第四讲光纤激光器和光放大器

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光电探测理论与技术四

OPTICAL DETECTION THEORY AND TECHNOLOGY 20131光电仪器中的激光器光电探测理论与技术第四讲提纲•激光器在光电仪器中的应用•激光的基本概念•半导体激光器的特点及技术进展•光纤激光器简介OPTICAL DETECTION THEORY AND TECHNOLOGY 20133激光器在光电仪器中应用Worldwide commercial laser revenues 激光器各类应用科研与军事仪器与传感器OPTICAL DETECTION THEORY AND TECHNOLOGY 20134通信与光存储市场•数据通信和光存储的半导体激光•光纤通讯领域是半导体激光器应用的最大市场，常用LD 是1.3μm 和1.55μm 的InGaAsP/InP 半导体激光器DFB ( Distributed Feedback)OPTICAL DETECTION THEORY AND TECHNOLOGY 20135EDFA 光纤放大器•EDFA 光纤放大器•0.98μm 和1.48μm LD 是掺铒光纤放大器的泵浦源，掺铒光纤放大器可用作光发射机的功率放大、线路放大、无再生中继、接收机的前置放大等。

Wavelength 1530 ~ 1565 nm Small Signal Gain 35(dB)DBR DBROPTICAL DETECTION THEORY AND TECHNOLOGY 20136EDFA模块技术参数OPTICAL DETECTION THEORY AND TECHNOLOGY 20137光存储系统用激光器OPTICAL DETECTION THEORY AND TECHNOLOGY 20138不同光存储系统比较OPTICAL DETECTION THEORY AND TECHNOLOGY 20139多层刻录技术多层刻录对半导体激光器提出更高要求。

TDK 已经宣布研发出4层、容量为100GB 的蓝光碟。

光放大器与激光器原理

光放大器与激光器原理
光放大器和激光器都是基于激光放大原理工作的光学器件，但它们在功能和应用上有所不同。

光放大器的原理是通过将输入的光信号经过放大后输出，从而增加光信号的强度。

光放大器通常使用光纤或半导体材料作为工作介质。

当输入光信号进入光放大器中，它会与工作介质中的激发态粒子相互作用，从而导致激发态粒子退激发并释放出额外的能量。

这些能量会被传递给输入光信号，使其增强。

典型的光放大器包括光纤放大器和半导体光放大器。

激光器的原理是通过光放大器中的正反馈和激发态粒子的逆转跃迁来产生激光光束。

在激光器中，初始的光信号被输入到光放大器中，然后通过正反馈的反射和逆转跃迁的过程，在工作介质中产生高度相干和高能量的光子。

这些光子会被反射或透射出来，形成一个激光束。

激光器广泛应用于通信、医疗、测量、材料加工等领域。

常见的激光器包括气体激光器、固体激光器和半导体激光器。

总的来说，光放大器的主要功能是增强输入光信号的强度，而激光器则是在此基础上产生高度相干和高能量的激光光束。

大模场面积光纤高功率光纤激光器与光纤放大器

大模场面积光纤高功率光纤激光器与光纤放大器随着大功率半导体激光技术的发展，半导体激光泵浦的固体激光器（DPSSL）在很大程度上克服了灯泵浦固体激光器的效率低、规模难以扩大、亮度随规模扩大而增大有限、介质热变形导致的光束质量下降等问题。

随着半导体激光器阵列价格的下降和固体激光器性能的提高，高功率DPSSL必将获得更为广泛的应用。

虽然DPSSL相对于CO2和灯泵Nd：YAG具有很大的优越性和竞争力，但由于在激光产生时总有一部分能量以无辐射跃迁的方式转换为热，对于常规的棒状DPSSL，高功率时存在严重的热透镜和热致双折射效应，从而使得光束质量下降。

这部分热能量如何从棒状激光介质中散发、排除，成为获得高光束质量、高功率输出的关键。

将块状激光介质做成薄片或拉成细长光纤形状，将会有效增大散热表面积，使表面积/体积比大大提高，有利于固体激光器散热问题的解决，这就是高功率固体激光器发展的两个重要方向：薄片激光器和光纤激光器。

