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12021/3/10讲解：XX122021/3/10讲解：XX2内容提要内容提要4.1 4.1 光放大器基本概述光放大器基本概述 4.2 4.2 掺铒光纤放大器掺铒光纤放大器 4.3 4.3 光纤拉曼放大器光纤拉曼放大器 4.4 4.4 半导体光放大器半导体光放大器 4.5 4.5 几种新型放大器几种新型放大器 4.6 4.6 光放大器的测试光放大器的测试32021/3/10讲解：XX3光放大器基本概述光放大器基本概述 常规的光电混合中继器放大光信号时，需要进行光电转换、电放大、再定时、脉冲整形以及电光转换，这种方式已经满足不了现代通信传输的要求。z=0z=L衰减光放大器光放大器的作用光放大器的作用42021/3/10讲解：XX4 半导体光放大器（半导体光放大器（SOASOA）n 利用半导体制作的半导体光放大器（利用半导体制作的半导体光放大器（SOASOA）n 小型化，容易与其他半导体器件集成小型化，容易与其他半导体器件集成;性能与性能与光偏振方向有关，器件与光纤的耦合损耗大光偏振方向有关，器件与光纤的耦合损耗大 光纤放大器光纤放大器(OFA)(OFA)n 利用利用稀土掺杂稀土掺杂的光纤放大器（的光纤放大器（EDFAEDFA、PDFAPDFA）n 利用光纤利用光纤非线性效应非线性效应制作的非线性光纤放大制作的非线性光纤放大器（器（FRAFRA、FBAFBA）n 性能与光偏振方向无关，器件与光纤的耦合性能与光偏振方向无关，器件与光纤的耦合损耗很小损耗很小光放大器的分类光放大器的分类52021/3/10讲解：XX5几种光放大器的比较几种光放大器的比较62021/3/10讲解：XX6光发射机+功率放大器+光接收机光发射机+前置放大器+光接收机光发射机+线路放大器+光接收机光发射机+功率放大器+前置放大器+光接收机光发射机+功率放大器+线路放大器+光接收机光发射机+线路放大器+前置放大器+光接收机光发射机+功率放大器+线路放大器+前置放大器+光接收机 光放大器的应用光放大器的应用72021/3/10讲解：XX7电流电流输入光信号输入光信号输出光信号输出光信号输出光信号输出光信号掺杂光纤掺杂光纤输入光信号输入光信号泵浦光泵浦光 波分复用器波分复用器输出光信号输出光信号纯石英光纤纯石英光纤输入光信号输入光信号泵浦光泵浦光波分复用器波分复用器（a a）半导体光放大器）半导体光放大器（b b）掺杂光纤放大器）掺杂光纤放大器（c c）受激散射光纤放大器）受激散射光纤放大器光放大器的基本工作原理光放大器的基本工作原理n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。大器除外），然后通过受激辐射实现对入射光的放大。n光放大器是基于光放大器是基于受激辐射或受激散射受激辐射或受激散射原理实现入射光信号放大的一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一个没有反馈或反馈较小的激光器。没有反馈或反馈较小的激光器。82021/3/10讲解：XX8光放大器的参数光放大器的参数92021/3/10讲解：XX9光放大器之增益频谱和带宽光放大器之增益频谱和带宽n增益G是描述光放大器对信号放大能力的参数。定义为：inoutPPdBG10log10)()exp()GgLn G与光放大器的泵浦功率、掺杂光纤的参数和输入光信号关系。n G()与g()间存在指数依存关系。当=0时，放大器的增益G()和增益系数g()均达到最大。102021/3/10讲解：XX10光放大器之增益频谱和带宽光放大器之增益频谱和带宽112021/3/10讲解：XX11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输出功率：饱和输出功率：放大器增益降至小信号增益一半放大器增益降至小信号增益一半时的输出功率。时的输出功率。3dBPsout当当Pin增大到一定值后，光放大器的增增大到一定值后，光放大器的增益益G开始下降。增益饱和现象。开始下降。增益饱和现象。饱和区域饱和区域122021/3/10讲解：XX12放大器的噪声放大器的噪声n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NF来表示，其定义为：n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。