第7章-光放大器

第七章光放大器本章内容：7.1光放大器概述7.2掺铒光纤放大器7.3铒镱共掺光纤放大器7.4光纤拉曼放大器7.5光纤布里渊放大器7.6半导体光放大器7.1光放大器概述z为了满足长距离通信的需要，必须在光纤传输线路上每隔一定距离加入一个中继器．以补偿光信号的衰减和对畸变信号进行整形，然后继续向终端传送。„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。可实现1R、2R、3R中继。„光放大器（O-O）多波长放大、低成本；对光信号进行直接放大。1R中继。z对色散限制的系统，由于波形畸变，需要对光信号进行再生，采用光电转换的中继器。z对损耗限制的系统，只用对光信号进行放大，采用光放大器。„实际应用的光放大器：半导体激光放大器（SOA）——a光纤放大器7.1.2光放大器的分类掺杂光纤放大器——b非线性光纤放大器——c7.1.3光放大器的主要指标„放大器的性能指标：增益频谱和带宽增益饱和放大器噪声„放大器的增益频谱和带宽：对于均匀展宽二能级系统，增益系数g可表示为：¾g0为由放大器泵浦大小决定的峰值增益，ω为入射光信号的频率，ω0为激活介质的跃迁频率，P为信号光功率，Ps为饱和光功率，T2为横向驰豫时间。02202()(,)1()/sggPTPPωωωω=+−+7.1.3光放大器的主要指标－增益和带宽„小信号增益：当P/Ps1，或PPs，称为小信号增益。（Ps为饱和功率）增益系数g可表示为：¾当信号光的频率与介质的频率相等时ω＝ω0，增益取得最大值。¾ω≠ω0，增益按洛仑兹分布减小。02202()1()ggTωωω=+−sPPTgg/)(1)(22200+−+=ωωω7.1.3光放大器的主要指标－增益和带宽„增益谱宽：增益谱g(ω)降至最大值一半处的全宽对于洛仑兹分布的增益谱，增益带宽为：2212/2gggTTωωνππΔΔ=Δ==或„放大器的增益或放大倍数G：inoutPPG/=‹增益与增益系数的关系为：()exp[()]GgLωω=„放大器带宽ΔυA：增益G(ω)降至最大放大倍数一半处的全宽度与增益带宽的关系为：由于放大器增益与增益系数为指数关系，所以放大器带宽小于增益带宽。0ln2()ln2AggLννΔ=Δ−7.1.3光放大器的主要指标－增益饱和当P/Ps1，或PPs，称为小信号增益。当P增大至可与Ps相比拟时，g(ω)随着P增大而减小，同时放大器增益G(ω)也减小。sPPTgg/)(1)(22200+−+=ωωω增益系数与信号光功率有关增益饱和)1exp(0soutPPGGGG⋅−−=放大器峰值增益G03dB增益饱和：当Pin增大到一定值，G开始下降。饱和区域7.1.3光放大器的主要指标－增益饱和satoutP„饱和输出功率：放大器增益从峰值增益下降3dB时的输出功率。sat0outs0ln22GPPG=−„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。在放大器输出端，信号已得到放大，但也产生了新的自发辐射ASE噪声，导致信噪比下降。„放大器噪声指数NF——表示信噪比降低程度()()inoutSNRNFSNR=7.1.3光放大器的主要指标－放大器噪声22pininin2in()(SNR)2()2IRPPqRPhσννν===Δ+22pininout22sp()(SNR)4IRGPGPSfσσ==≈Δspsp2(1)2nGNFnG−=≈7.1.4光放大器的应用„光放大器的应用在线放大(In-line)：周期性补偿各段光纤损耗功率放大(Boost)：提高入纤功率，增加传输距离前置放大(Pre-Amplify):提高接收灵敏度局域网的分配补偿放大器：补偿分配损耗，增大网络节点数„EDFA（Erbium-DopedFiberAmplifier）原理：经泵浦源的作用，工作物质粒子由低能级跃迁到高能级，在一定泵浦强度下，得到了粒子数反转分布而具有光放大作用，当工作频带范围内的信号光输入时，便得到光放大。