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1、光放大器的分类光放大器的分类光放大器按原理不同，大体上有以下三种类型：光放大器按原理不同，大体上有以下三种类型： FRAFRA具有频带宽、增益高、输出功率大、响应快等。具有频带宽、增益高、输出功率大、响应快等。需要大功率的半导体激光器作泵浦源（约数瓦）。需要大功率的半导体激光器作泵浦源（约数瓦）。: :体积小、结构简单、功耗低、便于光电集成；体积小、结构简单、功耗低、便于光电集成；: :插入损耗大、工作稳定性较差、噪声大，增益小、插入损耗大、工作稳定性较差、噪声大，增益小、对串扰和偏振态敏感等。对串扰和偏振态敏感等。它是由半导体材料制成的，可看成是没有反馈的半导体激光器它是由半导体材料制成的，

2、可看成是没有反馈的半导体激光器它是利用石英光纤的非线性效应而制成。它是利用石英光纤的非线性效应而制成。工作波长处在工作波长处在153015301560nm1560nm范围，与光纤最小损耗窗口一致；范围，与光纤最小损耗窗口一致；对掺铒光纤进行激励的泵浦功率低，仅需几十毫瓦；对掺铒光纤进行激励的泵浦功率低，仅需几十毫瓦；连接损耗低，耦合效率高。因为它是光纤型放大器，连接损耗低，耦合效率高。因为它是光纤型放大器，因此易于与光纤耦合连接，且连接损耗可低至因此易于与光纤耦合连接，且连接损耗可低至0.1dB0.1dB。增益高且特性稳定、噪声低、输出功率大。增益可达增益高且特性稳定、噪声低、输出功率大。增益

3、可达40dB40dB，且在，且在100100内增益特性保持稳定，也与偏振无关。内增益特性保持稳定，也与偏振无关。噪声系数可低至噪声系数可低至3 34dB4dB，输出功率可达，输出功率可达141420dBm20dBm；对各种类型、速率与格式的信号传输透明。对各种类型、速率与格式的信号传输透明。光放大器的分类光放大器的分类 波长固定，只能放大波长固定，只能放大1550nm1550nm左右的光波，可调节的左右的光波，可调节的波长有限；波长有限；增益带宽不平坦，在增益带宽不平坦，在WDMWDM系统中需要采用特殊的手系统中需要采用特殊的手段来进行增益谱补偿。段来进行增益谱补偿。光放大器的分类光放大器的分

4、类概述概述1. 1. 增益系数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。增益系数可表示为获得了光增益。增益系数可表示为02202( )( , )1 ()/satggPTP P对于小信号放大有对于小信号放大有1satPP22200)(1)()(Tgg设光放大器增益介质长度为设光放大器增益介质长度为L L，信号光功率将沿着放大器的，信号光功率将沿

5、着放大器的长度按指数规律增长长度按指数规律增长)()()(zPgdzzdP)(exp)(LgPLPPinout)(exp)(LgPPGinout10lg()dBoutinPGP0为最大，为最大， 也为最大也为最大)(g( )G概述概述(2)gT20.50G()归归一一化化增增益益(0 0)T)T2 20.751.000.250.0042024g()光放大器增益曲线和增益系数曲线光放大器增益曲线和增益系数曲线的半最大值全宽的半最大值全宽FWHMFWHM（Full Width at Half MaximumFull Width at Half Maximum）的的FWHM,FWHM,也称作光放大器

6、的带宽。也称作光放大器的带宽。 )(g( )G概述概述22Tg2/12ln2lnLgogA2 2 增益饱和增益饱和当输入光功率比较小时，当输入光功率比较小时， 是一个常数，输出光功率与是一个常数，输出光功率与输入光功率成正比，此时的增益用符号输入光功率成正比，此时的增益用符号 表示，称为光表示，称为光放大器的小信号增益。放大器的小信号增益。G0G但当但当 增大到一定数值后，光放大器的增益开始增大到一定数值后，光放大器的增益开始下降，这种现象称为增益饱和下降，这种现象称为增益饱和. .inPPsatPin (dBm)10G0增增益益(dB)20303dB0605030402010010概述概述)

7、(exp)(LgPPGinout大信号增益大信号增益satoutGPPGGG) 1(exp0饱和输出光功率饱和输出光功率satsatoutPGGP22ln00概述概述3 3 噪声系数噪声系数放大的自发辐射形成了信号带宽内的主要噪声。放大的自发辐射形成了信号带宽内的主要噪声。放大的自发辐射放大的自发辐射ASE (Amplified Spontaneous Emission)ASE (Amplified Spontaneous Emission)功率为功率为) 1(2GhnPspASE自发辐射噪声是一种白噪声，叠加到信号光上，会劣化信自发辐射噪声是一种白噪声，叠加到信号光上，会劣化信噪比噪比SNR

