第5章 光放大器(修改)

1、第第5 5章章 光放大器光放大器 第第5章章 光放大器光放大器 5.1 引言引言 5.2 摻鉺光纖放大器摻鉺光纖放大器EDFA 5.3 受激拉曼光纖放大器受激拉曼光纖放大器SRA 5.4 受激布里淵光纖放大器受激布里淵光纖放大器SBA 5.5 其他光纖放大器其他光纖放大器 5.6 半導(dǎo)體光放大器半導(dǎo)體光放大器SOA 5.7 光放大器的應(yīng)用光放大器的應(yīng)用 5.8 光纖激光器光纖激光器 5.9 光波長(zhǎng)變換器光波長(zhǎng)變換器 第第5 5章章 光放大器光放大器 復(fù)習(xí)復(fù)習(xí)2x2光纖耦合器P1輸 入 端 口P2P1P2輸 出 端 口拉 錐 區(qū)耦 合 區(qū)拉 錐 區(qū)1234MZI的結(jié)構(gòu)圖輸入端囗1輸入端囗23dB

2、 耦合器3dB 耦合器輸出端囗 1輸出端囗 2行程差 L34第第5 5章章 光放大器光放大器 5.1 引引 言言 在光放大器研制成功之前， 主要采用光電混合中繼器（或稱再生器）放大光信號(hào)。 首先將光纖中送來(lái)的光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)， 然后對(duì)電信號(hào)進(jìn)行放大， 最后再將放大了的電信號(hào)轉(zhuǎn)換為光信號(hào)送到光纖中去光電變換(O/E)放大器電光變換(E/O)光纖光纖光的范圍電的范圍光的范圍缺點(diǎn): (1)造價(jià)高 (2)速度低第第5 5章章 光放大器光放大器 5.2 摻鉺光纖放大器摻鉺光纖放大器EDFA 光纖放大器的主要特性如下： (1) 增益: 是輸出光功率與輸入光功率的比值（以dB為單位）。 (2) 增益效率:

3、 是增益對(duì)輸入光功率的函數(shù)。 (3) 增益帶寬: 是放大器放大信號(hào)的有效頻率范圍。 (4) 增益飽和: 一般情況下輸入信號(hào)應(yīng)該足夠大， 以便能引起放大器的飽和增益。 飽和時(shí)的增益隨信號(hào)功率增加而減小。 (5) 增益波動(dòng): 是增益帶寬內(nèi)的增益變化范圍（以 dB為單位）。 第第5 5章章 光放大器光放大器 (6) 噪聲: 與放大光信號(hào)有關(guān)的噪聲包括兩個(gè)方面： 光場(chǎng)噪聲和強(qiáng)度/光電流噪聲習(xí)題：一個(gè)EDFA功率放大器， 波長(zhǎng)為1542 nm的輸入信號(hào)功率為2 dBm， 得到的輸出功率為Pout=27 dBm， 求放大器的增益。 第第5 5章章 光放大器光放大器 5.2.1 EDFA的放大原理 摻鉺光纖

4、芯層的幾何模型 摻鉺高密度帶(1002000 ppm)直徑36 m摻鍺的纖芯直徑125 mSiO2包層直徑250 m涂覆層第第5 5章章 光放大器光放大器 圖5.4 EDFA的放大原理 第第5 5章章 光放大器光放大器 5.2.2 EDFA的組成結(jié)構(gòu) EDFA的基本組成， 包括： 泵浦激光、 波分復(fù)用(WDM)耦合器、 光隔離器和摻鉺光纖（EDF）以及光濾波器。EDFA的基本組成 第第5 5章章 光放大器光放大器 EDFA常用的結(jié)構(gòu)有三種， 即同向泵浦、 反向泵浦和雙向泵浦。 (1) 同向泵浦是一種信號(hào)光與泵浦光以同一方向從摻鉺光纖的輸入端注入的結(jié)構(gòu)， 也稱為前向泵浦。 噪聲性能較好。 (2)

