光放大器原理分类及特点

信号光激励,基态到亚 稳态跃迁：
1.基态的离子将吸收 一小部分外部光,将 跃迁到亚稳态--受激 吸收 ⑥。
EDFA的工作过程
2. 信号光子触发激发态的离子使其下降到基态. 受激辐射-发射与输入信号光子具有相同能量、相同波矢量以及相同偏振态的 新光子⑦。 实现光信号放大。
光放大器原理分类及特点
2.2EDFA的工作原理
波分 复用
1
1
2
中继器
D
3
W － 光发送
M
光纤
光纤来自百度文库
光接收
－
D W
M
2 3
N
N
采用光－电－光(O-E-O)变换方式 信号失真 WDM系统引入，复杂性和成本倍增
光放大器原理分类及特点
1
2
D
3
W － 光发送
M
N
光放大器
1
2
光接收－
D W
3
M
N
重要意义:
促使波分复用技术 (Wavelength Division Multiplexing， WDM)走向实用化，促进了光弧子技术和全光网络的发展， 使光纤通信技术产生了质的飞跃。
光放大器原理分类及特点
激发态 亚稳态 基态
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2.2 EDFA的工作原理
当泵浦(Pump, 抽运)光 激励，铒离子吸收泵浦光， 基态跃迁到激发态。
激发态不稳定，Er3+很 快返回到亚稳态。
亚稳态粒子数积累，形 成粒子数反转分布。
如果输入的信号光的能量 等于基态和亚稳态的能量差 ，亚稳态的Er3+将跃迁到基 态，产生一个与信号光子完 全一样的光子，实现了信号 光在掺铒光纤中的放大。
构造与单模光纤的构造一样。 铒离子位于纤芯中央地带，将铒离子放在这里有利于其最 大地吸收泵浦和信号能量，从而产生好的放大效果。
折射率较低的 玻璃包层完善 波导结构，提 供抗机械强度 的特性。
掺 铒高 密 度带 (100～ 2000 ppm )
直 径 3～ 6m 掺 锗的 纤 芯
涂覆层将光纤 总直径增大到 250μm。
泵浦波长
平均寿命 1s 平均寿命
激发态 亚稳态
放大器带宽 基态
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2.2 EDFA的工作原理
EDFA的工作过程：
① 980 nm光子泵浦 激光器使er3+从基态 →泵浦能带(激发态)
②受激离子激发态 →亚稳带衰变得非 常快(约1μs)。 多余的能量以声子 形式释放。
er3+从亚稳态能 带→ 底端, 时间 长(10 ms左右)。
发展进程：
1964年，美国光学公司制成了第一台掺铒玻璃激光器。 1970年，光纤出现后，转入进行在光纤中掺杂激光器件的研究。 1985年，英国南安普顿大学的迈尔斯等人制成了掺铒光纤激光器。 1986年，又制造出EDFA。
EDFA
已经商用化
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2.1 EDF的结构
材料
掺Er3+光纤
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1.3光放大器的重要指标-噪声
(1)光放大器的噪声来源： 主要由于自发辐射被放大。自发辐射光子的相位和方向
是随机的。对于有用信号没有贡献，就形成了信号带宽内的 噪声，与放大信号在光纤中一起传输、放大，降低了信号光 的信噪比。
(2)信噪比：正常信号功率与噪声功率的比值。
(3)噪声系数
当输入光功率比较小时，增益G是一个常数，用符号G0表示，称为光放 大器的小信号增益。
但当G增大到一定数值后，光放大器的增益开始下降，这种现象称为增 益饱和；当光放大器的增益降至小信号增益G0的一半，也就是用分贝表示 为下降3dB时，所对应的输出功率称为饱和输出光功率，是放大器的一个 重要参数，饱和输出功率用Pouts表示。
非线性
光纤放
大器
布里渊光纤放大器(FBA)
光放大器原理分类及特点
内容简介：
2掺铒光纤放大器
2.1EDF结构
2.2工作原理 2.3结构和特性
2.4性能指标
2.5应用
2.6优缺点 光放大器原理分类及特点
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2 掺铒光纤放大器
掺铒（Er3+）光纤放大器(Erbium-Doped Fiber Amplifier， EDFA)是将掺铒光纤在泵浦源作用下形成的光纤放大器。
光放大器原理分类及特点
1 光放大器概述
1.1定义
利用某种具有增益的激活介质对注入其中的微弱光信号 进行放大，使其获得足够的光增益，变为较强的光信号， 从而实现对光信号的直接光放大。
输入光信号
光放大器
光放大器原理分类及特点
被放大的光信号
1.2工作原理
光放大器是基于受激辐射机理来实现入射光功率放大的。
(2) 受激辐射 (1) 能量注入
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1.3光放大器的重要指标-增益
(1) 增益G：
功率增益
输出光功率 =10lg 输入光功率 (dB)
放大器的放大能力 与泵浦功率和光纤长度的参数有关
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1.3光放大器的重要指标-增益
(2)增益饱和与饱和输出功率：表示最大输出能力
光放大器介绍
光放大器原理分类及特点
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内容简介：
1 光放大器概述 2 掺铒光纤放大器 3 光纤拉曼放大器 4 其它放大器
光放大器原理分类及特点
2
引出
Internet 数据量急剧增长 追求更高的传输容量
铺设更 多的光缆
提高传 输速率
光时分 复用技术
成本高
受器件响 应速度限制
系统复杂
光放大器原理分类及特点
亚稳态和基态的宽度： 1530～1560nm 超过1560nm时增益会稳定下降， 在大约1616nm处降至0dB。
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EDFA的工作过程
2.2 EDFA的工作原理
EDFA的工作过程
③ 若有1480nm泵浦激光器 ④电子将移到亚稳态能级
直接把电子从基态→亚稳态
能级的顶部；
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的较低端，这时出现粒子 数反转分布；
2.2EDFA的工作原理
⑤亚稳态离子，无激励 光子流时，一部分跃迁 到基态； 自发辐射放大 (ASE)--导致放大器的噪 声。
信噪比的劣化用噪声系数Fn表示，定义为输入信噪比与输
出信噪比的比值。
(SNR)
F
in
n (SNR)
out
光放大器原理分类及特点
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1.4光放大器家族
半导体光放大器(SOA)
光放大器分类
掺稀土元素 光纤放大器
掺铒光纤放大器(EDFA) 1550nm
掺镨光纤放大器(PDFA) 1310nm
拉曼光纤放大器(FRA)
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直 径 125 m
S
iO
包
2
层
直 径 250 m涂 覆 层
回顾：光与物质相互作用的三个过程
光放大器原理分类及特点
2.2 EDFA的工作原理
Er+3外层电子具有三 能级结构：
能级1代表基态， 能量最低。
能级2是亚稳态， 处于中间能级。
能级3代表激发态， 能量最高。
平均寿命 1s 平均寿命