第8章光放大器(0)

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1、第第8章章 光放大器光放大器8.1 作用作用z=0衰减衰减z=L光放光放大器大器 8.1 作用作用：常规的常规的放大光信号时，需要进行：放大光信号时，需要进行：电光转换电光转换光电转换光电转换电放大电放大 再定时再定时脉冲整形脉冲整形光信号光信号光信号光信号电信号电信号电信号电信号电信号电信号 8.1 作用作用 8.2 分类分类 8.3 工作波段工作波段 8.3 工作波段工作波段 8.4 基本概念基本概念 8.4.1 功率放大功率放大 8.4 基本概念基本概念 8.4.2 增益饱和增益饱和输入光功率较小时，输入光功率较小时，G是一常数，即输出光功率是一常数，即输出光功率Pout与输入光功率与输

2、入光功率Pin成正成正比例。比例。G0光放大器的小信号增益。光放大器的小信号增益。G0S0outS0ln22GPPG P PS S为饱和功率为饱和功率饱和功率：饱和功率：放大器增益降至小信号增益一半时的放大器增益降至小信号增益一半时的输出功率。输出功率。3dBPs当当Pin增大到一定值后，光放大器的增益增大到一定值后，光放大器的增益G开始下降。开始下降。饱和区域饱和区域线性放大线性放大区域区域 8.4 基本概念基本概念 8.4.3 放大器噪声放大器噪声n半导体光放大器中，受激辐射总是伴随有自发辐射的产生，自发辐射也与信号一起被放大，产生放大自发辐射噪声（ASE)。 ASE噪声是主要的噪声源。n

3、光放大器在放大过程中都会把ASE噪声叠加到信号光上，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用噪声指数数NF来表示，其定义为：outinSNRSNRdBNF)()(log10)(10hnGSspsp1自发辐射系数或自发辐射系数或粒子数反转系数粒子数反转系数122NNNnspu 对于原子都处于激发态或对于原子都处于激发态或 完全粒子数反转的光放大器，完全粒子数反转的光放大器， n nspsp=1;=1;u 当粒子数不完全反转时，当粒子数不完全反转时， n nspsp11；激发态的粒子数激发态的粒子数基态的粒子数基态的粒子数噪声指数噪声指数为：为：)2lg(10)1(2lg10

4、spspnGnGNF对对n nspsp=1=1的完全粒子数反转的理想放大器，被放大信号的的完全粒子数反转的理想放大器，被放大信号的SNRSNR也降低了也降低了二倍二倍（或（或3dB3dB）。）。对大多数实际的放大器对大多数实际的放大器NFNF均超过均超过3dB 3dB ，并可能达到，并可能达到6 68dB8dB。希望放大器的希望放大器的NFNF尽可能低尽可能低。 8.5 光放大器类型光放大器类型 8.5.1 掺铒光纤放大器掺铒光纤放大器 1 工作原理工作原理 EDFA的核心部件为掺铒光纤。的核心部件为掺铒光纤。EDFA 主要由掺铒光纤主要由掺铒光纤(EDF)、泵浦光源、耦合器、光隔离器及组成，

5、泵浦光源、耦合器、光隔离器及组成，结构如图所示。结构如图所示。 泵浦光除了泵浦光除了980nm和和1480nm外，外，514nm、532nm、667nm和和800nm EDFA的工作原理的工作原理：Er+3吸收泵浦能量，由基态跃迁到高能级泵浦态，对于不同的泵浦波长，电子跃迁至不同的能级，当用980nm波长泵浦时， Er+3从基态跃迁至泵浦态，由于泵浦态载流子的寿命时间只有1us，电子以非辐射方式由泵浦态迅速预驰至亚稳态，在亚稳态上载流子有较长的寿命，在源源不断的泵浦作用下，亚稳态上的粒子数积累，从而实现粒子数反转分布。当由1550nm光信号通过已被激活的掺铒光纤时，在光信号的感应下，亚稳态上的

6、粒子以受激辐射的方式跃迁到基态。对应于每一次跃迁，都将产生一个与感应光子完全一样的光子，从而实现了利用泵浦光能作用，通过掺铒光纤的饵离子受激辐射使光信号在传播过程中不断得到放大。EDFA的主要优点有：的主要优点有： 工作波长正好落在光纤通信最佳波段工作波长正好落在光纤通信最佳波段(15001600 nm)； 其主体是一段光纤(EDF)，与传输光纤的耦合损耗很小， 可达0.1 dB。 增益高增益高，约为3040 dB; 饱和输出光功率大， 约为1015 dBm； 增益特性与光偏振状态无关。 噪声指数小噪声指数小， 一般为47 dB； 用于多信道传输时， 隔离度大，无串扰，适用于波分复用系统。 频

