情境4-3 光放大器

1、情境情境4 4光纤通信系统光纤通信系统情境情境4-34-3光放大器光放大器v 光纤的损耗和色散限制了通信距离光纤的损耗和色散限制了通信距离v为了满足长距离通信的需要，必须在光纤传输线路上每为了满足长距离通信的需要，必须在光纤传输线路上每隔一定距离加入一个中继器以补偿光信号的衰减和对隔一定距离加入一个中继器以补偿光信号的衰减和对畸变信号进行整形，然后继续向终端传送。畸变信号进行整形，然后继续向终端传送。v中继方法：中继方法：光电光混合中继器结构复杂，价格昂贵，且不能用于光电光混合中继器结构复杂，价格昂贵，且不能用于波分复用系统中。波分复用系统中。全光中继器对光信号进行直接放大。全光中继器对光信号

2、进行直接放大。传统的光中继器采用光电光结构，这种方式对中等速率的传统的光中继器采用光电光结构，这种方式对中等速率的单波长光纤系统很适用，但对于高速并且多波长的系统却相当单波长光纤系统很适用，但对于高速并且多波长的系统却相当复杂，而且价格昂贵复杂，而且价格昂贵v对色散限制的系统，有必要对光信号进行再生，采用光对色散限制的系统，有必要对光信号进行再生，采用光电转换的电转换的中继器中继器。v对损耗限制的系统，只用对光信号进行放大，采用对损耗限制的系统，只用对光信号进行放大，采用光放光放大器大器。光放大器优点：结构简单、价格便宜光放大器优点：结构简单、价格便宜v光放大器是一种可以不经过任何光电、电光的

3、内部转换而直光放大器是一种可以不经过任何光电、电光的内部转换而直接放大光信号的放大器接放大光信号的放大器v光放大器不能解决重构信号的问题，但是可以解决因为功率光放大器不能解决重构信号的问题，但是可以解决因为功率导致的传输距离限制问题导致的传输距离限制问题v光放大器的出现促使了波分复用技术（光放大器的出现促使了波分复用技术（WDM）走向实用化）走向实用化 v光放大器的种类光放大器的种类半导体激光放大器半导体激光放大器传输光纤放大器传输光纤放大器掺杂光纤放大器掺杂光纤放大器4.3.1 4.3.1 光放大器的基本应用与分类光放大器的基本应用与分类4.3.2 4.3.2 半导体光放大器半导体光放大器4

4、.3.3 4.3.3 掺铒光纤放大器掺铒光纤放大器4.3.4 4.3.4 光纤拉曼放大器光纤拉曼放大器4.3.1 4.3.1 光放大器的基本应用与分类光放大器的基本应用与分类1. 1. 光纤放大器光纤放大器光纤放大器（光纤放大器（Optical Fiber AmplerOptical Fiber Ampler，简写，简写OFAOFA）是指）是指运用于光纤通信线路中，实现信号放大的一种新型全光放大运用于光纤通信线路中，实现信号放大的一种新型全光放大器。器。 光放大器的出现和发展克服了高速长距离传输的最大障光放大器的出现和发展克服了高速长距离传输的最大障碍碍光功率受限，这是光通信史上的重要里程碑。

5、光功率受限，这是光通信史上的重要里程碑。光放大器是一种不需要经过光光放大器是一种不需要经过光电电光变换而直接对光光变换而直接对光信号进行放大的有源器件。信号进行放大的有源器件。2.2.光放大器的基本光放大器的基本应用形式应用形式根据光放大器在光根据光放大器在光纤线路中的位置和作用，纤线路中的位置和作用，一般分为一般分为中继放大中继放大、前前置放大置放大和和功率放大功率放大三种。三种。光纤链路在线放大器前置放大器长途光纤链路LAN功率放大器星形耦合器接收站功率放大器光发送光发送光发送光发送光接收光接收光接收（1 1）在线光放大）在线光放大v用于不需要光再生只需要简单放大的场合用于不需要光再生只需

6、要简单放大的场合v在单模链路中，光纤色散的影响较小，限制中继距离的主要在单模链路中，光纤色散的影响较小，限制中继距离的主要因素是光纤衰减，这种链路不一定需要信号的完全再生，简因素是光纤衰减，这种链路不一定需要信号的完全再生，简单的光信号放大就足够了单的光信号放大就足够了v因此，对于损耗限制链路，光放大器可以用来补偿传输损耗因此，对于损耗限制链路，光放大器可以用来补偿传输损耗从而增加再生中继距离从而增加再生中继距离 光纤链路在线放大器光发送光接收v在长距离传输系统中，需要应用光放大器周期性地恢复因光在长距离传输系统中，需要应用光放大器周期性地恢复因光纤损耗而减弱的光功率纤损耗而减弱的光功率v通常

7、在线放大器链中，每个通常在线放大器链中，每个EDFAEDFA能恰好补偿前面使用的光纤能恰好补偿前面使用的光纤所带来的信号损耗，但是所带来的信号损耗，但是EDFAEDFA中积累的自发辐射（中积累的自发辐射（ASEASE）噪）噪声会造成信噪比的恶化声会造成信噪比的恶化 （2 2）前置光放大）前置光放大v在光电检测之前将微弱信号放大，可以抑制接收机中热噪声在光电检测之前将微弱信号放大，可以抑制接收机中热噪声造成的信噪比下降造成的信噪比下降v这种采用这种采用EDFA+PINEDFA+PIN的光检测方式相比采用雪崩光电二极管的光检测方式相比采用雪崩光电二极管APDAPD，有较大的增益系数和较大的带宽，有

