光纤通信技术-第六章-光通信中的光放大器(1)

1、6.1 光放大器光放大器 6.2 半导体激光放大器（半导体激光放大器（SOA）6.3 掺铒光纤放大器掺铒光纤放大器6.4 光纤喇曼放大器光纤喇曼放大器6.5 放大器的应用放大器的应用第六章第六章 光纤通信中的光放大器光纤通信中的光放大器 本章简介本章简介 光放大器是可将微弱光信号直接进行光放大的器件，它的出现使光纤通信技术产生了质的飞跃。本章根据光放大器的分类主要介绍了SOA放大器、掺杂光纤放大器和拉曼光纤放大器这三种光放大器的工作原理、组成结构、评价指标以及应用等内容。光放大器的诞生从线路上解决了光纤通信的无电再生中继问题，它为实现光纤通信系统的全光化奠定了坚实的基础。6.1光放大器光放大器

2、 光放大器的发展最早可追溯到1923年A斯梅尔卡预示的自发喇曼散射，而后，科学家在半个世纪的时间里做了大量研究。1987年英国南安普敦大学和美国AT&T 贝尔实验室报道了离子态的稀土元素铒在光纤中可以提供1.55m波长处的光增益，这标志着掺铒光纤放大器（EDFA）的研究取得突破性进展。1989年现安捷伦科技有限公司制成首件半导体光放大器（Semi-conductor Optical Amplifier，SOA）产品。 在1999年10月举办的日内瓦电信展览会上，朗讯公司展示了一种喇曼放大系统。2001年光纤喇曼放大器（Fiber Raman Amplifier，FRA）得以更广泛的应用

3、。目前，光放大器在光纤通信系统最重要的应用就是促使了波分复用技术（Wavelength Division Multiplexing,WDM）走向实用化。6.1.1 光放大器的概念光放大器的概念 光纤的损耗和色散限制了光纤的传输距离，延长通信距离的方法是采用中继器，中继器的放大过程较为复杂，它是将输入的光信号转换为电信号，在电信号上进行放大、再生、再定时等处理后，再将经处理后的电信号转换为光信号经光纤传送出去，这种中继方式称为光/电/光中继方式。 光/电/光中继器需要光接收机和光发送机来分别完成光电变换和电光变换，其设备复杂，维护不便。随着光纤通信的速率不断提高，这种光电光中继器的成本也随之提高

4、，使得光纤通信系统的成本增加，性价比下降。 光放大器是可将光纤线路上微弱的光信号直接放大的器件，它的出现免去了光在放大时必须经过的光/电/光转换，使光纤通信技术产生了质的飞跃。 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。 受激辐射和受激散射光放大器的通用结构和基本原理如图6-1所示图6.1 光放大器的通用结构 光放大器是不依赖比特率和调制方式的。这样就使得系统即使在使用了放大器的情况下也可以很容易地升级到更高的速率或者变换信号的调制方式。此外，光放大器具有一个很宽的增益带宽，这就保证能

5、够一次放大整个DWDM 的频谱，结果是极大地降低了长距离传输中的设备需求数量。6.1.2 光放大器的分类光放大器的分类 光放大器可以分为半导体光放大器（SOA）、有源光纤或掺杂光纤放大器（DFA）和拉曼放大器（FRA）三种主要类型。所有的放大器都是通过受激辐射或光功率转移过程来实现入射光功率放大的。 （1）半导体光放大器（）半导体光放大器（SOA） SOA又称作半导体激光放大器（Semiconductor Laser Amplifier，SLA），它由半导体材料制成，和半导体激光器（LD）一样都是基于光的受激辐射和放大。事实上，激光器（Laser）的原意就是受激辐射引起的光放大（Laser A

6、mplification by Stimulated Emission of Radiation），该名称强调的是激光材料中由于粒子数反转产生的受激辐射可以引起光放大。 光放大器的结构与激光器很相似，但它没有反馈机制，而反馈机制对于发射激光是必要的，足够大的反馈可能引起自激振荡，即受激辐射所需的初始注入光子可以从LD内部产生，例如内部的光噪声；而SOA不能产生自激振荡，因而受激辐射所需的初始注入光子必须由外部注入，即需要输入光，因此，光放大器可以放大输入信号，但本身不产生相干的光输出，仅就是对输入光进行放大。（2）有源光纤或掺杂光纤放大（）有源光纤或掺杂光纤放大（DFA） 有源光纤放大器的有源