8、SNR。信噪比的劣化用噪声系数。信噪比的劣化用噪声系数 表示，其定义表示，其定义nFoutinnSNRSNRF)()(概述概述122NNNnsp（1 1） 输入信噪比输入信噪比光放大器输入端的信号功率光放大器输入端的信号功率经光检测器转化为光电流为经光检测器转化为光电流为inPinRPI 22)(inRPI则检测的电功率则检测的电功率由于信号光的起伏，光放大器输入端噪声的考虑以光检测器由于信号光的起伏，光放大器输入端噪声的考虑以光检测器的散粒噪声为限制的散粒噪声为限制BIqs22可以得到输入信噪比可以得到输入信噪比qBRPBRPqRPSNRinininin2)(2)()(2概述概述（2 2）

9、输出信噪比输出信噪比光检测器输出电功率为光检测器输出电功率为2)(inRGP散粒噪声散粒噪声BRGPqin)(2自发辐射与信号光产生的差拍噪声自发辐射与信号光产生的差拍噪声)(42BRSRGPASEinASES输出信噪比输出信噪比) 1(212)(4)(2)()(2GnGqBRPBRSRGPBRGPqRGPSNRspinASEinininout所以噪声系数所以噪声系数GGnFspn) 1(21当光放大器的增益比较大时当光放大器的增益比较大时SPnnF2概述概述半导体光放大器半导体光放大器SOA(Semiconductor Optical Amplifier)SOA(Semiconductor

10、Optical Amplifier)法布里珀罗腔放大器法布里珀罗腔放大器FPA(Fabry-Perot Amplifier)FPA(Fabry-Perot Amplifier)行波放大器行波放大器TWA(Traveling-Wave Amplifier)TWA(Traveling-Wave Amplifier)(a) 法布里珀罗放大器法布里珀罗放大器泵浦电流泵浦电流反射面反射面反射面反射面有源区有源区输入光信输入光信号号输出光信号输出光信号Z=0Z=L泵浦电流泵浦电流增透膜增透膜增透膜增透膜有源区有源区输入光信输入光信号号输出光信输出光信号号Z=0Z=L(b) 行波放大器行波放大器1. 1.

11、光放大器的增益光放大器的增益法布里珀罗放大器的增益可以表示为法布里珀罗放大器的增益可以表示为)/()(sin4)1 ()1 ()(0222ncLRGRGGRGSSSFPAG0增益增益频率频率0GFPAmaxGFPAminR=0.3R=0.03R=0 (行波放大器行波放大器增益增益)半导体光放大器半导体光放大器LNN22行波放大器的增益行波放大器的增益)(STWAGG单程增益用光放大器的参数可表示为单程增益用光放大器的参数可表示为)exp(LgGSSOASOA增益典型值为增益典型值为202030dB30dBSOASOA的增益依赖于输入信号的偏振状态，不同的极化模式具的增益依赖于输入信号的偏振状态

12、，不同的极化模式具有不同的增益。有不同的增益。由于有源区的矩形形状和晶体结构造成增益对偏振依赖。由于有源区的矩形形状和晶体结构造成增益对偏振依赖。减小减小SOASOA的偏振增益的方法，一种是使有源区的横截面成正方的偏振增益的方法，一种是使有源区的横截面成正方形；另一种是通过串联或是并联两个形；另一种是通过串联或是并联两个SOASOA来补偿增益差。来补偿增益差。这些方法的使用可以使偏振增益差降至这些方法的使用可以使偏振增益差降至0.5dB0.5dB。半导体光放大器半导体光放大器2. 2. 光放大器的带宽光放大器的带宽增益减小到峰值一半时，增益减小到峰值一半时， 02() 就是带宽就是带宽12(

13、/ )sin (1)/(2)FPASSLRGRG上式成立要满足条件：上式成立要满足条件：83. 517. 0sRGFPAFPA的带宽比较窄，通常不超过的带宽比较窄，通常不超过10GHz10GHz。常用在有源滤波器、构造光子开关、光波长转换器和路由常用在有源滤波器、构造光子开关、光波长转换器和路由器等场合。器等场合。行波放大器的带宽用下式进行估算行波放大器的带宽用下式进行估算RRGLcSTWA/)1 (2TWA的带宽大约是的带宽大约是 40nm半导体光放大器半导体光放大器G0增益增益频率频率0GFPAGTWATWAPFAFPAFPA增益较大，而带宽较小；增益较大，而带宽较小；TWATWA增益略小

14、，带宽较大。增益略小，带宽较大。半导体光放大器半导体光放大器3. 3. 噪声系数噪声系数)(20ggNNNFnSOASOA噪声系数的范围是从噪声系数的范围是从6dB6dB到到9dB9dB。半导体光放大器半导体光放大器掺杂光纤放大器掺杂光纤放大器光隔离器光隔离器光隔离器光隔离器波分复用器波分复用器输入光信号输入光信号输出光信号输出光信号滤波器滤波器熔接点熔接点掺铒光纤掺铒光纤EDFA泵浦源泵浦源1.1. 掺铒光纤放大器（掺铒光纤放大器（EDFAEDFA）的基本结构）的基本结构是防止反射光影响光放大器稳定工作，保证光信号是防止反射光影响光放大器稳定工作，保证光信号只能正向传输的器件。只能正向传输的

