第5讲光放大器
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第十一章光放大器
第十一章 光 放 大 器
11.1 光放大器的基本应用和类型 11.2 半导体光放大器 11.3 掺铒光纤放大器 11.4 传输光纤放大器 11.5 系统应用 11.6 波长变换器
第十一章光放大器
11.1光放大器的基本应用和类型
11.1.1 光放大器在现代光纤通信系统中的应用
光纤通信中用光纤来传输光信号。光纤的 中继距离受限于光纤的损耗和色散。就损 耗而言，目前光纤损耗典型值在1.31μm波 段 为 0 . 35dB/km 左 右， 在 1 . 55μm波 段 为 0.25dB/km左右。
此外，增益还跟光纤长度有关。EDFA中长为L的三能级
激光介质中最大增益为：
Gmaxer seL
其中r为稀土元素的浓度，se是信号发射截面。结合上述两个
式子，最大可能的放大增益为：
第G十一m章i光ne放rse大L,1器sp P Psp,,iinn
EDFA增益图
在一定的长度之后，由于泵浦 饱和增益随泵浦功率增加 没有足够能量在放大器的后部 而线性增加。另外，类似 产生足够的粒子数反转，增益 于SOA，输入信号功率过 开始下降。在非泵浦区，吸收 大会导致增益下降。 大于增益。
第十一章光放大器
11.2 半导体光放大器 (SOA)
放大器的工作原理
外加电(光)泵浦 SOA电泵浦 EDFA光泵浦
光放大器与激光器的唯一区别就是光放大器没有正反馈机制
第十一章光放大器
反射率 32%
在解理面来回反射并得到放大 直到较高的强度在发射出去
天然 解理面
F-P放大器
增透膜 < 10-3
容易制作，但光信号增益对放 大器温度及入射光频率变化都 很敏感
第十一章光放大器
2. EDFA的带宽
11.1 光放大器的基本应用和类型 11.2 半导体光放大器 11.3 掺铒光纤放大器 11.4 传输光纤放大器 11.5 系统应用 11.6 波长变换器
第十一章光放大器
11.1光放大器的基本应用和类型
11.1.1 光放大器在现代光纤通信系统中的应用
光纤通信中用光纤来传输光信号。光纤的 中继距离受限于光纤的损耗和色散。就损 耗而言，目前光纤损耗典型值在1.31μm波 段 为 0 . 35dB/km 左 右， 在 1 . 55μm波 段 为 0.25dB/km左右。
此外，增益还跟光纤长度有关。EDFA中长为L的三能级
激光介质中最大增益为：
Gmaxer seL
其中r为稀土元素的浓度，se是信号发射截面。结合上述两个
式子，最大可能的放大增益为：
第G十一m章i光ne放rse大L,1器sp P Psp,,iinn
EDFA增益图
在一定的长度之后，由于泵浦 饱和增益随泵浦功率增加 没有足够能量在放大器的后部 而线性增加。另外，类似 产生足够的粒子数反转，增益 于SOA，输入信号功率过 开始下降。在非泵浦区，吸收 大会导致增益下降。 大于增益。
第十一章光放大器
11.2 半导体光放大器 (SOA)
放大器的工作原理
外加电(光)泵浦 SOA电泵浦 EDFA光泵浦
光放大器与激光器的唯一区别就是光放大器没有正反馈机制
第十一章光放大器
反射率 32%
在解理面来回反射并得到放大 直到较高的强度在发射出去
天然 解理面
F-P放大器
增透膜 < 10-3
容易制作，但光信号增益对放 大器温度及入射光频率变化都 很敏感
第十一章光放大器
2. EDFA的带宽
(完整版)第5讲光纤布拉格光栅(FBG)解读
最大反射率为 R(l, ) tanh2 (l)
反射谱带宽为
Bs
(
n 2 n0
)
2
(
1 N
)2
光电子技术精品课程
光纤的光敏特性
