光放大器（課堂PPT）

1、.1第六章 光纖放大器n光放大器結(jié)構(gòu)n光放大器要求及存在問(wèn)題n光放大器種類n半導(dǎo)體放大器n摻鉺光纖放大器n光纖拉曼放大器 .2光放大器概述結(jié)構(gòu).3光放大器主要結(jié)構(gòu)及要求要求：n提供增益n對(duì)光信號(hào)的比特率、調(diào)制方式、功率和波長(zhǎng)不敏感存在問(wèn)題n增益問(wèn)題n整個(gè)光譜區(qū)內(nèi)增益譜不一定平坦n附加噪聲n光纖的色散和非線性效應(yīng)無(wú)阻礙通過(guò).4光放大器種類半導(dǎo)體光放大器：激活介質(zhì)（該介質(zhì)的載流子反轉(zhuǎn)到激發(fā)態(tài)，能使外輸入光場(chǎng)產(chǎn)生受激輻射而獲得相干增益）X光纖放大器n光纖拉曼放大器（FRA)n光纖布里淵放大器（FBA)n摻鉺光纖放大器（EDFA) 摻稀土元素FRA和FBA利用光纖非線性效應(yīng)，非線性散射實(shí)用：EDFA,

2、FRA.5具體放大器半導(dǎo)體光放大器（SOA) 實(shí)際使用少SOA是一個(gè)具有或不具有端面反射（消反射膜降低了面反射）的半導(dǎo)體激光器。電流使介質(zhì)產(chǎn)生載流子數(shù)反轉(zhuǎn)，將電子從價(jià)帶轉(zhuǎn)移到導(dǎo)帶，從而產(chǎn)生自發(fā)輻射，當(dāng)外光場(chǎng)出現(xiàn)時(shí)就可能發(fā)生受激發(fā)射，受激發(fā)射產(chǎn)生信號(hào)增益。SOA包括兩種：FP腔體FPA行波型TWASOA優(yōu)點(diǎn)：尺寸小，功率消耗低，便于光電集成SOA缺點(diǎn)：扦入損耗大，對(duì)偏振敏感，與光纖連接耦合損失功率大.6l摻鉺光纖放大器（EDFA:ErbiumDoped Fiber Amplifier）EDFA是目前性能最完善、技術(shù)最成熟、應(yīng)用最廣泛的光纖放大器。l主要特性：高增益、低噪聲、對(duì)偏振不敏感，帶寬35

3、nm40nm、中心波長(zhǎng)1550nm、半導(dǎo)體泵浦源，為1.55um窗口的光通信帶來(lái)了一場(chǎng)革命。l工作原理l鉺（Er）是一種稀土元素，原子序數(shù)是68，光放大利用了鑭子元素的4f能級(jí)。l 能級(jí)圖： 2114I2134I2154I3rE.7由于石英基質(zhì)的作用，4f的每個(gè)能級(jí)分裂為一個(gè)能帶。圖中能帶稱為基態(tài)、能帶稱為亞穩(wěn)態(tài)（亞穩(wěn)態(tài)上粒子的平均壽命為 10ms）、能帶稱為泵浦態(tài)（粒子在泵浦態(tài)上的平均壽命為1us）。980nm和1480nm大功率半導(dǎo)體激光器已完全商用化，泵浦效率高，用作泵浦源。l基本原理： 吸收了泵浦光的能量，由基態(tài)躍遷至已處于高能級(jí)的泵浦態(tài)（對(duì)于不同的泵浦波長(zhǎng)電子躍遷至不同的能級(jí)）由于泵

4、浦態(tài)上載流子的壽命時(shí)間只有1ns，電子迅速以非輻射方式由泵浦態(tài)豫馳至亞穩(wěn)態(tài)，在亞穩(wěn)態(tài)上載流子有較長(zhǎng)的壽命，在源源不斷的泵浦下，亞穩(wěn)態(tài)上的粒子數(shù)積累，從而實(shí)現(xiàn)了粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布。3rE.8 當(dāng)有1.55um信號(hào)光通過(guò)已被激活的摻鉺光纖時(shí)，在信號(hào)光的感應(yīng)下，亞穩(wěn)態(tài)上的粒子以受激輻射的方式輻躍遷到基態(tài)。 每一次躍遷都產(chǎn)生一個(gè)與感應(yīng)光子完全一樣的光子，從而實(shí)現(xiàn)了信號(hào)光在摻鉺光纖的傳播過(guò)程中不斷放大。 在放大過(guò)程中，亞穩(wěn)態(tài)的粒子也會(huì)以自發(fā)的輻射方式躍遷到基態(tài)，自發(fā)輻射產(chǎn)生的光子會(huì)被放大，引入噪聲。EDFA的組成核心部分：摻鉺光纖光耦合器：耦合輸入光、泵浦光光濾波器：濾除泵浦光泵浦光源：1480nm的多量子

