光放大器概述

1、第第 13 講講 光放大器概述*橫向均勻激勵(lì)連續(xù)激光放大器 增益系數(shù)、最大輸出光強(qiáng)、增益譜寬 *縱向激勵(lì)連續(xù)激光放大器摻鉺光纖放大器 小信號(hào)增益、大信號(hào)增益、飽和輸出功率 脈沖行波放大器輸運(yùn)方程 反轉(zhuǎn)粒子數(shù)、光子數(shù)密度輸運(yùn)方程第六章 激光放大特性 光放大器概述 發(fā)展光放大技術(shù)的意義 1.獲得高質(zhì)量的大能量、高功率激光束（固體激光器） 大能量、高功率與方向性、單色性、脈寬相互制約 2.光通信系統(tǒng)中的光中繼器（EDFA) 3.全光信號(hào)處理器件(半導(dǎo)體光放大器SOA） 6.1 激光放大器的特點(diǎn)與分類(lèi) 光放大概念利用受激輻射實(shí)現(xiàn)光放大 光放大的前提條件g0g=0粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布吸收透明放大對(duì)入射光要求？

2、上述放大器與激光器的差別：無(wú)諧振腔行波光放大器激光器激光振蕩器再生（光）放大器 按工作方式分類(lèi): 對(duì)入射光要求： 行波放大器行波放大器: 只要求入射光頻率在增益介質(zhì)譜線(xiàn)范圍內(nèi) 再生放大器: 入射光需在諧振腔本征頻率附近, 保證頻率匹配g00I lI0P lPg00I0P lI lP1r2r1I2I2I1Igj T行波放大器再生放大器(F-P放大器)行波放大器增益 00PlPIlIG10lgG dBG(6.1.1)再生放大器增益 多光束干涉處理1212IIIIGscsssvlsinGrrGrrGrrG2411122122121(6.1.3)22121111sscGrrGrrG當(dāng)最大增益偏離c G

3、下降; r1、r2 越高，偏離c允許值越小，增益 g00I0P lI lP1r2r1I2I2I1I放大器增益再生放大器 行波放大器 GGs22121minmax11rrGrrGGGGFPFP17. 021rrGdBG2421107 . 1rrdBG30再生放大器舉例：半導(dǎo)體光放大器 h 3.23.4r1、r2 060nm1nm再生放大器再生放大器行波放大器行波放大器按入射光時(shí)間特性分類(lèi) 連續(xù)激光放大器 脈沖激光放大器 超短脈沖激光放大器 （入射信號(hào)脈寬t0 及工作物質(zhì)弛豫時(shí)間T） 弛豫：某種物理狀態(tài)的建立或消亡過(guò)程 弛豫時(shí)間 縱向弛豫時(shí)間T1：能級(jí)上的粒子數(shù)數(shù)目發(fā)生變化(T1t2) 橫向弛豫時(shí)

4、間T2位相弛豫時(shí)間 宏觀(guān)感應(yīng)電極化的產(chǎn)生和消亡的時(shí)間 電磁場(chǎng)共振相互作用同相， 碰撞等其它作用消相 DLLTTt211*22L為主D為主 固體 氣體 半導(dǎo)體 縱向弛豫時(shí)間(s) 10-310-4 10-610-9 10-9 橫向弛豫時(shí)間(s) 10-1110-12 10-810-9 10-12 按功能分類(lèi)按功能分類(lèi): （通信系統(tǒng)中）（通信系統(tǒng)中） 前置放大器: 小信號(hào)工作狀態(tài), 噪聲系數(shù)小 功率放大器: 大信號(hào), 增益飽和狀態(tài), 飽和輸出功率大 線(xiàn)路放大器：補(bǔ)償系統(tǒng)中各光纖段的損耗t0 T1 與連續(xù)波放大相似 穩(wěn)態(tài)方法T2 t0 T1 脈沖放大 非穩(wěn)態(tài)方法 t0 T2 超短脈沖放大 半經(jīng)典 光

5、激勵(lì)方式: 橫向（均勻）激勵(lì)： (固體或半導(dǎo)體光放大器) n，g0、Is 均為常數(shù) 縱向激勵(lì)：n，g0，Is 與傳輸距離有關(guān)(光纖放大器)I0(t)I1(t)聚光器泵浦燈激光工作物質(zhì)泵浦光980nm (1480nm)信號(hào)光1550nmI0(t)I1(t)摻鉺光纖6.2 橫向均勻激勵(lì)連續(xù)激光放大器特性 sIzI lgIlIGmexp000前置放大器一、一、( (有損有損) )光放大器小信號(hào)增益光放大器小信號(hào)增益 假設(shè): 均勻加寬、平均損耗系數(shù)、信號(hào)光頻率0I0(t)I1(t)聚光器泵浦燈Nd:YAG光隔離器Nd:YAG光泵增益 小信號(hào)增益 最大輸出光強(qiáng) 增益譜 飽和增益 （飽和輸出功率）小信號(hào)增