outinSNRSNRdBNF)()(log10)(10132021/3/10讲解：XX13EDFA放大放大1540波长信号时产生的影响波长信号时产生的影响142021/3/10讲解：XX14hnGSspsp1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122NNNnsp对于原子都处于激发态对于原子都处于激发态或完全粒子数反转的光或完全粒子数反转的光放大器，放大器，n nspsp=1;=1;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152021/3/10讲解：XX15研究发现，接收机前接入光放大器后，新增加的研究发现，接收机前接入光放大器后，新增加的噪声主要来自噪声主要来自ASEASE噪声与信号本身的差拍噪声。噪声与信号本身的差拍噪声。噪声指数噪声指数为：为：)2lg(10)1(2lg10spspnGnGNF表明：即使对表明：即使对n nspsp=1=1的完全粒子数反转的理想放大器，的完全粒子数反转的理想放大器，被放大信号的被放大信号的SNRSNR也降低了二倍（或也降低了二倍（或3dB3dB）。对大多数）。对大多数实际的放大器实际的放大器F Fn n均超过均超过3dB 3dB，并可能达到，并可能达到68dB68dB。希望。希望放大器的放大器的F Fn n尽可能低。尽可能低。162021/3/10讲解：XX16 自发辐射的影响是增加一些起伏到放大后的功率上，在光电探测过程中该功率又转变成电流的起伏。研究结果表明，在接收机噪声中占统治地位的是来自自发辐射与信号本身的拍频噪声，即自发辐射与放大后的信号在光电探测器相干混频，并产生光电流的外差成份。ASE噪声噪声172021/3/10讲解：XX17掺铒光纤放大器掺铒光纤放大器 l 以掺铒光纤为增益介质。l 1985年，南安普敦大学的Mears等人制成了EDFA。l 1986年，他们用Ar离子激光器做泵浦源又制造出工作波长为1540 nmnm的EDFA。l 90年代初，波长1.55m的EDFA宣告研制成功并能实际推广应用。l 1994年开始，EDFA进入商用，包括Corning、Lucent和JDS Uniphase等许多著名公司。l 我国研究EDFA起步比较晚，是从上世纪90年代开始的。掺铒光纤放大器简介掺铒光纤放大器简介182021/3/10讲解：XX18掺铒光纤放大器特性掺铒光纤放大器特性高增益（高增益（30dB30dB）宽带（约宽带（约100nm100nm）低噪声（低噪声（4 46dB6dB）偏振不敏感偏振不敏感高输出功率（高输出功率（16dBm16dBm）192021/3/10讲解：XX19EDFAEDFA一般由一般由掺铒光纤掺铒光纤(EDF)(EDF)、泵浦光泵浦光(PUMP-LD)(PUMP-LD)、光无源器件、控制、光无源器件、控制单元单元和和通信接口通信接口五个部分组成。五个部分组成。掺铒光纤放大器的基本组成掺铒光纤放大器的基本组成 正向泵浦时由于在输入端具有很高的粒子数反转，噪声指数最小 反向泵浦时由于能在输出端提供较强的泵浦功率以延迟增益饱和现象的发生，转换效率较高，输出功率较高、噪声指数最大 双向泵浦时由于泵浦光沿铒光纤长度泵浦比较均匀，因而它兼具高功率及低噪声指数的特性。202021/3/10讲解：XX20EDFA中的中的Er3+能级结构能级结构n泵浦波长可以是520、650、800、980、1480nm,波长短于980nm的泵浦效率低，980nm和1480nm的LD已经商品化,因而通常采用980和1480nm泵浦。212021/3/10讲解：XX21EDFA的工作原理的工作原理nEDFA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。222021/3/10讲解：XX22 增益随着EDF长度的增加先增大，在达到增益最大值后，增益开始随着EDF长度的增加逐渐变小。这说明了EDFA优化设计中存在最佳铒光纤长度问题。这是因为泵浦光激发基态粒子到上能级，通过受激辐射实现光信号放大，当泵浦光沿EDF传输时，将因受激吸收而不断衰减，导致反转粒子数不断减少，当长度超过最佳长度后，泵浦光就不能让信号光得到充分的放大，同时信号光也被吸收，此时增益下降。