光电子学与光子学讲义-Chapter5-OA.ppt

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1、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：上式可用于讨论放大器的增益带宽、放大倍数、

2、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）放大器增益（或放大倍数）：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）三、光放大器的种类掺稀土元素光纤放大器半导体光放大器非线性光纤放大器波导光放大器四、光放大器的理想特征具有较大的输出功率在信号可能通过的整个光谱区内增益谱尽可能平坦噪声低光纤的色散和非线性效应可以得到补偿和抑制能量转化效率高对数据的速率、调制方式、功率和波长等透明一、S

3、OA的出现和发展§2半导体光放大器SemiconductorOpticalAmplifier（SOA）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。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

4、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/GAgtc，g0=Gag(Itc/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二、SOA的基本原理§2SOAF-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可增加带宽，减小Gmax和Gmin

5、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：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：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

6、范围内注入电流与增益§2SOA四、SOA应用中应注意的问题§2SOA噪声大偏振依赖性强非线性累计大、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）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

7、基本原理－受激辐射§3EDFAEDFA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

8、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N为Er+3掺杂浓度二、EDFA的基本原理－受激辐射§3EDFA基本方程功率传输方程二、EDFA的基本原理－受激辐射§3EDFA(1)增益GEDFA带宽三、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↑