光信号放大在光纤中如何实现的

1、第九章光信号放大 在光纤中如何实现的?哈尔滨工程大学理学院 光子科学与技术研究中心 2007年3月第九章光信号放大在光纤中 如何实现的?光放大器有半导体光放大器和光纤放大器两种类型。 半导体光放大器的优点是：小型化，容易与其他半导体器件集成 半导体光放大器的缺点是：性能与光偏振方向有关，器件与光纤的耦合损耗大。光纤放大器的性能与光偏振方向无关，器件与光纤的耦合 损耗很小， 因而得到广泛应用。 掺稀土离子光纤放大器光纤布里渊放大器光纤拉曼放大器掺Er3+光纤放大器(EDFA) 掺Yb3+光纤放大器 掺Tm3+光纤放大器 掺Pr3+光纤放大器分立式光纤拉曼放大器分布式光纤拉曼放大器第九章光信号放大在光纤中 如何实现的?光纤放大器光纤放大器的实质是：把工作物质制作成光纤形状的固体激光器，所以也称为光纤激光器。20世纪80年代末期，波长为1.55 m的掺铒(Er)光纤放大器(EDFA： Erbium Doped Fiber Amplifier)研制成功并投入实用，把光纤通信技术水平推向一个新高度，成为 光纤通信发展史上一个重要的里程碑。第九章光信号放大在光纤中 如何实现的?第九章光信号放大在光

2、纤中 如何实现的?9.1 掺铒光纤9.2 掺铒光纤放大器9.3 光纤放大器的结构9.4 掺铒光纤放大器的实验9.1 掺铒光纤9.1.1 稀土掺杂光纤简介9.1.2 掺铒光纤特性9.1.3 掺铒光纤的制作9.1.1 掺铒光纤稀土光纤简介稀土元素包括15种元素，在元素周期表中位于第五行。 目前比较成熟的有源光纤中掺入的稀土离子有Er3+ (铒) 、 Nd3+ (钕)、Pr3+ (镨) 、Tm3+ (铥) 、 Yb3+ (镱) 。掺铒(Er3+)光纤在1.55m波长具有很高的增益，正对应低 损耗第三通信窗口，由于其潜在的应用价值，掺铒(Er3+)光纤激光器发展十分迅速。掺镨光纤放大器工作在1.31m波段。Yb3+具有相当宽的吸收带(8001064nm)以及相当宽的激 发带(9701200nm)。9.1.1 掺铒光纤稀土光纤简介掺铥(Tm3+)光纤激光器的激射波长为1.4m波段，也是重要的光纤通信光源。掺钬(Ho3+)光纤激光器,工作波长在2.1m,由于水分子在2.0m附近有很强的中红外吸收峰，对邻近组织的热损伤小、止血性好，且该波段对人眼是安全的，故在医疗和生物学研究上有广阔的应用前景。9.

3、1.2 Characteristic of EDFPUMP PHOTON 980 nmTRANSITIONMETASTABLE STATESIGNAL PHOTON1550 nmSTIMULATED PHOTON 1550 nmFUNDAMENTAL STATEFUNDAMENTAL STATEEXCITED STATE9.1.2 Characteristic of EDF9.1.2 Characteristic of EDFExperimentally measured absorption spectrum of an Er3+-doped germano-alumino-silica fiber. The absorption in the 400600 nm region has been divided by a factor of 10. The small oscillatory structure near 1100 nm corresponds to the cutoff of the second-order mode of the fiber.9.1.2 Char

4、acteristic of EDFComparison of the shape of the measured stimulated emission cross section with that calculated from the absorption cross section using the McCumber theory.9.1.2 Characteristic of EDFRoom-temperature fluorescence lifetime measured at 1.55 m for Er in a silica glass fiber and a bulk sample of CPG (calcium metaphosphate) glass.9.1.3 掺铒光纤制造铒离子比硅原子大很多，因而不太溶于硅中，难以达到高掺杂浓度，以实现在短长度光纤上获得高增益。一般 掺适量Al2O3，使掺铒浓度高达1000ppm（每百万）的掺杂浓度。 掺铒光纤可以改善其荧光谱特性（宽度、形状和波长范围）。9.1.3 EDF Fabrication VADOVDRefrac

