辅助阅读材料 第一章光纤器件 1 0.8 0.0 -2 妇一化失诺 图1.17二能级光放大器增益谱及其相应介质的洛仑兹增益谱特性 3增益饱和与饱和输出功率 增益饱和是放大器放大能力的一种限制因素，起因于方程(1.1)中增益系数 与功率的依存关系。当P<P时，g()简化为方程(1.2)，称为小信号增益。 当P增大至可与P相比拟时，g(o)降低，G()也降低。为简化讨论，设输入信 号频率o=o,将式(1.1)代入dP/d=gP可知，光功率随距离按下述关系变 化 dPg。P + (1.7) 利用初始条件：PO)=Pn,P(L)=P=GPn,对上式积分，可得放大器增益为 G-G,exp(-G-1.P_ (1.8) 式中，G。为小信号增益。图1.18给出了G/G。随P/P,变化的曲线，表明随着 输出功率的增大，增益出现了饱和
辅助阅读材料 第一章 光纤器件 图 1.17 二能级光放大器增益谱及其相应介质的洛仑兹增益谱特性 3 增益饱和与饱和输出功率 增益饱和是放大器放大能力的一种限制因素，起因于方程（1.1）中增益系数 与功率的依存关系。当 P << Ps 时， g(ω) 简化为方程（1.2），称为小信号增益。 当 P 增大至可与 Ps相比拟时，g(ω) 降低，G(ω)也降低。为简化讨论，设输入信 号频率ω = ω0，将式（1.1）代入dP dz = gP可知，光功率随距离按下述关系变 化 Ps P g P dz dP + = 1 0 （1.7） 利用初始条件： P = Pin P L = Pout = GPin (0) , ( ) ，对上式积分，可得放大器增益为 ) 1 exp( 0 in out P P G G G G ⋅ − = − （1.8） 式中，G0 为小信号增益。图 1.18 给出了G G0 随 Pout Ps 变化的曲线，表明随着 输出功率的增大，增益出现了饱和。 16
轴助阅读材料 第一章光纤器件 0.6 G.=30dB 15dB」 02 00 日一化输出功率Ru/P 图1.18放大器增益随输出功率的变化 通常定义放大器增益降至最大小信号增益一半或3dB时的输出功率为饱和输 出功率，按此定义，将G=G。2代入式(1.8)，可得饱和输出功率为 P-8 (1.9) 一般，G。在100-1000(20-30dB)范围内，因而P'≈0.69P,表明放大 器的饱和输出功率比增益介质的饱和功率低约30%。 4光放大器在光波系统中的应用 光放大器具有高增益和高功率放大能力，在各种不同的光波通信系统中均可 得到应用。图1.19展示了四种基本应用。第一种应用（图(）是将光放大器作为在 线放大器代替电光混合中继器，当光纤色散和放大器自发辐射噪声累积尚未使系 统性能恶化到不能工作时，这种代替是完全是可行的，特别是对多信道光波系统 更具诱感力，可节约大量设备投资。第二种应用（图b)》是将光放大器接在光发送 机后以提高光发送机的发达功率，增加传输肿离，这种放大器称为功率放大器。 第三种应用（图（©》将光放大器接在光接收机前，以提高接收功率和信噪比，增加 通信距离，这种放大器称为前置放大器。第四种应用（图(）将光放大器用于补偿 局域网中的分配损耗，以增大网络节点数。还可以将光放大器用于光子交换系统 等多种场合，这种放大器亦称为功率放大器