通常所说的光纤激光器，就是采用光纤作为激光介质的激光器，通过在光纤基质材料中掺杂不同的稀土离子，获得所对应波段的激光输出。

对于常规的单模光纤激光器，要求注入到纤芯的泵浦光也必须为单模，这限制了泵浦光的入纤效率，导致光纤激光器的输出功率和效率较低。

双包层光纤的提出，为提高光纤激光器的输出功率和转换效率提供了有效的技术途径，改变了光纤激光器只能作为一种小功率光子器件的历史。

考虑到量子转换效率、抗激光损伤阈值和基底损耗等原因，掺镱石英双包层光纤是实现高功率光纤激光器或放大器的最佳选择。

随着双包层光纤制作工艺和高功率半导体激光泵浦技术的发展，单根双包层光纤激光器的输出功率逐步提高，连续输出功率已经达到千瓦级。

大模场面积双包层光纤双包层光纤中折射率呈典型的阶跃式分布，对于圆形的掺杂纤芯，双包层光纤激光器能否实现单模激光输出，取决于纤芯的直径d和数值孔径NA0，实际的单模条件为归一化频率。

要保证双包层光纤激光器实现单模激光输出，纤芯的参数必须满足上述条件。

《光放大器》ppt课件

第6章光放大器
当具有1550 nm波长的光信号经过这段掺铒光纤时，亚稳态的粒子以受激辐射的方式跃迁到基态，并产生出和入射光信号中的光子一模一样的光子，从而大大添加了信号光中的光子数量，即实现了信号光在掺铒光纤的传输过程中不断被放大的功能，掺铒光纤放大器也由此得名。
第6章光放大器
亚稳态受激辐射
4 I15 /2
基态
1550 nm
图6.4 铒的能级图
第6章光放大器
铒的能级图如图6.4所示。其发光原理可用三能级系统来解释，基态为4I15/2，激发态为4I13/2， 4I11/2。在泵浦光的鼓励下， 4I11/2能级上的粒子数不断添加，又由于其上的粒子不稳定，很快跃迁到亚稳态4I13/2 能级，从而实现了粒子数反转。
第6章光放大器
那些与信号同方向的自发辐射光子被激活介质放大, 这些由自发辐射产生并经放大了的光子组成放大的自发辐射(ASE), 由于它们在相位上是随机的，它们对于信号光没有奉献而产生了信号带宽内的噪声。
没有外部激发所产生的自发辐射依赖于较高和较低能级上相对的粒子数，这很容易了解。自发辐射因子即粒子数反转因子(nsp)可以定义为
第6章光放大器
铒
输入光
光纤
泵浦 LD WDM
(a)
输出光输入光
铒
光
纤输出光信号泵源自 LD WDM(b)铒
输入光
光纤
输出光信号
泵浦 LD WDM
泵浦 LD WDM
(c)
图6.6 EDFA的三种构造
光隔离器偏振器
第6章光放大器
EDFA有如下优点：〔1〕转移效率高，从泵浦源吸收的光功率转移到被放大的光信号上的功率效率大于50%。〔2〕放大的谱宽与目前WDM系统的光谱范围一致，适宜于WDM光纤通讯。〔3〕具有较高的饱和输出光功率，为1 mW(10～ 25 dBm)。〔4〕动态范围大。