7、媒体是稀土族元素（如Er、Pr、Tm、Nd 等），它掺杂在光纤的玻璃基体中，所以也称作掺杂光纤放大器（DFA）。DFA是利用光纤中掺杂稀土元素引起的增益机制实现光放大的。 光纤通信系统最适合的掺杂光纤放大器是工作波长为1550nm掺铒光纤放大器（EDFA）和工作波长为1310nm的掺镨光纤放大器（PDFA）。用于1310nm窗口的PDFA，因受氟化物光纤制作困难和氟化物光纤特性的限制，机械强度较差，与常规光纤的熔接较为困难，究进展比较缓慢，尚未获得广泛应用。 目前在线路中使用的光放大技术主要是采用EDFA，EDFA 属于掺杂稀有元素的光纤放大器家族中的一种，此外其他可能的掺杂元素还包括钕（通常

8、用于高功率的激光器）和镱（它们通常和铒一起混合用）等元素。目前已经商品化并获得大量应用的是EDFA。（3）拉曼放大器（）拉曼放大器（FRA） FRA的工作原理是基于受激拉曼散射（SRS）的非线性效应，在光纤中光功率较高时就会产生受激拉曼散射。FRA利用强的光源对光纤进行激发，使光纤产生非线性效应，在受激发的一段光纤的传输过程中得到放大。它的主要缺点是需要大功率的半导体激光器做泵浦源（约0.5-1w），因而其实用化受到了一定的限制。6.1.3 光放大器的主要指标光放大器的主要指标 光放大器工作性能的主要指标有放大器的增益系数与增益带宽、放大器的增益与带宽，饱和输出功率和放大器噪声。1. 增益系数

9、与增益带宽增益系数与增益带宽 （1）增益系数）增益系数 在泵浦源的激励下，媒质的外层电子吸收一定的能量后基态（能级1）跃迁到高能态（能级3）。在高能态上的电子极不稳定，会快速到达能量较低的激发态（能级2）。 如图6.2所示，在一定的条件下，处于激发态的电子在入射光的作用下发生受激辐射后又回到基态。根据能量守恒定律，受激辐射过程所产生的光子能量应该等于电子处于激发态和基态时的能量之差。如果所产生的光子能量与入射光子能量一致，则入射光被放大，这就是光放大器的工作原理。图6.2 三能级泵浦结构 如图6.2所示，在一定的条件下，处于激发态的电子在入射光的作用下发生受激辐射后又回到基态。根据能量守恒定律

10、，受激辐射过程所产生的光子能量应该等于电子处于激发态和基态时的能量之差。如果所产生的光子能量与入射光子能量一致，则入射光被放大，这就是光放大器的工作原理。 光增益不仅与入射光频率（或波长）有关，也与放大器内部光束强度有关。光增益与频率和强度的具体关系取决于放大器增益介质的特性。 由激光原理可知，对于均匀展宽二能级系统模型，其增益系数为02202( )1()/sggTP P（6.1） 当放大器的输出功率远远小于饱和功率时，即放大器工作在小信号状态时，式（6.1）中的 项可忽略，增益系数简化为 式（6.2）表明，当信号光频率 与原子跃迁频率 相同时，增益达到最大；当 时，增益按照洛伦兹曲线下降，即

11、 偏离 越远，则增益越小。/sP P02202( )1 ()ggT（6.2）000（2）增益带宽）增益带宽 增益带宽定义为增益谱的半高全（FWHM）图6.3 增益带宽示意图对于洛伦兹分布的增益谱，增益带宽为22/gT（6.3）或212ggT（6.4）2. 放大器增益与带宽放大器增益与带宽（1）放大器增益）放大器增益 放大器的增益（放大倍数）G定义为 为放大器的输入光功率， 为放大器的输出光功率。 0iPGP（6.5）iP0P 放大器增益与增益系数有关，在沿光纤方向上，增益系数和光纤中掺杂的浓度有关，还和该处信号光与泵浦光的功率有关，所以放大器增益应该是沿长度的函数。 放大器增益与放大器增益系数

12、之间的关系为 L为放大器的长度。由此可看出，放大器的增益也与信号频率有关，当 时，放大器增益最大；当出现失谐时， ，放大器增益将减小。0( )exp ( ) GgL（6.6）00（2）放大器带宽）放大器带宽 人们理想的放大器增益应在很宽的频带内与波长无关，这样在配有放大器的系统中可放宽单个信道上载波波长的选择容限，也可在不降低系统性能的情况下，极大地增加WDM系统的信道个数。 但实际中的放大器都具有一定的工作频率范围。放大器的带宽 定义为放大器增益 的半高全宽，它与增益带宽 的关系为 由于 与 成指数关系，所以 小于 ，具体的差值与放大器的增益有关。a( )Gg0ln2()ln2agg L （