8、较大的增益系数和较大的带宽 前置放大器光发送光接收（3 3）功率放大）功率放大v在光发送机之后设置一个光放大器，可以增加发送功率，从在光发送机之后设置一个光放大器，可以增加发送功率，从而增加光纤中继距离而增加光纤中继距离 v由于作为功率放大，直接放在光发射机后面，输入的功率电由于作为功率放大，直接放在光发射机后面，输入的功率电平一般较高，通常平一般较高，通常 -8 dBm-8 dBm，一般要求有较高的泵浦功率，一般要求有较高的泵浦功率，以获得较高的输出功率以获得较高的输出功率v为了比放在接收机前作为前置放大器有更多优点，这种放大为了比放在接收机前作为前置放大器有更多优点，这种放大器的增益要求大

9、于器的增益要求大于5 dB 5 dB 长途光纤链路功率放大器光发送光接收（4 4）功率补偿放大器）功率补偿放大器v在局域网中用做附加的放大器，用于补偿局域网（在局域网中用做附加的放大器，用于补偿局域网（LANLAN）中的插入损耗和功率分配损耗，可以有效扩大网径和用中的插入损耗和功率分配损耗，可以有效扩大网径和用户数量户数量LAN功率放大器星形耦合器接收站光发送3.3.光放大器的分类光放大器的分类v半导体激光放大器半导体激光放大器。其结构大体上与激光二极管。其结构大体上与激光二极管（LDLD）相同，是基于半导体激光器工作原理的。）相同，是基于半导体激光器工作原理的。v掺杂光纤放大器掺杂光纤放大器

10、。在光纤原材料中掺入其它元素，形成掺杂。在光纤原材料中掺入其它元素，形成掺杂光纤。掺杂光纤放大器是利用稀土金属离子作为激光工作物光纤。掺杂光纤放大器是利用稀土金属离子作为激光工作物质的一种放大器质的一种放大器v传输光纤放大器传输光纤放大器。它是根据光纤中的非线性效应制成的光放。它是根据光纤中的非线性效应制成的光放大器。大器。4. 4. 光放大器的原理光放大器的原理基本原理：基本原理：通过通过受激辐射受激辐射或或受激散射受激散射原理实现对入射光信号的原理实现对入射光信号的放大的，其机理与激光器完全相同，但没有反馈机制，因而可以放放大的，其机理与激光器完全相同，但没有反馈机制，因而可以放大信号但不

11、能产生相干光输出。大信号但不能产生相干光输出。基本结构：基本结构：光放大器要结构上是一个光放大器要结构上是一个没有反馈或反馈较小没有反馈或反馈较小的激的激光器。光器。光放大器与激光器的区别是正反馈机制的有无光放大器与激光器的区别是正反馈机制的有无4.3.2 4.3.2 半导体光放大器半导体光放大器1.1.半导体激光放大器（半导体激光放大器（SOASOA）半导体激光放大器的机理与激光器类似，都是利用受激辐半导体激光放大器的机理与激光器类似，都是利用受激辐射对进入增益介质的光信号进行直接放大，但它没有反馈机制。射对进入增益介质的光信号进行直接放大，但它没有反馈机制。 覆盖了覆盖了1300-1600

12、nm1300-1600nm波段。不仅可用于光放大器的有益选波段。不仅可用于光放大器的有益选择方案，还可促成择方案，还可促成1310nm1310nm窗口窗口WDMWDM系统的实现；动态波长转换。系统的实现；动态波长转换。2. SOA2. SOA的基本工作原理的基本工作原理（1 1）激活介质（有源区）吸收了外部泵浦提供的能量，电）激活介质（有源区）吸收了外部泵浦提供的能量，电子获得了能量跃迁到较高的能级，产生粒子数反转。子获得了能量跃迁到较高的能级，产生粒子数反转。（2 2）输入光信号通过受激辐射过程激活这些电子，使其跃）输入光信号通过受激辐射过程激活这些电子，使其跃迁到较低的能级，从而产生一个放

13、大的光信号。迁到较低的能级，从而产生一个放大的光信号。 耦合光设备注入电流（泵浦）有源区传输光纤传输光纤包层纤芯放大后的光信号光输入信号半导体光放大器半导体光放大器 (SOA)(SOA)pn外加正向偏压实现结区粒子数反转外加正向偏压实现结区粒子数反转泵浦导致受激辐射，信号光被放大泵浦导致受激辐射，信号光被放大内部的自发辐射产生自发辐射噪声内部的自发辐射产生自发辐射噪声(ASE)(ASE)，它也会被放大，它也会被放大没有谐振腔的选择，没有谐振腔的选择，SOASOA将同时输出将同时输出放大的光信号和自发辐射噪声放大的光信号和自发辐射噪声与半导体激光器工作原理类似。与半导体激光器工作原理类似。3.

14、SOA3. SOA的分类的分类v 法布里珀罗放大器（法布里珀罗放大器（FPAFPA）v 非谐振的行波放大器（非谐振的行波放大器（TWATWA） SOASOA的分类的分类解理面构成谐振腔，自然反解理面构成谐振腔，自然反射率达射率达32%32%。当反射率超过。当反射率超过一定值后，光放大器将变为一定值后，光放大器将变为激光器。容易制作，但光信激光器。容易制作，但光信号增益对放大器温度及入射号增益对放大器温度及入射光频率变化都很敏感。光频率变化都很敏感。在两个端面上有增透膜，选在两个端面上有增透膜，选择适当切面角度，不会发生择适当切面角度，不会发生内反射，入射光信号只要通内反射，入射光信号只要通过一

