光放大器概述

大能量、高功率与方向性、单色性、脉宽相互制约
2.光通信系统中的光中继器（EDFA)
3.全光信号处理器件(半导体光放大器－SOA）
§6.1 激光放大器的特点与分类
光放大概念－利用受激辐射实现光放大
光放大的前提条件－ 粒子数反转分布 对入射光要求？
g<0
吸收
g=0
透明
g>0
放大
上述放大器与激光器的差别：无谐振腔－行波光放大器
g
T

Байду номын сангаас
j

放大器增益
行波放大器增益
G I l P l I0 P0
(6.1.1)
r1
G dB 10lg G
r2
I 1 I1
再生放大器增益 多光束干涉处理
I2 I2 Gs I1 I1
I0 P0
g>0
I2 I2
I l
I p z I p z h p 13 p t s I pth
阈值泵浦光强
dI p z dz 0
I z 1 pI p z I p z 1 I z 1 (6.3.12)
泵浦光沿光纤
I p z I pth I p z I pth
h p
二、光纤放大器小信号增益特性
小信号增益 （信号光很弱）
式 6.3.12 I z 1 归一化泵浦光 积分
输出端归一 化泵浦光强 输出端归一 化信号光强
0
I p l ln I p l I po p l I po
(6.3.14)
pl
归一化小信号增益～归一化掺铒光纤长度 归一化小信号增益～归一化泵浦功率
• G0与信号光强无关, 与泵浦光强 IP0及掺铒光纤长度 l 有关

最佳长度 lm
光纤长度太长, 后端 Ip < Ipth 信号光衰减；
光纤长度过短 Ip 未充分利用
l = lm 时 应有 Ip(lm) = Ipth Ip’(lm)=1
dI p z dz
• 归一化信号光、泵浦光输运方程
I p z
I dI z p z I z dz I (6.3.11) p z 1 I z 1 dI p z dz
分子上 I P z 1 I Pth
归一化信号光强
归一化泵浦光强
dI z (6.3.1) dz
I z I z h 21 t s I p t s p z I p z h p 13
dI p z (6.3.2) dz
dI z dz
1
0
gm Im Is 1
四、放大器的增益谱宽及输出谱线轮廓
• (无损)小信号均匀加宽光放大器
H
G 0 0 4
ln G 0 0 ln 2
ln 2
(6.2.10)
习题6-2 自行推导
时 H
G0()
dI z 0 光信号放大 dz dI z 0 dz
光信号衰减
n 12 －掺杂光纤中信号光的小信号吸收系数 可实验测定 p n 13 p －掺杂光纤中泵浦光的小信号吸收系数
I pth
13 p t s －衡量信号光在铒光纤中传输时光强增长或衰减
再生放大器举例：半导体光放大器 h 3.23.4
m ax GFP G m in GFP
1 G r1r2 1 G r r 1 2
2
G 2dB
G 30dB
G r1r2 0.17
r1r2 1.7 10 4
再生放大器
r 1 、r 2 0
I0
二、(有损)光放大器大信号（饱和）增益
入射光信号较强或工作物质足够长 I z ~ I s
I z dI z gm 1 I z dz Is
1
(6.2.1) －净增益系数(功率增益)公式
1 I z I s dI z g m dz I z 1 1 I z I s g m
• 无损大信号均匀加宽光放大器： 中心频率处饱和效应
强，偏离中心频率饱和减弱
I (l) H
§6.3 纵向光激励连续激光放大器的特性
掺铒光纤放大器 EDFA－Erbium Doped Fiber Amplifier
980nm
1480nm
1550nm
• 为什么EDFA属于连续激光放大器？ 光信号速率：108－1010b/s（T=10-8～10-10 s ）铒离子 T1=10-2 s
Pl
G
1
r1r2 Gs