13、6.7）( )G( )gag3. 饱和输出功率饱和输出功率 在式（6.1）中，当 增大至可与 相比拟时， 降低， 也降低，这种现象叫做增益饱和。通常定义放大器增益降G至最大信号增益 的一半时的输出功率为放大器的饱和输出功率，用 表示。 PsP( )g( )G0GsoutP 放大器的饱和输出功率与增益介质的饱和功率的关系为 在一般情况下， ，所以 00ln22soutsGPPG（6.8）02G(ln2)0.69soutssPPP4. 放大器噪声放大器噪声 光纤放大器的噪声主要来自于自发辐射。在激光器中，自发辐射是产生激光振荡比不可少的条件，而在放大器中，自发辐射确实噪声的主要来源，它与被放大的信

14、号光在光纤中一起传输、放大到达接收端，因而降低了信号光的信噪比(SNR)。 放大器的噪声系数可用来表征自发辐射对信噪比带来的影响，它定义为输入信噪比与输出信噪比的比值，可表示为()()innoutSNRFSNR（6.9） 即使是理想的放大器，输入信号的 也被降低一倍（3db），实际放大器的 都超过3db，有些放大器的 达到6-8db。从光纤应用的角度来说，光放大器的 应越低越好，因为它是光纤通信系统中继距离的重要限制因素。()inSNRnFnFnF6.2 半导体激光放大器半导体激光放大器(SOA) 半导体激光放大器是一种重要的光放大器，其结构类似于激光器，本质是工作在阈值以下的InGaAsP激

15、光器。SOA的增益峰值可通过改变激活InGaAsP材料的成分，从O波段的1280nm到U波段的1650nm范围内任意窄波长通带内选择。6.2.1 SOA的工作原理的工作原理 半导体光放大器SOA分为法布里-玻罗放大器FPA（Fabry-Perot Amplifier）和行波放大器TWA（Travellig-Wave Amplifier）两大类。 法布里-玻罗放大器FPA两侧有部分反射镜面，它是由半导体晶体的解理面形成的，两端面的解理面构成较强的反馈，其自然反射率达32%。 如图6.4所示，当信号光进入腔体后，在两个镜面间来回反射并被放大，最后以较高的强度发射出去。这种放大器受F-P腔的多次反射

16、效应影响严重，所以也称为F-P型放大器。图6.4 法布里-玻罗放大器 如图6.5，行波放大器TWA在两个端面上镀有增透膜，大大降低了端面的反射系数，或者存在适当的切面角度，所以不会发生内反射，入射光信号只要通过一次就会得到放大。TWA的光带宽较宽，饱和功率高，偏振灵敏度低，所以用途比FPA更广泛。图6.5 行波放大器6.2.2 SOA的特性的特性l信号放大特性信号放大特性半导体光放大器的增益 可表示为 与 表示腔体解理面反射率， 为腔体谐振频率； 为纵模间距（也称F-P腔的自由谱宽）。 表示光波只传播一次的单程增益。它可由式（6.6）计算得到。( )FPAG12221212(1)(1) ( )

17、( )()(1( )4( )sinFPAmLRR GGR R GR R Gv （6.10）1R2RmLv( )G 当入射光的频率 与F-P腔的一个谐振频率 相等时，增益达到峰值。当入射光的频率偏离 时增益下降。当 时，可计算出峰值增益与最小增益分别为mm12RRR2max2(1)( )( )(1( )FPAR GGRG2min2(1)( )( )(1( )FPARGGRG（6.11）（6.12） SOA的增益频谱是一条振荡的曲线。在处，增益最大。随着反射系数的降低，增益峰值降低，增益振荡幅度逐渐减小。当 时，增益曲线就变成了行波放大器的增益曲线，且是高斯型曲线。m0R 2. 放大器的带宽放大器

18、的带宽 放大器带宽由腔体谐振曲线形状决定。定义增益减小到峰值增益的一半（3dB）所对应的半高全宽就是放大器的带宽1211/21221sin4LFPAvG R RvG R R（）（6.13） 为了获得较大的增益， 应尽量接近于1。但由式（6.13）可知，此时放大器带宽非常小，只有F-P腔自由谱宽 很小的一部分，因而不适合光纤通信系统中的信号放大，因此，这类F-P放大器只在一些信号处理应用中使用。12G R RLv 当 0.17时，半导体光放大器的特性可以由行波放大器来描述，从而获得较大的带宽，但是，减小端面反射会存在技术上的问题。为此，人们通过一些途径来减小反馈。12GR R 一种方法是条状有源