15、次就会得到放大。带宽过一次就会得到放大。带宽宽、饱和功率高，因此使用宽、饱和功率高，因此使用更为广泛。更为广泛。4. SOA4. SOA的应用及优缺点的应用及优缺点C应用：应用：主要用于现代光纤通信系统中的主要用于现代光纤通信系统中的光开关、波长转光开关、波长转换换和和在线放大器在线放大器等方面。等方面。J优点：优点：体积小，结构简单，功耗低，频带宽，增益高等，体积小，结构简单，功耗低，频带宽，增益高等，易于同其它光器件和电路集成。易于同其它光器件和电路集成。L缺点：缺点：与光纤耦合困难，对光的偏振特性敏感，噪声及与光纤耦合困难，对光的偏振特性敏感，噪声及串扰大。串扰大。8080年代中、后期年

16、代中、后期SOASOA的研究为主；的研究为主；9090年代年代EDFAEDFA获得巨大成功，成为光纤通信系统必不可获得巨大成功，成为光纤通信系统必不可少的器件。少的器件。Erbium-doped fiber amplifierErbium-doped fiber amplifier(EDFA)(EDFA)1. 1. 掺杂光纤放大器掺杂光纤放大器利用掺杂离子在泵浦光作用下形成粒子数反转分布，当利用掺杂离子在泵浦光作用下形成粒子数反转分布，当有入射光信号通过时实现对入射光信号的放大作用。有入射光信号通过时实现对入射光信号的放大作用。典型代表典型代表: :1550nm1550nm的铒的铒ErEr掺杂

17、光纤放大器掺杂光纤放大器EDFAEDFA1300nm1300nm的镨的镨PrPr掺杂光纤放大器掺杂光纤放大器PDFAPDFA1400nm1400nm的铥的铥T T 掺杂光纤放大器掺杂光纤放大器TDFATDFA4.3.3 4.3.3 掺铒光纤放大器掺铒光纤放大器2. 2. 掺杂光纤放大器特点掺杂光纤放大器特点掺铒与掺镨光纤放大器具有增益高、噪声低、频带宽、掺铒与掺镨光纤放大器具有增益高、噪声低、频带宽、输出功率高等优点，具有广泛的应用前景。输出功率高等优点，具有广泛的应用前景。3. 3. 掺铒光纤放大器掺铒光纤放大器掺铒光纤放大器（掺铒光纤放大器（EDFAEDFA）是目前最成熟的光放大器。）是目

18、前最成熟的光放大器。EDFAEDFA具有高增益、宽带宽、低噪声、对偏振不敏感等具有高增益、宽带宽、低噪声、对偏振不敏感等一系列优点。一系列优点。EDFAEDFA是直接对光信号放大，增大中继距离，实现超长是直接对光信号放大，增大中继距离，实现超长距离传输（如海底光纤通信）；实现波分复用提高系统传距离传输（如海底光纤通信）；实现波分复用提高系统传输速率；实现光时分复用以至光孤子传输；在接入网中应输速率；实现光时分复用以至光孤子传输；在接入网中应用，能有效地补偿光功率分配损耗，扩大覆盖范围，降低用，能有效地补偿光功率分配损耗，扩大覆盖范围，降低成本造价。成本造价。 掺铒光纤放大器原理图掺铒光纤放大器

19、原理图输入信号输入信号耦合器耦合器980/1550nm WDM980/1550nm WDM泵浦光泵浦光掺铒光纤掺铒光纤输出信号输出信号光隔离器光隔离器构造与单模光纤的构造一样。铒离子位于构造与单模光纤的构造一样。铒离子位于纤芯中央地带纤芯中央地带，将铒离子放在这里有利于其最大地吸收泵浦和信号能量，从将铒离子放在这里有利于其最大地吸收泵浦和信号能量，从而产生好的放大效果。而产生好的放大效果。掺铒高密度带(1002000 ppm)直径36 m掺锗的纤芯直径125 mSiO2包层直径250 m涂覆层材料材料掺掺ErEr3+3+光纤光纤（1 1） 掺铒光纤（掺铒光纤（EDFEDF）的结构）的结构 折射

20、率较低的折射率较低的玻玻璃包层璃包层完善波导结完善波导结构，提供抗机械强构，提供抗机械强度的特性。度的特性。涂覆层涂覆层将光纤总将光纤总直径增大到直径增大到 250m250m。（2 2） EDFAEDFA的工作原理的工作原理 掺铒光纤掺铒光纤Er3+的简单能级图和不同能级的跃迁过程的简单能级图和不同能级的跃迁过程基态，基态，能量最低能量最低激发态，激发态，能量最高能量最高亚稳态，亚稳态，中间能级中间能级当当泵浦泵浦(Pump, (Pump, 抽运抽运) )光激励，铒离子吸收泵浦光激励，铒离子吸收泵浦光，光，基态基态跃迁到跃迁到激发态激发态。激发态激发态不稳定，不稳定，ErEr3+3+很快返回到

21、很快返回到亚稳态亚稳态。亚稳态亚稳态粒子数积累，粒子数积累，形成形成粒子数反转分布。粒子数反转分布。如果输入的信号光的如果输入的信号光的能量等于基态和亚稳态的能量等于基态和亚稳态的能量差，能量差，亚稳态亚稳态的的ErEr3+3+将将跃迁到跃迁到基态基态，产生一个与，产生一个与信号光子完全一样的光子，信号光子完全一样的光子，实现了信号光在实现了信号光在掺铒光纤掺铒光纤中的放大中的放大。 激发态激发态亚稳态亚稳态基态基态（3 3）EDFAEDFA的工作过程：的工作过程：EDFA的工作过程的工作过程 980 nm 980 nm光子泵浦光子泵浦激光器使激光器使erer3+3+从从基态基态泵浦能带泵浦能