4-光放大器和光纤激光器课件

3
光放大器的发展最早可追溯到1923年A·斯梅尔卡预示的自发喇曼散射，而后，科学家在半个世纪的时间里做了大量研究。1987年英国南安普敦大学和美国A T&T 贝尔实验室报道了离子态的稀土元素铒在光纤中可以提供1.55µm波长处的光增益，这标志着掺铒光纤放大器（EDFA）的研究取得突破性进展。1989年现安捷伦科技有限公司制成首件半导体光放大器（Semiconductor Optical Amplifier，SOA）产品。
光放大器是可将光纤线路上微弱的光信号直接放大的器件，它的出现免去了光在放大时必须经过的光/电/光转换，使光纤通信技术产生了质的飞跃。
8
光放大器是基于受激辐射或受激散射的原理来实现对微弱入射光进行放大的，其机制与激光器类似。当光介质在泵浦电流或泵浦光作用下产生粒子数反转时就获得了光增益。
15
目前在线路中使用的光放大技术主要是采用E DFA，EDFA 属于掺杂稀有元素的光纤放大器家族中的一种，此外其他可能的掺杂元素还包括钕（通常用于高功率的激光器）和镱（它们通常和铒一起混合用）等元素。目前已经商品化并获得大量应用的是EDFA。
16
拉曼放大器（FRA）
FRA的工作原理是基于受激拉曼散射（SRS）的非线性效应，在光纤中光功率较高时就会产生受激拉曼散射。FRA利用强的光源对光纤进行激发，使光纤产生非线性效应，在受激发的一段光纤的传输过程中得到放大。它的主要缺点是需要大功率的半导体激光器做泵浦源（约0.5-1w），因而其实用化受到了一定的限制。
脉冲整形
电信号
光信号
电光转换
6
光/电/光中继器需要光接收机和光发送机来分别完成光电变换和电光变换，其设备复杂，维护不便，速度慢。随着光纤通信的速率不断提高，这种光电光中继器的成本也随之提高，使得光纤通信系统的成本增加，性价比下降。

实验五光纤激光器与光纤放大器的设计实验

实验五光纤激光器与光纤放大器的设计实验一、实验目的1、掌握掺铒有源光纤的增益放大特性；2、掌握光纤激光器的原理及其基本结构，掌握光纤激光器的设计及其波长调谐方法；3、掌握光纤放大器的原理及其基本结构，掌握光纤放大器的设计以及基本特性参数的测试方法。

二、实验原理（一）光纤激光器的基本结构光纤激光器和其它激光器一样，由能产生光子的增益介质、使光子得到反馈并在增益介质中进行谐振放大的光学谐振腔和激励光跃迁的泵浦源三部分组成。

纵向泵浦的光纤激光器的结构如图1所示。

图1 光纤激光器原理示意图一段掺杂稀土金属离子的光纤被放置在两个反射率经过选择的腔镜之间，泵浦光从左面腔镜耦合进入光纤。

左面镜对于泵浦光全部透射和对于激射光全反射，以便有效利用泵浦光和防止泵浦光产生谐振而造成输出光不稳定。

右面镜对于激射光部分透射，以便造成激射光子的反馈和获得激光输出。

这种结构实际上就是Fabry-perot 谐振腔结构。

泵浦波长上的光子被介质吸收，形成粒子数反转，最后在掺杂光纤介质中产生受激发射而输出激光。

激光输出可以是连续的，也可以是脉冲形式的，依赖于激光工作介质。

对于连续输出，激光上能级的自发发射寿命必须长于激光下能级以获得较高的粒子数反转。

通常当激光下能级的寿命超过上能级时只能获得脉冲输出。

光纤激光器有两种激射状态，一种是三能级激射，另一种是四能级激射，图2(a)、(b)分别表示三能级和四能级系统的跃迁系统的简化能级图。

两者的差别在于较低能级所处的位置。

在三能级系统中，激光下能级即为基态，或是极靠近基态的能级。

而在四能级系统中激光下能级和基态能级之间仍然存在一个跃迁，通常为无辐射跃迁，电子从基态提升到高于激光上能级的一个或多个泵浦带，电子一般通过非辐射跃迁到达激光上能级。

泵浦带上的电子很快弛豫到寿命比较长的亚稳态，在亚稳态上积累电子造成粒子数多于激光下能级，既形成粒子数反转。

电子以辐射光子的形式放出能量回到基态。

这种自发发射的光子被光学谐振腔反馈回增益介质中诱发受激发射，产生与诱发这一过程的光子性质完全相同的光子，当光子在谐振腔内所获得的增益大于其在腔内损耗时，就会产生激光输出。

