掺铒光纤放大器

上式可用于讨论放大器的增 益带宽、放大倍数、饱和输 出功率等
一、光增益谱宽和放大器带宽 •小信号下，增益系数随的改变而按洛伦兹分布变化 •增益谱宽：增益系数降至最大值一半处的全宽（FWHM）
g
•放大器增益（或放大倍数）： G P out P in
1 T2
G expg L
半导体光放大器（SOA)
三、脉冲放大 1、增益压缩：输入光功率----载流子耗尽----增益减小 光脉冲的不同部分经历的放大不同，前沿经历的增益最大， 后沿最小脉冲过后增益开始恢复，恢复速度取决于载流子寿命 -----脉冲畸变
放大后 2、相位调制：增益调制的同时，引起有源区折射率变化， 导致脉冲相位的变化，脉冲各部分的相位变化不同 ---调频啁啾（自相位调制）
•基本概念
•在泵浦能量（电或光）的作用下，实现粒子数反转（非线性光 纤放大器除外），然后通过受激辐射实现对入射光的放大。与 激光器不同之处在于光放大器没有反馈机制。 •光放大器的增益不仅与信号光的频率有关，而且还依赖于其强度 对于均匀展宽的二能级系统，增益系数为：
g
g0 1 0 2 T22 P Ps
•光功率随距离的变化规律：
dP gP dz
•放大器带宽：放大器增益（放大倍数）降至最大放大倍数一 半处的全宽度（FWHM）
ln 2 A g g L ln 2 0
二、增益饱和与饱和输出功率 •起因：增益系数与功率的依从关系 •饱和输出功率： 放大器增益降至最大 小信号增益的一半时 的输出功率
放大前
半导体光放大器（SOA)
四、应用 1、多信道放大中存在的问题 •噪声大（Fn~8dB) •信道串扰（交叉增益调制XGM、四波混频FWM） •增益饱和引起信号畸变
2、其他应用 A、光波长转换：
光波长转换器（Wavelength Converter）是一种实现将光信号从某一波 长的光载波转换至另一波长光载波的器件，是波分复用光通信系统向 光网络演变的一个关键性器件。光波长转换器能使网络在不同节点处 重复使用某一个波长，这种“波长再利用”无疑能提高波长的利用效 率，有效地减少波分复用网络中所需波长的数量 机理： 基于SOA中的交叉增益调制（XGM） 基于SOA中的交叉相位调制（XPM） 基于SOA中的四波混频效应（FWM）
G0 ln 2 P Ps G0 2
s out
G 1 Pout G G0 exp G P s

•最大输出功率
三、放大器噪声
•起因：被放大的自发辐射（ASE）--ASE噪声
•ASE噪声近似为白噪声，噪声功率谱密度为：
Ssp G 1nsp h
•自发辐射因子（或反转因子）：nsp N 2 •ASE噪声功率：
R1R2
可增加带宽，减小Gmax和Gmin之差，
•行波半导体光放大器要求放大器的残余反射满足：
G R1R2 0.17
此时，放大器的增益特性，主要决定于G（）
半导体光放大器（SOA)
•降低端面反射的方法：
倾斜有源区法
窗面结构
二、行波半导体放大器特性 •带宽由介质的增益谱决定，可达70nm
g g V N N 0
N 2 N1
PASE 2nsp G 1hBASE
•噪声指数
ASE有效带宽， 由放大器增益谱特性决定
SNR in F SNR out
2nsp
G 1 2nsp 2 G
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四、应用
•线路放大（In-line）： 周期性补偿各段光纤损 耗 •功率放大（Boost）： 增加入纤功率，延长传 输距离 •前置预放大（Pre-Amplifier） 提高接收灵敏度
五、光放大器特点
1、对信号格式及码率透明 2、工作波段可选 3、宽带放大 4、高增益 5、低噪声
半导体光放大器（SOA)
半导体光放大器（SOA)
一、工作原理
1、F-P半导体光放大器 •增益
：纵模间隔 G()：增益轮廓 R1,R2：反射率
谐振峰3dB带宽：
半导体光放大器（SOA)
•多峰值、带宽窄，不适合系统应用，只可用于一些 信号处理 •减小
第06章 光放大器
光放大器基本概念
•概述
一、光电中继器（O-E-O） 装置复杂、耗能多、不能同时放大多个波长信道，在WDM 系统中复杂性和成本倍增，可实现1R、2R、3R中继
二、光放大器（O-O） 多波长放大、低成本，只能实现1R中继 三、光放大器类型：掺杂光纤放大器（EDFA、PDFA） 半导体光放大器（SOA） 非线性光纤放大器（FRA、FBA） 光纤参量放大器（FPA） 四、发展历程： 80年代中、后期SOA的研究为主；90年代EDFA获得巨大 成功，成为光纤通信系统必不可少的器件
半导体光放大器（SOA)
B、光脉冲压缩： 利用SOA自相位调制，形成啁啾脉冲，经负色散光纤传输， 实现压缩 C、光开关 直接调制SOA的注入电流实现光的通断 特点：高速、无损
掺铒光纤放大器(EDFA)
掺铒光纤放大器(EDFA)
一、发展历程 •1964年，提出掺钕（Nd3+）光纤放大器的设想 •1985年，低损耗掺杂SiO2光纤研制成功 •目前，掺Er3+光纤放大器（EDFA）最为成熟，是光纤通信 系统必备器件 •特点： –插损小、高增益、大带宽、偏振无关 –低噪声、低串扰、高输出功率等
掺铒光纤放大器(EDFA)
二、EDFA的工作原理 •EDFA采用掺铒离子单模光纤为增益介质， 在泵浦光作用下产生粒子数反转，在信号光 诱导下实现受激辐射放大 •EDFA中的Er3+能级结构： –受激辐射对应于4I13/2到4I15/2的跃迁 –泵浦波长可以是520、650、800、980、 1480nm –由于波长短于980nm的泵浦存在着较强 的受激带吸收，泵浦效率低，因而通常采 用980和1480nm泵浦 –上述两波长的泵浦效率可高达11dB/mW 和5dB/mW –泵浦可以同向、逆向形式泵浦 –由于光纤对1480nm的光损耗较小，所以 1480nm泵浦光又常用于遥泵方式
•增益系数与载流子浓度的关系
•载流子浓度由速率方程决定 •噪声指数：
N g Fn 2 NN g 0 int
：限制因子 g：微分增益系数 V：有源区体积
半导体光放大器（SOA)
•增益偏振相关性 •起因：限制因子和微分增益系数随输入光的偏振态变化而变化 •解决方法：采用宽、厚可比拟的有源层设计；使用方法着手。