光电子学与光子学讲义-Chapter5-OA

Chapter5光纤通信系统中的光放大器电压源放大器输入（电信号）增益G噪声方差，σ2输出（电信号×增益＋噪声）电放大器一、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。光放大器的增益不仅与信号光频率有关，而且依赖于其强度，对于均匀展宽的二能级系统，增益系数为：sPPTgg222001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）21Tg放大器增益（或放大倍数）：inoutPPGLgGexp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）2ln2ln0LggA三、光放大器的种类1.掺稀土元素光纤放大器2.半导体光放大器3.非线性光纤放大器4.波导光放大器四、光放大器的理想特征1.具有较大的输出功率2.在信号可能通过的整个光谱区内增益谱尽可能平坦3.噪声低4.光纤的色散和非线性效应可以得到补偿和抑制5.能量转化效率高6.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SemiconductorOpticalAmplifier（SOA）1.20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2.1973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。3.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§2SOA二、SOA的基本原理§2SOA基本方程载流子的速率方程actspcacthvAgPNNqVIdtdN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、electronicchargeq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§2SOA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/GAgc，g0=Gag(Ic/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PPPPgdzdPsat/10satinoutoinoutPPPLgPPGexp二、SOA的基本原理§2SOAF-P半导体光放大器•多峰值、带宽窄,不适合作放大器应用,只可用于一些信号处理21RR可增加带宽，减小Gmax和Gmin之差，•减小•当Gmax和Gmin之比小于2（3dB)时，放大器的带宽将由增益谱决定，而不是由F-P腔的谐振峰决定--行波放大器二、SOA的基本原理§2SOA行波半导体光放大器•要求放大器的残余反射满足：17.021RRG•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§2SOA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0NNVggG•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：int02ggNNNFn三、SOA的基本性能——固定波长处的增益§2SOA三、SOA的基本性能——大波长范围内注入电流与增益§2SOA四、SOA应用中应注意的问题§2SOA1.噪声大2.偏振依赖性强3.非线性累计大、4.在高速光信息处理器件中有重要应用（如波长变换、逻辑门、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-DopedFiberAmplifier（EDFA）1.61－64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1550nm窗口的EDFA3.1987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§3EDFA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/mWEr+3的能级图二、EDFA的基本原理－受激辐射§3EDFA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12NNNN为Er+3掺杂浓度二、EDFA的基本原理－受激辐射§3EDFA12212()()()SASEASEsaSPPPPPSSASEASEseSSPPPNPPNthvAhvAPPPANhvA基本方程功率传输方程21()SSsesasasPNNPz1PPPPPNPz212()2ASESsesasaASESsaPNNPNz二、EDFA的基本原理－受激辐射§3EDFA(1)增益G010lg10lgexp()loutinPGgzdzP00()11SSgggzIIPPEDFA带宽1/20ln2lnln2gvvG11gvT00exp()GgL三、EDFA的主要性能§3EDFA增益G——影响因素:①泵浦功率PP；②光纤长度L①阈值，饱和②L固定,PP↑,G↑→饱和；③L↑,PP阈值↑,饱和增益GS↑三、EDFA的主要性能§3EDFA增益G——影响因素:①泵浦功率PP；②光纤长度L①PP固定,L↑,G↑→↓;最佳长度Lopt;②PP↑，Lopt,Gmax↑三、EDFA的主要性能§3EDFA(2)噪声噪声来源10lginoutSNRNFSNR噪声指数(NF)输入信噪比22222inininininIRPRPSNReRPfef输出信噪比2212'2()4()()4GininoutoutininASEspASEspIRGPGPSNReRPfGRGPRSfSf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§3EDFA噪声12212(1)(2)10lg10lg(4)210lg(2)10lgspininspGspGnRPevNFGPSvGNnNN噪声指数ASE-功率谱密度221(1)(1)ASEspspGNhvSGnhvNN①噪声指数与粒子数反转ΔN=(N2-N1)有关，PP↑，ΔN↑，NF↓。②极限噪声指数:PP足够大，N1→0，ΔN≈N2，NF=10lg(2)=3dB三、EDFA的主要性能§3EDFA12212(1)(2)10lg10lg(4)210lg(2)10lgspininspGspGnRPevNFGPSvGNnNN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L①PP↑，NF↓；②PS-in↑，NF↓→↑。三、EDFA的主要性能§3EDFA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L①PP较小时，L↑，NF↑；②PP较大时，L↑,NF↑→饱和。三、EDFA的主要性能§3EDFA四、EDFA的主要组成§3EDFA掺铒光纤放大器（EDFA）的组成是一段不长、在纤芯中掺铒离子的石英光纤。1.55μm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0.98μm或1.48μm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，1.55μm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§3EDFAEDFA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§3EDFA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§3EDFA五、EDFA的使用§3EDFA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动能带增益带宽：～40THz峰值增益频移：～13.2THz泵浦形式:同向、反向泵浦支撑技术:1.4μm的大功率泵浦激光器，已实用化FRA以传输光纤作为放大介质－分布式放大，从而实现一种“无损耗”传输（可降低入纤光功率，避免非线性效应）二、RFA的特性-宽带放大§4拉曼光纤放大器(RFA)三、RFA与EDFA混合应用§4拉曼光纤放大器(RFA)WDMPumpMux.WDMPumplasers管理通道控制L-bandDCML-bandEDFAC-bandDCMC-bandEDFADEMUXMUX