❖ 掺杂光纤光敏性机理
▪ 掺杂物质与SiO2混合时形成的结构缺陷 ▪ 外界光场作用下通过单光子或双光子吸收
过程使错位键破裂形成色心 ▪ 标准光纤：GeOx ▪ 其它掺杂物质：Erbium（铒）, Europium
▪ 倍频氩离子激光器 ▪ 准分子激光器 ▪ 倍频铜蒸气激光器 ▪ 倍频可调谐染料激光器 ▪ 倍频可调谐OPO ▪ 三倍频YAG激光器 ▪ Alexandrite(紫翠玉)激光器
❖ FBG写入技术分类
▪ 内部写入法 ▪ 双光束干涉法 ▪ 掩模法 ▪ 模板+双光束干涉法 ▪ 逐点写入法 ▪ 其它写入法
FBG写入技术
（铕）, Cerium（铈）
❖ 影响光纤光敏性的因素
▪ 掺杂种类与掺杂浓度 ▪ 预制棒：缩棒后光敏性高于缩棒前 ▪ 拉纤速度影响光纤光敏性 ▪ 光纤光敏性与曝光时所施加的应力有关
❖ 增加光纤光敏性的方法 ▪ 低温载氢处理
• 压力：20—750atm(典型150atm)，温 度：20—75℃，时间：数十小时至数 天
❖ ⅡA（Ⅲ）类光栅
▪ 掺杂浓度较高（eg ＞25mol% GeO2)的光纤内形成 ▪ 较高UV曝光量（ ＞ 500J/cm2)， ▪ 结构重构引起折射率变化 ▪ 折射率变化⊿n＜0 ▪ 温度稳定性较好（500℃） ▪ 可使脉冲或连续激光
❖ Ⅱ类光栅
▪ 极高UV曝光量，瞬间局部温度达上千度 ▪ 物理破坏引起折射率变化 ▪ 折射率变化⊿n可达10-2 ▪ 温度稳定性好（800℃） ▪ 只能使用脉冲激光
第七章 光放大器
2011年1月10日7时28分
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7.2.1 EDFA的工作原理 的工作原理
不同吸收频率处的泵浦效率相差很大。实验测得： 在泵浦波长λp=0.532µm，Wp=1.35dB/mW； λp=0.8µm ， Wp=0.8dB／mW； λp=0.98µm ， Wp=4.9dB／mW； λp=1.48µm ， Wp=3.9dB／mW；。 泵浦频带需选用无激发态吸收的频带； 激发态吸收： 激发态吸收：吸收外来光子继续向更高能级跃迁。 电子在激发吸收带，吸收泵浦光子或信号光向 更高能级跃迁，大大降低了泵浦效率，引起信号光 衰减。 泵浦源应选在无激发吸收频带，如0.98µm、 1.48µm。
EDF 光隔离器 WDM 输入信号 WDM 光隔离器 光滤波器 泵浦激光器 泵浦激光器 双向泵浦 输出信号
2011年1月10日7时28分
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7.2.2 EDFA构成和特性-构成 构成和特性 构成
三种方式各部分要求： 设计高增益掺铒光纤(EDF)是实现光纤放大器的技 是实现光纤放大器的技 设计高增益掺铒光纤 术关键， 术关键， EDF的增益取决于Er3+的浓度、光纤长度和 直径以及泵浦光功率等多种因素，通常由实验获得最 佳增益。 对泵浦光源（波长通常为980 µm或1480 µm）的基本 对泵浦光源（波长通常为 要求是大功率和长寿命。 要求是大功率和长寿命。波长为1480 µm的InGaAsP多 量子阱(MQW)激光器， 输出光功率高达100 mW，泵浦 效率在6 dB/mW以上。波长为980 nm的泵浦效率更高， 达10 dB/mW， 且噪声较低，是未来发展的方向。
EDFA
机理
已经实用化
粒子数反转分布的受激辐射产生的放大 材料
掺Er3+光纤
光学放大器设计及其应用
光学放大器设计及其应用随着信息技术的不断发展，光通信作为重要的高速数据传输方式越来越受到关注。
