光纖放大器
關注創建者：墨光科技 創建時間：2020-05-25
光纖放大器的視頻教程
光纖放大器的實例教程
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：
9.光纖放大器的噪聲
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。
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本教程既可以作為光纖放大器的介紹，也可以用于了解有關它們的更多詳細信息。我們相信，即使是已經對光纖放大器有豐富經驗的人，也會發現它有助于加深理解。重點是基礎物理和由此產生的技術后果；我們不會簡單地將光纖放大器視為“黑匣子”，而是深入了解內部。
圖：簡單的摻鉺光纖放大器的示意圖。
我們不會深入到數學細節，而是嘗試創建對操作原理的直觀理解——通常通過用數值模擬的示例案例展示某些效果。RP Photonics的仿真和設計軟件RP Fiber Power是用于此類目的的出色工具，并已廣泛用于本教程。
在這里，我們專注于包含一些激光活性摻雜劑的活性光纖。有關光纖的基礎知識，我們將在后續的教程中講解。
光纖放大器最重要的應用可能是光纖通信，即通過光纖傳輸數據。在長距離傳輸系統中，需要周期性地恢復信號的光功率，例如每 50 公里的光纖。此外，還有一些放大器用于提高產生信號的低功率激光二極管的輸出，尤其是在將信號分成許多光纖之前（例如，在有線電視 = CATV 中）。有時，在接收器之前使用放大器以獲得更好的光電檢測信噪比。完全不同的應用是在高功率激光系統中，其中光纖放大器將激光輻射提升到巨大的功率水平——通常用于連續波源，但也用于短波和超短脈沖源。本教程涵蓋了所有此類應用程序的基礎。
01
第一部分：纖維中的稀土離子
光纖中的鉺或鐿離子如何放大光？我們如何描述具有復雜 Stark 能級流形和有效躍遷截面的此類離子的行為？為什么有效過渡截面與溫度有關？帶內抽水如何工作？為什么纖維中的飽和效應通常非常強？
02
第二部分：如何描述光
如何從激發密度計算增益和泵吸收？
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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5部分：
5.正向和反向泵浦
如果我們在光纖放大器中放大一些信號，我們有不同的泵浦選項：
正向泵浦是指泵浦波與信號波的傳播方向相同。
反向泵浦意味著泵浦波沿相反方向傳播。
一個也可以同時雙向泵送；這稱為雙向泵送。
圖 1 顯示了一個雙向泵浦光纖放大器。用于前向泵浦的來自左側激光二極管的輻射使用二向色光纖耦合器與輸入信號相結合。在有源（摻鉺）光纖之后，有第二個二向色耦合器，用于將來自第二個泵浦二極管的光反向注入。相同的耦合器還可以防止任何殘留的泵浦光到達信號輸出。
圖 1： 簡單的摻鉺光纖放大器的示意圖。兩個激光二極管 (LD) 為摻鉺光纖提供泵浦功率，使其能夠放大波長約為 1550 nm 的光。
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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8部分：
第八部分：超短脈沖光纖放大器
我們現在考慮放大超短脈沖，即具有皮秒或飛秒持續時間的光脈沖。光纖放大器通常用于此目的。它們有時被稱為超快光纖放大器，盡管這個術語有些模糊：嚴格來說，快速的只是超短脈沖光功率的上升和下降，而不是放大器。
用于超短脈沖放大的光纖的吸引力
在某些方面，光纖放大器看起來像是放大超短脈沖的理想設備。它們提供高增益和高增益效率，這是該領域經常需要的，例如當將來自一些低能量種子激光器的脈沖放大到相當大的能量以達到巨大的峰值功率時。此外，它們相當大的增益帶寬允許人們即使在相當短的脈沖（例如脈沖持續時間為 100 fs 甚至更短）的情況下也能做到這一點。再加上光纖的各種一般優勢，例如通常較高的功率轉換效率和生成輸出的通常相當高的光束質量，我們擁有一系列令人印象深刻的優勢。
基本問題：光纖非線性
在上一部分教程中，我們討論了納秒脈沖放大的含義。對于超短脈沖，情況類似，但有一些顯著差異：
? 對于相同的脈沖能量，峰值功率要高得多。這意味著對于較低的脈沖能量，通常非線性效應已經變得很嚴重。
? 作為一個例外，受激布里淵散射由于超短脈沖的大固有帶寬而在該方案中不是問題。
? 不同頻率分量之間的群速度失配也減輕了一些非線性效應。
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使用SOA作為單通道光放大器的優點是：
SMF在該載波波長下的低色散；
支持高速、高帶寬、低功耗、高增益、小型化、易于集成。
使用SOA作為單通道光放大器的缺點是：
增益飽和效應，導致模式中脈沖的不相等放大（稱為模式效應）
脈沖放大后的啁啾現象
本課程演示了在由SMF和線性SOA組成的500km光鏈路上進行10 Gb/s傳輸時的模式效應。
圖一為整體光路。
圖
圖一為整體光路。
本課程演示了在由SMF和線性SOA組成的500km光鏈路上進行10 Gb/s傳輸時的模式效應。
脈沖放大后的啁啾現象
增益飽和效應，導致模式中脈沖的不相等放大（稱為模式效應）
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本案例詳細介紹了980 nm和1480 nm泵浦的放大器。980nm和1480nm泵浦波長是EDFA中使用的最重要的泵浦波長。圖1顯示了具有980nm和1480nm波長泵浦的正向泵浦方案中的布局設置。
以信號輸出功率、增益和噪聲系數為特征的放大器性能取決于泵浦波長。
在這個例子中可以設置不同的信號輸入功率或信號波長以及光纖參數
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a） 前向泵浦980nm
b）前向泵浦1480nm
圖1.980nm和1480nm波長泵浦的正向泵浦系統布局圖
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