22、带( (激发态激发态) ) 受激离子受激离子激发态激发态亚稳带亚稳带衰变得非衰变得非常快常快( (约约1s)1s)。多。多余的能量以声子形余的能量以声子形式释放。式释放。erer3+3+从亚稳态能带从亚稳态能带 底端底端, , 时间长时间长(10 ms(10 ms左右左右) )。 若有若有1480nm1480nm泵浦激光器泵浦激光器直接把电子从直接把电子从基态基态亚稳态亚稳态能能级的顶部。级的顶部。电子将移到电子将移到亚稳态亚稳态能级的能级的较低端，较低端，这时出现这时出现粒子数反粒子数反转分布转分布。EDFA的工作过程的工作过程信号光激励信号光激励, ,基态基态到亚稳态跃迁：到亚稳态跃迁：一

23、、基态的离子一、基态的离子将吸收一小部分外部将吸收一小部分外部光光, ,将跃迁到亚稳态将跃迁到亚稳态-受激吸收受激吸收 。亚稳态离子，无激亚稳态离子，无激励光子流时，一部分励光子流时，一部分跃迁到基态；跃迁到基态；自发辐自发辐射放大射放大(ASE)-(ASE)-导致放导致放大器的噪声大器的噪声。 二、信号光子触发激发态的离子使其下降到基态。二、信号光子触发激发态的离子使其下降到基态。受激辐射受激辐射- -发射与输入信号光子具有相同能量、相同波矢量以及相同偏振态的发射与输入信号光子具有相同能量、相同波矢量以及相同偏振态的新光子，新光子，实现光信号放大。实现光信号放大。亚稳态和基态的宽度亚稳态和基

24、态的宽度：15301560nm超过超过1560nm1560nm时增益会稳定下降，时增益会稳定下降，在大约在大约1616nm1616nm处降至处降至0dB0dB。EDFAEDFA和和LDLD中都有受激辐射，两者有何区别？中都有受激辐射，两者有何区别？答：答：EDFAEDFA中的受激辐射产生于中的受激辐射产生于整个掺铒光纤材料整个掺铒光纤材料中，其中中，其中粒子数粒子数反转分布反转分布是在掺铒光纤材料的是在掺铒光纤材料的三能级三能级结构之间结构之间直接直接（泵浦激光（泵浦激光1480nm1480nm时）或时）或间接间接（泵浦激光（泵浦激光980nm980nm时）实现的（最终在能级时）实现的（最终在

25、能级E2E2和和E1E1之间形成粒子数反转分布）。三个能级是：低能级之间形成粒子数反转分布）。三个能级是：低能级E1E1是基态能是基态能级，中间能级级，中间能级E2E2是亚稳态能级（电子平均寿命可达是亚稳态能级（电子平均寿命可达10ms10ms），高能），高能级级E3E3是非稳态能级（电子的平均寿命是非稳态能级（电子的平均寿命1s1s）。）。LDLD中受激辐射产生于中受激辐射产生于p-np-n结半导体材料中的结半导体材料中的有源区有源区，其中，其中粒子数反粒子数反转分布转分布是在是在有源区导带和价带有源区导带和价带能级之间能级之间直接直接实现的。所谓有源区，实现的。所谓有源区，是指加上适当正向

26、电压后，是指加上适当正向电压后，p-np-n结交界面附近具有粒子数反转分布结交界面附近具有粒子数反转分布状态的窄区域。状态的窄区域。 4. EDFA4. EDFA的基本结构及功能的基本结构及功能EDFAEDFA由掺杂光纤、一个或多个泵浦光源、光耦合器、光隔由掺杂光纤、一个或多个泵浦光源、光耦合器、光隔离器等组成。掺铒光纤离器等组成。掺铒光纤(EDF)(EDF)和高功率泵浦光源是关键器件。和高功率泵浦光源是关键器件。合波合波器器光滤波光滤波器器泵浦泵浦光源光源（掺铒光纤）（掺铒光纤）信号光信号光光隔离器光隔离器光隔离器光隔离器放大的放大的信号光信号光将输入光信号和泵浦光将输入光信号和泵浦光 混合

27、在一起送给混合在一起送给输出一个较短波长的激输出一个较短波长的激光为提供激励光为提供激励 防止反射光防止反射光影响光放大影响光放大器的工作稳器的工作稳定性。定性。 提供能产生粒子数提供能产生粒子数反转的工作物质，反转的工作物质，放大光信号。放大光信号。 清除放大器的噪声，清除放大器的噪声，提高系统的信噪比提高系统的信噪比5. EDFA5. EDFA的种类的种类同向泵浦结构同向泵浦结构反向泵浦结构反向泵浦结构双向泵浦结构双向泵浦结构同向泵浦结构同向泵浦结构EDFAEDFA泵浦光与信号光从同一端注入掺铒光纤。输入泵浦光较强，泵浦光与信号光从同一端注入掺铒光纤。输入泵浦光较强，故粒子反转激励也强，其

28、增益系数大。故粒子反转激励也强，其增益系数大。J 优点优点：构成简单，噪声指数较小：构成简单，噪声指数较小L 缺点缺点：输出功率较低。：输出功率较低。光隔离器光隔离器WDMEDF光隔离器光隔离器泵浦激光器泵浦激光器输入信号输入信号输出信号输出信号光滤波器光滤波器泵浦光与信号光从不同的方向输入掺铒光纤，两者在掺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。铒光纤中反向传输。J 优点优点：当光信号放大到很强时，泵浦光也强，不易：当光信号放大到很强时，泵浦光也强，不易达到饱和，输出功率比同向泵浦高达到饱和，输出功率比同向泵浦高L 缺点缺点：噪声性能差：噪声性能差反向泵浦结构反向泵