5、 反向泵浦是一種信號(hào)光與泵浦光從兩個(gè)不同方向注入摻鉺光纖的結(jié)構(gòu)， 也稱為后向泵浦。較高的輸出功率。 （3） 雙向泵浦是同向泵浦與反向泵浦結(jié)合的方式。結(jié)合了以上兩種方式的優(yōu)點(diǎn)。第第5 5章章 光放大器光放大器 EDFA的三種結(jié)構(gòu) (a)(b)鉺光纖輸入光輸出光信號(hào)泵浦LDWDM鉺光纖輸入光泵浦LDWDM輸出光(c)鉺光纖輸入光泵浦LDWDM輸出光信號(hào)泵浦LDWDM光隔離器偏振器第第5 5章章 光放大器光放大器 5.2.3 EDFA的增益特性 (1)增益特性代表了放大器的放大能力， 其定義為輸出功率與輸入功率之比。 (2)EDFA的增益通常為1540 dB。 (3)影響增益大小的因素 a)光纖中的

6、摻鉺濃度 b)泵浦光功率 c)光纖長(zhǎng)度 d)泵浦光的波長(zhǎng)(980/1480nm)。第第5 5章章 光放大器光放大器 1.EDFA的噪聲 EDFA的噪聲主要有四種： 信號(hào)光的散粒噪聲； 被放大的自發(fā)輻射(ASE)； ASE光譜與信號(hào)光之間的差拍噪聲(指的是信號(hào)和ASE經(jīng)光檢測(cè)器輸出的光生電流表達(dá)式中的交叉項(xiàng))； ASE光譜間的差拍噪聲(指的是ASE的二次項(xiàng))。2.放大的自發(fā)輻射(ASE) 自發(fā)輻射的光子落在與信號(hào)光相同的頻率范圍內(nèi)， 但它們?cè)谙辔缓头较蛏鲜请S機(jī)的形成噪聲(它們對(duì)于信號(hào)光沒(méi)有貢獻(xiàn)而產(chǎn)生了信號(hào)帶寬內(nèi)的噪聲)。第第5 5章章 光放大器光放大器 (1)自發(fā)輻射因子即粒子數(shù)反轉(zhuǎn)因子(nsp

7、): 自發(fā)輻射因子越大， 光放大器所產(chǎn)生的放大的自發(fā)輻射的功率也越大。122NNNnsp (2)放大的自發(fā)輻射的平均總功率PASE： BGhfnPspASE2 其中， hf是光子的能量， G是放大器增益， B是放大器的光帶寬。 nsp越大， 放大的自發(fā)輻射(ASE)也越大。 第第5 5章章 光放大器光放大器 5.3 受激拉曼光纖放大器受激拉曼光纖放大器SRA SRA的放大原理 : 拉曼效應(yīng)是在光纖介質(zhì)中傳輸高功率信號(hào)時(shí)發(fā)生的非線性相互作用， 它是由介質(zhì)的分子激勵(lì)(聲子)所誘發(fā)的非彈性光子散射。 光與聲子相互作用導(dǎo)致斯托克斯(Stokes)線的頻移(與信號(hào)光頻不同)， 適當(dāng)?shù)剡x擇光纖介質(zhì)和泵浦頻

8、率， 可以將Stokes線調(diào)諧到被放大信號(hào)的頻率上。 第第5 5章章 光放大器光放大器 SRA的原理性結(jié)構(gòu)示意 光纖耦合器pas光纖光濾波器as(a)基態(tài)振動(dòng)態(tài)sp(b)E3E2E1asp(c)E3E2E1psasp第第5 5章章 光放大器光放大器 5.4 受激布里淵光纖放大器受激布里淵光纖放大器SBA SBA的放大原理 : 當(dāng)一個(gè)窄線寬、 高功率信號(hào)沿光纖傳輸時(shí)， 將產(chǎn)生一個(gè)與輸入光信號(hào)同向的聲波， 此聲波波長(zhǎng)為光波長(zhǎng)的一半， 且以聲速傳輸。 理解非線性布里淵效應(yīng)的一個(gè)簡(jiǎn)單方法是將此聲波想像為一個(gè)把入射光反射回去的移動(dòng)布拉格光柵， 由于光柵向前移動(dòng)， 因此反射光經(jīng)多普勒頻移后變?yōu)橐粋€(gè)較低的頻