6、益激光振蕩器激光放大器二、二、( (有損有損) )光放大器大信號(hào)（飽和）增益光放大器大信號(hào)（飽和）增益 入射光信號(hào)較強(qiáng)或工作物質(zhì)足夠長(zhǎng) sIzI可得 mssmgIzIzIzdIIzIdzg111 11smIzIgdzzIzdI(6.2.1) 凈增益系數(shù)(功率增益)公式 smsmmmIIgIlIgglgIlI0011lnln輸出光強(qiáng) smsmmIIgIlIggGG000011lnln放大器增益I0 已知，放大器的 gm、l、 可以測(cè)得，Is 已知0lmg dz（無(wú)損）光放大器（如氣體介質(zhì)）輸出光強(qiáng)和增益表達(dá)式（略）(6.2.3)(6.2.4)自行推導(dǎo)自行推導(dǎo)三、最大輸出光強(qiáng)（飽和輸出功率）三、最

7、大輸出光強(qiáng)（飽和輸出功率） 當(dāng)輸入信號(hào)光很強(qiáng)或增益介質(zhì)很長(zhǎng)，由于增益飽和，放大器增益系數(shù)會(huì)下降直到凈增益系數(shù)為0，光強(qiáng)不再增加。 011smIzIgdzzIzdI1msmgII四、放大器的增益譜寬及輸出譜線(xiàn)輪廓四、放大器的增益譜寬及輸出譜線(xiàn)輪廓 (無(wú)損)小信號(hào)均勻加寬光放大器2lnln2ln00GH400G時(shí) H G0() 無(wú)損大信號(hào)均勻加寬光放大器： 中心頻率處飽和效應(yīng)強(qiáng)，偏離中心頻率飽和減弱 I (l) H(6.2.10) 習(xí)題6-2 自行推導(dǎo)6.3 縱向光激勵(lì)連續(xù)激光放大器的特性縱向光激勵(lì)連續(xù)激光放大器的特性 摻鉺光纖放大器 EDFAErbium Doped Fiber Amplifie

8、r 為什么EDFA屬于連續(xù)激光放大器？ 光信號(hào)速率：1081010b/s（T=10-810-10 s ）鉺離子 T1=10-2 s T0 0dzzIdp 泵浦光沿光纖 歸一化信號(hào)光、泵浦光輸運(yùn)方程 ppnn1312摻雜光纖中信號(hào)光的小信號(hào)吸收系數(shù)摻雜光纖中泵浦光的小信號(hào)吸收系數(shù) 00dzzIdIzIdzzIdIzIpthppthp光信號(hào)放大光信號(hào)放大 光信號(hào)衰減光信號(hào)衰減 pthpsppppIzIhzIzIt13 spppthhIt13(6.3.11)(6.3.12)閾值泵浦光強(qiáng) 1PthPIzI分子上可實(shí)驗(yàn)測(cè)定可實(shí)驗(yàn)測(cè)定衡量信號(hào)光在鉺光纖中傳輸時(shí)光強(qiáng)增長(zhǎng)或衰減衡量信號(hào)光在鉺光纖中傳輸時(shí)光強(qiáng)增

9、長(zhǎng)或衰減二、光纖放大器小信號(hào)增益特性 小信號(hào)增益 （信號(hào)光很弱）6.3.14代入6.3.15 llIIGpppop1exp10 0ln11GlIlIpppop 式 6.3.12歸一化泵浦光 lIlIIlIppoppopln輸出端歸一化泵浦光強(qiáng)(6.3.14) 1 zI 積分6.3.116.3.12 積分輸出端歸一化信號(hào)光強(qiáng) lIIIlIIlIppopopoplnln(6.3.15) 1 zI001lnlnlnln1111popppopppthpthIIlGlGII(6.3.16)(6.3.17)(6.3.18)實(shí)驗(yàn)測(cè)得(G0=1)實(shí)驗(yàn)測(cè)量=G0 G0與信號(hào)光強(qiáng)無(wú)關(guān), 與泵浦光強(qiáng) IP0及摻鉺光

10、纖長(zhǎng)度 l 有關(guān) 最佳長(zhǎng)度 lm 光纖長(zhǎng)度太長(zhǎng), 后端 Ip Ipth 信號(hào)光衰減； 光纖長(zhǎng)度過(guò)短 Ip 未充分利用 l = lm 時(shí) 應(yīng)有 Ip(lm) = Ipth Ip(lm)=1lp歸一化小信號(hào)增益歸一化摻鉺光纖長(zhǎng)度歸一化小信號(hào)增益歸一化泵浦功率 1設(shè)pthppIzIzI0ln11110mpmppthpoGlII1ln1pthpopthpopmIIIIl最佳長(zhǎng)度下的小信號(hào)增益1lnln0pthpopthpopmIIIIG結(jié)論: 存在最佳長(zhǎng)度，輸入泵浦光功率 Ipo l0, Gmo 光纖長(zhǎng)度一定, 若泵浦光功率過(guò)強(qiáng), 過(guò)剩的泵浦光 將從輸出端逸出, 對(duì)提高增益系數(shù)無(wú)作用若dBGIImpt

