【正文】 使其躍遷到較低的能級(jí) ， 從而產(chǎn)生一個(gè)放大的光信號(hào) 。 因此 SOA只能放大光信號(hào) ， 但不能產(chǎn)生相干的光輸出 。 第 6章 光放大器 SOA的放大原理 半導(dǎo)體光放大器的工作原理與所有的光放大器一樣 ， 也是利用受激輻射來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)入射光功率的放大的 ， 產(chǎn)生受激輻射所需的粒子數(shù)反轉(zhuǎn)機(jī)制與半導(dǎo)體激光器中使用的完全相同 ， 即采用正向偏置的 PN結(jié) ， 對(duì)其進(jìn)行電流注入 ， 實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布 。 應(yīng)用量子阱材料的 SOA具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單 ， 可批量生產(chǎn) , 成本低 , 壽命長(zhǎng) , 功耗小等優(yōu)點(diǎn) ， 并且便于與其他部件一塊集成 ， 可望制作出 1310 nm和 1540 nm波段的寬帶放大器 ， 以覆蓋EDFA、 PDFA的應(yīng)用窗口 。 硅和氟 EDFA大約在超過(guò) 1627 nm波長(zhǎng)時(shí)不能放大光信號(hào) ， 而碲化物EDFA可以工作到 1634 nm， 這是碲化物 EDFA的固有優(yōu)點(diǎn) 。 在 1530～ 1610 nm的波長(zhǎng)區(qū) ， 得到了 20 dB以上的增益 ， 增益平坦度達(dá) dB。 其特點(diǎn)為： 第 6章 光放大器 （ 1） 寬的增益平坦度 （ 30 nm） 。 所以 ， 應(yīng)用摻碲化物光纖制作放大器可實(shí)現(xiàn)寬帶放大 。 在 1600 nm波長(zhǎng)時(shí) ， EDFA在碲化物中的受激發(fā)射面是氟化物和石英的兩倍 。 （ 4） 可靠性有待研究 。 （ 2） 氟化物光纖有吸水性 ， 不能與石英光纖熔接 ， 需采用機(jī)械連接方法 。 對(duì)多波長(zhǎng)光傳輸系統(tǒng)中的應(yīng)用具有相當(dāng)大的潛力 。 4. 氟化物 EDFA 氟化物摻鉺光纖放大器 (FEDFA)是以氟化物為主要材料 、 摻鉺光纖為主體而構(gòu)成的光纖放大器 。 如果進(jìn)一步提高鋁的摻雜濃度 ， 不管是對(duì)小信號(hào)功率 ， 還是對(duì)大信號(hào)功率都能提高在 1540 nm時(shí)的增益 ， 因而可減小增益差以達(dá)到平坦增益的目的 。 在纖芯中摻鉺的同時(shí)摻入鋁 ， 是當(dāng)前應(yīng)用最普遍的方法 ， 這樣可改變玻璃的組成成分 ， 迫使鉺的放大能級(jí)分布改變 ， 加寬可放大的頻率 。 （ 5） 泵浦光源波長(zhǎng)為 1017 nm。 （ 3） 高的飽和輸出 （ 約 20 dBm） 。 摻鐠光纖放大器 （ PDFA） 是在非石英光纖如氟化物光纖中摻入鐠來(lái)對(duì)光信號(hào)進(jìn)行放大的 ， 它與 EDFA相比具有如下特點(diǎn)： 第 6章 光放大器 （ 1） 工作在 μm波長(zhǎng) （ 1280～ 1340 nm） 。 PDFA具有高的增益 （ 約 30 dB）和高的飽和功率 （ 20 dBm） ， 適用于 EDFA不能放大的光波波段 ， 對(duì)現(xiàn)有的光纖線(xiàn)路的升級(jí)和擴(kuò)容有重要的意義 。 在實(shí)際的多信道通信系統(tǒng)中 ， SBS過(guò)程通常要限制信道間隔和通道數(shù) ， 同時(shí)限制信號(hào)功率和通信距離 ， 因此通常應(yīng)設(shè)法降低這種影響 。 