19、区与正常的解理面倾斜，其结构如图6.6（a）所示。在这种结构中，有源区端面具有一定的角度，因而反射得到降低，采用这种角度端面结构与镀制增透膜相结合的方法，很容易就可以实现反率 4010spNRnNN（a）图6.6 行波放大器的两种结构 另外一种方法是在有源层端面和解理面之间插入透明窗口区，其结构如图6.6（b）所示。在这种结构中，有源区与端面之间有一个透明区，来自有源区的光束在经端面反射之前发生发散，反射之后发散更严重，所以只有极少部分的光返回到有源区中，这种结构与镀膜相结合，也可以使端面反射率降低至 。410(b)图6.6 行波放大器的两种结构3. 噪声特性噪声特性 由前面的知识我们可以知道

20、，噪声系数主要取决于自发辐射，它与粒子数反转因子 （或称为自发辐射因子）有关， 可表示为自发辐射率对净激发辐射率之比 表示SOA的基态粒子数浓度，N表示激发态的粒子数浓度。spnspn0spNnNN（6.14）0N 噪声系数的另一个影响来自放大器内部的非辐射损耗 （即自由载流子吸收或散射损耗），使得可用增益减小到g- 。 考虑到上述这些因素后，放大器的噪声系数可以表示为 SOA噪声指数的典型值为5-7dB。02()()nNgFNNg（6.15） 由于放大器端面剩余反射率的存在，它会使噪声系数增加到（1+ ）倍，式中 是输入解理面反射系数。大多数行波放大器 ，所以对噪声系数的影响可以忽略。1RG

21、1R11RG4. 信道间串扰信道间串扰 光放大器的一个优点就是可以同时对多信道复用的信号进行放大，只要信道的载频位于放大器的带宽以内。在理想的情况下，放大器对每一信道的信号增益应该是相等的，但实际上由于SOA内存在一些非线性效应，例如交叉饱和、四波混频等使信道之间发生串扰，在光纤通信系统中应尽量减小这种串扰。在多信道放大情况下，信道功率可表示为： 表示组合共轭项，M表示信道数， 和 分别表示第j信道的复振幅和频率。 11exp().2MjjjPAjtC C（6.16）.C CjAj 由于多个不同信道场的相干迭加，式（6.16）表示的光功率包含与时间相关的由不同信道差频决定的分量，即112cos

22、()MMMjjkjkjkjjkjPPP Pt (6.17)exp()jjjAPijkjk 由于增益和折射率均与载流子浓度N有关，它们在 频率点也被调制。在多信道信号被同时放大时，产生了不希望有的附加增益和折射率指数光栅。这种光栅引起一个信道信号的一部分能量散射到另一个信道而产生信道串扰，从而使接收机SNR下降。 jk SOA存在噪声大、增益小、对串扰和偏振敏感、与光纤耦合损耗大以及工作稳定性较差等缺陷，其性能与掺铒光纤放大器仍有较大的差距，因此，SOA仅在EDFA不能工作的1310nm波段作光放大使用。 但是，SOA在DWDM多波长光纤通信系统中无需增益锁定，还可作为波长路由器中的波长转换和快

23、速交换器件使用，可促成1310nm窗口DWDM系统的实现。在OTDM中，SOA也可以用作时钟恢复和解复用器的非线性器件。6.3 掺铒光纤放大器掺铒光纤放大器(EDFA) 在EDFA诞生以前，已经有了光纤喇曼放大器（FRA）和半导体光放大器（SOA），到20世纪80年代中期，这几项技术已经比较成熟。但是，由于自身的一些缺陷，它们在光纤通信系统中的应用并不令人满意。EDFA是将掺铒光纤在泵浦源的作用下，对某些波长的信号光进行放大的掺杂型光纤放大器，放大器的增益特性和工作波长由掺杂粒子决定。 这种掺杂光纤放大器是利用光纤中掺杂稀土离子引起的增益机制实现光放大的。许多稀土离子都可被用作掺杂剂而构成掺杂

24、光纤放大器，研究的最多的是掺杂 、 （用于1310nm波长放大）和掺杂 （用于1550nm波长放大）的光纤放大器，其中尤以掺杂 光纤放大器最为成熟，且在1990年实现商用化。3dN3rP3rE3rE6.3.1 EDFA的工作原理的工作原理 半导体光放大器利用外部注入电流来激活电子，使之到达较高能级。光纤放大器使用光泵浦来达到同一目的，在这个过程中，光子直接激励电子使其达到激发态。光泵浦过程需要使用三个或更多能级，将电子抽运到的顶层能级一定要在受激辐射能级之上。 电子到达激发态后，会释放一些能量会很快弛豫到受激辐射能级，在这个能级上，信号光子触发它产生受激辐射，以产生新光子的形式释放剩余的能量，