15、器件。的作用是滤除光放大器的噪声、降低噪声对系统的的作用是滤除光放大器的噪声、降低噪声对系统的影响影响, ,提高系统的信噪比提高系统的信噪比. .也称为合波器，它的功能是将也称为合波器，它的功能是将980/1550nm980/1550nm或或1480/1550nm1480/1550nm波长的泵浦光和信号光合路后送入掺铒光纤，波长的泵浦光和信号光合路后送入掺铒光纤，对它的要求是插入损耗小，而且对光的偏振不敏感。对它的要求是插入损耗小，而且对光的偏振不敏感。是一段长度大约为是一段长度大约为1010100m100m的石英光纤，将稀土元的石英光纤，将稀土元素铒离子注入到纤芯中，浓度约为素铒离子注入到纤

16、芯中，浓度约为2525/ /。为半导体激光器，输出的光功率为为半导体激光器，输出的光功率为1010100mW100mW，工作波长约为工作波长约为980nm980nm或或1480nm1480nm。按照泵浦光源的泵浦方式。按照泵浦光源的泵浦方式不同，不同，EDFAEDFA又可有三种不同的结构方式又可有三种不同的结构方式: :泵浦光与信号光从同一端注入掺铒光纤。在掺铒光纤的输入端，泵浦光泵浦光与信号光从同一端注入掺铒光纤。在掺铒光纤的输入端，泵浦光较强，故粒子反转激励也强，其增益系数大，信号一进入光纤即得到较强较强，故粒子反转激励也强，其增益系数大，信号一进入光纤即得到较强的放大。但是由于吸收的原因

17、，泵浦光将沿光纤长度衰减，使在一定的光的放大。但是由于吸收的原因，泵浦光将沿光纤长度衰减，使在一定的光纤长度上达到增益饱和。其优点是构成简单，具有较好的噪声性能。缺点纤长度上达到增益饱和。其优点是构成简单，具有较好的噪声性能。缺点是输出功率低。是输出功率低。掺杂光纤放大器掺杂光纤放大器光隔离器光隔离器光隔离器光隔离器波分复用器波分复用器输入光信号输入光信号输出光信号输出光信号滤波器滤波器熔接点熔接点掺铒光纤掺铒光纤EDFA泵浦源泵浦源泵浦光与信号光从不同的方向输入掺铒光纤，两者在掺铒光纤泵浦光与信号光从不同的方向输入掺铒光纤，两者在掺铒光纤中反向传输。其优点是：当光信号放大到很强时，泵浦光也强

18、，中反向传输。其优点是：当光信号放大到很强时，泵浦光也强，不易达到饱和，输出功率高，但是噪声性能差。不易达到饱和，输出功率高，但是噪声性能差。光隔离光隔离器器光隔离光隔离器器波分复波分复用器用器输入输入光信光信号号输出光输出光信号信号滤波器滤波器EDFA泵浦泵浦源源熔接点熔接点掺铒光掺铒光纤纤掺杂光纤放大器掺杂光纤放大器有两个泵浦光源，其中一个泵浦光与信号光以同一方向注入掺有两个泵浦光源，其中一个泵浦光与信号光以同一方向注入掺铒光纤，另一个泵浦光从相反方向注入掺铒光纤。这种方式结铒光纤，另一个泵浦光从相反方向注入掺铒光纤。这种方式结合了同向泵浦和反向泵浦的优点，使泵浦光在光纤中均匀分布合了同向

19、泵浦和反向泵浦的优点，使泵浦光在光纤中均匀分布从而使其增益在光纤中均匀分布。从而使其增益在光纤中均匀分布。光隔离光隔离器器光隔离光隔离器器波分复波分复用器用器输入光输入光信号信号输出光输出光信号信号滤波器滤波器EDFA泵浦源泵浦源熔接点熔接点掺铒光掺铒光纤纤 波分复波分复用器用器泵浦源泵浦源掺杂光纤放大器掺杂光纤放大器泵浦光泵浦光功率功率Fn反向泵反向泵浦浦双向泵双向泵浦浦输输出出光光功功率率同向泵同向泵浦浦输出光输出光功率功率掺铒光纤长掺铒光纤长度度双向泵双向泵浦浦反向泵反向泵浦浦同向泵同向泵浦浦Fn反向泵反向泵浦浦同向泵同向泵浦浦双向泵双向泵浦浦 (a)(a)转换效率的比较转换效率的比较(