11、hpop346. 2310dBGIImpthpop308161010 spppsppppppphzIzIznz ,IzIznznnzIzIzIzInzIzIznnzIzIzIznt21211300011111111111 sppppshzIzIhzIzItt1321=Is(,z) 飽和光強(qiáng)不是常數(shù)，主要決定泵浦光強(qiáng)， 縱向泵浦特點(diǎn): Ip(z)隨傳輸距離變化, g0(z) , Is(,z)隨傳 輸距離變化, Ip(z)的變化還和信號(hào)光強(qiáng) I(z)有關(guān) (6.3.12)三、大信號(hào)增益特性表征EDFA高功率輸出能力(6.3.9)小信號(hào)通常用數(shù)值解法，從輸運(yùn)方程求大信號(hào) G 及 輸出功率 求最大泵浦

12、光功率時(shí)， l=lm(大信號(hào)下最佳長(zhǎng)度) 時(shí)的增益及輸出功率（方法與討論前面小信號(hào)情況相同）pthpopthpomppthmpIIIIGIIGlnln106.4 脈沖激光放大器的增益特性簡(jiǎn)化假設(shè)： 忽略光泵及SP的影響 n 橫向分布均勻 均勻加寬工作物質(zhì) l l0 hF1, f1=f2一、 脈沖行波光放大器輸運(yùn)方程 t0 T1SdzdttzNSdzdttzNtzndtStdzzNtzNSdzdtttzN,21vvv tzJtzJtznztzJttzJtzJtznttzn,2,2121vvvzz+dzzI0(t)J0(t)vtzNtzJ,三能級(jí)系統(tǒng)脈沖行波放大器輸運(yùn)方程(6.4.2)(6.4.3

13、)l光子流強(qiáng)度光子流強(qiáng)度邊界條件 lzntzntJtJ00,;,000二、脈沖激光放大器輸出能量及能量增益 能量增益能量增益 (GE )zz+dzzI0(t)J0(t)關(guān)鍵：由輸運(yùn)方程求J(l) 00JlJEEGlE=單位面積輸入的總光子數(shù)單位面積輸出的總光子數(shù)0ttt虛設(shè)變量 tt00000,0lSJhdttlJShESJhdttJShEl輸入信號(hào)能量輸出信號(hào)能量 dttJJt000 lJ？入射光脈沖波形信號(hào)入射前的n空間分布（均勻）求能量增益：無(wú)需考慮脈沖各點(diǎn)（不同時(shí)刻）的行為，數(shù)學(xué)處 理方法 采用對(duì)時(shí)間積分 6.4.2代入6.4.3后積分 zJznndzzdJt,2102 . 4 . 6

14、dttzJtzntzndznntt021,2,0 zJenzn2120,t代入 zJnedzzdJzJ0221121(6.4.11)非線(xiàn)性微分方程，數(shù)值求解dttzJvdtttznvdtztzJvdtttzJtttt0000,2,0 dzzdJt,0znn zJ tzvJtzJtznvztzJvttzJtzJtznttzn,2,2121(6.4.2)(6.4.3) dttzJzJt0, 幾種特殊情況下的 J(z) lneJlJzJndzzdJ0210021 (1) 小信號(hào)情況 lnJlJGE021exp0小信號(hào)能量增益 結(jié)論: GE與信號(hào)光強(qiáng)無(wú)關(guān), l, n0 GE ；GE與 l, n0 指數(shù)

15、增加 121zJ zJnedzzdJzJ0221121冪級(jí)數(shù)展開(kāi)取前兩項(xiàng) zJ2121 lllleJeneneJnlJ012202000積分后得 02120120000JlnGlnJenJlJEl1, 1lL較短結(jié)論: J(0)GE 增益飽和 強(qiáng)信號(hào)入射情況下, GE與 l, n0 線(xiàn)性增加, 而不是指 數(shù)增加, 因?yàn)閚0 被脈沖前沿ST大量抽空l(shuí)1強(qiáng)信號(hào)能量增益(2) 強(qiáng)入射信號(hào) 012121zJezJ zJnzJnedzzdJzJ0022112121 dznzJzdJ20改寫(xiě)為 lleneJnlJ20200開(kāi)始時(shí)如同小信號(hào)情況，按指數(shù)增加, 隨著傳輸距離的增加, 脈沖能量足夠強(qiáng), 出現(xiàn)增益飽和, 脈沖輸出能量趨于飽和不再增加 (3) l 足夠長(zhǎng) ，入射光信號(hào)強(qiáng)度介于兩者之間 0120JnGEGE 趨于穩(wěn)定值20nNm此時(shí)能量增益與放大器長(zhǎng)度無(wú)關(guān)，放大器輸出的最大光子數(shù)密度與輸入能量無(wú)關(guān)，僅與