光电子学与光子学讲义-Chapter5-OA

1、Chapter 5 光纤通信系统中的光放大器,一、光放大器的提出和发展,1 光放大器简介,一、光放大器的提出和发展,1 光放大器简介,光放大器的基本概念,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），满足阈值条件，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。,二、小信号下的光增益谱宽和放大器带宽,增益系数随的改变而按洛伦兹分布变化 增益谱宽：增益系数降至最大值一半处的全宽（FWHM）,放大器增益（或放大倍数）：,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）,三、光放大器的种类,掺稀土元素光纤放大器 半导体光放

2、大器 非线性光纤放大器 波导光放大器,四、光放大器的理想特征,具有较大的输出功率 在信号可能通过的整个光谱区内增益谱尽可能平坦 噪声低 光纤的色散和非线性效应可以得到补偿和抑制 能量转化效率高 对数据的速率、调制方式、功率和波长等透明,一、SOA的出现和发展,2 半导体光放大器 Semiconductor Optical Amplifier（SOA）,20世纪60年代，在半导体激光器出现后一年，就提出了半导体光放大器 1973年提出用于光通信中 。由于耦合、噪声和非线性问题，在骨干网中没有获得推广应用，但是它的技术十分成熟。 目前主要用于实现一些新型功能器件和局域光网络中,二、SOA的基本原理

3、,2 SOA,二、SOA的基本原理,2 SOA,基本方程,载流子的速率方程,式中右端第一项是指泵浦进入到有源层中的载流子（与电流I、electronic charge q和有源层的体积有关）；第二、三项描述非辐射和自发辐射跃迁过程； 第四项是受激辐射过程载流子的损耗，hv为光子能量，Aact为有源层的横截面积，g为增益系数。,二、SOA的基本原理,2 SOA,基本方程,在静态情况下，可以得到功率沿放大器长度方向变换方程为,式中Psat=hvAact/GAgtc，g0=Gag(Itc/qVact-Ntr)。忽略波导损耗，对上式在放大器L长度上进行积分可以获得增益为,二、SOA的基本原理,2 SO

4、A,F-P半导体光放大器,二、SOA的基本原理,2 SOA,行波半导体光放大器,要求放大器的残余反射满足：,降低端面反射的方法：倾斜有源区法、窗面结构,此时，放大器的增益特性，主要决定于Gs,二、SOA的基本原理,2 SOA,行波半导体光放大器的特性,带宽由介质的增益谱决定，可达70nm,增益系数与载流子浓度的关系,载流子浓度由速率方程给出,噪声指数：,三、SOA的基本性能固定波长处的增益,2 SOA,三、SOA的基本性能大波长范围内注入电流与增益,2 SOA,四、SOA应用中应注意的问题,2 SOA,噪声大 偏振依赖性强 非线性累计大 、 在高速光信息处理器件中有重要应用（如波长变换、逻辑门

5、、脉冲压缩和光开关等等）,一、EDFA的出现和发展,3 掺铒光纤放大器 Erbium-Doped Fiber Amplifier（EDFA）,6164年, E. Snitzer, 提出掺稀土元素（Nd+）光纤激光器和光纤放大器,2. 1985年提出EDFA, 1987作出1550 nm窗口的EDFA,3. 1987年后迅速获得推广应用，光纤通信系统获得里程碑意义上的发展,二、EDFA的基本原理受激辐射,3 EDFA,EDFA采用掺铒离子单模光纤为增益介质，在泵浦光作用下产生粒子数反转，在信号光诱导下实现受激辐射放大。,EDFA中的Er3+能级结构： 受激辐射对应于4I13/2到4I15/2的跃

6、迁 泵浦波长可以是520、650、800、980、1480nm 由于波长短于980nm的泵浦存在着较强的受激吸收，泵浦效率低，因而通常采用980和1480nm泵浦 上述两波长的泵浦效率可高达11dB/mW和5dB/mW,Er+3的能级图,二、EDFA的基本原理受激辐射,3 EDFA,三种泵浦方式,ASE 谱,基本方程,速率方程 用N1、N2和N3分别为E1、E2和E3三能级的离子浓度，由于Er3+在E3能级上的时间很短，而在E2能级上的时间较长，等效为二能级,N为Er+3掺杂浓度,二、EDFA的基本原理受激辐射,3 EDFA,基本方程,功率传输方程,二、EDFA的基本原理受激辐射,3 EDFA

