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第06章 光放大器;光放大器基本概念;基本概念;一、光增益谱宽和放大器带宽;二、增益饱和与饱和输出功率;;四、应用;;半导体光放大器(SOA);多峰值、带宽窄,不适合系统应用,只可用于一些信号处理;二、行波半导体放大器特性;增益偏振相关性
起因:限制因子和微分增益系数随输入光的偏振态变化而变化
解决方法:采用宽、厚可比拟的有源层设计;使用方法着手。;三、脉冲放大;四、应用;B、光脉冲压缩:
利用SOA自相位调制,形成啁啾脉冲,经负色散光纤传输,实现压缩;掺铒光纤放大器(EDFA);二、EDFA的工作原理
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带吸收,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/mW
泵浦可以同向、逆向形式泵浦
由于光纤对1480nm的光损耗较小,所以1480nm泵浦光又常用于遥泵方式;基本结构:;三、EDFA的增益谱特性
吸收截面?a和发射截面?e:表示Er3+在不同波长的吸收和发射几率
增益展宽:石英纤芯结构的无序导致非均匀展宽;各能级的斯塔克分裂导致均匀展宽
在数学上,增益系数应对粒子跃迁频率的分布求平均;四、EDFA的小信号增益和饱和特性
EDFA的增益与Er3+浓度与径向分布、光纤尺寸、放大器长度、泵浦功率、输入信号功率等参数有关
计算表明:
对于给定的放大器长度(EDF长度),增益随泵浦功率在开始时按指数增加,当泵浦功率超过一定值时,增益增加变缓,并趋于一恒定值。
当泵浦功率一定时,放大器在某一最佳长度时获得最大增益,如果放大器长度超过此值,由于泵浦的消耗,最佳点后的掺铒光纤不能受到足够泵浦,而且要吸收已放大的信号能量,导致增益很快下降。
因此,在EDFA的设计中,需要在掺铒光纤结构参数的基础上,选择合适的泵浦功率和光纤长度,使放大器工作于最佳状态。;掺铒光纤放大器(EDFA);;五、EDFA的噪声特性
对于EDFA,同样有;掺铒光纤放大器(EDFA);六、高速与多信??放大特性
码型效应(Pattern effect)
A、脉宽?s ?g(增益恢复时间):无码型效应,小的波形失真
B、?s~ ?g:有码型效应,大的波形失真
C、?s ?g:无码型效应,无波形失真;掺铒光纤放大器(EDFA);多信道放大中存在的其它问题:
要求:增益平坦、增益钳制、高的输出功率
1、增益平坦;光发射机;增益平坦/均衡技术;增益平坦EDFA;新型宽谱带掺杂光纤:
如掺铒氟化物玻璃光纤(30nm平坦带宽)、铒/铝共掺杂光纤(20nm)等, 静态增益谱的平坦,掺杂工艺复杂;2、增益钳制;增益钳制技术:
电锁定:监测EDFA的输入光功率,根据其大小调整泵浦功率,从而实现增益钳制,是目前最为成熟的方法,其响应时间由Er3+三能级至二能级的跃迁时间决定(~1 ?s);光锁定:在放大器中对某一波长形成激射--存储载流子(蓄水池原理),优点:只须对第一级放大器进行增益钳制,即可实现对整个传输链路的钳制;确定;瞬态特性不如电锁定;激射波长产生的非线性效应应设法避免。
在系统中附加一波长信道,根据其它信道的功率,改变附加波长的功率,而实现增益钳制;;;5、多级设计:第一级设计以提供高增益、低噪声为目的;第二级设计以提供高输出功率为目的。此外,两极之间可接入损耗元件的EDFA被色散补偿系统及光网络中所需求,设计要求:损耗元件的接入对噪声指数影响尽可能小;FRA原理简介:;拉曼增益特性:取决于光学声子的振动能带
峰值增益频移:~13.2THz
反向泵浦为主,也可同向泵浦
支撑技术: 14??nm的大功率泵浦激光器,目前以取得实用化;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);机制:拉曼增益与泵浦波长相关
方法:多波长泵浦
增益:各个泵浦波长拉曼增益谱的加权和(以dB为单位);损耗限制与光放大;光放大器仅对光信号进行简单放大,不能再生信号
光放大器对信号进行放大的同时引入ASE噪声
光放大器的ASE噪声积累导致的OSNR下降,在不考虑色散的情况下(损耗限制系统),成为限制系统传输距离的主要因素
系统的自调整:EDFA的增益饱和可使系统工作于一种自调整状态,即EDFA的输入信号功率发生变化时,放大器增益作相应改变,输出功率保持恒定,保证系统稳定工作
级联EDFA系统设计的主要任务:
设计放大器间隔使系统在满足传输要求的情况下,具有最小的成本;放大器增益(忽略放大器产生的ASE引起
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