29、浦结构EDFAEDFA光隔离器光隔离器WDMEDF光隔离器光隔离器输入信号输入信号泵浦激光器泵浦激光器光滤波器光滤波器可用多个泵浦源从多个方向激励光纤。可用多个泵浦源从多个方向激励光纤。多个泵浦源部分前向，部分后向，结合前两种优点。使多个泵浦源部分前向，部分后向，结合前两种优点。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；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；典型的增益值是典型的增益值是 +35 dB +35 dB 。双向泵浦结构双向泵浦结构EDFAEDFA光隔离器光隔离器WDMEDF光隔离器光隔离器输入信号输入信号输出信号输出信号泵浦激光器泵浦激光器泵浦激光器泵浦

30、激光器光滤波器光滤波器WDM6.6.三种泵浦方式比较：三种泵浦方式比较： 信号输出功率信号输出功率三种方式的转换效率分别为三种方式的转换效率分别为61%61%、7676和和7777。在同样泵。在同样泵浦条件下，浦条件下，同向泵浦式同向泵浦式的输出的输出最低最低。信号输出光功率与泵浦光功率的关系信号输出光功率与泵浦光功率的关系 噪声特性噪声特性输出功率加大将导致粒子反转数的下降，因而在输出功率加大将导致粒子反转数的下降，因而在未饱和区未饱和区，同向泵浦式噪声指数最小，但在同向泵浦式噪声指数最小，但在饱和区饱和区，情况将发生变化。，情况将发生变化。对于不同掺铒光纤长度，对于不同掺铒光纤长度，同向泵

31、浦方式同向泵浦方式噪声都噪声都最小最小。放大器输出功率与放大器输出功率与NF的关系的关系光纤长度与光纤长度与NF的关系的关系三种泵浦方式性能差异总结：三种泵浦方式性能差异总结：同向泵浦同向泵浦: : 噪声性能好噪声性能好反向泵浦反向泵浦: : 输出功率大输出功率大双向泵浦双向泵浦: : 兼有上述优点兼有上述优点, ,但成本高但成本高7. 7. 掺铒光纤放大器的主要特性参数掺铒光纤放大器的主要特性参数增益特性增益特性带宽特性带宽特性噪声特性噪声特性 （1 1）增益特性）增益特性v增益定义为输出功率与输入功率之比增益定义为输出功率与输入功率之比v增益表示了放大器的光放大能力，增益表示了放大器的光放

32、大能力，EDFAEDFA的增益通常为的增益通常为151540dB40dB。大小与铒离子浓度、泵浦功率和掺铒光纤长度。大小与铒离子浓度、泵浦功率和掺铒光纤长度有关。有关。输输入入光光功功率率输输出出光光功功率率lg10 GEDFAEDFA输出信号能量不能超过注入泵浦能量输出信号能量不能超过注入泵浦能量随着泵浦功率的增加，放大器增益也增加，但当泵浦功随着泵浦功率的增加，放大器增益也增加，但当泵浦功率达到一定值后，放大器的功率增益出现饱和；另外，输入率达到一定值后，放大器的功率增益出现饱和；另外，输入信号功率过大会导致增益下降。信号功率过大会导致增益下降。 放大器增益与泵浦功率的关系曲线放大器增益与

33、泵浦功率的关系曲线从泵浦功率从泵浦功率和光纤长度两方和光纤长度两方面综合考虑，以面综合考虑，以达到所要求的增达到所要求的增益标准。益标准。不同泵浦光功率下，当光纤长度较短时，增益增加很快；不同泵浦光功率下，当光纤长度较短时，增益增加很快；而超过某一长度，增益反而下降。而超过某一长度，增益反而下降。 原因：长度增加，纤中泵浦光功率下降，且掺铒光纤损耗原因：长度增加，纤中泵浦光功率下降，且掺铒光纤损耗远大于普通光纤，从而导致增益下降。远大于普通光纤，从而导致增益下降。掺铒光纤长度与放大器增益关系曲线掺铒光纤长度与放大器增益关系曲线对某个确对某个确定的泵浦功率定的泵浦功率存在一个最佳存在一个最佳光纤

34、长度，使光纤长度，使得增益最大。得增益最大。（2 2）带宽特性）带宽特性v由于受激辐射发生在由于受激辐射发生在ErEr3+3+的亚稳态能带和基态能带之间，的亚稳态能带和基态能带之间，决定了决定了EDFAEDFA的放大波长窗口在的放大波长窗口在1550nm1550nmv一般掺铒光纤放大波长区域为一般掺铒光纤放大波长区域为153015301560nm1560nm，约，约30nm30nm，但习惯简称为但习惯简称为1550nm 1550nm 光纤在光纤在1550nm1550nm低损耗区具有低损耗区具有200nm200nm带宽，而目前使用的带宽，而目前使用的EDFAEDFA增益带宽还不能覆盖到整个低损耗

35、区。增益带宽还不能覆盖到整个低损耗区。 波长增益曲线波长增益曲线（3 3）噪声特性）噪声特性vEDFAEDFA的输出光中，除了有信号光外，还有自发辐射光，它们的输出光中，除了有信号光外，还有自发辐射光，它们一起被放大，形成了影响信号光的噪声源一起被放大，形成了影响信号光的噪声源vEDFAEDFA的噪声主要有以下四种：的噪声主要有以下四种：信号光的散粒噪声信号光的散粒噪声被放大的自发辐射光的散粒噪声被放大的自发辐射光的散粒噪声自发辐射光与信号光之间的差拍噪声自发辐射光与信号光之间的差拍噪声自发辐射光谱间的差拍噪声自发辐射光谱间的差拍噪声 v 噪声系数噪声系数NFNFv噪声系数决定于自发辐射。噪声