7、,(1)增益G,EDFA带宽,三、EDFA的主要性能,3 EDFA,增益G 影响因素: 泵浦功率PP；光纤长度 L, 阈值，饱和 L固定, PP, G 饱和； L, PP阈值, 饱和增益GS,三、EDFA的主要性能,3 EDFA,增益G 影响因素: 泵浦功率PP；光纤长度 L, PP固定,L, G;最佳长度Lopt; PP ，Lopt , Gmax,三、EDFA的主要性能,3 EDFA,(2) 噪声,噪声来源,噪声指数(NF),输入信噪比,输出信噪比,信号与ASE的差拍噪声； ASE自身的差拍噪声；信号白噪声；ASE白噪声.,三、EDFA的主要性能,3 EDFA,噪声,噪声指数,ASE-功率谱

8、密度,噪声指数与粒子数反转N=(N2-N1)有关， PP， N ，NF 。 极限噪声指数: PP 足够大，N10，N N2，NF=10lg(2)=3 dB,三、EDFA的主要性能,3 EDFA,噪声指数影响因素：泵浦功率PP,;输入信号功率PS-in;光纤长度L, PP ，NF ； PS-in ， NF 。,三、EDFA的主要性能,3 EDFA,噪声指数影响因素：泵浦功率PP,;输入信号功率PS-in;光纤长度L, PP较小时，L ，NF ； PP较大时 ，L , NF 饱和。,三、EDFA的主要性能,3 EDFA,四、EDFA的主要组成,3 EDFA,掺铒光纤放大器（EDFA）的组成是一段不

9、长、在纤芯中掺铒离子的石英光纤。 1.55m波长窗口的光信号输入至这段光纤的一端，而在另一端输出。 当这段光纤受到波长0.98m或1.48m的半导体激光管输出足够大的功率抽运时，传输经过一定波段宽度，1.55m 信号得到有用的功率增益和平坦的增益特性，也就是得到放大作用。,四、EDFA的主要组成,3 EDFA,EDFA光纤放大器一般由五个基本部分组成：掺铒光纤（EDF）、泵浦激光器（PUMP-LD）、光无源器件、控制单元和监控接口（通信接口）。 其中光无源器件包括：光波分复用器（WDM）、光隔离器（ISO）、光纤连接器（FC/APC）和光耦合器（Coupler）。,四、EDFA的主要组成,3

10、EDFA,WDM作用是将信号光与泵浦光耦合起来进入掺铒光纤； 光隔离器是防止光路中反向光对EDFA的影响； 光纤连接器使EDFA与通信系统和光缆线路的连接变得容易； 光耦合器从输入和输出中分路出一部分光（5%左右）送到光探测器（PIN），由控制单元对光纤放大器的工作状态进行不间断地控制，监控接口向传输系统提供光纤放大器工作状态信息，确保光纤放大器作为传输系统的一个部件，纳入到统一的网络监控之中。,五、EDFA的使用,3 EDFA,五、EDFA的使用,3 EDFA,波分复用WDM和掺铒光纤放大器EDFA被认为是光纤通信的代表性技术，下面是WDM+EDFA示意图,其它掺杂光纤放大器： 1. 掺镨光

11、纤放大器 1310nm 波段 2. 掺铝光纤放大器 Er、Al共掺扩大1550nm带宽 3. 掺钇光纤放大器 Er、Y共掺扩大1550nm带宽 4. 氟化物EDFA 提高增益平坦度 5. 碲化物EDFA 宽带放大,一、RFA的原理,4 拉曼光纤放大器(RFA),光纤中的拉曼效应，由于其物理机制是光纤中的SRS，故称拉曼光纤放大器（RFA）。,SRS是一种非线性效应，RFA与SOA和EDFA放大机制不同，是靠非谐振、非线性散射实现放大的。,拉曼效应 光子学的描述：入射光子被一个分子散射成一个低频光子，同时分子完成两个振动状态的跃迁。 对于单个分子振动能级的间隔（stokes频移）是固定的，这种振动能级间的跃迁引起的光子频率移动也是固定值，石英晶体的非晶态结构使散射谱显著展宽。 增益谱的位置和泵浦波长相关。,RFA： 如果将信号光和泵浦光同时注入到光纤中，并且信号光波长在泵浦光的拉曼增益谱范围内，信号光将被放大。,二、RFA的特性,4 拉曼光纤放大器(RFA),拉曼增益特性：取决于光学声子的振