大系数G()随信号功率增加而降低，这种现象叫增益饱和。,设输入光信号频率位于增益峰值（ ）处，光功率随距离按下述关系
6、变化,利用初始条件： ,对上式在放大器长度限内积分，可得放大器增益为,定义放大器增益降至最大信号增益一半时的输出功率为饱和输出功率,),放大器增益随输出功率的变化,显示出增益饱和特性,放大器噪声,所有光放大器在放大过程中都会把自发辐射(或散射)叠加到信号光上，导致被放大信号的信噪比(SNR)降低，噪声降低程度用噪声指数来表示,由散粒噪声限制的理想探测器,由自发辐射引入的噪声的谱密度几乎是一个常数（白噪声），可表示为,噪声电流的变化可表示为,放大信号的SNR为,外加正向偏压实现结区粒子数反转,外部光照导致受激辐射，信号光被放大,内部的自发辐射产生自发辐射噪声(ASE)，它也会被放大,没有谐振腔的
7、选择，SOA将同时输出 放大的光信号和自发辐射噪声,半导体光放大器物理原理,利用F-P干涉仪的理论可以求得该放大器的放大系数,放大器带宽,R1、R2为腔体解理面反射率；Vm为腔体谐振频率；VL为纵模间距。,为了得到大的放大系数， 应该尽量接近1，此时放大器带宽只是F-P谐振腔自由光谱范围的很小一部分(典型值 100GHz)，此时 10GHz。这样小的带宽使F-P放大器不能适用于大部分光波系统。 设计30dB放大系数(G=1000)的SLA，解理面的反射率应该满足： 为了得到反射率小于0.1的减反射膜，人们已经做了最大的努力。然而，用常规的方法却很难获得预想的低解理面反射率。为此，已开发出了另外
8、几种技术。,(b)掩埋解理面（窗口解理面）结构,(a)角度解理面（倾斜条）结构,近似行波（TW）的半导体激光放大器结构,反射率10-3,反射率10-4,放大器增益与波长的关系曲线,反射率约,放大器特性,对于行波半导体激光放大器，此时增益为,根据速率方程式，载流子浓度随注入电流和信号功率变化，此时速率方程可以写成,在连续光信号或脉冲宽度比 宽的情况下，使上式中的 0，可以求得N的稳态值。光增益变成,为小信号增益,饱和功率 为,减小偏振态对半导体激光放大器增益影响的三种结构,偏振态对半导体激光放大器增益影响,主要内容,EDFA的原理 EDFA的小信号增益与饱和特性 EDFA 的实现 EDFA的应用
9、 EDFA的自动增益控制技术 EDFA的增益平坦技术,EDFAErbium-Doped Fiber Amplifier,掺铒光纤放大器,原理：把泵浦光能量转化为信号光能量 工作范围：1300 1560 nm,铒离子的三能带结构,hv,hv,hv,hv,hv,hv,hv,hv,980 nm,亚稳态能带,泵浦能带,转化成机械能,EDF中Er+3能级图,吸收过程主要有： 基态4I15/24I9/2（对应800nm泵浦）； 4I15/24I11/2（对应980nm泵浦）；4I15/24I13/2（对应1480nm泵浦）； 荧光发射过程是从激发态4I13/24I15/2。,对于980nm波长的泵浦。铒离
10、子受激不断地从能级1转移到能级3上，经过约1us生存期，无辐射地落到能级2上。铒离子在能级2上的生存期约为10ms，所以能级2上的铒离子不断积累，形成了能级1、2之间的粒子数反转。在输入光子（信号光）的激励下，铒离子从能级2跃迁到能级1上，受激跃迁将伴随着与输入光子具有相同波长，方向和相位的受激辐射，使得信号光得到了放大；另一方面，也有少数粒子以自发辐射方式从能级2跃迁到能级1，产生自发辐射噪声，并且在传输的过程中不断得到放大，成为放大的自发辐射。如果是1480nm波长的泵浦，它可以直接将铒离子从能级1激发到能级2上去，实现粒子数反转。,动画13的演示,EDFA 主要由掺铒光纤(EDF)、泵浦
11、光源、耦合器、光隔离器及光滤波器组成，结构如下图所示。光耦合器的作用是将信号光和泵浦光复合在一起，注入到掺铒光纤中，一般采用波分复用器来实现。光隔离器是用来抑制光反射，防止光放大器自激，确保工作稳定。当较弱的信号光与较强的泵浦光一起输入EDF时，泵浦光激活EDF中的铒离子，跃迁到高能级态；在信号光的诱导下，铒离子受激辐射，跃迁到基态，产生与信号光相同的光子，实现光放大。,掺铝铒光纤的吸收与发射截面 （Er+3浓度为2.01024/m3 ）,掺铒光纤放大器结构（前向泵浦）,光耦合器的作用是将信号光和泵浦光复合在一起，注入到掺铒光纤中，一般采用波分复用器来实现； 光隔离器是用来抑制光反射，防止光放