36、系数决定于自发辐射。v实验证实：在实验证实：在EDFAEDFA中，可得到接近中，可得到接近3dB3dB的噪声系数，这是的噪声系数，这是噪声系数的极限噪声系数的极限。vEDFAEDFA极低噪声，成为光纤通信中的极低噪声，成为光纤通信中的理想放大器理想放大器，是在光纤，是在光纤通信系统中广泛应用的一个重要原因。通信系统中广泛应用的一个重要原因。v但即使噪声这样低，当长距离光纤通信系统采用多级但即使噪声这样低，当长距离光纤通信系统采用多级EDFAEDFA级联时，噪声影响使级联时，噪声影响使系统长度系统长度也受限。也受限。outinNSNSNF)/()/(输入信噪比输入信噪比输出信噪比输出信噪比例：例

37、：若若EDFAEDFA输入信号为输入信号为300uW300uW，在，在1 nm1 nm带宽内的输入噪声功带宽内的输入噪声功率是率是30 nw30 nw，输出信号功率是，输出信号功率是60 mW60 mW，在，在1 nm1 nm带宽内的输带宽内的输出噪声功率增大到出噪声功率增大到20uW20uW，计算光放大器的噪声指数。，计算光放大器的噪声指数。331010301030030300 )()()()()/(nWnWnWWNSin 331032010602060 )()()()()/(WWWmWNSout 33. 3103101033outinnSNRSNRF解：光放大器的输入信噪比为：解：光放大器

38、的输入信噪比为：光放大器的输出信噪比为：光放大器的输出信噪比为： 噪声指数为：噪声指数为：8. EDFA8. EDFA的系统应用的系统应用EDFAEDFA在在DWDMDWDM系统中作为线路放大、功率放大、前置放大系统中作为线路放大、功率放大、前置放大是是EDFAEDFA的典型应用。的典型应用。 小信号放大小信号放大，要求低噪声，但输出饱和功率则不要求很高。，要求低噪声，但输出饱和功率则不要求很高。（1 1）EDFAEDFA用作前置放大器用作前置放大器光接收器之前光接收器之前，提高接收机灵敏度可提高，提高接收机灵敏度可提高101020dB20dB。即，在。即，在光信号进入接收机前，得到放大，以抑

39、制接收机内的噪声。光信号进入接收机前，得到放大，以抑制接收机内的噪声。（2 2） EDFAEDFA用作功率放大器用作功率放大器放在放在光发射机之后光发射机之后用来提升输出功率，将通信距离延长用来提升输出功率，将通信距离延长10-20km10-20km。通信距离由通信距离由放大器增益放大器增益及及光纤损耗光纤损耗决定，功率放决定，功率放大器除了要求大器除了要求低噪声低噪声外，还要求外，还要求高饱和输出功率高饱和输出功率。（3 3）EDFAEDFA用作线路放大器用作线路放大器用用EDFAEDFA可代替半导体光放大器，对线路中的光信号直可代替半导体光放大器，对线路中的光信号直接进行放大，使得全光通信

40、技术得以实现。非常适合用在接进行放大，使得全光通信技术得以实现。非常适合用在海底光缆，没有电中继器的光海底光缆，没有电中继器的光- -电电- -光过程。光过程。 （4 4）EDFAEDFA用作本地网放大器用作本地网放大器EDFA+WDMEDFA+WDM结合可在宽带本地网，特别在电视分配网中结合可在宽带本地网，特别在电视分配网中得到应用。它补偿由于分路带来的损耗及其他损耗，极大得到应用。它补偿由于分路带来的损耗及其他损耗，极大地扩大了网径和用户数量。地扩大了网径和用户数量。 579. EDFA9. EDFA的优点和缺点的优点和缺点J 优点：优点：p工作频带工作频带正处于光纤正处于光纤损耗最低处损

41、耗最低处(1525-1565nm)(1525-1565nm)。p能量转换效率高能量转换效率高。激光工作物质集中在光纤芯子的近轴部分，激光工作物质集中在光纤芯子的近轴部分，而信号光和泵浦光也在近轴部分最强，则光与物质作用很充而信号光和泵浦光也在近轴部分最强，则光与物质作用很充分。分。p频带宽频带宽，可以对多路信号同时放大，可以对多路信号同时放大- -波分复用。波分复用。p增益高增益高，噪声低噪声低，输出功率大输出功率大。增益达增益达40dB40dB。输出功率在单。输出功率在单向泵浦向泵浦14dBm14dBm，双向泵浦，双向泵浦17dBm-20dBm17dBm-20dBm，充分泵浦时，噪声，充分泵

42、浦时，噪声系数可低至系数可低至3 34dB4dB，串话也很小。，串话也很小。p增益特性不敏感增益特性不敏感。对温度不敏感，在。对温度不敏感，在100100内增益特性保持内增益特性保持稳定。稳定。p可实现信号的透明传输可实现信号的透明传输。在波分复用系统中，同时传输模拟。在波分复用系统中，同时传输模拟信号和数字信号，高速率信号和低速率信号。信号和数字信号，高速率信号和低速率信号。L 缺点：缺点：p波长固定，只能放大波长固定，只能放大1.55m左右的光波。左右的光波。换用不同换用不同基质的光纤时，铒离子能级也只能发生很小的变化，基质的光纤时，铒离子能级也只能发生很小的变化，可调节的波长有限，只能换