辅助阅读材料 第一章 光纤器件 图 1.18 放大器增益随输出功率的变化 通常定义放大器增益降至最大小信号增益一半或 3dB 时的输出功率为饱和输 出功率，按此定义，将 2 G = G0 代入式（1.8），可得饱和输出功率为 s out s P G G P 2 ln 2 0 0 − = （1.9） 一般， 在 100~1000（20~30dB）范围内，因而 ，表明放大 器的饱和输出功率比增益介质的饱和功率低约 30%。 G0 s out s P ≈ 0.69P 4 光放大器在光波系统中的应用 光放大器具有高增益和高功率放大能力，在各种不同的光波通信系统中均可 得到应用。图 1.19 展示了四种基本应用。第一种应用(图(a))是将光放大器作为在 线放大器代替电光混合中继器，当光纤色散和放大器自发辐射噪声累积尚未使系 统性能恶化到不能工作时，这种代替是完全是可行的，特别是对多信道光波系统 更具诱惑力，可节约大量设备投资。第二种应用(图(b))是将光放大器接在光发送 机后以提高光发送机的发达功率，增加传输肿离，这种放大器称为功率放大器。 第三种应用(图(c))将光放大器接在光接收机前，以提高接收功率和信噪比，增加 通信距离，这种放大器称为前置放大器。第四种应用(图(d))将光放大器用于补偿 局域网中的分配损耗，以增大网络节点数。还可以将光放大器用于光子交换系统 等多种场合，这种放大器亦称为功率放大器。 17
辅助阅读材料 第一章光纤器件 回9议9▣ 光纤 回r▣ (d0 图1.19光放大器在光波系统中的可能应用 (@用作线路放大器(b)用作光发送机功率放大器（⊙用作光接收机前置放大器(d用作 局域网的功率放大器 1.2.2掺铒光纤放大器 掺杂光纤放大器利用掺入石英光纤的稀土离子作为增益介质，在泵浦光的激 发下实现光信号的放大，放大器的特性主要由掺杂元素决定，而不是由起主介质 作用的石英光纤决定。有许多不问的稀土元素，如饵(Er),铁(o),钕(N),钐 (Sm),铥(Tm),错(P)和镱(Yb)等，都可用于实现不同波长的光放大器，这些波 长覆盖了从可见光到红外的很宽范围，直至2.8m,其中掺饵和掺错光纤放大 器分别工作于1.554m和1.3m,具有高增益、高功率和宽带宽等优良特性， 是迄今各类光放大器中最有发展前景的一种，在光波通信系统中具有宽广的应 用，己导致光纤通信技术的巨大变革。本节将只讨论掺铒光纤放大器的工作原理、 特性及其应用。 1EDFA工作原理 掺饵光纤放大器（简称EDFA)采用掺饵离子单模光纤作为增益介质，在泵浦 光激发下产生粒子数反转，在信号光诱导下实现受激辐射放大，其结构如图1.20 所示。泵浦光由半导体微光器(L)提供，与被放大信号光一起通过光耦合器或波
辅助阅读材料 第一章 光纤器件 图 1.19 光放大器在光波系统中的可能应用 (a) 用作线路放大器 (b) 用作光发送机功率放大器 (c) 用作光接收机前置放大器 (d) 用作 局域网的功率放大器 1.2.2 掺铒光纤放大器 掺杂光纤放大器利用掺入石英光纤的稀土离子作为增益介质，在泵浦光的激 发下实现光信号的放大，放大器的特性主要由掺杂元素决定，而不是由起主介质 作用的石英光纤决定。有许多不问的稀土元素，如铒(Er)，钬(Ho)，钕(Nd)，钐 (Sm)，铥(Tm)，镨(Pr)和镱(Yb)等，都可用于实现不同波长的光放大器，这些波 长覆盖了从可见光到红外的很宽范围，直至 2.8 µm，其中掺饵和掺镨光纤放大 器分别工作于 1．55 µm和 1．3 µm，具有高增益、高功率和宽带宽等优良特性， 是迄今各类光放大器中最有发展前景的一种，在光波通信系统中具有宽广的应 用，已导致光纤通信技术的巨大变革。本节将只讨论掺铒光纤放大器的工作原理、 特性及其应用。 1 EDFA 工作原理 掺铒光纤放大器(简称 EDFA)采用掺饵离子单模光纤作为增益介质，在泵浦 光激发下产生粒子数反转，在信号光诱导下实现受激辐射放大，其结构如图 1.20 所示。泵浦光由半导体激光器(LD)提供，与被放大信号光一起通过光耦合器或波 18