7.2掺铒光纤放大器7.2.1EDFA的工作原理掺铒离子单模光纤——增益介质泵浦光作用——产生粒子数反转信号光诱导——实现受激辐射放大7.2.1EDFA的工作原理„EDFA中的Er3+能级结构：zEr3+在未受任何光激励的情况下，处在最低能级4I15/2上；z当泵浦光入射，Er3+吸收泵浦光的能量，向高能级跃迁，泵浦光的波长不同，粒子所跃迁到的高能级也不同。4F9/24I9/24I11/24I13/24I15/21.48μm泵浦0.65μm0.80μm0.98μm1.53μm123光信号„泵浦光入射：7.2.1EDFA的工作原理z1480nm泵浦掺铒光纤相当于一个二能级系统，吸收和辐射跃迁只涉及基态能级4I15/2和激发态能级4I13/2。z980nm泵浦掺铒光纤相当于一个三能级系统。处于基态的Er3+离子在吸收泵浦光子后被激发到4I11/2能级，这一能级通过非辐射跃迁衰变到4I13/2。吸收泵浦光，亚稳态上的Er3+不断积累，从而实现粒子数反转。7.2.1EDFA的工作原理„信号光通过并放大：当1550nm波段的信号光通过这段掺铒光纤时，亚稳态上的粒子以受激辐射的形式跃迁到基态，并产生和入射光信号中的光子一模一样的光子，实现了信号光在掺铒光纤的传输过程中的不断放大。　4F9/24I9/24I11/24I13/24I15/21.48μm泵浦0.65μm0.80μm0.98μm1.53μm123光信号放大自发辐射噪声(AmplifiedSpontaneousEmission，ASE)：受激辐射的过程中少数粒子以自发辐射的形式跃迁到基态，产生带宽极宽且杂乱无章的光子，并在传播中不断得到放大，并消耗了部分泵浦功率。　Inputsignal1530nm-1570nmAmplifiedoutputsignalPowerlaser(Pump)980nmor1480nmFibercontainingerbiumdopant7.2.1EDFA的工作原理信号光与波长较其为短的光波信号光与波长较其为短的光波((泵浦光泵浦光))同沿光纤传输，泵浦光同沿光纤传输，泵浦光的能量被光纤中的稀土元素离子吸收而使其跃迁至更高能级的能量被光纤中的稀土元素离子吸收而使其跃迁至更高能级，并可通过能级间的受激发射转移为信号光的能量。信号光，并可通过能级间的受激发射转移为信号光的能量。信号光沿光纤长度得到放大，泵浦光沿光纤长度不断衰减。沿光纤长度得到放大，泵浦光沿光纤长度不断衰减。掺铒光纤放大器的基本结构掺铒光纤：当一定的泵浦光注入到掺铒光纤中时，Er3+从低能级被激发到高能级，由于在高能级上的寿命很短，很快以非辐射跃迁形式到较低能级上，并在该能级和低能级间形成粒子数反转分布。泵浦源（半导体激光器）：为信号放大提供足够的能量，使物质达到粒子数反转。波分复用耦合器：将信号光和泵浦光合路进入掺铒光纤中。光隔离器：使光传输具有单向性，放大器不受反射光影响，保证稳定工作。7.2.2EDFA的结构三种泵浦方式的EDFALD2LD2WDM2WDM2EDFEDFAPCAPCAPCAPCininoutoutLD1LD1WDM1WDM1LDLDWDMWDMEDFEDFAPCAPCAPCAPCininoutoutLDLDWDMWDMEDFEDFAPCAPCAPCAPCininoutout同向泵浦(前向泵浦)反向泵浦(后向泵浦)双向泵浦型7.2.2EDFA的结构三种泵浦方式对比同向泵浦反向泵浦双向泵浦7.2.2EDFA的结构z信号输出功率与泵浦光功率的关系——泵浦效率＜＜z噪声指数同向泵浦反向泵浦双向泵浦＜z饱和输出同向泵浦反向泵浦双向泵浦＜＜7.2.3EDFA的主要指标－增益特性„增益G：输出信号光功率与输入信号光功率的比值，用分贝表示。inoutPPdBGlg10)(=ASE的存在outASEin()(dB)10lgPPGP−=„增益系数：e2a1()[()()()()]gznznzσλσλ=−σe(λ)——发射截面σa(λ)——吸收截面n1(z)——基态的铒离子浓度n2(z)——激发态的铒离子浓度　增益与光放大器的泵浦功率、掺杂光纤的参数和输入光信号等诸多因素有很复杂的关系。