43、用其他元素。可调节的波长有限，只能换用其他元素。p增益带宽不平坦。增益带宽不平坦。在在WDM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。4.3.4 4.3.4 光纤拉曼放大器光纤拉曼放大器vEDFAEDFA 光纤的最低损耗区即光纤的最低损耗区即C C波段波段(1530-1565nm)(1530-1565nm)，适当设计用于，适当设计用于L L波段波段(1565-1625nm)(1565-1625nm)信号的放大。信号的放大。v光纤拉曼放大器光纤拉曼放大器(Fiber Raman Amplifer(Fiber Raman Amplifer，FRA)FRA)

44、 可以用于其它波段的放大可以用于其它波段的放大, ,通过适当改变泵浦激光波长，通过适当改变泵浦激光波长，就可以达到在任意波段进行宽带光放大就可以达到在任意波段进行宽带光放大。v拉曼光纤放大器逐渐引起人们的重视，但拉曼光纤放大器距拉曼光纤放大器逐渐引起人们的重视，但拉曼光纤放大器距离真正商用化还有一段距离。离真正商用化还有一段距离。vEDFA+EDFA+拉曼放大器，是目前的通信系统中比较成熟的一种方式。拉曼放大器，是目前的通信系统中比较成熟的一种方式。1. 1. 拉曼放大器工作原理拉曼放大器工作原理FRAFRA实现放大是基于光纤中的非线性效应：实现放大是基于光纤中的非线性效应：受激拉曼散受激拉曼

45、散射（射（Stimulated Raman ScatteringStimulated Raman Scattering，SRSSRS）。）。拉曼散射基本原理拉曼散射基本原理：在许多非线性光学介质中，高能：在许多非线性光学介质中，高能量（波长较短）的泵浦光散射，将一部分入射功率转移给量（波长较短）的泵浦光散射，将一部分入射功率转移给另一较低频率的光波，这个低频与高频相比的偏移量由介另一较低频率的光波，这个低频与高频相比的偏移量由介质的振动模式决定。质的振动模式决定。 RS RS的原理性结构示意图的原理性结构示意图拉曼散射与泵浦光功率有关，泵浦光较弱时，产生拉曼散射与泵浦光功率有关，泵浦光较弱时，

46、产生自发拉曼散自发拉曼散射射；泵浦光超过某个阈值，产生泵浦光超过某个阈值，产生受激拉曼散射受激拉曼散射。大量试验得到石英光纤的斯托克斯频移大量试验得到石英光纤的斯托克斯频移( (拉曼增益带宽拉曼增益带宽) )为为13.2THZ13.2THZ。自发拉曼散射的强度一般只有入射光强度的百万分之一。自发拉曼散射的强度一般只有入射光强度的百万分之一或亿万分之一。或亿万分之一。如果光纤中同时存在两个光如果光纤中同时存在两个光束，会发生受激拉曼散射。束，会发生受激拉曼散射。图中一个弱信号和一个强泵图中一个弱信号和一个强泵浦光同时在光纤中传输，浦光同时在光纤中传输，高高频、高能量（波长较短）为频、高能量（波长

47、较短）为泵浦光；低频、被放大（波泵浦光；低频、被放大（波长较长）为信号光。长较长）为信号光。并使弱信号波长置于泵浦光并使弱信号波长置于泵浦光的拉曼增益带宽内，的拉曼增益带宽内，当泵浦当泵浦功率增加到一定值时，光纤功率增加到一定值时，光纤呈现非线性，出现受激发拉呈现非线性，出现受激发拉曼散射，曼散射，弱信号即可被放大。弱信号即可被放大。这种基于这种基于SRSSRS机制的光放大机制的光放大器称为光纤拉曼放大器器称为光纤拉曼放大器FRAFRA。FRAFRA工作原理工作原理泵浦光为信号光提供放大的能泵浦光为信号光提供放大的能量，泵浦光将分子提升到激发态，量，泵浦光将分子提升到激发态，信号光激励处于激发

48、态的分子，使信号光激励处于激发态的分子，使之发射与信号同频率、同相位的光之发射与信号同频率、同相位的光子，由此信号光得到放大。子，由此信号光得到放大。 思考题：思考题：拉曼放大器与受激辐射的拉曼放大器与受激辐射的光放大器工作原理有何不同？光放大器工作原理有何不同？2.2.拉曼放大的信号波长取决于泵浦光子频率和石英分子拉曼放大的信号波长取决于泵浦光子频率和石英分子的振动频率，而受激辐射放大的光波长与泵浦光频率无关。的振动频率，而受激辐射放大的光波长与泵浦光频率无关。 1.1.受激辐射的光放大器需要粒子数反转分布，而拉曼放受激辐射的光放大器需要粒子数反转分布，而拉曼放大不需要粒子数反转分布，因为分

49、子不吸收信号光子。大不需要粒子数反转分布，因为分子不吸收信号光子。2. FRA2. FRA的结构的结构与与EDFAEDFA结构基本一致。传输光纤本身作为增益介质。结构基本一致。传输光纤本身作为增益介质。可前向、后向泵浦；为减少泵浦光和信号光相互作用的可前向、后向泵浦；为减少泵浦光和信号光相互作用的长度，从而减少泵浦噪声对信号影响，多用长度，从而减少泵浦噪声对信号影响，多用后向泵浦方式后向泵浦方式。多个泵浦激光器扩展放大带宽。多个泵浦激光器扩展放大带宽。光隔离器光隔离器WDM光隔离器光隔离器输入信号输入信号输出信号输出信号泵浦激光器泵浦激光器光滤波器光滤波器3. 3. 光纤拉曼放大器类型光纤拉曼