5、阱（M&N)激光器980nm的多量子阱（M&N)激光器.9l三種配置方式：l同向泵浦：信號(hào)光與泵浦光同向l反向泵浦：信號(hào)光與泵浦光反向l雙向泵浦：l同向泵浦 噪聲小，輸出功率比較大.10反向泵浦 噪聲大，輸出功率大 .11雙向泵浦 比較適中.12lEDFA 的性能l泵浦效應(yīng)：能量從泵浦光轉(zhuǎn)換成信號(hào)光的效率（85%95%)l增益頻譜：增益曲線半極大值帶寬（FWHM)大于10nm，摻適當(dāng)?shù)腁l后，帶寬會(huì)增大，增益頻譜平坦。l增益：3040dB（影響因素：鉺離子濃度、放大器長(zhǎng)度、芯徑、泵浦光功率）l摻鉺光纖長(zhǎng)度：典型10m20ml增益系數(shù)：1mW泵浦功率對(duì)放大增益的貢獻(xiàn)，單位：dB/

6、mWl放大器自發(fā)輻射噪聲（ASE,散粒、ASE信號(hào)頻率）lEDFA的主要優(yōu)點(diǎn)l放大窗口與1550匹配lEDFA是一段光纖，與線路光纖耦合容易，耦合損耗小l噪聲系數(shù)低：4dB7dBl增益高：20dB40dB，飽和輸出功率大，8dBm15dBml對(duì)信號(hào)透明l泵浦功率低l多個(gè)波長(zhǎng)放大不存在串?dāng)_l結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可靠性高、體積小l具有雙向放大作用.13EDFA的應(yīng)用中繼 、在線放大EDFA作為發(fā)射機(jī)的功效，功率放大器（要求功率大）直接放在接收機(jī)前面，作為前置放大器（同向模式，要求功率低、噪聲?。┕饫w拉曼放大器（FRA)組成工作原理石英光纖有很寬的受激拉曼散射（SRS)增益譜基礎(chǔ).14l光纖拉曼放大器，基于非

7、線性光學(xué)效應(yīng)原理，利用強(qiáng)泵浦光束通過(guò)光學(xué)傳輸時(shí)產(chǎn)生受激拉曼散射。如果一個(gè)弱信號(hào)光與一個(gè)強(qiáng)泵浦光同時(shí)在一根光纖中傳輸，并且弱信號(hào)光得波長(zhǎng)在泵浦光的拉曼增益帶寬內(nèi)，則強(qiáng)泵浦光的能量通過(guò)受激拉曼散射耦合到光纖石英材料的振蕩模中，然后又以較長(zhǎng)的波長(zhǎng)發(fā)射，該波長(zhǎng)就是信號(hào)光的波長(zhǎng)，從而使弱信號(hào)得到放大，獲得拉曼增益。l特征：SRS入射泵浦光子效應(yīng)放棄它的能量，產(chǎn)生一個(gè)光子。（能量轉(zhuǎn)移）l特性：l拉曼增益和帶寬，設(shè) 光信號(hào)的拉曼增益與有密切關(guān)系13.2THz時(shí)，拉曼增益達(dá)到最大，此時(shí)對(duì)應(yīng)的信號(hào)波長(zhǎng)比泵浦光的波長(zhǎng)要長(zhǎng)60nm100nm，帶寬100nm光信號(hào)的拉曼增益與泵浦光的功率有關(guān)，在一定范圍內(nèi)成正比噪聲系數(shù)高光纖拉曼放大器的噪聲系數(shù)比EDFA小增加拉曼增益，可以減少噪聲指數(shù)SPRWW .15分布式拉曼放大器與常規(guī)EDFA混合使用，在一定的增益范圍內(nèi)，能有效的降低系統(tǒng)的噪聲指數(shù)，增加傳輸跨距拉曼放大器對(duì)光纖通信系統(tǒng)傳輸?shù)挠绊懴到y(tǒng)性能質(zhì)量Q參數(shù)p：入射信號(hào)功率 G:放大器增益N:光放大器數(shù)量 Be：的電帶寬Hv：常數(shù) F:放大器噪聲系數(shù)，在拉曼放大器和EDFA的混合系統(tǒng)中EDFA+DRA系統(tǒng)的F比EDFA小4dB得Q比只使用EDFA大2dB應(yīng)用EDFADRA的組合使用，擴(kuò)大系統(tǒng)傳輸距離DRA 是提升現(xiàn)有的光纖線路到40Gb/s的關(guān)鍵器件hvGFBe/ NPQ RGRGFFF/.1640Gb/