第 6章 光放大器 在多信道通信系統(tǒng)中 ， 可在接收端注入一泵浦光 ， 與多信道光信號(hào)的傳播方向相反 ， 通過(guò)調(diào)節(jié)泵浦頻率就可選擇不同信道的信號(hào)進(jìn)行放大 。 例如在相干通信系統(tǒng)中 ， 可用 SBA有選擇性地放大光載波而不放大調(diào)制邊帶 ， 利用放大后的光載波作為本振光 ， 實(shí)現(xiàn)零差檢測(cè) 。 所以 ， 在一般光波通信系統(tǒng)中 ， SBA的應(yīng)用價(jià)值并不大 。 但是由于室溫下高的聲學(xué)聲子數(shù) ， 使 SBA的噪聲指數(shù)過(guò)大 （ 15 dB） ， 因此這種應(yīng)用受到限制 。 第 6章 光放大器 SBA的性能與應(yīng)用 SBA是一種高增益 、 低功率輸出 、 窄帶寬放大器 。 （ 2） 多通道的相干光通信 （ 第 6章介紹 ） ， 能有選擇性地放大光載波 ， 抑制調(diào)制產(chǎn)生的邊頻 ， 這樣放大后的光載波可以用作本振光 ， 實(shí)現(xiàn)零差檢測(cè) 。 其主要特點(diǎn)是高增益 、 低噪聲 、 窄帶寬 ， 因而可以形成分布式放大 ， 用作光濾波器 。 第 6章 光放大器 對(duì)于工作于 μm的二氧化硅光纖 ， 布里淵頻偏約為11 GHz， 且決定于光纖中的聲速 ， 反射光線(xiàn)寬取決于聲波的損耗 ， 它可在幾十至幾百兆赫茲的范圍內(nèi)變動(dòng) 。 第 6章 光放大器 受激布里淵光纖放大器 SBA SBA的放大原理 當(dāng)一個(gè)窄線(xiàn)寬 、 高功率信號(hào)沿光纖傳輸時(shí) ， 將產(chǎn)生一個(gè)與輸入光信號(hào)同向的聲波 ， 此聲波波長(zhǎng)為光波長(zhǎng)的一半 ， 且以聲速傳輸 。 為了實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)距離通信 ， 每經(jīng)幾十千米后需再注入泵浦功率 ， 構(gòu)成分布式級(jí)聯(lián)光纖拉曼放大 。 當(dāng)用作損耗補(bǔ)償放大時(shí) ， 光纖既是增益介質(zhì) ， 又是傳輸介質(zhì) ， 光纖既存在損耗 ， 又產(chǎn)生增益 ， 增益補(bǔ)償損耗 ， 實(shí)現(xiàn)凈增益為零的無(wú)損透明傳輸 。 第 6章 光放大器 (2) 分布式 SRA： 主要作為光纖傳輸系統(tǒng)中傳輸光纖損耗的分布式補(bǔ)償放大 ， 實(shí)現(xiàn)光纖通信系統(tǒng)光信號(hào)的透明傳輸 ， 即增益與損耗相等 ， 輸出功率與輸入功率相等 。 通常用 μm或 μm的 Nd： YAG激光器作為泵浦源 ， 放大 μm和 μm的光信號(hào) 。 第 6章 光放大器 SRA的性能與應(yīng)用 光纖拉曼放大器有兩種類(lèi)型的應(yīng)用 ， 一種稱(chēng)為集中式 SRA， 另一種稱(chēng)為分布式 SRA。 第 6章 光放大器 拉曼光纖放大器的主要問(wèn)題在于所需泵浦的種類(lèi) ， 其次是如何使放大器本身作為一個(gè)諧振腔來(lái)獲得高數(shù)量級(jí)的拉曼效應(yīng) 。 （ 2） 1400 nm波段 。 通過(guò)適當(dāng)改變泵浦激光器的光波波長(zhǎng)就可以得到在任意波段進(jìn)行光放大的寬帶放大器 ， 甚至可在1279～ 1670 nm整個(gè)波段內(nèi)提供放大 。 對(duì)非晶態(tài)石英光纖， 其分子振動(dòng)能級(jí)融合在一起， 形成了一條能帶， 因此可在較寬的頻差（ ωp－ ωas）范圍（ 40 THz）內(nèi)通過(guò) SRS效應(yīng)實(shí)現(xiàn)信號(hào)的光放大。 第 6章 光放大器 斯托克斯頻移 Ω＝ ωp－ ωas， 它在 SRS過(guò)程中起著重要作用。 