50、放大器类型分立式拉曼放大器分立式拉曼放大器（RARA，Raman AmplifierRaman Amplifier），也称），也称为集总式：为集总式：集中对光信号进行放大集中对光信号进行放大分布式拉曼放大器分布式拉曼放大器（DRADRA，Distributed Raman Distributed Raman AmplifierAmplifier）：）：沿光纤分布的光信号进行在线放大沿光纤分布的光信号进行在线放大 光隔离器光隔离器WDM光隔离器光隔离器输入信号输入信号输出信号输出信号泵浦激光器泵浦激光器光滤波器光滤波器分布式拉曼放大器分布式拉曼放大器：主要作为传输光纤损耗的分布式补偿放大，主要作

51、为传输光纤损耗的分布式补偿放大，传输的传输的普通光纤普通光纤作增益介质，传输距离比较作增益介质，传输距离比较长长，可达，可达100km100km左左右；右；泵浦源功率泵浦源功率几百毫瓦；所以光纤中各处的信号光功率都比几百毫瓦；所以光纤中各处的信号光功率都比较小，从而可降低各种光纤较小，从而可降低各种光纤非线性效应非线性效应的干扰。的干扰。 分立式分立式( (集总式集总式) )拉曼放大器拉曼放大器：主要作为高增益、高功率放大，主要作为高增益、高功率放大，介质通常是介质通常是色散补偿光纤或高非线性光纤色散补偿光纤或高非线性光纤 ，比较，比较短短，一般，一般10km10km以内；以内；泵浦源功率泵浦

52、源功率几瓦到几十瓦。几瓦到几十瓦。EDFAEDFA也属于分立式也属于分立式。DCF-DCF-色散补偿型光纤色散补偿型光纤C-EDFA-CC-EDFA-C波段波段EDFAEDFA拉曼泵浦拉曼泵浦(50W)(50W)4. FRA4. FRA的系统应用的系统应用（1 1）分立式拉曼放大器的应用）分立式拉曼放大器的应用 与与EDFAEDFA一样集中放大，通常用于一样集中放大，通常用于EDFAEDFA无法放大的波段无法放大的波段（2 2）分布）分布式拉曼放大器（式拉曼放大器（DRADRA）的应用）的应用在在WDMWDM系统的每个传输单元中，在输入端注入反向拉曼泵浦，系统的每个传输单元中，在输入端注入反向

53、拉曼泵浦，信号将沿光纤实现分布式拉曼放大，可以降低入射功率并保持一信号将沿光纤实现分布式拉曼放大，可以降低入射功率并保持一定的信噪比。定的信噪比。DRADRA具有噪声低、增益带宽与泵浦波长和功率相关特点。具有噪声低、增益带宽与泵浦波长和功率相关特点。EDFAEDFA具有高增益、低成本的特点。具有高增益、低成本的特点。采用采用DRA+EDFADRA+EDFA的典型的典型WDMWDM系统系统5. FRA5. FRA的性能的性能（1 1）增益增益与信号光和泵浦光的与信号光和泵浦光的频率差频率差有关，有关，频差小频差小, ,增益大增益大；与泵浦；与泵浦光的光的功率功率有关，有关，功率大功率大, ,增益

54、大增益大。典型的拉曼放大器增益曲线典型的拉曼放大器增益曲线（2 2）带宽）带宽EDFAEDFA的增益带宽只有的增益带宽只有80nm80nm。FRAFRA使用多个泵浦源，增使用多个泵浦源，增益带宽可达益带宽可达132nm132nm，通过选择泵浦光波长可实现任意波长，通过选择泵浦光波长可实现任意波长的光放大。的光放大。（3 3）噪声指数）噪声指数分布式拉曼放大器经常与分布式拉曼放大器经常与EDFAEDFA混合使用，其等效总噪声混合使用，其等效总噪声指数为：指数为：式中：式中：G GR R和和F FR R分别是分别是DRADRA的增益和噪声指数的增益和噪声指数 F FE E是是EDFAEDFA的噪声

55、指数的噪声指数因为因为F FR R通常要比作为功率放大器的通常要比作为功率放大器的EDFAEDFA的噪声指数的噪声指数F FE E要小，要小，所以由上式可知，只要增加拉曼增益所以由上式可知，只要增加拉曼增益G GR R，就可以减少总的噪，就可以减少总的噪声指数。声指数。6. FRA6. FRA的优点和缺点的优点和缺点J 优点：优点：p更宽的频段提供放大更宽的频段提供放大，增益波长由泵浦光波长决定，增益波长由泵浦光波长决定，只要泵浦源的波长适当，理论上可以得到任意波长的只要泵浦源的波长适当，理论上可以得到任意波长的信号放大，为波分复用进一步增加容量拓宽了空间。信号放大，为波分复用进一步增加容量拓

56、宽了空间。p增益介质可以为传输光纤本身增益介质可以为传输光纤本身，与，与EDFAEDFA相比，即使甭相比，即使甭浦源失效，也不会增加额外的损失。特别是当采用分浦源失效，也不会增加额外的损失。特别是当采用分布式拉曼放大，光纤中各处的信号光功率都比较小，布式拉曼放大，光纤中各处的信号光功率都比较小，从而可降低各种光纤非线性效应的影响。从而可降低各种光纤非线性效应的影响。p噪声指数低噪声指数低，可提升原系统的信噪比。，可提升原系统的信噪比。J 优点：优点：p拉曼增益谱比较宽拉曼增益谱比较宽，如果采用多个泵浦源，则可容易，如果采用多个泵浦源，则可容易地实现宽带放大。地实现宽带放大。pFRAFRA的饱和功率比较高的饱和功率比较高，增益谱调节方式可通过优化，增益谱调节方式可通过优化配置泵浦光波长和强度来实现。配置泵浦光波长和强度来实现。p拉曼放大的作用时间短拉曼放大的作用时间短，为飞秒，为飞秒(10(10-15