20、c)(c)噪声系数与掺铒光纤长度之间的关系噪声系数与掺铒光纤长度之间的关系三种泵浦方式的微分转换效率分别为三种泵浦方式的微分转换效率分别为61%61%和和76%76%和和77%77%。随着输出功率的增加，粒子反转数将下降，结果是使噪声指数增大。随着输出功率的增加，粒子反转数将下降，结果是使噪声指数增大。不管掺铒光纤的长度如何，同向泵浦方式的不管掺铒光纤的长度如何，同向泵浦方式的EDFAEDFA噪声最小。噪声最小。掺杂光纤放大器掺杂光纤放大器(b)(b)噪声系数与放大器输出功率的关系噪声系数与放大器输出功率的关系2.2. 掺铒光纤放大器的工作原理掺铒光纤放大器的工作原理简单地说，就是在泵浦源的作

21、用下，在掺铒光纤中出现了粒简单地说，就是在泵浦源的作用下，在掺铒光纤中出现了粒子数反转分布，产生了受激辐射，从而使光信号得到放大。子数反转分布，产生了受激辐射，从而使光信号得到放大。（1 1）能级与泵浦）能级与泵浦泵浦光泵浦光980 nm能级1 （0ev）sp=1s泵浦光泵浦光1480 nm受激辐射信号光（受激辐射信号光（15001600 nm）自发辐射光（自发辐射光（15001600 nm）ASE能级能级2（0.80ev）能级能级3（1.27ev）sp=10ms掺铒石英的能级图，用三能级表示掺铒石英的能级图，用三能级表示掺杂光纤放大器掺杂光纤放大器（2 2）增益）增益inASEoutEPPP

22、Glg10EDFAEDFA的增益不是简单一个常数或解析式，它与掺铒光纤的的增益不是简单一个常数或解析式，它与掺铒光纤的长度、铒离子浓度、泵浦功率等因素有关。长度、铒离子浓度、泵浦功率等因素有关。增益与掺铒光纤长度的关系增益与掺铒光纤长度的关系掺杂光纤放大器掺杂光纤放大器经常用关系式经常用关系式inSinPSPinSoutSEPPPPG,1来估算增益来估算增益8GEFn输入功率（dBm）Fn(dB)GE(dB)765430252015105-45-40-35-30-25-20-15-10-5掺铒光纤放大器的最大输出功率常用掺铒光纤放大器的最大输出功率常用3dB3dB饱和输出功率来表示，饱和输出功

23、率来表示，即当饱和增益下降即当饱和增益下降3dB3dB时所对应的输出光功率值。它表示了掺时所对应的输出光功率值。它表示了掺铒光纤放大器的最大输出能力。铒光纤放大器的最大输出能力。掺杂光纤放大器掺杂光纤放大器（3 3）噪声系数）噪声系数噪声系数与掺铒光纤长度和泵浦功率有关噪声系数与掺铒光纤长度和泵浦功率有关噪声系数还与泵浦源波长有关，使用噪声系数还与泵浦源波长有关，使用980nm980nm泵浦源的噪声特性泵浦源的噪声特性优于优于1480nm1480nm泵浦源。泵浦源。EDFAEDFA噪声系统的变化范围在噪声系统的变化范围在3.5dB3.5dB到到9dB9dB之间。之间。3. EDFA3. EDF

24、A增益平坦性增益平坦性10增益系数(dB/m)8642波长（nm）14801500152015401560掺杂光纤放大器掺杂光纤放大器为了获得较为平坦的增益特性，增大为了获得较为平坦的增益特性，增大EDFAEDFA的带宽，有两种方法的带宽，有两种方法可以采用。一种是采用新型宽谱带掺杂光纤，如在纤芯中再掺可以采用。一种是采用新型宽谱带掺杂光纤，如在纤芯中再掺入铝离子；另一种方法是在掺铒光纤链路上放置均衡滤波器。入铝离子；另一种方法是在掺铒光纤链路上放置均衡滤波器。波长掺铒光纤增益波长滤波器特性波长放大器增益均衡滤波器掺铒光纤掺铒光纤EDFAEDFA中的均衡滤波器作用中的均衡滤波器作用掺杂光纤放大

25、器掺杂光纤放大器4. EDFA4. EDFA的性能指标的性能指标掺杂光纤放大器掺杂光纤放大器5. 5. 掺镨光纤放大器掺镨光纤放大器掺镨光纤放大器掺镨光纤放大器PDFAPDFA工作在工作在1310 nm1310 nm波段波段目前已研制出的目前已研制出的PDFAPDFA模块所采用泵浦波长为模块所采用泵浦波长为1017nm1017nm，在，在1310nm1310nm波长处放大器的增益可达波长处放大器的增益可达24dB24dB，噪声系数为，噪声系数为6.66.6。在。在3 dBm3 dBm输输入时放大波段为入时放大波段为1281nm1281nm1381nm1381nm，放大带宽达，放大带宽达37nm