5、tive index profiles of conventional communications fiber, with the refractive index difference shown relative to undoped silica (the fiber types are indicated on the graphs). 9.1.3 EDF FabricationVapor pressures of reactant halides (excepting Er(thd)3, an organic compound) which incorporate the index-raising elements Ge and Al as well as the representative rare earth elements Er, Nd, and Pr9.1.3 EDF FabricationLow vapor pressure dopant delivery methods for MCVD. 9.1.3 EDF FabricationLow vapor pr

6、essure dopant delivery methods for VAD.9.1.3 EDF FabricationPostdeposition low vapor pressure dopant incorporation for VAD or OVD by vapor impregnation of a soot boule.9.1.3 EDF FabricationPostdeposition low vapor pressure dopant incorporation for VAD or OVD by solution impregnation followed by drying and sintering.第九章光信号放大在光 纤中如何实现的?9.1 掺铒光纤9.2 掺铒光纤放大器9.3 光纤放大器的结构9.4 掺铒光纤放大器的实验9.2 掺铒光纤放大器9.2.1 光纤放大器简介9.2.2 泵浦要求9.2.3 光纤放大器理论9.2.4 光纤放大器增益谱9.2.5 光纤放大器噪声EDFA的主要优点有： 工作波长正好落在光纤通信最佳波段(15001600 nm)； 其

7、主体是一段光纤(EDF)，与传输光纤的耦合损耗很小， 可达0.1 dB。 增益高，约为3040 dB; 饱和输出光功率大， 约为1015 dBm； 增益特性与光偏振状态无关。 噪声指数小， 一般为47 dB； 用于多信道传输时， 隔离度大，无串扰，适用于波分复用系统。 频带宽，在1550 nm窗口，频带宽度为2040 nm， 可进行 多信道传输，有利于增加传输容量。9.2 掺铒光纤放大器如果加上1310 nm掺镨光纤放大器(PDFA)，频带可以增加一倍。所以“波分复用+光纤放大器”被认为是充分利用光纤 带宽增加传输容量最有效的方法。1550 nm EDFA在各种光纤通信系统中得到广泛应用，并取得了良好效果。已经介绍过的副载波CATV系统，WDM或OFDM系统 ，相干光系统以及光孤子通信系统，都应用了EDFA，并大幅度增加了传输距离。 9.2 掺铒光纤放大器中继放大器中继放大器 （LA：Line Amplifier）在光纤线路上每隔一定的距离设置一个光纤放大器，以延长干线网的传输距离）前置放大器前置放大器 （PA：Preamplifier) 置于光接收机的前面，放大非常微弱的光信号，以改

8、善接收灵敏度。作为前置放大 器，对噪声要求非常苛刻。后置放大器后置放大器 （BA： Booster Amplifier) 置于光接收机的后面，以提高发射机功率。对后置放大器噪声要求不高，而 饱和输出光功率是主要参数。9.2 掺铒光纤放大器Typical Operating Wavelength RegionlConventional Band (C band) 1530nm 1560nmlLong Band (IR or L band) 1575 nm 1605 nmlOA need one or more pump laser: many pump wavelengths are available (980 nm and 1480 nm most commonly used)lErbium is the key of optical amplification due to its unique characteristics (EDFA = Erbium Doped Fiber Amplifier)lAmplified Spontaneous Emission (ASE) is

9、broad band noise9.2.1 Introduction of EDFA9.2.1 Introduction of EDFAEnergy of the Er3+ ion in the glass fiberE101.54 eV 1.27 eV0.80 eVE2E3E31550 nm1550 nmInOut980 nmNon-radiative decayPumpEnergy diagram for the Er 3+ ion in the glass fiber medium and light amplification by stimulated emission from E2 to E1. Dashed arrows indicate radiation less transitions (energy emission by lattice vibrations)当泵浦(Pump, 抽运)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(13)。但是激发态是不稳定的，Er3+很快返回到能级2。如果输入的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(21)，产生受激辐射光，因而 信号光得到放大。但是激发态是不稳定的，Er3+很快返回到能级2。如果输入的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(21)，产生受激辐射光，因而 信号光得到放大。由此可见，这种放大是由于泵浦光的能量转换为信号光的结 果。9.2.1 光纤放大器简介9.2.1 Introduction of EDFAlThe amorphous nature of silica broadens the energy levels of Er+ into bands.lEfficient EDFA pumping is possible us

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