光放大器1课件

第6章光放大器6.1光放大器概述6.2光放大器基本概念6.3掺铒光纤放大器6.4半导体光放大器6.5光纤喇曼放大器6.6光纤参量放大器光放大器的出现，可视为光纤通信发展史上的重要里程碑。光放大器出现之前，光纤通信的中继器采用光－电－光(o-e-o)变换方式。中继器能将弱光信号转变成电信号，然后利用该电信号驱动发射机，发射机复制输入信号。可以认为它是一个背对背放置的接收机和发射机。

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中继光放大器（o-o）多波长放大、低成本，只能实现1r中继,光放大器不能再生信号，它们仅仅增加信号的振幅、噪声。

§6.1光放大器概述一、中继器与光放大器光放大器的功能：提供光信号增益，以补偿光信号在通路中的传输衰减，增大系统的无中继传输距离。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。光放大器是基于受激辐射或受激散射原理实现入射光信号放大的一种器件。其机制与激光器完全相同。实际上，光放大器在结构上是一个没有反馈或反馈较小的激光器。二、光放大器类型：掺杂光纤放大器（edfa、pdfa、tdfa） 半导体光放大器（soa） 非线性光纤放大器（fra、fba、fpa）三、发展历程：上世纪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；2001年fra得到更广泛应用。光放大器基本结构示意图

输入信号光输出信号光电流

掺杂光纤输入信号光输出信号光耦合器耦合器泵浦光纯石英光纤-------------------------------泵浦光泵浦光输入信号光输出信号光

(a)半导体光放大器

(b)掺杂光纤放大器

(c)非线性光纤放大器

放大器类型工作原理激励方式工作长度小信号增益噪声特性常规光纤耦合偏振敏感度失真和串扰集成性非线性光纤放大器光学非线性效应光数十米到数千米>40好容易大严重无半导体光放大器粒子数反转电100μm至1mm>30差困难大严重易掺稀土光纤放大器粒子数反转光数米到数十米>40好容易无可忽略无光放大器的类型和各自优缺点1,450nm1,490nm1,530nm1,570nm1,610nm1,650nms+bandsbandcbandlbandl+bandrfatdfaedtfags-edfaedfaerbiumdopedfiberamplifiergain-shiftederbiumdopedfiberamplifiertellurite-basederbiumdopedfiberamplifierthuliumdopedflouride-basedfiberamplifierramanfiberamplifiertotal~200nm:500~1,000waves?80nm:~200waves?40nm1,550nm1,580nmpotentialofopticalfiber:perhaps250wavesx100gb/s=25,000gb/s=25tb/s?光放大器种类fujitsuproprietary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。6.2光放大器基本概念光放大器的增益不仅与信号光的频率（波长）有关，而且还与放大器内部任一点的光强有关，即光增益与频率及强度的关系决定于放大器增益介质的特性。对于均匀加宽的二能级增益介质，其增益系数可表示为：6.2.1光放大器一般工作特性最大增益系数；

入射信号光频率；增益介质原子跃迁的中心频率或增益最大值对应的中心频率；被放大的光信号功率；饱和功率；决定于增益介质的掺杂参数，如介质的自发辐射寿命及跃迁截面等。

偶极子驰豫时间

（也称非辐射弛豫时间，约0.1ps）

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放大器的增益(或放大倍数)定义为：小信号下（p<<ps），增益系数随的改变而按洛伦兹分布变化增益谱宽：小信号增益系数降至最大值一半处的全宽（fwhm）设放大器长度为l，光信号沿l放大，则光功率随距离的变化为在z点处的光功率为或者放大器带宽：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）光纤放大器的洛仑兹谱和相应的放大器增益谱所以放大器增益为输出功率为二、增益饱和与饱和输出功率增益饱和：增益系数与光信号的功率有关，在p<<ps时，为小信号增益，这时可不计p对g(ω)的影响；当p增大至可与ps比拟时，g(ω)随p的增大而下降，放大器增益g(ω)也下降，这种现象称为增益饱和。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小信号增益g0＝30db时，增益对输入光功率的典型依存关系输入光功率较小时，g是一常数，即输出光功率ps,out与输入光功率ps,in成正比例。g0光放大器的小信号增益。g0饱和输出功率：放大器增益降至小信号增益一半时的输出功率。3dbpout,sat当ps,in增大到一定值后，光放大器的增益g开始下降——增益饱和现象。饱和区域三、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，导致被放大信号的信噪比（snr）下降，其降低程度通常用噪声指数fn来表示，其定义为：主要噪声源：放大的自发辐射噪声（ase），它源于放大器介质中电子空穴对的自发复合。自发复合导致了与光信号一起放大的光子的宽谱背景。edfa放大1540波长信号时产生的影响ase噪声叠加在信号上，导致信噪比下降。宽谱光源ase噪声ase噪声近似为白噪声，噪声功率谱密度为：自发发射因子或粒子数反转因子对于原子都处于激发态或完全粒子数反转的光放大器，nsp=1;当粒子数不完全反转时，nsp>1；激发态的粒子数基态的粒子数研究发现，接收机前接入光放大器后，新增加的噪声主要来自ase噪声与信号本身的差拍噪声。噪声指数为：表明：即使对nsp=1的完全粒子数反转的理想放大器，被放大信号的snr也降低了二倍（或3db）。对大多数实际的放大器fn均超过3db，并可能达到6~8db。希望放大器的fn尽可能低。ase噪声ase噪声功率：ase有效带宽，由放大器增益谱特性决定6.2.2光放大