不管是正向泵浦还是反向泵浦，1480 nmnm泵浦得到的噪声指数和增益都高于980 nmnm泵浦所得。反向泵浦的噪声指数和增益大于正向泵浦，长度越长，这种差别就越明显。因此，人们在设计混合泵浦EDFA时候，通常把1480 nm激光作为反向泵浦，980 nm作为正向泵浦。掺铒光纤放大器的基本特性掺铒光纤放大器的基本特性232021/3/10讲解：XX23增益均衡问题增益均衡问题不同信道之间存在强烈的竞争。从而导致系统出现误码。当多个波长的光信号通过EDFA时，不同信道的增益会有所不同，而且这种增益差还会随着级联放大而累积增大，导致某些信道的增益剧增而另一些信道的增益剧减，低电平信道信号的SNR恶化，高电平信道信号也因为光纤非线性效应而使信号特性恶化。信道数目的变化将造成剩余信道总功率的随机变化从而影响系统的稳定性.掺铒光纤放大器的多通道放大掺铒光纤放大器的多通道放大242021/3/10讲解：XX24解决方案解决方案光纤本征型，选用不同掺杂即光纤基质成分，从而改善EDFA的特性。如研制蹄化物玻璃材料光纤；用增益谱反转的各种无源滤波器补偿型，如利用Bragg光纤光栅、双锥光纤、周期调制的双芯光纤等等；用增益谱反转的各种有源滤波器补偿型，如利用集成电光M-Z干涉仪，声光滤波器；用不同掺杂材料和掺杂量的光纤进行混合组合EDFA型；对铒光纤进行周期性弯曲来改变EDFA的增益谱和噪声指数；自引入激射光的增益锁定控制。掺铒光纤放大器的多通道放大掺铒光纤放大器的多通道放大252021/3/10讲解：XX25光纤拉曼放大器光纤拉曼放大器 拉曼放大器的简介拉曼放大器的简介262021/3/10讲解：XX26n拉曼现象在1928年被发现。n90年代早期，EDFA取代它成为焦点，FRA受到冷遇。n随着光纤通信网容量的增加，对放大器提出新的要求，传统的EDFA已很难满足，FRA再次成为研究的热点。n高功率二极管泵浦激光器的迅猛发展，为FRA的实现奠定了坚实的基础。n人们对FRA的兴趣来源于这种放大器可以提供整个波长波段的放大。通过适当改变泵浦激光波长，就可以达到在任意波段进行宽带光放大，甚至可在12701670nm整个波段内提供放大。拉曼放大器的简介拉曼放大器的简介272021/3/10讲解：XX27n分立式FRA采用拉曼增益系数较高的特种光纤（如高掺锗光纤等），这种光纤长度一般为几公里，泵浦功率要求很高，一般为数瓦，可产生40 dB以上的高增益，用于实现EDFA无法实现的波段的集总式放大。n分布式RFA主要作为传输系统中传输光纤损耗的分布式补偿放大，实现光纤通信系统光信号的透明传输，主要用于1.3m和1.5m光纤通信系统中作为多路信号和高速超短光脉冲信号传输损耗的补偿放大，亦可作为光接收机的前置放大器。拉曼放大器的简介拉曼放大器的简介282021/3/10讲解：XX28FRAFRA原理简介：原理简介：物理机制：物理机制：A.A.光纤拉曼散射效应（光纤拉曼散射效应（SRS)SRS)一个入射光子（一个入射光子（pump)pump)的的湮灭，产生一个下移湮灭，产生一个下移stokesstokes频率的光子和另一频率的光子和另一个具有相当能量和动量的光个具有相当能量和动量的光学光子学光子B.B.与与pumppump光子相差光子相差stokesstokes频率的信号光子，频率的信号光子，经受激散射过程被放大经受激散射过程被放大FRAFRA是靠非线性散射实现放大功是靠非线性散射实现放大功能，不需要能级间粒子数反转能，不需要能级间粒子数反转光纤拉曼放大器原理简介光纤拉曼放大器原理简介(1)292021/3/10讲解：XX29频率为频率为 p p和和 s s的泵浦光和信号光的泵浦光和信号光通过耦合器输入光纤，当这两束通过耦合器输入光纤，当这两束光在光纤中一起传输时，泵浦光光在光纤中一起传输时，泵浦光的能量通过的能量通过SRSSRS效应转移给信号效应转移给信号光，使信号光得到放大。光，使信号光得到放大。