最新7 光放大器-一般特性参数.ppt

1-5 光放大器的應用
光放大器依據不同應用有下列三種：

光功率放大器 (Booster Amplifier, BA) 將光放大器置於光發送端之前，以提高傳送光的功率， 整個電路系的光功率得到提高。 光前置放大器 (Pre-Amplifier, PA) 在接收端的光電檢測器之後將微信號進行放大，以提高 接收能力。 光線路放大器 (Line Amplifier, LA) 接駁的距離較遠時，可起中繼放大器度(spitter)，提高光 功率。
受激態 E2 (Excited state)
光子
1
hv12 E1 E 2
1 1 加偏壓 1電子
電洞
基態 E1 (Ground state)
2-6 半導體光放大器的特性
SOA的自發放射頻譜ASE隨注入電流而提高
2-6 半導體光放大器的特性
23dB
非 線 性 線 性
飽 和
注入電流與增益的關係


3-9 EDFA的元件
分波多工器

將輸入訊號光與幫激光耦合至摻鉺光纖中。其應具低插 入損失和寬的工作頻寬來，以提高EDFA的放大頻寬。
ASE Spectrum
1.48/1.58mm 分波多工器各波長所對應之插入損失
3-10 EDFA的架構
輸入光 Isolator WDM
EDF
Isolator
2-4 半導體光放大器的分類
注入電流
入射光 輸出放大光
鏡子
Mirror
鏡子
Mirror
法布裏－泊羅放大器
2-4 半導體光放大器的分類
注入電流
入射光
輸出放大光
抗反射膜 AR
行波式光放大器(Travelling-Wave Amplifier, TWA)

EDFA
Erbium-doped fiber amplifier 掺铒光纤放大器
EDFA
EDFA has revolutionized optical communications
All optical and fiber compatible Wide bandwidth, 20~70 nm High gain, 20~40 dB High output power, >200mW Bit rate, modulation format, power and wavelength
I pIs pI p
泵浦源（一）
复用半导体泵浦激光器
偏振合波器
LD
复
光纤光栅
用
泵浦源（二）
喇曼光纤激光器
LD泵浦双包层掺杂光纤激光器 固体激光器泵浦光纤激光器 环形腔光纤激光器
FUNDAMENTAL STATE
Amplified Signal 1550 nm
FUNDAMENTAL STATE
EDFA Challenges
Gain Flattening Gain Transient Gain Bandwidth Widening
Gain Flattening
Different length of fiber has different gain spectrum. Need separate design.
Wider the flatness, the higher the loss for some wavelength. 3times higher for 40nm wide gain spectrum compared with 33nm.

详细描述
总结词
光放大技术在光纤通信、光学传感、激光雷达等领域有广泛应用。
总结词
光放大技术广泛应用于光纤通信领域，用于放大传输过程中的光信号，提高通信系统的传输距离和可靠性。在光学传感领域，光放大技术用于提高探测器的灵敏度和分辨率。在激光雷达领域，光放大技术可以提高激光雷达的探测距离和精度。
详细描述
光放大技术也可以应用于医疗领域，如光学成像、激光治疗和光学检测等。
总结词
在光学成像领域，光放大技术可以提高成像质量和分辨率，如荧光显微镜、光学相干断层扫描仪等医疗设备中都有广泛应用。在激光治疗领域，光放大技术可以提高激光能量密度和精度，实现高效、安全的治疗效果，如激光眼科手术、激光美容等。在光学检测领域，光放大技术可以用于检测生物分子、细胞和组织等的结构和功能，为医学研究和诊断提供有力支持。
分析实验结果，对比理论值与实际值，探讨误差原因。
结果分析
总结实验结论，提出改进意见和建议。
结论总结
THANKS
感谢观看
在多通道光放大系统中，通道间的交叉增益调制效应可能会导致信号质量的下降。
探索新型的光放大材料，提高光放大器的性能和稳定性，降低对温度和泵浦光源的依赖。
新型光放大材料研究
研究适用于更宽光谱范围的光放大技术，以实现对不同波长光信号的有效放大。
宽光谱光放大技术
将光放大器与其他光器件集成在一起，实现更紧凑、高效的光通信系统。
光放大器集成化
结合人工智能和机器学习等技术，实现对光放大器的智能控制和优化，提高光放大器的性能和稳定性。
智能化光放大技术
05
光放大技术的实验与实践
光放大器、光信号发生器、光功率计、光衰减器、光隔离器、光滤波器等。
实验设备