26、37nm。波长波长 （m）20Fn(dB)增益增益(dB)2015105510151.281.301.321.34Fn增益增益掺杂光纤放大器掺杂光纤放大器6. 6. 掺铥光纤放大器掺铥光纤放大器掺铥光纤是在氟化物玻璃中掺入铥离子制作的，其工作波掺铥光纤是在氟化物玻璃中掺入铥离子制作的，其工作波长范围为长范围为1450nm1450nm1480nm1480nm，增益可达，增益可达22dB22dB，噪声指数在，噪声指数在6dB6dB以以下。主要与下。主要与EDFAEDFA配合应用在配合应用在DWDMDWDM系统中。系统中。掺杂光纤放大器掺杂光纤放大器喇曼光纤放大器喇曼光纤放大器基于受激喇曼散射机理，

27、可以制造出喇曼光纤放大器基于受激喇曼散射机理，可以制造出喇曼光纤放大器RFA(Raman Fiber Amplifier)RFA(Raman Fiber Amplifier)。小功率信号光的频率为小功率信号光的频率为S大功率泵浦光的频率为大功率泵浦光的频率为p它们的频差它们的频差 ( (也称作频移也称作频移) )落在喇曼增益谱带宽范围之内，落在喇曼增益谱带宽范围之内，则信号光沿着光纤传输时将得到有效的放大。则信号光沿着光纤传输时将得到有效的放大。对于固定的泵浦光频率，由于喇曼增益谱宽度很大，对于固定的泵浦光频率，由于喇曼增益谱宽度很大，所以利用所以利用SRSSRS效应可以在相当宽的波长范围对信

28、号光效应可以在相当宽的波长范围对信号光进行放大。进行放大。1.1.增益增益LLAPgPLPSeffeffPRSS)0(exp)0()(在长为在长为L L的光纤输出端，信号光功率的光纤输出端，信号光功率若没有喇曼放大，经光纤输出的信号为若没有喇曼放大，经光纤输出的信号为(0)exp()SSPL故喇曼放大器的小信号增益定义为故喇曼放大器的小信号增益定义为)0(exp)exp()0()(effeffPRSSSRALPgLPLPG随着信号光的增强，泵浦光的减弱，增益会逐渐降低达到饱和。随着信号光的增强，泵浦光的减弱，增益会逐渐降低达到饱和。喇曼光纤放大器喇曼光纤放大器可算得饱和增益可算得饱和增益)1

29、(exp10000rGrrGRR)0()0(0PSSPPPr喇曼光纤放大器喇曼光纤放大器2.2.带宽带宽光纤的光纤的SRSSRS增益与喇曼增益系数之间的关系是增益与喇曼增益系数之间的关系是PRIgg)()(effpRAPgg)()(由喇曼增益谱曲线可见，在由喇曼增益谱曲线可见，在增益峰值附近的增益带宽约增益峰值附近的增益带宽约为为6THz7THz6THz7THz。如果采用不同。如果采用不同波长的多个泵浦源同时作用，波长的多个泵浦源同时作用，则可获得更为平坦的，则可获得更为平坦的，带宽更宽的增益特性。目前带宽更宽的增益特性。目前喇曼放大器的带宽已达喇曼放大器的带宽已达132nm132nm。喇曼光

30、纤放大器喇曼光纤放大器光放大器的应用光放大器的应用1.1.在线放大在线放大(in-line amplifier)(in-line amplifier)光放大器光放大器光发射光发射机机 光接收光接收机机光纤链路光纤链路补偿传输损耗补偿传输损耗要考虑放大器噪声等因素的影响，使用多个在线放大器要考虑放大器噪声等因素的影响，使用多个在线放大器, ,光纤链路中会积累光纤链路中会积累ASEASE噪声，它随着信号光一起传输，最终影响噪声，它随着信号光一起传输，最终影响输出端的信噪比输出端的信噪比, ,造成信噪比下降。造成信噪比下降。通过放大器增益和级联数目的选择，可以得到总增益和通过放大器增益和级联数目的选

31、择，可以得到总增益和 的最佳组合的最佳组合outSNR)(一般而言，选择在线放大器的输入信号标称范围从一般而言，选择在线放大器的输入信号标称范围从增益大于增益大于15dB15dB。)125(9)5 . 2(26WdBmWdBm2.2.前置放大前置放大光放大器光放大器光发射光发射机机 光接收光接收机机光纤链路光纤链路在光电检测之前将弱信号放大，可以抑制在接收在光电检测之前将弱信号放大，可以抑制在接收机中由于热噪声引起的信躁比下降。机中由于热噪声引起的信躁比下降。前置放大器的加入，可以提高接收机的灵敏度。前置放大器的加入，可以提高接收机的灵敏度。光放大器的应用光放大器的应用光放大器光放大器光发射光