峰值增益频移：峰值增益频移：13.2THz13.2THz反向泵浦为主，也可同向泵浦反向泵浦为主，也可同向泵浦支撑技术支撑技术:14:14nmnm的大功率泵的大功率泵浦激光器，目前以取得实用化浦激光器，目前以取得实用化光纤拉曼放大器原理简介光纤拉曼放大器原理简介(2)302021/3/10讲解：XX30ppoRapgeG)1(1oGGoos 0：输入信号输入信号功率对泵浦光功率对泵浦光功率的比例功率的比例)0()0(psspoPPff拉曼增益常数拉曼增益常数Rgppa有效光纤截面积有效光纤截面积 泵浦光的光纤衰减常数泵浦光的光纤衰减常数 输入的泵浦光功率输入的泵浦光功率 pfopsf)0(sP信号光的功率信号光的功率 泵浦光的频率泵浦光的频率 信号光的频率信号光的频率拉曼放大器的特性拉曼放大器的特性n 放大增益 n 饱和增益n 噪声指数 同EDFA312021/3/10讲解：XX31拉曼放大器的特性拉曼放大器的特性特性：特性：在所有类型光纤中都会发生在所有类型光纤中都会发生峰值增益频移峰值增益频移13 THz(60-100nm)13 THz(60-100nm)增益具有偏振依赖性，当泵浦光与信号光偏振方向平增益具有偏振依赖性，当泵浦光与信号光偏振方向平行时增益最大，垂直时增益最小为零行时增益最大，垂直时增益最小为零增益谱很宽增益谱很宽(125nm)(125nm)但并不平坦但并不平坦nAdvantages:Advantages:n理论上可以得到任意波长的增益，前提是需要合适的泵浦理论上可以得到任意波长的增益，前提是需要合适的泵浦源；源；n分布或分立放大均能实现；分布或分立放大均能实现；n使用光纤作为放大介质意味着在线放大的可能，可以减少使用光纤作为放大介质意味着在线放大的可能，可以减少噪声的积累。噪声的积累。nDisadvantages:Disadvantages:n泵浦功率高（泵浦功率高（500mW500mW）322021/3/10讲解：XX32 SOA具有快的动态增益特性、价格低、能耗小、宽的带宽、可以工作在0.61.6m任意波段，易于与其他器件集成等优点。早在1962年发明半导体激光器不久，人们就已开始了SOA的研究。由于80年代末期EDFA的出现并迅速成为光纤通信的主流，SOA的研发和应用曾相对处于低谷，直到90 年代后，人们进一步认识到SOA可以用于实现波长转换、WDM与TDM转换等功能，才又对SOA进行了广泛地研究和开发。4.4 半导体光放大器半导体光放大器 半导体光放大器的简介半导体光放大器的简介332021/3/10讲解：XX33半导体光放大器的分类半导体光放大器的分类根据光放大器端面反射率和工作偏置条件，将半导体光放根据光放大器端面反射率和工作偏置条件，将半导体光放大器分为：大器分为：342021/3/10讲解：XX34352021/3/10讲解：XX35SOA增益偏振相关性增益偏振相关性起因：由于半导体有源层的横截面呈扁长方形，对横向（长方形起因：由于半导体有源层的横截面呈扁长方形，对横向（长方形的宽边方向）和竖向（长方形的窄边方向）的光场约束不同，光的宽边方向）和竖向（长方形的窄边方向）的光场约束不同，光场在竖向的衍射泄漏强于横向，因而场在竖向的衍射泄漏强于横向，因而竖向的光增益弱于横向竖向的光增益弱于横向。因。因此光信号的此光信号的偏振方向取横向时的增益大，取竖向时的增益小。偏振方向取横向时的增益大，取竖向时的增益小。解决方法：采用宽、厚可比拟的有源层设计；使用方法上解决。解决方法：采用宽、厚可比拟的有源层设计；使用方法上解决。相同结构相同结构SOASOA互相互相垂直垂直并接并接，在输入端采用偏，在输入端采用偏振分束器将信号振分束器将信号分成分成TETE和和TMTM偏振信号偏振信号,分别输分别输入至相互垂直的入至相互垂直的SOASOA，然后将两只然后将两只SOASOA放大的放大的TETE和和TMTM偏振信号合成，偏振信号合成，得到与输入光同偏振态得到与输入光同偏振态的放大信号。的放大信号。输入光信号输入光信号往返两次往返两次通过同一通过同一SOASOA，但反向，但反向通过前，采用法拉第旋转器使返回光旋转通过前，采用法拉第旋转器使返回光旋转90900 0第二次放大后，用耦合器取出输出光信号。第二次放大后，用耦合器取出输出光信号。相同结构相同结构SOASOA互相互相垂直串接垂直串接，所得增益将与所得增益将与偏振无关偏振无关362021/3/10讲解：XX364.5 几种新型放大器几种新型放大器 掺铥光纤放大器掺铥光纤放大器波导放大器波导放大器光子晶体光纤放大器光子晶体光纤放大器372021/3/10讲解：XX37掺铥光纤放大器掺铥光纤放大器第一级泵浦通过基态吸收将Tm3+由基态泵浦到3H4能级，并由于多量子驰豫衰减到亚稳态3F4第二级泵浦将Tm3+从能级3F4泵浦到3H4。第二级泵浦减少了3F4能级的粒子数，同时增加了3H4的粒子数，从而实现了粒子数反转。