而光学放大器作为光通信系统中的重要部分，其设计和应用对于光通信系统的性能和可靠性至关重要。
本文将从光学放大器的基本原理、分类、设计和应用等方面进行探讨。
一、光学放大器的基本原理光学放大器是一种能够将光信号放大的器件，主要包括半导体光放大器（SOA）和光纤放大器（OFA）两种。
其中，OFA是应用最广泛的一种光学放大器，其基本原理为利用掺有掺杂物的光纤，在一定波长范围内将输入光信号进行放大。
常用的掺杂物有铒、镱、钕等，不同掺杂物的光纤放大器对输入信号的响应波长有所差异。
在OFA中，光信号首先通过光纤传输到掺杂物区域，然后通过与掺杂材料中的原子进行相互作用，激发原子电子从低能级跃迁至高能级，同时因为受到光纤表面的约束，激发的原子电子会尽量沿着光纤纵向运动，这样就形成了光纤中的放大器。
经过放大增益后，输出信号就可以传输到远端的光接收器，实现高速数据传输。
二、光学放大器的分类根据掺杂材料的不同，光学放大器可以分为铒掺杂光纤放大器（EDFA）、镱掺杂光纤放大器（YDFA）和钕掺杂光纤放大器（NDFA）三种。
其中，EDFA是应用最广泛的一种光学放大器，可以覆盖1.53μm至1.56μm的波长范围，同时具有高增益、低噪声等优点。
而YDFA和NDFA则分别覆盖了1μm至1.1μm和1.3μm至1.6μm的波长范围，其应用较为局限。
此外，光学放大器还可以按放大器的结构类型进行分类，包括分布式反馈光纤激光器（DFB-LD）、半导体放大器（SOA）和光探测放大器（OPA）等多种类型。
三、光学放大器的设计光学放大器的设计需要考虑的因素比较繁多，主要包括放大器的尺寸、掺杂材料的种类、反射镜的反射率、输入信号功率等多种因素。
首先，放大器的尺寸决定了其通过量和增益等性能。
因此，设计者需要根据实际应用需求和光学谐振条件等因素确定放大器的长度和直径，以达到优化的性能。
光纤通信系统5.4光放大器
增益
RA的构造
光纤拉曼放大器的优点
〔1〕增益介质为普通传输光纤，与光纤系统 具有良好的兼容性；
〔2〕增益波长由泵浦光波长决定，不受其它 因素的限制，理论上只要泵浦源的波长适当， 就可以放大任意波长的信号光；
〔3〕增益高、串扰小、噪声指数低、频谱范 围宽、温度稳定性好。
可放大EDFA不能放大的波段，可在1292~ 1660nm范围内进展光放大，获得比EDFA宽得 多的增益带宽；是EDFA的补充，而不是代替， 两者结合起来可获得大于100nm增益平坦宽带
由于自发辐射光子在掺铒光纤中传输时也会得 到放大，因此在EDFA的输入光功率较低时， 会产生较大的噪声。
掺铒光纤放大器的特性
增益特性 带宽〔增益谱〕 噪声特性
增益G
G =10lg(Pout/Pin)
EDFA的增益饱和特性曲线
输入功率小时，光放大器的增益为一常数 Gs(Gs称为小信号增益)，随着输入光功率 的增加光放大器的增益反而减小，称为光 放大器的增益饱和现象。
5、EDFA用作线路放大器，不必经过光电转换 可以直接对光信号放大，构造简单可靠。
〔2〕 前 置 放 大 器
把EDFA置于光接收机PIN管光检测器的前 面，来自光纤的信号经EDFA放大后再由 PIN管检测。
强大的光信号使电子放大器的噪声可以忽 略，最根本的原因是由于EDFA的信噪比优 于电子放大器。所以，用EDFA作预放的光 接收机具有较好的灵敏度。
〔3〕功率放大器
把EDFA置于光发射机半导体激光器之后，光信号经 EDFA放大后进入光纤线路，从而使光纤传输的无中继 距离增大，可达200公里以上。
在CATV网络应用中，它能更有效地保证点对多点对的 所谓星形构造的光功率分配。
第005讲 G651-G655光纤
课堂小结
1、光纤的类别 2、光纤的色谱