辅助阅读材料 第一章光纤器件 分复用耦合器注入掺饵光纤(D)。光隔离器用于隔离反馈光信号，提高稳定性。 光滤波器用于滤除放大过程中产生的噪声。为了提高EDFA的输出功率，泵浦激 光亦可从DF的末端（放大器输出端）注入，或输入输出端同时注入，分别如图 1.30(a)、(b)、(c)所示。这三种结构的EDFA分别称作前向泵、后向泵和双向 泵掺饵光纤放大器。图1.21给出了实用EDFA的外形结构图。 EDF 光隔离容 宝翠浦澈光器 EDF 光隔离器 泵浦澈光器南 EDF 光8台器饰 南桑浦激光器系浦澈光器中 (e) 图1.20掺饵光纤放大器的基本结构 (a)前向或正向泵浦结构：(6)后向或反向泵浦结构：(c)双向泵浦结构
辅助阅读材料 第一章 光纤器件 分复用耦合器注入掺饵光纤(EDF)。光隔离器用于隔离反馈光信号，提高稳定性。 光滤波器用于滤除放大过程中产生的噪声。为了提高 EDFA 的输出功率，泵浦激 光亦可从 EDF 的末端(放大器输出端)注入，或输入输出端同时注入，分别如图 1.30 (a)、(b)、(c)所示。这三种结构的 EDFA 分别称作前向泵、后向泵和双向 泵掺铒光纤放大器。图 1.21 给出了实用 EDFA 的外形结构图。 图 1.20 掺铒光纤放大器的基本结构 (a) 前向或正向泵浦结构；(b) 后向或反向泵浦结构；(c)双向泵浦结构 19
辅助阅读材料 第一章光纤器件 热沉 光输 输入隔离器 输入WDM +5V 泵浦LD 电源 监视 告警电路和控制电 激光墨聚动输入 PD探测器泵浦LD 光输出 输出耦合器输出隔离器输出WDM 图1.21实用EDFA的外形结构图 4fn☑ Z2☑0.65μm 41112☑ 6 吸收 4L. 4 光信号 2 增益 0 152154 波长/m (a) 6) 图122EDFA的工作原理 (a)EDF中饵离子能级图：(b)EDFA的吸收和增益谱 参照图1.22(a)所示的饵离子的能级图，对Er”,存在如下有实际意义的跃 迁过程： T+Lz(对应800nm泵浦》 吸收过程：从基态Ls2→{Lv2(对应980nm泵浦) *L12(对应1480nm泵浦) 激光发射过程：从激发态【→*L1se(对应1536nm) 在掺铒光纤中，铒离子有三个能级：其中1代表基态，能量最低：能级2 是亚稳态，处于中间能级：能级3代表激发态，能量最高。当泵浦光的光子能量 等于能级3和能级1的能量差时，铒离子吸收泵浦光从基态跃迁到激发态(1一3)。 但是激发态是不稳定的，E计很快返回到能级2。如果输入信号光的光子能量等 于能级2和能级1的能量差，则处于能级2的E+将跃迁到基态(2一1)，产生受 20
辅助阅读材料 第一章 光纤器件 图 1.21 实用 EDFA 的外形结构图 (a) (b) 图 1.22 EDFA 的工作原理 （a）EDF 中铒离子能级图；(b)EDFA 的吸收和增益谱 参照图 1.22(a)所示的铒离子的能级图，对Er3+，存在如下有实际意义的跃 迁过程： 吸收过程： ⎪ ⎩ ⎪ ⎨ ⎧ → （对应 泵浦） （对应 泵浦） （对应 泵浦） 从基态 I 1480nm I 980nm I 800nm I 13 / 2 4 11/ 2 4 9 / 2 4 15 / 2 4 激光发射过程：从激发态4 I13/2→4 I15/2（对应 1536nm） 在掺铒光纤中，铒离子有三个能级：其中 1 代表基态，能量最低；能级 2 是亚稳态，处于中间能级；能级 3 代表激发态，能量最高。当泵浦光的光子能量 等于能级 3 和能级 1 的能量差时，铒离子吸收泵浦光从基态跃迁到激发态(1—3)。 但是激发态是不稳定的，Er3+很快返回到能级 2。如果输入信号光的光子能量等 于能级 2 和能级 1 的能量差，则处于能级 2 的Er3+将跃迁到基态(2—1)，产生受 20