382021/3/10讲解：XX38掺铥光纤放大器掺铥光纤放大器TDFA的主要应用是DWDM系统，它的研制成功，可以和EDFA进行多波段合波的传输，从而解决了通信容量的问题。392021/3/10讲解：XX39波导放大器波导放大器光波导放大器可以在较小的器件尺寸内获得较大的增益，有可能为集成光路引进多种有源/无源器件。可以像电路集成一样将光波导放大器、光源、光滤波器、光探测器等有源、无源器件集成在一片芯片中，进行光电子集成。掺钕光波导放大器（NDWA，其中心工作波长为1060nm）掺铒光波导放大器（EDWA，其中心工作波长为1550nm）。402021/3/10讲解：XX40 (a)光子晶体光纤光子晶体光纤 （b）空芯光子晶体光纤）空芯光子晶体光纤光子晶体光纤放大器光子晶体光纤放大器光子晶体光纤（PCF）又被称为微结构光纤或多孔光纤，它是一种由单一介质构成（通常为熔融硅或聚合物）、在二维方向上紧密排列（通常为周期性六角形）而在第三维方向（光纤的轴向）基本保持不变的波长量级的空气孔构成微结构包层的新型光纤。它可以视为一种芯层为破坏了周期结构的缺陷的二维光子晶体，且其芯层可以为实芯材料或空气。412021/3/10讲解：XX41 类似于EDFA和RFA，PCFA也可以分为光子晶体光纤拉曼放大器和掺铒光子晶体光纤放大器。然而到目前为止，PCFA还处在研究阶段。光子晶体光纤放大器光子晶体光纤放大器 PCF的结构易于设计，容易控制光的行为，设计一种自身具有色散控制、非线性效应小、泵浦功率小、体积小且宽带的光子晶体光放大器是完全有可能的。近年来国内外许多学者开始了光子晶体光纤放大器（PCFA）的研究。422021/3/10讲解：XX424.6 光放大器的测试光放大器的测试测试参数的定义测试参数的定义掺铒光纤放大器掺铒光纤放大器拉曼光纤放大器拉曼光纤放大器半导体光放大器半导体光放大器432021/3/10讲解：XX43动态范围：定义为放大器工作于饱和区时，保持恒定信号输出功率(0.5 dB)所对应的输入信号功率变化范围，称为动态范围，单位dB；增益平坦度(GF)：指在整个可用的增益通带内，最大增益波长点的增益与最小增益波长点的增益之差，单位dB。在WDM系统中GF越小越好。增益变化：指光放大器增益在光放大器工作波段内（多通路）的变化，最大和最小增益变化的数值与通路数无关。测试参数的定义测试参数的定义442021/3/10讲解：XX44)()()()(00GGGGDGT测试参数的定义测试参数的定义是参考波长，0是定义的波长，G是标称增益，G/是不同输入光功率下的增益。452021/3/10讲解：XX45 OSA得到的输入信号光放大前后谱掺铒光纤放大器掺铒光纤放大器462021/3/10讲解：XX46掺铒光纤放大器掺铒光纤放大器ASERLin1(dBm)=()/2()3PPPPP21(dB)(dB)(dB)GPP10ASE0(dB)10log(/1/)NFPh B GG ASE功率 放大器增益 噪声指数472021/3/10讲解：XX47掺铒光纤放大器掺铒光纤放大器具体测量噪声指数步骤如下：(1)使用光功率计测量输入光功率Pin；(2)在未接入EDFA时，调整偏振控制器使光波只通过偏振分束器的其中一条路径有最大的输出，用光谱分析仪测量此时信号的峰值功率P1；(3)接入EDFA，调整偏振控制器使光谱仪测量到最大的信号峰值功率P2；(4)调整偏振控制器使信号峰值达到最小，只剩下ASE功率电平。采用线性插值方法，即在信号波长左右约0.2nm间隔处测量ASE电平PL、PR，然后求和取平均值，我们认为这个平均值就是信号波长的ASE电平；(5)将所得的数据代入公式，即可计算出信号的ASE功率、放大器增益和噪声指数482021/3/10讲解：XX48放大信号放大信号原始信号原始信号Source Spontaneous Emission,SSEASE+(Gain x SSE)Noise FigureGain掺铒光纤放大器掺铒光纤放大器492021/3/10讲解：XX49拉曼光纤放大器拉曼光纤放大器502021/3/10讲解：XX50SOA微调架光谱仪偏振控制器可调激光器光衰减器光隔离器光隔离器半导体光放大器半导体光放大器2021/3/1051感谢您的阅读收藏，谢谢！
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