32、发射机机 光接收光接收机机光纤链路光纤链路3. 3. 功率放大（功率放大（power boasterpower boaster）可使传输距离增加可使传输距离增加10km10km100km100km。如果同时使用前置放大，即可实现如果同时使用前置放大，即可实现200km200km250km250km的无中继海的无中继海底传输。由于功率放大器直接放置于光发射机后，其输入功底传输。由于功率放大器直接放置于光发射机后，其输入功率较高，要求的泵浦功率也较大。其输入一般要在率较高，要求的泵浦功率也较大。其输入一般要在8dBm8dBm以上，以上，具有的增益必须大于具有的增益必须大于5dB5dB。光放大器的应

33、用光放大器的应用例例5.1.1用用EDFA做功率放大器，设其增益为做功率放大器，设其增益为20dB，泵浦波长，泵浦波长为为=980nm，输入光信号的功率为，输入光信号的功率为0dBm，波长为，波长为1550nm，求所用的泵浦源功率为多少？求所用的泵浦源功率为多少？解：入射功率解：入射功率0dBm，即为，即为1mw。由功率放大器增益表达式。由功率放大器增益表达式光放大器的应用光放大器的应用光器件概述光器件概述作用作用: : 实现光信号的连接、能量分路实现光信号的连接、能量分路/ /合路、波长复用合路、波长复用/ /解复用、解复用、光路转换、能量衰减、方向阻隔等功能。是构成光纤通信系统光路转换、能

34、量衰减、方向阻隔等功能。是构成光纤通信系统的必备元件。的必备元件。类型：类型：包括：光连接器、光衰减器、光耦合器、光复用器、光包括：光连接器、光衰减器、光耦合器、光复用器、光隔离器、环行器、光滤波器、光解复用器等隔离器、环行器、光滤波器、光解复用器等发展趋势：集成化、全光纤化发展趋势：集成化、全光纤化光耦合器光耦合器CouplerCoupler1 1、插入损耗：特定的输出端口的功率相对全部输入功率的减、插入损耗：特定的输出端口的功率相对全部输入功率的减少值，用分贝表示。少值，用分贝表示。2 2、附加损耗：所有端口输出功率的总和相对于全部输入功、附加损耗：所有端口输出功率的总和相对于全部输入功率

35、以分贝表示的减小值。率以分贝表示的减小值。O U TIN10 lg(dB )iPE LP 3 3、分光比或耦合比：输出端口间光功率分配的百分比、分光比或耦合比：输出端口间光功率分配的百分比特性参数：特性参数：OUTOUT100%iiPCRPOUTIN10lg(dB)iiPILP 光耦合器光耦合器CouplerCoupler4 4、方向性（串扰）：一个端口的输入信号与散射或反射回、方向性（串扰）：一个端口的输入信号与散射或反射回另一个输入端口的光功率间的隔离度。以另一个输入端口的光功率间的隔离度。以2 2 2 2光纤耦合器光纤耦合器为例：为例：IN2IN110lgdBPDLP 5、均匀性、均匀性

36、(uniformity)定义为在器件的工作带宽范围内各输出端口输出光功率定义为在器件的工作带宽范围内各输出端口输出光功率的最大变化量的最大变化量OUTOUTmin()10lgdBmax()iiPFLP 6、偏振相关损耗、偏振相关损耗(polariztion dependent loss)指当传输光信号的偏振态发生指当传输光信号的偏振态发生360o变化时，器件各输出变化时，器件各输出光功率的最大变化量光功率的最大变化量.OUTOUTmin()10lgdBmax()iiiPPDLP 光耦合器光耦合器CouplerCoupler熔融拉锥法就是将两根或两根以上除去涂覆层的光纤以一熔融拉锥法就是将两根或

37、两根以上除去涂覆层的光纤以一定的方式靠拢，在高温加热下熔融，同时向两侧拉伸，最定的方式靠拢，在高温加热下熔融，同时向两侧拉伸，最终形成双锥体形式的特殊波导结构，实现传输光功率耦合终形成双锥体形式的特殊波导结构，实现传输光功率耦合的一种方法。的一种方法。光耦合器光耦合器CouplerCoupler在单模光纤中，传导模是两个正交的基模信号在单模光纤中，传导模是两个正交的基模信号,当传导模进入当传导模进入熔锥区时，随着纤芯不断变细，熔锥区时，随着纤芯不断变细，V值不断减小，模场直径越来值不断减小，模场直径越来越比纤芯直径大，于是越来越多的光模传输到光纤包层中；越比纤芯直径大，于是越来越多的光模传输到

38、光纤包层中；在熔锥区，由于两光纤包层合并在一起，纤芯足够逼近，光在熔锥区，由于两光纤包层合并在一起，纤芯足够逼近，光从一根纤芯耦合到另一纤芯；在逐渐离开拉锥区时，随着纤从一根纤芯耦合到另一纤芯；在逐渐离开拉锥区时，随着纤芯的逐渐变粗，芯的逐渐变粗，V值重新增大光模以特定的比例重新被限制值重新增大光模以特定的比例重新被限制在两光纤纤芯中，实现了功率的再分配。在两光纤纤芯中，实现了功率的再分配。在若导近似下，光纤的耦合模方程为：在若导近似下，光纤的耦合模方程为：11111222222211( )()( )()dA zjCjC AdzdA zjCjC Adz两光纤模两光纤模场振幅场振幅12 和和 是