SRA是靠非諧振 、 非線(xiàn)性散射實(shí)現(xiàn)放大功能的 ， 不需要能級(jí)間粒子數(shù)反轉(zhuǎn) 。 第 6章 光放大器 圖 SRA的原理性結(jié)構(gòu)示意 光 纖 耦 合 器?p?as光纖光 濾 波 器?as( a )基態(tài)振 動(dòng) 態(tài)?s?p( b )E3E2E1??a s?p( c )E3E2E1?第 6章 光放大器 乍看 SRA的工作原理與其他光放大器沒(méi)有多大差別 ， 都是靠轉(zhuǎn)移泵浦能量實(shí)現(xiàn)放大的 ， 實(shí)際上是有很大不同的 。 頻率為 ωp和ωas的泵浦光和信號(hào)光通過(guò) WDM合波器輸入至光纖 ， 當(dāng)這兩束光在光纖中一起傳輸時(shí) ， 泵浦光的能量通過(guò)SRS效應(yīng)轉(zhuǎn)移給信號(hào)光 ， 使信號(hào)光得到放大 。 這個(gè)過(guò)程如圖 (b)所示 ， 這是一個(gè)基本的斯托克斯散射過(guò)程 。 光學(xué)聲子的角頻率 Ω由分子的諧振頻率決定。 這里， H =h／ 2π(h是普朗克常量 )， ωp是入射光角頻率。 第 6章 光放大器 受激拉曼散射 (SRS)過(guò)程可以看成是物質(zhì)分子對(duì)光子的散射過(guò)程， 或者說(shuō)光（光子）與物質(zhì)（分子）的相互諧振作用過(guò)程。 第 6章 光放大器 受激拉曼光纖放大器 SRA SRA的放大原理 拉曼效應(yīng)是在光纖介質(zhì)中傳輸高功率信號(hào)時(shí)發(fā)生的非線(xiàn)性相互作用 ， 它是由介質(zhì)的分子激勵(lì) (聲子 )所誘發(fā)的非彈性光子散射 。 目前市場(chǎng)上銷(xiāo)售的 EDFA一般可達(dá) 30 dB以上的增益 , 噪聲系數(shù)一般為4～ 5 dB。 EDFA噪聲特性可用噪聲系數(shù)來(lái)度量 ， 其定義為 EDFA的輸入信噪比與輸出信噪比的比值 ， 它與同向傳播的ASE頻譜密度和放大器增益密切相關(guān) 。 第 6章 光放大器 2. EDFA的噪聲 EDFA的噪聲主要有四種： 信號(hào)光的散粒噪聲； 被放大的自發(fā)輻射 (ASE)； ASE光譜與信號(hào)光之間的差拍噪聲 (指的是信號(hào)和 ASE經(jīng)光檢測(cè)器輸出的光生電流表達(dá)式中的交叉項(xiàng) )； ASE光譜間的差拍噪聲 (指的是ASE的二次項(xiàng) )。 第 6章 光放大器 放大的自發(fā)輻射的平均總功率 PASE滿(mǎn)足下式： BG h fnP spA S E ?2?() 其中 ， hf是光子的能量 ， G是放大器增益 ， ΔB是放大器的光帶寬 。 這里要記住的是 ， 光放大器的自發(fā)輻射產(chǎn)生在與信號(hào)放大相同的波帶 (頻帶 )里 。 在這種情況下 ， 我們將會(huì)有一個(gè)理想的放大器 ， 但這種情況從來(lái)不會(huì)得到 ， 所以實(shí)際 nsp的范圍典型值是 ～。 自發(fā)輻射因子即粒子數(shù)反轉(zhuǎn)因子 (nsp)可以定義為 122NNNnsp ??第 6章 光放大器 其中 ， N2和 N1分別是高低能級(jí)上的粒子數(shù) 。 第 6章 光放大器 那些與信號(hào)同方向的自發(fā)輻射光子被激活介質(zhì)放大 , 這些由自發(fā)輻射產(chǎn)生并經(jīng)放大了的光子組成放大的自發(fā)輻射 (ASE), 因?yàn)樗鼈冊(cè)谙辔簧鲜请S機(jī)的 ， 它們對(duì)于信號(hào)光沒(méi)有貢獻(xiàn)而產(chǎn)生了信號(hào)帶寬內(nèi)的噪聲 。 這個(gè)現(xiàn)象的物理過(guò)程是： 絕大多數(shù)受激載流子因受激輻射而被迫落到較低的能帶上 ，