现代光纤通信技术及应用第4章光放大器与光纤激光器

4.1.1 增益和增益带宽
增益G是描述光放大器对信号放大能力的参数，定义为输出光功率与输入光功率之比。 1. 增益
2. 增益带宽
Pout G (dB)＝10lg Pin
G＝Pout/Pin
增益带宽是指光放大器有效的频率（或波长）范围，通常指增益从最大值下降3dB时对应的波长范围。
4.1.2 增益饱和
4.3.2 光纤拉曼放大器的结构和特点
图光纤拉曼放大器的基本结构
4.3.2 光纤拉曼放大器的结构和特点
FRA的特点
（1）拉曼其对于开发光纤的整个低损耗区具有无可替代的作用。（2）增益介质为传输光纤本身，与光纤系统具有良好的兼容性。（3）串扰小，温度稳定性好，噪声指数低。（4）FRA饱和功率高，增益谱调整的方式直接且多样，放大作用的时间短，可实现对超短脉冲的放大。
图铒离子能级图
4.2.2 掺铒光纤放大器的工作原理及特性
1
增益
带宽
2
输出功率
3
4
噪声系数
4.2.2 掺铒光纤放大器的工作原理及特性
对应用于最大输出功率的饱和 EDFA （称为功率放大器），可定义功率转换效率为
PCE＝
P
out s
P
in p
in s
P
p ≤ ≤1 s P
P
out s in p
4.2.5 掺铒光纤放大器的应用
1. 功率放大器
2. 线路放大器
应用
3. 前置放大器
4.3
PART 03
光纤拉曼放大器
1
内容
4.3.1 光纤拉曼放大器的工作原理
2
4.3.2 光纤拉曼放大器的结构和特点
3

梁瑞生《现代光纤通信技术及应用》课后习题及参考答案

第1章概述1－1、什么是光纤通信？参考答案：光纤通信(Fiber-optic communication)是以光作为信息载体，以光纤作为传输媒介的通信方式，其先将电信号转换成光信号，再透过光纤将光信号进行传递，属于有线通信的一种。

光经过调变后便能携带资讯。

光纤通信利用了全反射原理，即当光的注入角满足一定的条件时，光便能在光纤内形成全反射，从而达到长距离传输的目的。

1－2、光纤通信技术有哪些特点？参考答案：(1)无串音干扰，保密性好。

(2)频带极宽，通信容量大。

(3)抗电磁干扰能力强。

(4)损耗低，中继距离长。

(5)光纤径细、重量轻、柔软、易于铺设。

除以上特点之外，还有光纤的原材料资源丰富，成本低;温度稳定性好、寿命长等特点。

1－3、光纤通信系统由哪几部分组成？简述各部分作用。

参考答案：光纤通信系统最基本由光发送机、光接收机、光纤线路、中继器以及无源器件组成。

其中光发送机负责将信号转变成适合于在光纤上传输的光信号，光纤线路负责传输信号，而光接收机负责接收光信号，并从中提取信息，然后转变成电信号，最后得到对应的话音、图象、数据等信息。

(1)光发送机：由光源、驱动器和调制器组成，实现电/光转换的光端机。

其功能是将来自于电端机的电信号对光源发出的光波进行调制，成为已调光波，然后再将已调的光信号耦合到光纤或光缆去传输。

(2)光接收机：由光检测器和光放大器组成，实现光/电转换的光端机。

其功能是将光纤或光缆传输来的光信号，经光检测器转变为电信号，然后，再将这微弱的电信号经放大电路放大到足够的电平，送到接收端的电端机去。

(3)光纤线路：其功能是将发信端发出的已调光信号，经过光纤或光缆的远距离传输后，耦合到收信端的光检测器上去，完成传送信息任务。

(4)中继器：由光检测器、光源和判决再生电路组成。

它的作用有两个：一个是补偿光信号在光纤中传输时受到的衰减;另一个是对波形失真的脉冲进行整形。

(5)无源器件：包括光纤连接器、耦合器等，完成光纤间的连接、光纤与光端机的连接及耦合。

光放大器的名称和特点

光放大器的名称和特点光放大器是一种有效的光学系统，是用来放大光信号的，从而提高信号的功率、范围和信噪比。

它被广泛应用于微波通信系统、光学网络、宽带传输系统、机载光学系统以及激光技术应用中。

光放大器有各种各样的类型，如常见的有光纤放大器、半导体放大器、光纤放大器、激光器放大器、光固体放大器等。

每种类型的光放大器都具有独特的特点，需要根据具体应用场景进行选择。

1、光纤放大器光纤放大器是一种将输入光信号放大到给定功率的有效设备。

它可以采用多种类型的光源，如发光二极管（LED）、半导体激光器（SLED）、半导体激光器（SLD）和半导体激光异质结（DHMLED）等。

光纤放大器在光纤传输系统中可以增加光的射程、提高信号质量和稳定性。

2、半导体放大器半导体放大器是一种通过控制半导体材料来放大光信号的放大器。

它采用半导体元件，如发光二极管（LED）、半导体激光器（SLED）、半导体激光器（SLD）和半导体激光异质结（DHMLED），放大光信号的强度和范围，从而满足多种应用场景的需求。

