第7章光放大器.pdf

掺铒离子单模光纤——增益介质 泵浦光作用——产生粒子数反转 信号光诱导——实现受激辐射放大
7.2.1 EDFA的工作原理
EDFA中的Er3+能级结构：
zEr3+在未受任何光激励的情况下，处在最低能级4I15/2上； z当泵浦光入射，Er3+吸收泵浦光的能量，向高能级跃迁，泵 浦光的波长不同，粒子所跃迁到的高能级也不同。
光放大器出现之前，光纤通信的中继器采用光－电－光(OE-O)变换方式。 可实现1R、2R、3R中继。
光放大器（O-O） 多波长放大、低成本；对光信号进行直接放大。 1R中继。
z 对色散限制的系统，由于波形畸变，需要对光信号进行再生， 采用光电转换的中继器。
z 对损耗限制的系统，只用对光信号进行放大，采用光放大器。
增益谱宽：增益谱g(ω)降至最大值一半处的全宽
对于洛仑兹分布的增益谱，增益带宽为：
Δωg = 2 / T2
或
Δν g
=
Δω g 2π
=
1
π T2
放大器的增益或放大倍数G： G = Pout / Pin
增益与增益系数的关系为：G(ω) = exp[g(ω)L]
放大器带宽ΔυA：增益G(ω)降至最大放大倍数一半处
+
P
/
Ps
小信号增益：
当P / Ps <<1，或 P << Ps ，称为小信号增益。 （ Ps 为饱和功率）
增益系数g可表示为：g(ω
)
=
1
+
(ω
g0
− ω0
)2
T22
¾ 当信号光的频率与介质的频 率相等时ω＝ ω0 ，增益取 得最大值。
¾ ω≠ω0 ，增益按洛仑兹分 布减小。
7.1.3 光放大器的主要指标－增益和带宽
7.1.2 光放大器的分类
实际应用的光放大器：
半导体激光放大器（SOA）——a
光纤放大器
掺杂光纤放大器——b 非线性光纤放大器——c
7.1.3 光放大器的主要指标
放大器的性能指标：
增益频谱和带宽 增益饱和 放大器噪声
放大器的增益频谱和带宽：
对于均匀展宽二能级系统，增益系数g可表示为：
4F9 / 2 4I9 / 2
4I11 / 2
4I13 / 2 1.48 μm
泵浦 4I15 / 2
0.65 μm 0.80 μm
3 0.98 μm
2 1.53 μm 光信号
1
7.2.1 EDFA的工作原理
泵浦光入射：
z1480 nm泵浦 掺铒光纤相当于一个二能级系统，吸收和辐射跃迁只涉及基态能 级4I15/2和激发态能级4I13/2。
g
(ω,
P)
=
1
+
(ω
−
g0 (ω) ω0 )2T22
+
P
/
Ps
¾ g0为由放大器泵浦大小决定的峰值增益，ω为入射光 信号的频率， ω0为激活介质的跃迁频率，P为信号光 功率，Ps为饱和光功率，T2为横向驰豫时间。
7.1.3 光放大器的主要指标－增益和带宽
g(ω
)
=
1
+
(ω
−
ω0
g0 ) 2 T22
z980 nm泵浦 掺铒光纤相当于一个三能级系 统。处于基态的Er3+离子在吸 收泵浦光子后被激发到4I11/2能 级，这一能级通过非辐射跃迁 衰变到4I13/2。
吸收泵浦光，亚稳态上的Er3+不断积累，从而实现粒子数反转。
7.2.1 EDFA的工作原理
信号光通过并放大：
当1550 nm波段的信号光通过这段掺铒 4F9 / 2 光纤时，亚稳态上的粒子以受激辐射 4I9 / 2
第七章 光放大器
本章内容： 7.1 光放大器概述 7.2 掺铒光纤放大器 7.3 铒镱共掺光纤放大器 7.4 光纤拉曼放大器 7.5 光纤布里渊放大器 7.6 半导体光放大器
7.1 光放大器概述
z 为了满足长距离通信的需要，必须在光纤传输线路上每隔 一定距离加入一个中继器．以补偿光信号的衰减和对畸变 信号进行整形，然后继续向终端传送。
前置放大(Pre-Amplify):提 高接收灵敏度
局域网的分配补偿放大器 ：补偿分配损耗，增大网 络节点数
7.2 掺铒光纤放大器
7.2.1 EDFA的工作原理
EDFA（ Erbium-Doped Fiber Amplifier ）
原理：经泵浦源的作用，工作物质粒子由低能级跃迁到高 能级，在一定泵浦强度下，得到了粒子数反转分布而具有 光放大作用，当工作频带范围内的信号光输入时，便得到 光放大。
的全宽度 与增益带宽的关系为：Δν
A
=
Δν
g
(
ln 2 g0 L − ln
) 2
由于放大器增益与增益系数为指数关系，所以放大器带
宽小于增益带宽。
7.1.3 光放大器的主要指标－增益饱和
g(ω
)
=
1
+
(ω
−
ω0
g0 ) 2 T22
+
P
/
Ps
增益系数与信号光功率有关
当P / Ps <<1，或 P << Ps ，称为小信号增益。 当P增大至可与Ps 相比拟时， g(ω) 随着P增大而减小 ，同时放大器增益G(ω)也减小。
的形式跃迁到基态，并产生和入射光 4I11 / 2
信号中的光子一模一样的光子，实现 4I13 / 2
了信号光在掺铒光纤的传输过程中的
1.48 μm 泵浦
不断放大。
4I15 / 2
0.65 μm 0.80 μm
3 0.98 μm
2 1.53 μm 光信号
1
=
I
2 p
σ2
=
(RPin )2
2q(RPin )+ν
=
Pin
2hνΔν
(SNR )out
=
I
2 p
σ2
=
(RGPin )2
σ2
≈
GPin 4SspΔf
NF
=
2nsp
(G G
−1)
≈
2nsp
7.1.4 光放大器的应用
光放大器的应用
在线放大(In-line)：周期 性补偿各段光纤损耗
功率放大(Boost)：提高入 纤功率，增加传输距离
7.1.3 光放大器的主要指标－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。在放大器输出端，信号已得到放大，但也 产生了新的自发辐射ASE噪声，导致信噪比下降。
放大器噪声指数NF——表示信噪比降低程度
N F = (SN R )in (SNR )out
(SNR )in
增益饱和
G
=
G0
exp( −
G −1 G
⋅
Pout Ps
)
7.1.3 光放大器的主要指标－增益饱和
饱和输出功率：
放大器增益从峰值增益下降3dB时的输出功率。
Psat out
=
G0 ln 2 G0 − 2
Ps
放大器峰
值增益G0
3dB
P sat out 增益饱和：当Pin增大 到一定值，G开始下降 饱和区域 。