第5章光网络器件 口光放大器 口无源器件
第5章 光网络器件 光放大器 无源器件
光纤通信系统中所用的器件可以分成有源器件和无源器件两大类。 有源器件的内部存在着光电能量转换的过程,而没有该功能的则称为无 源器件。由于光纤系统网络化程度日益提高,本章所讨论的器件在光网 络中得到广泛的应用,所以本章所涉及的器件也称为光网络器件。 5.1光放大器 光放大器是可将微弱光信号直接进行光放大的器件。在第一章中, 我们已经对光放大器的作用和地位作了说明。下面对光放大器的类型、 工作原理及应用作进一步的讨论。 51.1概述 1.增益系数 光放大器是基于受激辐射或受激散射的原理来实现对微弱入射光进 行放大的,其机制与激光器类似。当光介质在泵浦电流或泵浦光作用下 产生粒子数反转时就获得了光增益。增益系数可表示为 80() 1+(0-0)272+P/Pm回
光纤通信系统中所用的器件可以分成有源器件和无源器件两大类。 有源器件的内部存在着光电能量转换的过程，而没有该功能的则称为无 源器件。由于光纤系统网络化程度日益提高，本章所讨论的器件在光网 络中得到广泛的应用，所以本章所涉及的器件也称为光网络器件。 5.1 光放大器 光放大器是可将微弱光信号直接进行光放大的器件。在第一章中， 我们已经对光放大器的作用和地位作了说明。下面对光放大器的类型、 工作原理及应用作进一步的讨论。 5.1.1 概述 1. 增益系数 光放大器是基于受激辐射或受激散射的原理来实现对微弱入射光进 行放大的，其机制与激光器类似。当光介质在泵浦电流或泵浦光作用下 产生粒子数反转时就获得了光增益。增益系数可表示为 T P Psat g g P 1 ( ) / ( ) ( , ) 2 2 2 0 0 + − + = （5.1.1）
式中g0(m)是由泵浦强度决定的增益峰值,为入射光信号频率,O。为 介质原子跃迁频率,12称作偶极子弛豫时间,P是信号光功率,P3a,是饱 和功率,它与介质特性有关。对于小信号放大有P<<1,则(5.1.1) 式变为 (O g( sat +(O-00)272 设光放大器增益介质长度为L,信号光功率将沿着放大器的长度按指数规律增长 dP( g(o)P(z) dz Pout Pout=exp[g(O)l P(L=P explgoLI G() 或者G=10g(mn)lB 可见,放大器增益是频率的函数。当时,=m0为最大,g(o)也为最大。图 5.1.1画出了放大器增益曲线和其增益系数曲线。当G(m)降至最大值一半 时,(O-a)272=1,记△O2=2lo-,则Avg=△O2n。我们将Ag=272 称作g(o)的半最大值全宽FWHM( Full Width at Half Maximum),而△v4 则是G(O)的FWHM。也称作光放大器的带宽
式中 是由泵浦强度决定的增益峰值， 为入射光信号频率， 为 介质原子跃迁频率， 称作偶极子弛豫时间， 是信号光功率， 是饱 和功率，它与介质特性有关。对于小信号放大有 <<1，则（5.1.1） 式变为 ( ) g0 0 T2 P Psat Psat P 2 2 2 0 0 1 ( ) ( ) ( ) T g g + − = 设光放大器增益介质长度为L，信号光功率将沿着放大器的长度按指数规律增长 ( ) ( ) ( ) g P z dz dP z = P P(L) P exp[g( )L] out = = i n ( ) exp[ g( )L] P P G i n out = = )dB P P G 10lg( i n out 或者 = 由 可见，放大器增益是频率的函数。当时， 为最大， 也为最大。图 5.1.1画出了放大器增益曲线和其增益系数曲线。当 降至最大值一半 时， ，记 ，则 。我们将 称作 的半最大值全宽FWHM（Full Width at Half Maximum），而 则是 的FWHM。也称作光放大器的带宽。 = 0 = 0 g() G() ( ) 1 2 2 2 −0 T = g = 2 −o 2 g = g / 2 g = 2 /T g() A G()
经计算,得到NVgn2 (5.1.6) l/2 In 2 △ △ g。L-hn2 (5.1.7) 归一化增益 0.75 0.50 0.25 0.00 4 (2丌)△VgT2 图5.1.1光放大器增益曲线和增益系数曲线
2 2 T g = 1/ 2 ln 2 ln 2 − = go L A g (2π)Δν gT2 0.50 G(ω) 归 一 化 增 益 (ω－ω0 )T2 0.75 1.00 0.25 0.00 －4 －2 0 2 4 g(ω) 经计算，得到 （5.1.6） （5.1.7） 图5.1.1 光放大器增益曲线和增益系数曲线
2.增益饱和 自输入光功率比较小时,G是一个常数,也就是说输出光功率与输入光 功率成正比,此时的增益用符号G。表示,称为光放大器的小信号增益。但当Pn增 大到一定数值后,光放大器的增益开始下降,这种现象称为增益饱和,如图5.1.2所 增 益 (dB)30 20 3dB 10 605040-30-20-10010Pn(dBm) 图5.1.2增益G与输入光功率的关系曲线
G G0 Pin Psat Pin (dBm) 10 G0 增 益 (dB) 20 30 3dB 0 －60 －50 －40 －30 －20 －10 0 10 2． 增益饱和 当输入光功率比较小时， 是一个常数，也就是说输出光功率与输入光 功率成正比，此时的增益用符号 表示，称为光放大器的小信号增益。但当 增 大到一定数值后，光放大器的增益开始下降，这种现象称为增益饱和，如图5.1.2所 示。 图5.1.2 增益G与输入光功率的关系曲线