3、光纤放大器光纤放大器是一种基于光纤通信系统的信号放大器，主要应用在LAN、数据传输网络、光纤抗干扰系统等中。

它能够将输入的光信号放大到给定范围内，改善信号质量，提高系统可靠性。

4、激光器放大器激光器放大器是一种用于激光器的信号放大器，采用激光器将输入信号放大，提高激光器的输出功率。

它主要用于激光技术的研究，具有放大准确、放大比高、输出噪声小等特点，是激光器应用最常用的信号放大器。

5、光固体放大器光固体放大器是一种新型的光学放大器，其主要功能是放大输入光信号，提高输出功率，通过控制光纤或其他介质中的光纤放大器。

光固体放大器具有放大比高、输出噪声小、放大系数稳定等特点，在光纤和射频通信系统中都有广泛应用。

通过以上介绍，我们可以得知，光放大器是一种非常有效的光学系统，它可以放大输入的光信号，提高信号的功率、范围和信噪比，满足多种应用场景的需求。

光放大器与光纤激光器

现代光纤通信技术及应用
第4章光放大器与光纤激光器
目录
CATALOG
01
02
03
04
4.1
光放大器
4.2 掺铒光纤放大器
4.3 光纤拉曼放大器
4.4 光纤激光器
PART 01
4.1 光放大器
内容
1
2
4.1.1 增益和增益带宽
4.1.2 增益饱和
3ห้องสมุดไป่ตู้
4.1.3 噪声指数
图光放大器
光放大器的输入光功率范围有一定的要求，当输入光功率大于某一阈值时，就会出现增益饱和现象。增益饱和是指输出功率不再随输入功率增加而增加或增加很小。
4.1.3 噪声指数
光放大器噪声指数（NF）的定义为光放大器输入、输出端口信噪比（SNR）的比值
NF＝ SNRin SNR out
PART 02
4.2 掺铒光纤放大器
图铒离子能级图
4.2.2 掺铒光纤放大器的工作原理及特性
增益
1
带宽
2
输出功率
3
4
噪声系数
4.2.2 掺铒光纤放大器的工作原理及特性
对应用于最大输出功率的饱和EDFA（称为功率放大器），可定义功率转换效率为
PCE＝
Psout Ppin
Psin
Psout Ppin
≤ p s
≤1
Psin
≤
(p s )Ppin
4.增益噪声法（也称光脉冲探针法）
4.2.4 掺铒光纤放大器的测试
1. 内插法
图内插法的测试原理
4.2.4 掺铒光纤放大器的测试
2. 偏振消光法
图偏振消光法测试系统框图