39、两光纤在孤立状态时的传播常量是两光纤在孤立状态时的传播常量互耦合系数互耦合系数自耦合系数自耦合系数光耦合器光耦合器CouplerCoupler假设：假设：1122CCC且且 时时0z 1122( )(0),( )(0)A zAA zA光纤耦合模方程的解为：光纤耦合模方程的解为：121121122212( )(0)cos(0)(0) sinexp()2( )(0)cos(0)(0) sinexp()2CCA zAzjF AAzj zFCFCCA zAzjF AAzj zFCF式中式中2122114FC 122023212du KrCrV K1222201uk nr2202k nr光耦合器光耦合器

40、CouplerCoupler由此可知每根光纤中的功率为：由此可知每根光纤中的功率为：22211( )( )1sinCP zA zFzF 222( )sinCP zFzF假定：假定： ，光功率由一根光纤注入，光功率由一根光纤注入12(0)1,(0)0PP当两根光纤完全相同时，有当两根光纤完全相同时，有 即即1221F 2122( )cos( )sinP zCzPzCz影响拉伸长度与耦合功率的关键参数就是耦合系数影响拉伸长度与耦合功率的关键参数就是耦合系数C，而耦，而耦合系数合系数C的确定，需要用不同的模型来近似。的确定，需要用不同的模型来近似。光耦合器光耦合器CouplerCoupler图（31

41、）锥体颈部区域纵向为平行线形如图（锥体颈部区域纵向为平行线形如图（a） 横向切面为矩形横向切面为矩形 如图（如图（b） 图（32）光耦合器光耦合器CouplerCoupler锥体颈部区域纵向为抛物线型如图（锥体颈部区域纵向为抛物线型如图（a）横向切面为相切的双圆形横向切面为相切的双圆形 如图（如图（b） 图 （ 3 3） 图 （ 3 4）光耦合器光耦合器CouplerCoupler1310nm1550nm拉伸长度为拉伸长度为8.936mm，纤，纤芯间隔芯间隔0.65微米微米 光耦合器光耦合器CouplerCoupler光耦合器光耦合器CouplerCoupler耦合臂光纤的相位总比直通光纤的相

42、位滞后耦合臂光纤的相位总比直通光纤的相位滞后 /2/2。耦合区两纤芯中光功率随耦合区长度耦合区两纤芯中光功率随耦合区长度的耦合交换规律。可根据耦合比要求，的耦合交换规律。可根据耦合比要求，决定拉伸长度，但拉锥长度太长，纤决定拉伸长度，但拉锥长度太长，纤芯变得过细后，将引起能量辐射，功芯变得过细后，将引起能量辐射，功率降低，插入损耗明显增加。率降低，插入损耗明显增加。实际制作中实际制作中波导型光耦合器波导型光耦合器利用平面介质光波导工艺制作的光耦合器件往往是在铌利用平面介质光波导工艺制作的光耦合器件往往是在铌酸锂等衬底材料上，以薄膜沉积、光刻、扩散等工艺将所酸锂等衬底材料上，以薄膜沉积、光刻、扩

43、散等工艺将所需的波导结构制成芯片。需的波导结构制成芯片。光耦合器光耦合器CouplerCouplerY-Coupler (Splitter)Y-Coupler (Splitter)port1port1port2(50%)port2(50%)port3(50%)port3(50%)问题：如果从左端输入问题：如果从左端输入100uw的功率则右边两端各为的功率则右边两端各为50uw，但是如果从右边两端各输入但是如果从右边两端各输入50uw的功率，则左边出射功率为的功率，则左边出射功率为多少呢？多少呢？光耦合器光耦合器CouplerCoupler3dB 3dB couplercoupler光耦合器光耦

44、合器CouplerCouplerIsolators & Circulators Isolators & Circulators 非互易器件非互易器件用途：用途：放置于激光器及光放大器后面，防止系统中的反射放置于激光器及光放大器后面，防止系统中的反射光对器件性能的影响甚至损伤，即只允许光单向传输。光对器件性能的影响甚至损伤，即只允许光单向传输。主要指标：主要指标：低的插入损耗低的插入损耗( (对正向入射光，对正向入射光，1dB)1dB)高的隔离度高的隔离度( (对反向反射光，对反向反射光，4050dB)4050dB)原理：原理：一般由起偏器、检偏器和旋光器组成。一般由起偏器、检偏器和旋光器组成。