2
2 l c 4 r1r2 Gs sin 2 v (6.1.3)
2
1 r1 1 r2 Gs
当
c
1 r 1 r2 Gs 1 G
1
r 1r 2 Gs

－最大增益
偏离c G下降; r1、r2 越高，偏离c允许值越小，增益
激光器－激光振荡器－再生（光）放大器
按工作方式分类:
行波放大器
I0 P0
I l
再生放大器(F-P放大器)
r1 r2
I 1 I1
g>0
Pl
I0 P0
g>0
I2 I2
I l
Pl
对入射光要求： • 行波放大器: 只要求入射光频率在增益介质谱线范围内 • 再生放大器: 入射光需在谐振腔本征频率附近, 保证频率匹配
T<<T1 作用时间极短 n只在稳定值附近微小波动
• 纵向光激励的特点： I(z), Ip(z) g0(z), n0(z), Is(z)
假设：三能级系统，忽略光纤中光场及激活离子的横向分布及 光纤损耗， 总量子效率hF=1；均匀加宽；同向光泵
一、信号光，泵浦光输运方程 (忽略SP)
掺铒光纤
dI z nz 21 I z dz (6.3.1)
第 13 讲
• 光放大器概述 • *横向均匀激励连续激光放大器
增益系数、最大输出光强、增益谱宽
• *纵向激励连续激光放大器－掺铒光纤放大 器
小信号增益、大信号增益、饱和输出功率
• 脉冲行波放大器输运方程
反转粒子数、光子数密度输运方程
第六章 激光放大特性
光放大器概述
发展光放大技术的意义
1.获得高质量的大能量、高功率激光束（固体激光器）
I p z I 设 1 p z I pth
I po I pth
1 1 p 0 p lm ln Gm 0 1 1
I po 1 I po lm 1 ln I p I pth pth
电磁场共振相互作用－同相， 碰撞等其它作用－消相
L为主
T2 t L 1 L
D为主
T2* 1 2 D
纵向弛豫时间(s)
横向弛豫时间(s) t 0 > T1
固体 10-3~10-4 10-11~10-12
气体 10-6~10-9 10-8~10-9
半导体 10-9 10-12
dn2 z I z n2 z n3 z S 32 nz 21 0 dt h ts
I Nvh
(6.3.6)
S32 1
n3 0
I z 1 I p z n z n n1 z n I z 1 I z 1 I z 1 I z 1 (6.3.10) p p (6.3.9)
饱和增益
Nd:YAG
（饱和输出功率）
I0(t) Nd:YAG I1(t)
光隔离器
光泵
泵浦灯
聚光器
激光振荡器
激光放大器
一、(有损)光放大器小信号增益
假设: 均匀加宽、平均损耗系数、信号光频率0
小信号增益 G 0 0 I l exp g m l 前置放大器
I z I s
输出光强
g
0
l
m
dz
可得
I l g m g m 1 I l I s ln g l ln m g m 1 I 0 I s (6.2.3) I0
自行推导
放大器增益 ln G0 0 g m ln g m 1 I l I s g m 1 I 0 I s G 0
n1 z n2 z n3 z n
• EDFA稳态速率方程
I p z dn3 z n1 z 13 p n3 z 31 p n3 z S32 0 dt h P


(6.3.5)
n1 z n2 z n3 z n
I0(t) 信号光 1550nm
I1(t)
dI p z dz
n1 z 13 p n3 z 31 p I p z
(6.3.2)
泵浦光980nm
nz n2 z n1 z

12 f 2 4.4.14 f1 21
n，g0、Is 均为常数
I0(t) 激光工作物质 I1(t)
泵浦灯
聚光器
纵向激励：n，g0，Is 与传输距离有关(光纤放大器)
掺铒光纤 I0(t) 信号光 1550nm I1(t)
泵浦光980nm (1480nm)
§6.2 横向均匀激励连续激光放大器特性 增益 小信号增益 最大输出光强 增益谱
行波放大器 G＝Gs
~1nm
60nm
再生放大器
行波放大器
按入射光时间特性分类
连续激光放大器 脉冲激光放大器 超短脉冲激光放大器 （入射信号脉宽t0 及工作物质弛豫时间T）
弛豫：某种物理状态的建立或消亡过程
弛豫时间
纵向弛豫时间T1：能级上的粒子数数目发生变化(T1～t2) 横向弛豫时间T2－位相弛豫时间 宏观感应电极化的产生和消亡的时间
6.3.11 6.3.12
积分
I z 1
p I l I p l ln ln I po I p l Io I po
p 1
(6.3.15) (6.3.16)
6.3.14代入6.3.15
实验测得(G0=1)
I po G pl exp I l 1 p p 0 I l I l ln G p po 1 p 1
(6.3.17)
I po I po p 1 p 0 0 ln pl ln G pl ln G ln 1 1 I pth 1 1 I pth
实验测量

(6.3.18)
与连续波放大相似
稳态方法
T2 << t0 < T1
t 0 < T2
脉冲放大
超短脉冲放大
非稳态方法
半经典
按功能分类: （通信系统中）
前置放大器: 小信号工作状态, 噪声系数小 功率放大器: 大信号, 增益饱和状态, 饱和输出功率大 线路放大器：补偿系统中各光纤段的损耗

光激励方式: 横向（均匀）激励： (固体或半导体光放大器)
(6.2.4)
I0 已知，放大器的 gm、l、 可以测得，Is 已知 •（无损）光放大器（如气体介质）输出光强和增益表达式（略）
自行推导
三、最大输出光强（饱和输出功率）
当输入信号光很强或增益介质很长，由于增益饱和，放大 器增益系数会下降直到净增益系数为0，光强不再增加。
I z dI z gm 1 I z dz I s