12、大器自激，确保工作稳定； 当较弱的信号光与较强的泵浦光一起输入EDF时，泵浦光激活EDF中的铒离子，跃迁到高能级态； 在信号光的诱导下，铒离子受激辐射，实现光放大。 同时，有少部分离子以自发辐射的形式跃迁到基态，形成自发辐射噪声，并且消耗了部分泵浦功率。输出端设置光滤波器，以降低自发辐射噪声。,反向泵浦掺铒光纤放大器结构,双向泵浦掺铒光纤放大器结构,具有较高的输出信号功率,具有更高的输出信号功率，性能与信号传输方向无关,动画46的演示,EDFA的小信号增益与饱和特性,EDFA的增益与铒离子浓度、参铒光纤长度、芯径和泵浦功率等参数有关，可用三能级模型解释，因为受激发射均终止于基态。但由于当自发辐
13、射（即处于激发态3能级的离子迅速返回到2能级产生的辐射，它对光信号的放大不起作用）和激发态吸收被忽略时，使用简单的二能级模型更便于理解。,受激发射几率,稳态解,饱和功率,由于吸收、受激辐射和自发辐射作用，使泵浦功率和信号功率沿放大器长度方向变化，当忽略自发辐射影响时,吸收系数,该方程显示了增益G与掺铒光纤长度L和输入泵浦功率Pin的关系。,1.48m泵浦的EDFA放大特性,对给定的放大器长度L，放大器增益先随泵浦功率按指数增长，当泵浦功率超过某一值时，增长变慢了，这是由于EDF中的铒离子数目是有限的，只要泵浦功率达到某一值，就可将大部分的铒离子泵浦到高能级上。,对给定的泵浦功率，放大器增益随E
14、DF长度变化，并存在一最佳长度，使增益最大，超过此长度后，由于泵浦功率的消耗，最佳点后的EDF不能获得足够的泵浦，而且要吸收已放大的信号能量，导致增益很快降低。,输出信号功率 与输入泵浦功率 和输入信号功率 关系的解析表达式,EDFA的幅值特性和增益饱和特性,EDFA输出功率随输入功率变化,EDFA增益随输出功率的变化,功率放大器总体结构,后置功率放大器 ：后置功率放大器置于终端复用设备或中继设备的发射光源之后，在中继段中靠前的位置。主要作用是实现发送功率的推助，通过提高注入光纤的光功率（一般在10dBm以上），来延长传输距离。此时对放大器的噪声特性要求不高，主要要求线性功率放大特性。功率放大
15、器通常工作在增益-输入功率饱和区，以便提高泵浦功率转化为信号功率的效率。,线路放大器 ：线路放大器置于整个中继段的中间，是将EDFA直接插入到光纤传输链路中对信号进行放大的应用形式。一个中继段可以根据需要，配置多个线路放大器。这种配置主要应用于长距离通信或CATV分配网。此时要求EDFA的小信号增益高、噪声系数小，在DWDM系统中，对信号增益的平坦度也有较高的要求。,前置放大器 ：前置放大器置于中继段的末尾，光接收设备之前。主要作用是对经线路衰减的小信号进行预放大，从而提高光接收机的接收灵敏度。,自动增益控制技术,在实际的WDM系统和网络中，由于信号上下载、网络重构或器件的损坏等原因，将导致通
16、过EDFA的信道数发生变化。由于掺铒光纤放大器通常工作在饱和状态，它的饱和输出功率几乎是不变的，同信道数无关，所以各信道的增益将依赖于当前的信道数，信道数变化将导致增益的瞬态变化。 当信道数增加时，各信道的增益将下降，导致输出功率下降，降低信号的接收性能。 相反，当信道数减少时，各信道的增益将上升，导致输出功率增大，将导致光纤非线性效应的产生，引起系统性能的下降。 此外，由于光器件的偏振敏感性也会引起信号光的功率变化，导致EDFA增益的变化，造成信号光功率的波动。 特别是在使用级联EDFA的WDM网络中，单个EDFA的增益抖动将迅速被放大，使增益的波动范围变得更大。,自动增益控制方法,控制泵浦光功率的EDFA增益控制技术 控制输入光功率的增益控制技术 通过产生激光来钳制增益的增益控制技术 利用非线性效应的增益控制技术,电控自动增益控制的装置图,控制泵浦光功率的EDFA增益控制技术,缺点是EDFA的工