光放大器在光纤通信系统目前最重要的应用就是促使了波分复用技 术(Wavelength Division Multiplexing，WDM)走向实用化。
光放大器还将促进光孤子通信技术的实用化。光孤子通信是利用光 纤的非线性来补偿光纤的色散作用的一种新型通信方式。
2
光放大器的发展最早可追溯到1923年A·斯梅卡尔预示的 自发喇曼散射。1928年印度加尔各答大学的喇曼观测到自发 喇曼效应。
铒离子的三能带结构
800n m 9 8n 0 m 1 84 n 0 m 1530n m
4 I 9 /2
吸收过程主要有： 4 I 1 1 /2 基态4I15/2→4I9/2（对应800nm泵浦）；
4 I 1 3 /2
4I15/2→4I11/2（对应980nm泵浦）； 4I15/2→4I13/2（对应1480nm泵浦）；
GG0expG (G 1•P P osut) 定义放大器增益降至最大信号增益一半时的输出功率为饱和输出功率
Posu
t
G0 G0
ln 2 2
Ps
归 一 化 增G /益0G
1 .0
0 .8
显示出增益饱和特性
0 .6
0 .4
G 0=30dB
10dB
0 .2
15dB
1 0 -2
1 0 -1
1
102
归 一 化 输 出 功 率 P out/P s
EDF
泵 浦 光
具有较高的输出信号功率
双向泵浦掺铒光纤放大器结构
信 号 光 光 隔 离 器 耦 合 器
耦 合 器 光 隔 离 器 光 滤 波 器输 出 光
泵 浦 光
EDF
泵 浦 光
具有更高的输出信号功率，性能与信号传输方向无关

(1) EDFA从C-Band向L-Band发展；
(大4)带发宽展,应C变+ L补B偿an的d可无以偏实振D现、G8E单0(n片m集D的y成放n、大a光m带i横宽c向,G低连a插i接n损的E,半q高u导增a体l益光i, z低放e噪大r声器),光高,开输关铒出；功纤率掺, 偏杂振无。关实, 信现道G串F扰F小, 对传输码率与格式及系统升
分类
光
半导体光放大器(SOA，Semiconductor Optical Amplifier)
放
大 掺稀土元素光纤放大器(EDFA)
器
非线性光纤放大器
光放大器解决了衰减对光传输网络( OTN) 传输速率与距离 的限制, 并使超高速、超大容量、超长距离的波分、密集波 分、全光传输、光孤子传输等成为现实。主要应用为发射 机后的功率放大( BA) 、接收机前的预放大( PA) 和线路中 的中继放大( LA) , 用来补偿线路传输衰减, 节点分配衰减, 色散补偿, 并降低非线性效应等.
增益（Gain）
增益是输出光功率与输入光功率之
比，也就是： 增益＝POUT/PIN 其中POUT和PIN分别是输出光功率 和输入光功率，功率的单位为瓦特；
通常我们用分贝（dB）为单位来表示 增益，也就是：增益（dB）＝10lg（ POUT/PIN）
噪声指数（NF）光放大器的噪声指数（NF，Noise Figure）的定义式为光放大器输入输 出端口的信噪比（SNR，Signal to Noise Ratio）的比值：
EDFA的发展
高性能( 宽带宽, 高功率, 高增益, 增益平坦, 低噪 声) ; 多功能( 中级接入, 大动态范围增益可调, 快速的 瞬态响应控制, ASE补偿实现truly AGC, AGC/ APC/ACC多工作模式) ; EDFA+ FRA混合放大; 小型化EDFA( Mini EDFA) 。