45、光隔离器与环形器光隔离器与环形器与与输入偏振态有关的光隔离器的工作原理输入偏振态有关的光隔离器的工作原理Polarizer Polarizer Faradayrotator 起偏器与检偏器的透光轴成起偏器与检偏器的透光轴成450角，旋光器使通过的光发生角，旋光器使通过的光发生450旋转。当垂直偏振光入射时，全部通过起偏器。经旋光旋转。当垂直偏振光入射时，全部通过起偏器。经旋光器后，光轴旋转器后，光轴旋转450，恰与检偏器透光轴一致而获得低损耗，恰与检偏器透光轴一致而获得低损耗传输。如果有反射光出现且反向进入隔离器的只是与检偏传输。如果有反射光出现且反向进入隔离器的只是与检偏器光轴一致的那一部分

46、光，经旋光器被旋转器光轴一致的那一部分光，经旋光器被旋转450 ，变成水，变成水平线偏振光，正好与起偏器透光轴垂直，所以光隔离器能平线偏振光，正好与起偏器透光轴垂直，所以光隔离器能阻止反射光的通过。阻止反射光的通过。光隔离器与环形器光隔离器与环形器光环形器光环形器回波损耗如何测量？回波损耗如何测量？主要特性：主要特性： 插入损耗插入损耗 隔离度隔离度 回波损耗回波损耗隔离器的回波损耗测量图隔离器的回波损耗测量图光隔离器与环形器光隔离器与环形器光隔离器与环行器光隔离器与环行器滤波器滤波器固定滤波器固定滤波器: :允许一个确定波长的信号光通过。允许一个确定波长的信号光通过。可调谐滤波器可调谐滤波器

47、: : 在一定光带宽范围内动态地选择波长。在一定光带宽范围内动态地选择波长。光滤波器光滤波器k k( (固定固定)1 1，2 2，nn光滤波器光滤波器i i( (可调可调)1 1 2 2 nn1. 1. 固定波长滤波器固定波长滤波器中心波长中心波长0 0，带宽，带宽，插入损耗和隔离度等。，插入损耗和隔离度等。主要参数：主要参数：（1 1）薄膜干涉滤波器）薄膜干涉滤波器如何解释薄膜干涉滤波器的原理？如何解释薄膜干涉滤波器的原理？滤波器滤波器（2 2）法布里珀罗固定波长滤波器）法布里珀罗固定波长滤波器L L平行镜平行镜入射光入射光平行镜平行镜透射光透射光R R1 1FSRFSRfPF频率频率R R

48、2 2R R1 1 R R2 2T TFPFFPF10.5滤波器滤波器该滤波器的传输特性可由下式表示该滤波器的传输特性可由下式表示/)(sin4)1 ()1 ()(0222LRRRTmmmFPFnLcFSR2周期长度称为自由光谱范围周期长度称为自由光谱范围FSRFSRF-PF-P滤波器的带宽滤波器的带宽RRnLcfPF12F-PF-P滤波器的精细度滤波器的精细度RRfFSRFPF1反映滤波器的选择性，即能分辨的最小频率差。反映滤波器的选择性，即能分辨的最小频率差。滤波器滤波器2 2可调谐滤波器可调谐滤波器属于有源器件，它通过控制电压或温度的变化来改变滤波器属于有源器件，它通过控制电压或温度的变

49、化来改变滤波器的某些参数，从而达到波长动态选择的目的。的某些参数，从而达到波长动态选择的目的。主要参数有调谐范围、带宽、可分辨信道数、调谐速度、主要参数有调谐范围、带宽、可分辨信道数、调谐速度、插入损耗、偏振相关损耗和分辨率等。插入损耗、偏振相关损耗和分辨率等。可分辨信道数是信道范围与最小信道间隔之比。可分辨信道数是信道范围与最小信道间隔之比。调谐速度指的是滤波器调到指定波长所需要的时间。调谐速度指的是滤波器调到指定波长所需要的时间。分辨率是滤波器能检测的最小波长偏移。分辨率是滤波器能检测的最小波长偏移。滤波器滤波器（1 1）光纤法布里珀罗滤波器）光纤法布里珀罗滤波器光纤光纤压电陶瓷压电陶瓷压

50、电陶瓷压电陶瓷光纤光纤反射镜反射镜支架支架滤波器滤波器（2）马赫曾德干涉滤波器）马赫曾德干涉滤波器MZI滤波器滤波器滤波器滤波器)2(221effncLL1322LncLeff滤波器滤波器声光可调谐滤波器声光可调谐滤波器1 1 2 23 3换能器换能器1 1（选择）（选择）2 23 3（拒绝）（拒绝）TE电压电压输入偏振输入偏振输出偏振输出偏振TMTE (1 1) )TM (1 1) )滤波器滤波器位移型光衰减器位移型光衰减器横向位移型光衰减器横向位移型光衰减器纵向位移型光衰减器纵向位移型光衰减器直接镀膜型光衰减器直接镀膜型光衰减器（吸收模或反射模型）（吸收模或反射模型）衰减片型光衰减器衰减片