91激光在信息技术中的应用光纤通信系统中的激光器和放大器省公开课获奖课件市赛课比赛一等奖课件

第九章激光在信息技术中的应用
9.1.2 光纤激光器
一、光纤激光器旳基本原理及其特点
1、基本原理：以纵向泵浦旳光纤激光器旳构造为例，如图9-5所示
泵浦光
掺杂光纤
激光输出未转换的泵浦光
图9-5 光纤激光器原理示意图
2、特点：以纵向泵浦旳光纤激光器旳构造为例，如图9-5所示
二、光纤激光器旳分类及其应用
1、稀土类掺杂光纤激光器 2、光纤受激拉曼散射激光器
3、光纤光栅激光器
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§9.1 光纤通信系统中的激光器和光放大器
第九章激光在信息技术中的应用
9.1.3 光放大器
一、光放大器在光纤通信领域中旳主要功能
1.光功率提升放大。将光放大器置于光发射机前端，以提升入纤旳光功率。 2. 在线中继放大。在光纤通信系统中取代发射端机框图
2.作为通信光源旳半导体激光器 1）法布里－珀罗（FP）激光器 2）分布反馈（DFB）半导体激光器 3）分布反馈半导体激光器（DFB-LD）加电吸收型（EA）外调制器旳集成光源
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§9.1 光纤通信系统中的激光器和光放大器
3.前置放大。在接受端旳光电检测器之前先将薄弱旳光信号进行预放，以提升接受旳敏捷度
二、图9-9为光放大器在干线光纤系统中旳应用示意图。
上一页回首页下一页回末页回目录
§9.1 光纤通信系统中的激光器和光放大器
第九章激光在信息技术中的应用
9.1.1 半导体激光器
1.光纤通信对半导体激光器光源旳要求 1）体积小、重量轻、电光转换效率高、能够直接调制、使用以便等优点，所以它非常合用于光纤通信之中。
2）图9-1给出了光发射端机旳工作原理

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2020/5/1
第一章光纤激光器
光纤激光器的类型
（1）稀土类掺杂光纤激光器。(2)光纤非线性效应激光器。（3）单晶光纤激光器。（4）塑科光纤激光器。（5）光纤孤子激光器。
掺镱双包层光纤激光器:
吸收峰：975nm，915nm。发射谱段：975～l200nm
2020/5/1
图1－4掺Yb石英光纤的吸收和发射截面
边泵浦结构
a.通过在光纤的边表面开一个V型槽来完成。其缺点是需精密控制V型槽和调整架复杂，不宜泵浦多根光纤，与端泵浦类似。
B.圆盘式光纤激光器边泵浦结构。可利用高功率泵浦源，得到高功率激光输出。2019年日本某大学报道利用盘式光纤激光器，输出功率达到KW量级。
2020/5/1
光纤激光器的边泵浦结构
2020/5/1
2020/5/1
绪论
. 光纤激光器的特点：
效率高，阈值低，窄线宽、可调谐、紧凑小巧和高性能的价格比。
•宽带放大器主要有三种：
•稀土掺杂光纤放大器：掺镨光纤放大器
(PDFA, 1300nm)、掺铥光纤放大器(TDFA, S 带)、掺铒光纤放大器(EDFA,C+L带）
•半导体激光放大器(SOA) •光纤喇曼放大器(FRA)
新型掺铒光纤放大器： 1.铒镱共掺光纤放大器，2.掺铒包层光纤放大器 3.掺铒光子晶体光纤放大器碲化物EDFA： ★掺镨光纤放大器（PDFA） ★掺铥光纤放大器（TDFA）
2020/5/1
2.2 光纤喇曼放大器 1. 光纤喇曼放大器的特点： (1)其增益波长由抽运光波长决定，理论上可得到任意波
长的信号放大。其增益介质为传输介质本身，光纤喇曼放大器对光信号进行在线放大。
2020/5/1
结构及泵浦技术
图双包层光纤结构示意图
2020/5/1
美国IPG Photonics公司、德国Jena大学的应用物理所和英国Southampton的ORC研制的单根双包层光纤激光器，连续输出功率分别达到135W、150W、1000W、 4000W, 20000W
2020/5/1
2020/5/1
第二章光放大器
1. 掺铒光纤放大器(EDFA)(1)掺铒光纤放大器的结构
由掺铒光纤、泵浦源和合波器组成。
EDF
ISO1
WDM
ISO2
信号光
泵浦光
2020/5/1
光纤放大器的要求：
高增益系数、泵浦效率、饱和输出功率；宽且平坦的增益谱；动态增益要均衡；有低的噪声和高的温度稳定性。对泵浦源的要求：高的泵浦功率和效率、长寿命、无激发态吸收。
(2) 噪声指数低。光纤喇曼放大器的总成本较低。
2. 光纤喇曼放大器的分类：分立式喇曼放大器和分布式喇曼放大器。
3. 光纤喇曼放大器的结构
2020/5/1
Fiber
Pump in ISO WDM

WDM
Signal out
Signal in
2.3半导体光放大器(SOA) 半导体光放大器的结构：
★ 法布里-珀罗半导体激光放大器（FP-SLA） ★行波半导体激光放大器(TW-SLA)