第5章 光放大器.ppt

第5章 光放大器 5.1 引言 5.2 掺铒光纤放大器EDFA 5.3 受激拉曼光纤放大器SRA 5.4 受激布里渊光纤放大器SBA 5.5 其他光纤放大器 5.6 半导体光放大器SOA 5.7 光放大器的应用 5.8 光纤激光器 5.9 光波长变换器 习题五 5.1 引 言 在光放大器研制成功之前， 主要采用光电混合中继器（或称再生器）放大光信号。 首先将光纤中送来的光信号转换为电信号， 然后对电信号进行放大， 最后再将放大了的电信号转换为光信号送到光纤中去， 如图5.1所示。 根据不同的要求， 可将再生器分为三种类型: 只有放大和均衡功能的1R再生器， 用于模拟信号的传输; 2R再生器， 即在1R的基础上加上数字信号处理(如整形(Reshaping))的再生器； 3R再生器， 即在2R的基础上再增加重新定时与判决功能（Retiming）的再生器。 它们的功能如图5.2所示。 尽管这种方式对于单个波长且数据速率不太高的通信很适用， 但对于高速率的多个波长系统显然是相当复杂的， 每一波长就需一个再生器， 如有N个波长就需要N个这样的再生器， 造价是相当高的。 另一方面， 对于很高的数据速率， 电放大器的实现难度很大。 因此， 人们试图对光信号直接放大， 如果这种放大的带宽较宽， 则可以同时对多个波长进行放大， 因而只需一个放大器即可。 人们经过很大的努力， 终于研制成功了全光放大器， 它可同时对多个波长进行放大。 光放大器从功能上来看属于1R再生器。 5.2 掺铒光纤放大器EDFA 光纤放大器是提升衰减的光信号， 延长光纤的传输距离的关键器件。 光纤放大器的主要特性如下： (1) 增益: 是输出光功率与输入光功率的比值（以dB为单位）。 (2) 增益效率: 是增益对输入光功率的函数。 (3) 增益带宽: 是放大器放大信号的有效频率范围。 (4) 增益饱和: 一般情况下输入信号应该足够大， 以便能引起放大器的饱和增益。 饱和时的增益随信号功率增加而减小。 (5) 增益波动: 是增益带宽内的增益变化范围（以 dB为单位）。 (6) 噪声: 与放大光信号有关的噪声包括两个方面： 光场噪声和强度/光电流噪声。 光场噪声指由光谱分析仪（OSA）测量出的光噪声谱， 如光放大器中输出的ASE(放大的自发辐射)噪声是这种噪声的主要部分。 强度/光电流噪声是指与光束相联系的功率或光电流的波动， 这种噪声的谱宽典型值可达几十 GHz。 常见的强度噪声类型有: ① 散粒噪声； ② 信号与自发辐射差拍噪声(简称SI-SP噪声)； ③ 自发辐射与自发辐射差拍噪声(简称SP-SP噪声)等。 5.2.1 EDFA的放大原理 铒(Er)是一种稀土元素， 在制造光纤过程中， 设法向其掺入一定量的三价铒离子， 便形成了掺铒光纤（EDF）。 除了所掺的铒以外， 这种光纤的构造与通信中单模光纤的构造一样， 如图5.3所示。 铒离子位于EDF的纤芯中央地带， 将铒离子放在这里有利于其最大地吸收泵浦和信号能量， 从而产生好的放大效果。 环绕在纤芯外的折射率较低的玻璃包层则完善了波导结构并提供了抗机械强度的特性， 保护层的加入则将光纤总直径增大到 250 μm。 由于它的折射率较包层而言有所增加， 因而它可将任何不希望在其包层中传播的光转移掉。 ? 铒的能级图如图5.4所示。 其发光原理可用三能级系统来解释， 基态为4I15/2， 激发态为4I13/2， 4I11/2。 在泵浦光的激励下，　4I11/2能级上的粒子数不断增加， 又由于其上的粒子不稳定， 很快跃迁到亚稳态4I13/2能级， 从而实现了粒子数反转。 当具有1550 nm波长的光信号通过这段掺铒光纤时， 亚稳态的粒子以受激辐射的形式跃迁到基态， 并产生出和入射光信号中的光子一模一样的光子， 从而大大增加了信号光中的光子数量， 即实现了信号光在掺铒光纤的传输过程中不断被放大的功能， 掺铒光纤放大器也由此得名。 在铒粒子受激辐射的过程中， 有少部分粒子以自发辐射形式自己跃迁到基态， 产生带宽极宽且杂乱无章的光子， 并在传播中不断地得到放大， 从而形成了自发辐射放大ASE(Amplified Spontaneous Emission)噪声， 并消耗了部分泵浦功率， 因此， 需增