9、率值。 第第5 5章章 光放大器光放大器 布里淵散射效應(yīng) 輸入信號(hào)(0194 THz)反射信號(hào)(0B)0.53 m光纖纖芯A5.8 mm / s聲波：B11 GHz第第5 5章章 光放大器光放大器 5.6 半導(dǎo)體光放大器半導(dǎo)體光放大器SOA 究開發(fā)光纖通信的初期就已著手研制SOA了， 但受噪聲、 偏振相關(guān)性、 連接損耗、 非線性失真等因素的影響， 其性能達(dá)不到實(shí)用化要求。 應(yīng)用量子阱材料的SOA具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單， 可批量生產(chǎn), 成本低, 壽命長(zhǎng), 功耗小等優(yōu)點(diǎn)， 并且便于與其他部件一塊集成， 可望制作出1310 nm和1540 nm波段的寬帶放大器。第第5 5章章 光放大器光放大器 5.6.1 S

10、OA的放大原理 Uf(c)(b)耗盡層(a)P 型N 型粒子數(shù)反轉(zhuǎn)：第第5 5章章 光放大器光放大器 SOA的基本工作原理 有源層光輸入信號(hào)光纖ARAR光纖放大的光輸出信號(hào)AR：防反射涂層泵浦源電流注入第第5 5章章 光放大器光放大器 SOA的兩種主要結(jié)構(gòu)： (1)法布里-珀羅放大器（FPA） 兩個(gè)端面上鍍多層介電薄膜。 當(dāng)光信號(hào)進(jìn)入腔內(nèi)后， 它在兩個(gè)端面來(lái)回反射并得到放大， 直至以較高的功率發(fā)射出去。 (2)非諧振的行波放大器（TWA) 兩個(gè)端面上鍍的是增透膜(防反射膜或涂層AR)。減少SOA與光纖之間的耦合損耗， 有源區(qū)不會(huì)發(fā)生內(nèi)反射. 只要注入的電流在閾值以上， 在腔內(nèi)仍可獲得增益， 入

11、射光信號(hào)只需通過(guò)一次TWA就會(huì)得到放大。第第5 5章章 光放大器光放大器 5.6.2 SOA的性能與應(yīng)用 SOA的應(yīng)用主要集中在以下四個(gè)方面： 1. 光信號(hào)放大器 2. 光電集成器件 3. 光開關(guān) 4. 全光波長(zhǎng)變換器AOWC 第第5 5章章 光放大器光放大器 5.7 光放大器的應(yīng)用光放大器的應(yīng)用 光放大器在不同的光纖通信系統(tǒng)中均有應(yīng)用，主要有四種基本的應(yīng)用。 (1) 在線放大器 (2) 后置放大器 (3) 前置放大器 (4) 功率補(bǔ)償放大器 第第5 5章章 光放大器光放大器 光放大的四種應(yīng)用情形(a) 在線放大器； (b) 后置放大器； (c) 前置放大器； (d) 功率補(bǔ)償放大器(a)光

12、TX光 RXG光纖鏈路光 TX光 RXG(b)(c)(d)光 TX光 RXG光 RX光 RX光 TX光 RXG第第5 5章章 光放大器光放大器 5.8 光光 纖纖 激激 光光 器器 鉺光纖激光器的結(jié)構(gòu) 泵浦激光鉺光纖EDFWDM耦合器泵浦激光WDM耦合器偏振控制器光濾波器輸出激光耦合器5.8.1摻鉺光纖激光器第第5 5章章 光放大器光放大器 單/多波長(zhǎng)光纖光柵激光器的基本組成 (a) 單波長(zhǎng)； (b) 多波長(zhǎng)泵浦激光隔離器光柵光柵輸出摻鉺光纖(EDF)泵浦激光隔離器光柵光柵輸出(a)光柵光柵EDFEDF(b)5.8.2 光纖光柵激光器第第5 5章章 光放大器光放大器 5.9 光波長(zhǎng)變換器光波長(zhǎng)變換器 5.9.1 半導(dǎo)體光放大器(SOA)中的交叉增益調(diào)制(XGM)技術(shù) SOA-XGM的基本結(jié)構(gòu)和原理 (a) 基本結(jié)構(gòu)； (b) 原理探測(cè)光s泵浦光pSOA偏流變換后輸出s濾波器SOA的增益變換輸出輸入光功率(b)(a)第第5 5章章 光放大器光放大器 5.9.2 半導(dǎo)體光放大器中的交叉相位調(diào)制（XPM）技術(shù) MZI型SOA-XPM型AOWC CW探測(cè)波(