RP系列 激光分析設計軟件 | 光纖放大器設計第九部分
光纖放大器的教程包含以下十個部分：
1、光纖中的稀土離子
2、增益和泵浦吸收
3、穩態的自洽解
4、放大的自發發射
5、正向和反向泵浦
6、用于大功率操作的雙包層光纖
7、納秒脈沖光纖放大器
8、超短脈沖光纖放大器
9、光纖放大器噪聲
10、多級光纖放大器
接下來是Paschotta 博士關于光纖放大器教程的第9部分：
眾所周知，任何放大器不僅會放大信號輸入端的噪聲，還會增加一些額外的噪聲（過量噪聲）。這在光纖通信領域尤其重要，其中光纖放大器用于保持足夠高的信號功率水平，并且它們的過量噪聲會降低可接受的誤碼率的可能數據速率。
在光學放大器的情況下，過量噪聲主要與量子噪聲有關。因此，我們首先需要學習一些光學放大器中量子噪聲的基礎知識。
理想放大器的過量噪聲
我們首先根據量子光學定律考慮由最好的相位不敏感光放大器產生的過量噪聲。（我們在本教程中不考慮相位敏感放大器；光纖放大器都是相位不敏感的，除了基于非退化參量放大的放大器。）讓我們假設這種放大器的輸入信號具有盡可能小的噪聲水平，即在所謂的標準量子噪聲水平。此外，我們假設這種噪聲均勻分布在兩個正交分量上，即我們不考慮所謂的光壓縮狀態。在這種情況下，我們理想放大器輸出端的噪聲功率，在一定范圍內測量帶寬，不僅是輸入噪聲乘以放大器增益（功率放大系數），而且由于增加了過多的噪聲而顯著提高。如果增益很大（例如 20 dB），則輸出噪聲功率比假設的（但不可能的）無噪聲放大器高 ≈2 倍 。2 的附加因子稱為噪聲系數。人們經常用分貝表示；因子 2 對應于 ≈3 dB。
對于較低的增益，過多的噪聲影響（因此噪聲系數）可以更小。此外，如果輸入信號已經攜帶遠高于標準量子噪聲的噪聲，它就變得相對不那么重要了。（因此，在多級放大器中，只有第一級的噪聲系數很重要。）另一方面，非理想放大器可能具有更高的噪聲系數。
如果激光放大器使用純四能級激光躍遷并且沒有寄生功率損失，例如吸收雜質或光散射，則激光放大器可以接近這種理想的放大器。其過多的噪聲可以解釋為由于不可避免的自發輻射進入放大模式。
來自光衰減器的過多噪聲
有趣的是，即使是某種（線性）吸收器或部分透明的鏡子對光束的簡單衰減也會增加一些量子噪聲。如果不是，我們可以簡單地通過強衰減來消除電磁場的零點波動。然而，實際上，零點噪聲必須始終存在。任何衰減 器都會衰減來自其輸入的噪聲，但它也會增加過多的噪聲。在光子圖片中，可以將其解釋為隨機移除一些光子；隨機性意味著噪音。在部分透明的鏡子（即分束器）的情況下，也可以將其解釋為通過未使用的輸入端口進入的真空波動。
衰減器和放大器的組合
讓我們考慮如果標準量子噪聲水平的弱信號首先通過衰減器然后通過放大器會發生什么。衰減器將添加過多的噪聲，以使噪聲功率保持不變，盡管衰減。然后，放大器會放大所有噪聲并添加多余的噪聲。最后，我們將比原始光束中的噪聲大得多。
如果我們先通過放大器然后再通過衰減器，我們得到的多余噪聲會大大減少，主要是因為衰減器會減少放大器中產生的多余噪聲。
在任何情況下，我們都看到衰減和放大會導致噪聲，如果我們想最大限度地減少整體過量噪聲，我們應該避免衰減，特別是在信號最弱的地方——例如，在放大器的輸入端。
準三電平放大器的噪聲增加
在第 2 部分中，已經提到大多數光纖放大器，例如那些使用鉺或鐿離子的光纖放大器，使用準三電平放大器躍遷。在那里，我們有一些信號重吸收，這明顯增加了多余的噪聲：吸收本身會引入量子噪聲，所需的額外受激發射會導致更多的自發發射，這進一步增加了噪聲。對于激光活性離子的低激發水平，這種影響變得更加嚴重，因為這樣重吸收就更相關了。此外，這種影響是否發生在放大器的輸入端附近最為重要，但對于輸出端（如果增益很高）影響不大，因為輸出端附近的過量噪聲已經很強。
示例：摻鉺光纖放大器的噪聲系數
作為一個例子，我們考慮一個摻鉺光纖放大器，因為它可以用于光纖通信，例如提高光纖鏈路中長跨度傳輸光纖之間的信號電平。最初，我們使用前向泵送：
通過反向泵浦，我們得到相同的增益譜（因為 ASE 的強度不足以使增益飽和），但前向 ASE 更強，噪聲系數更高：
就噪聲而言，反向泵浦明顯更差，因為在該配置中，我們在信號輸入端附近的鉺激勵程度較低。在正向泵浦的缺點（例如反向 ASE）過于嚴重的情況下，雙向泵浦可能是一個很好的折衷方案。
我們還看到，在較短的波長下噪聲系數明顯更高，因為基態歧管中鉺離子的重吸收在那里更強。
其他因素是泵和信號輸入功率，因為這些會影響激發密度。通常，較高的泵浦功率和較低的信號輸入功率會降低噪聲系數。
工作在 1050 nm 區域的摻釹光纖放大器的噪聲系數接近 3 dB，幾乎與泵浦方向、泵浦和信號功率無關。這是因為它使用四電平轉換，寄生損耗通常很弱。不幸的是，我們沒有針對 1.5-μm 電信波長區域的這種四級放大器。
泵噪聲的影響
額外的技術噪聲可以通過其泵浦源引入光纖放大器。本質上，這可以是泵浦功率波動的形式，這會導致放大器中的總激勵密度波動，從而導致放大器增益波動。
幸運的是，光纖放大器對高頻功率波動不敏感，因為它們的上激光能級通常壽命很長，并且可以用作能量儲存器。在摻鉺光纖放大器的情況下，高能態壽命特別長——大約為 10 ms。這意味著頻率高于 1 kHz 的泵浦功率波動幾乎不會對放大的信號產生任何影響。只有低頻波動會影響信號，但這些波動通常非常微弱，特別是在使用具有仔細穩定泵浦電流的單模激光二極管作為泵浦源時。此外，例如，在光纖通信中，低頻噪聲與誤碼率并不真正相關. 所以事實證明，泵的噪音通常是完全沒有問題的。
在用光纖放大器放大窄線寬 種子激光束的情況下，情況有些不同。光纖確實會引起顯著的相位變化，這取決于光纖的溫度（其本身會對泵浦功率波動作出反應）、振動等。因此人們可能會期望輸出的線寬可以大幅增加——尤其是對于高功率源，用更嘈雜的多模二極管泵浦。然而，這不是真的，因為感應的相位偏移是有界的，即它們不能無限制地漂移掉。這種相位噪聲會產生邊帶，但不會影響線寬。
下一期講解第 10 部分：多級光纖放大器
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