7.2.3EDFA的主要指标－增益特性增益与信号光功率的关系：z小信号增益：当泵浦光功率足够强，而信号光与ASE光很弱时，上下能级的粒子数反转度很高，沿掺铒光纤长度方向上的上能级粒子数保持不变，EDFA的增益将达到很高的值，而且随输入小信号光功率的少量增加，增益仍维持在恒定值z增益饱和：在给定输入泵浦光功率时，随着入射信号光与ASE光的逐渐增大，上能级铒离子的增加将因不足以补偿损耗而减少，增益也将不能维持初始值而逐渐下降，此时放大器进入饱和工作状态，产生增益饱和。7.2.3EDFA的主要指标－增益特性增益与信号波长的关系：受激吸收和受激辐射截面的线型谱线的线型与铒离子的掺杂浓度密切相关，且一般来说吸收系数越大，掺杂浓度越高，增益越高。7.2.3EDFA的主要指标－增益特性增益与信号波长的关系：沿掺铒光纤长度方向上非均匀粒子数反转引起的增益系数的变化7.2.3EDFA的主要指标－饱和输出功率„饱和输出功率：小信号增益跌落3dB时对应的输出信号光功率，或者是输入信号光功率0dBm时对应的输出信号光功率。outinsatsatmax(dBm)(dBm)(dB)3dBPPG=+−7.2.3EDFA的主要指标－噪声„噪声机制：散弹噪声、ASE谱的散弹噪声、ASE谱和信号光之间的差拍噪声、ASE光谱分量之间的差拍噪声及多路干涉。„噪声指数：SNR(0)NF=SNR()L2s2(0)SNR(0)(0)Pσ=2s2()SNR()()PLLLσ=SNR(0)NF10lgSNR()z=ASE21NF10lg()GhvGρ=+sp11NF10lg(2)GnGG−=+e2spe2a1()()()vNnvNvNσσσ=−7.2.3EDFA的主要指标－噪声„噪声指数：讨论：sp11NF10lg(2)GnGG−=+‹当G1时，有NF=10lg2nsp。‹如果光纤中的铒离子处于接近完全反转的情况，则nsp=1，此时，NF=3dB，是处于高增益状态的EDFA的量子噪声极限。‹减小反转参数可以有效地改善放大器噪声性能。‹光纤越长，NF越大。‹泵浦功率增加，反转粒子数则增加，NF降低；当泵浦光使EDFA饱和时，粒子数反转达到最大值，NF趋于一定值。7.2.3EDFA的主要指标„为什么要用掺铒光纤放大器——优点(1)工作波长与光通信低损耗窗口一致；　(2)耦合效率高，易于与光纤相耦合；　(3)增益与入射光的偏振特性无关；　(4)采用980nm或1480nm激光二极管进行泵浦可以达到很高的增益和饱和输出功率以及极低的放大器噪声；(5)EDFA在1550nm处的带宽增益约为35nm，可以在1550nm窗口对多个波长通道同时进行放大；　(6)掺铒光纤具有很低的非线性响应速度；　(7)可实现信号的透明传输，在波分复用系统中可同时传输模拟信号和数字信号，各种速率兼容，调制方案可任意选择。„缺点(1)波长固定；　(2)增益带宽不平坦，需采用特殊手段来进行增益谱补偿。　7.2.4EDFA的特点„EDFA的应用形式：功率放大器（BA:BoosterAmplifier）：线路放大器（LA:LineAmplifier）：前置放大器（PA:Preamplifier）：7.2.5EDFA的系统应用„Yb3＋的作用:作为Er3+的敏化剂7.3铒镱共掺光纤放大器(1)Yb3+吸收截面大，提高对泵浦光的吸收，使光纤的长度缩短。　(2)Yb3+更宽的吸收带允许使用较宽波长的泵浦光源　(3)Yb3+简单的能级结构降低了从激活离子到Yb3+敏化离子后向能量的转换，从而提高了发光效率。　„原理：敏化发光过程：Yb3+掺入光纤后与Er3+形成Yb3+－Er3+离子对，当泵浦光入射时，基态Yb3+吸收大部分的泵浦光后激发到上能级。被激发的Yb3+把吸收到的能量通过Yb3+－Er3+离子对转移给基态Er3+，得到能量后的Er3+发生