非零色散位移光纤(NZDSF) 在1994年专门为新一代光放大WDM传输系统设计和制造
的光纤。 属色散位移光纤，但在1550nm处色散不是零，用以平衡
四波混频等非线性效应。 用较低的色散抑制了四波混频等非线性效应，使其能用于
高速率(10Gb/s以上)、大容量、DWDM的长距离光纤通信 系统中。
第5讲 G.651-G.655光纤
常用光纤简介
ITU-T
• G651光纤，梯度折射率多模光纤。
按
• G652光纤，标准单模光纤 ( NDSF)
• G653光纤，色散位移单模光纤(DSF)建 Nhomakorabea议
• G654光纤，截止波长位移单模光纤
分
• G655光纤，非零色散位移单模光纤 (NZ-DSF)
• G656光纤，宽带光传输用的非零色散位移单模光纤
的正色散，约为18ps/(nm·km)。 工作波长既可选用1.31μm ，又可选用1.55μm。最佳工作波
长在1.31μm 。 利用G.652光纤进行速率为2.5Gb/s以上的信号长途传输时，
必须引入色散补偿光纤进行色散补偿，并需引入更多的掺 铒光纤放大器来补偿由于引入色散补偿光纤所产生的损耗。
G.651光纤
梯度型多模光纤 工作波长：1.31μm和1.55μm 处于多模工作状态 在1.31μm处有最小的色散值，在1.55μm处有最
小的衰减系数 数据通信局域网(LAN)用
G.652光纤
常规单模光纤或非色散位移光纤 零色散波长在1.31μm处，在1.55μm处衰减最小，但有较大
G.653光纤
也称色散位移光纤 零色散点从1310nm移至1550nm附近 由于光纤本身在1550nm的衰耗很小，所以光信号可以传很
半导体光放大器PPT课件
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减小反射率的方法2
增透膜 光输入
透明区 有源区
光输出
有源区端面和解理面之间插入透明窗口区。 光束在到达半导体和空气界面前，在该窗口 区已发散，经界面反射的光束进一步发散， 只有极小部分光耦合进薄的有源层。
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优 点
1 尺寸小，易制作成集成电路与集成光电路结合使用。 结构较为简单、功耗低、寿命长、成本低。 2
法布里珀罗放大器法布里珀罗放大器fpfpsoasoa行波放大器行波放大器twtwsoasoa根据光放大器端面根据光放大器端面反射率和工作偏置反射率和工作偏置条件将半导体光条件将半导体光放大器分为放大器分为其腔面反射率为其腔面反射率小于202019fpsoa的结构和原理半导体激光器由于在解理面存在反射当偏流低于阈值时是放大器
∙对光信号偏振态的敏感性
半导体光放大器的偏振特性主要是指放大器对输入信号光的偏振态敏感,对 不同的偏振态的增益不相同,没有经过特殊设计的半导体光放大器对TE模、 TM模的增益可相差5dB~8dB,而且会使增益的有效带宽减小,这当然是光纤 通信中不希望见到的。
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半导体光放大器
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姓名： 班级： 学号:
光放大器的重要性
动机：解决电中继器设备复杂、维护难、成本高的问题
光放大器出现之前，光纤通信的中继器采用光－电－光(O-E-O)变换方式。 装置复杂、耗能多、不能同时放大多个波长信道
历史：以1989年诞生的掺铒光纤放大器(Erbium Doped Fiber Amplifier,
3 增益响应相当快速，适用于交换及信号处理等光网络应用中。