7、带宽频带宽，在1550 nm窗口，频带宽度为2040 nm， 可进行多信道传输，有利于增加传输容量。EDFA也有固有的缺点：(1) 波长固定波长固定，只能放大1.55m左右的光波，换用不同基质的光纤时，铒离子能级也只能发生很小的变化，可调节的波长有限，只能换用其他元素；(2) 增益带宽不平坦增益带宽不平坦，在WDM系统中需要采用特殊的手段来进行增益谱补偿。 2 工作特性工作特性输入功率小，增益大；输入功率大，增益就会出现饱和。输入功率小，增益大；输入功率大，增益就会出现饱和。即：即：输入功率随着输入功率的增加而降低输入功率随着输入功率的增加而降低。 （1） 增益与输出功率增益与输出功率几米长的

8、短掺铒光纤，几米长的短掺铒光纤，最大增益最大增益的波长位于的波长位于1530nm1535nm1530nm1535nm光功率沿着光纤长度而增加，增益是可以光功率沿着光纤长度而增加，增益是可以累计累计的。的。 （2） 工作波长工作波长C C波段放大器的波长范围波段放大器的波长范围1530nm1565nm1530nm1565nm，掺铒，掺铒L L波段放大器的波长范围波段放大器的波长范围1570nm1605nm1570nm1605nm，铒，铒- -铝共掺铝共掺 （3） 增益均衡增益均衡EDFAEDFA在其在其整个工作波长范围的增益是不均衡的。在其在其整个工作波长范围的增益是不均衡的。解决解决EDFAE

9、DFA的增益不均衡的问题的解决办法：的增益不均衡的问题的解决办法：1 1）增加光滤波器来减小最强光谱线的功率；）增加光滤波器来减小最强光谱线的功率；2 2）利用不同类型的光放大器，如拉曼光纤放大器。）利用不同类型的光放大器，如拉曼光纤放大器。 （4） 噪声系数噪声系数EDFAEDFA的噪声主要包括：的噪声主要包括：1 1）信号光的散粒噪声；）信号光的散粒噪声；2 2）放大的）放大的自发辐射光的散粒噪声；自发辐射光的散粒噪声；3 3）自发辐射光谱与信号光之间的）自发辐射光谱与信号光之间的差拍噪声；差拍噪声；4 4）自发辐射光谱间的差拍噪声。）自发辐射光谱间的差拍噪声。EDFAEDFA的噪声系数与

10、输入信号功率、泵浦方的噪声系数与输入信号功率、泵浦方式和泵浦波长有关。式和泵浦波长有关。1 1）在小信号情况下，）在小信号情况下，EDFAEDFA的噪声系数随着的噪声系数随着输入信号光功率的增加而略微减小输入信号光功率的增加而略微减小，而在，而在EDFAEDFA处在饱和状态时，噪声系数随着信号处在饱和状态时，噪声系数随着信号功率的增加而增大。功率的增加而增大。2 2） EDFA EDFA的噪声系数会的噪声系数会随泵浦功率的增加随泵浦功率的增加而减小而减小。3 3）当掺铒光纤长度增长时，）当掺铒光纤长度增长时，同向泵浦方式的噪声系数最小同向泵浦方式的噪声系数最小，双向居中，双向居中，反向泵浦最大

11、。反向泵浦最大。4 4）980nm980nm泵浦激光器采用的是泵浦激光器采用的是三能级三能级工作方式，具有比较高的反转水平，工作方式，具有比较高的反转水平，良好的噪声性能良好的噪声性能。1480nm1480nm泵浦的是二能级工作方式，噪声性能比较差，泵浦的是二能级工作方式，噪声性能比较差，输出功率较大。输出功率较大。 1）前向泵浦：具有良好的噪声性能）前向泵浦：具有良好的噪声性能2）反向泵浦：输出功率高；）反向泵浦：输出功率高；3）双向泵浦：良好的增益和噪声性能，成本高。）双向泵浦：良好的增益和噪声性能，成本高。 3 应用应用 （1） 泵浦方式泵浦方式多级泵浦Er3+ Doped FiberP