4 I11/2
3. 掺铒光纤放大器
高能 态
铒的能级图如图所示, 其发光原理可用三能级 系统来解释，
泵浦 9 80 n m 4 I13/2 泵浦 1 48 0 n m
4 I15/2 1 55 0 n m
图 铒的能级图
基态为4I15/2， 激发 态为4I13/2，I11/2。 亚稳 态 在泵浦光的激励下， 4I11/2能级上的粒子数 受激 辐射 不断增加， 又由于其上 的粒子不稳定， 很快跃 基 态 迁到亚稳态4I13/2能级， 从而实现了粒子 数反转
非线性光学放大器
掺稀土金属光纤放大器
8
光传输技术
1. 光电光放大器 2. 全光放大器 3. 掺铒光纤放大器
9
光传输技术
3. 掺铒光纤放大器
光隔离器
耦合器
光隔离器 掺铒光纤
输入信号
是为了保证泵浦光与 EDFA中合波器的反射光 不向外洩漏，光隔离器 的特点是只允许正方向 的光进入。
输出信号
把泵浦光与信 号光合并在一 起输入到掺铒 光纤中 泵浦激 光器
5
光传输技术
1. 光电光放大器
光信号
电信号
光信号
光纤
光电变换 (O/E)
放大器
电光变换 (E/O)
光纤
光的范围
电的范围
光的范围
图 传统的光电光放大器原理框图
6
光传输技术
1. 光电光放大器 2. 全光放大器 3. 掺铒光纤放大器
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光传输技术
2. 全光放大器
光纤
光放大器
光纤
半导体激光放大器
常用的有法布里—泊罗半导体激光放大器（FPA） 和行波放大器。此类放大器的工作原理与激光器 相同 利用光纤中的非线性现象进行光信号放大，即利 用受激拉曼散射和受激布里渊散射。放大的过程， 就是能量从泵浦源向信号光转移的过程 光纤中掺入适量稀土金属杂质，利用稀土金属原 子特有的能级结构实现光信号放大。常用掺铒光 纤放大器（EDFA）。

大能量、高功率与方向性、单色性、脉宽相互制约
2.光通信系统中的光中继器（EDFA)
3.全光信号处理器件(半导体光放大器－SOA）
§6.1 激光放大器的特点与分类
光放大概念－利用受激辐射实现光放大
光放大的前提条件－ 粒子数反转分布 对入射光要求？
g<0
吸收
g=0
透明
g>0
放大ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
上述放大器与激光器的差别：无谐振腔－行波光放大器
(6.3.17)
I po I po p 1 p 0 0 ln pl ln G pl ln G ln 1 1 I pth 1 1 I pth
实验测量

(6.3.18)
激光器－激光振荡器－再生（光）放大器
按工作方式分类:
行波放大器
I0 P0
I l
再生放大器(F-P放大器)
r1 r2
I 1 I1
g>0
Pl
I0 P0
g>0
I2 I2
I l
Pl
对入射光要求： • 行波放大器: 只要求入射光频率在增益介质谱线范围内 • 再生放大器: 入射光需在谐振腔本征频率附近, 保证频率匹配
dI p z dz
• 归一化信号光、泵浦光输运方程
I p z
I dI z p z I z dz I (6.3.11) p z 1 I z 1 dI p z dz
分子上 I P z 1 I Pth
输出光强
g
0
l
m
dz
可得

39、没有不老的誓言，没有不变的承 诺，踏 上旅途 ，义无 反顾。 40、对时间的价值没有没有深切认识 的人， 决不会 坚韧勤 勉。
66、节制使快乐增加并使享受加强。 ——德 谟克利 特 67、今天应做的事没有做，明天再早也 是耽误 了。——裴斯 泰洛齐 68、决定一个人的一生，以及整个命运 的，只 是一瞬 之间。 ——歌 德 69、懒人无法享受休息之乐。——拉布 克 70、浪费时间是一桩6、“不可能”这个字(法语是一个字 )，只 在愚人 的字典 中找得 到。--拿 破仑。 37、不要生气要争气，不要看破要突 破，不 要嫉妒 要欣赏 ，不要 托延要 积极， 不要心 动要行 动。 38、勤奋，机会，乐观是成功的三要 素。(注 意：传 统观念 认为勤 奋和机 会是成 功的要 素，但 是经过 统计学 和成功 人士的 分析得 出，乐 观是成 功的第 三要素 。