25、新光子的波长等于信号光的波长。由于泵浦光能量高于信号光能量，多以泵浦光波长比信号波长要短一些。 为了对EDFA的工作过程有个直观的了解，先分析一下饵离子的能级结构图。铒（Er）是一种稀土元素（属于镧系元素），原子序数是68 ，原子量为167.3 。EDFA利用了镧系元素的4f 能级，图6.7 是饵离子的能级图。 4I9/2 4I11/2 4I13/2 4I15/2 980nm 1480nm 800nm 1530nm 图6.7 能级示意图 掺铒光纤中，由于石英基质的作用，4f 的每一个能级分裂成一个能带。图中，4I15/2能带称为基态；4I13/2能带称为亚稳态，在亚稳态上粒子的平均寿命时间达到

26、10ms ；4I11/2能带称为泵浦态，粒子在泵浦态上的平均寿命为1s 。 由于980nm和1480nm大功率半导体激光器已完全商用化，并且泵浦效率高于其他波长，故得到最广泛的应用。用1480nm 泵浦源时泵浦效率高，可以获得较大的输出功率；采用980nm泵浦源时虽然泵浦效率较低，但它引入的噪声小，可以得到好的噪声系数。 EDFA的工作机理基于受激辐射，需要产生高能级与低能级之间的粒子数反转。铒离子吸收泵浦光的能量，由基态跃迁至处于高能级的泵浦态。对于不同的泵浦波长，电子跃迁至不同的能级。 如图6.8所示，当用980 nm 波长的光泵浦时，从基态跃迁至泵浦态，由于泵浦态上载流子的寿命时间只有1

27、s ，电子以非辐射方式由泵浦态迅速豫驰至亚稳态。在亚稳态上载流子有较长的寿命（10ms） ，在源源不断的泵浦下，亚稳态上的粒子数积累，从而实现了亚稳态和基态间的粒子数反转分布。 当有1.55m 信号光通过已被激活的掺铒光纤时，在信号光的感应下，亚稳态上的粒子以受激辐射的方式跃迁到基态。对应于每一次跃迁，都产生一个与感应光子完全一样的光子，从而实现了信号光在掺铒光纤的传播过程中的不断放大。 在放大过程中，亚稳态的粒子也会以自发辐射的方式跃迁到基态，自发辐射产生的光子也会被放大，这种放大的自发辐射（ASE ：Amplified Spontaneous Emission）会消耗泵浦功率并引入噪声。

28、泵浦光980 nm能 级 1 （0ev）sp=1s泵浦光1480 nm受激辐射信号光（15001600 nm）自发辐射光（15001600 nm）ASE能级2（0.80ev）能级3（1.27ev）sp=10ms图6.8EDFA的工作原理图 如图6.8所示，当采用1480nm波长泵浦源时，它可以直接铒离子将从能级1激发到能级2上去实现粒子数反转，而不需像980nm泵浦源要先将铒离子抽运到能级3后，再自发辐射到亚稳态能级2上。 当能量相当于从基态到亚稳态间带隙能量的信号光子流通过掺铒光纤放大器时，会产生两种类型的跃迁。第一，处在基态的离子将吸收一小部分外部光子跃迁到亚稳态；第二，在受激辐射过程中，

29、信号光子触发激发态离子下降到基态，从而发射出一个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。 根据掺铒光纤的能级特点，EDFA的泵浦波长有1.48m、0.98m、0.807m、0.655m和0.514m。选用哪个波长取决于泵浦波长的泵浦效率和光源是否容易获取。 所谓泵浦效率，是指放大器增益与泵浦功率之比。泵浦效率高，说明泵浦光功率的转换效率高。在这些泵浦波长中，0.98m泵浦效率最高，其次是1.48m。由于1.48m的大功率泵浦源最先研制成功，因此早期的EDFA产品普遍使用1.48泵浦源。 目前，0.98m泵浦源已经研制成功，在新的EDFA产品中逐步取代1.48m泵浦源。使用

30、这两种波长的光泵浦EDFA时，只用几毫瓦的泵浦功率就可获得高达30-40dB的放大器增益。6.3.2 EDFA的结构的结构 EDFA 主要由掺铒光纤(EDF)、泵浦光源、耦合器、光隔离器及光滤波器组成。光耦合器的作用是将信号光和泵浦光复合在一起，注入到掺铒光纤中，一般采用波分复用器来实现。 掺铒光纤是一段长度大约为10-100m的石英光纤，将稀土铒离子注入到纤芯中，浓度约为25mg/kg。泵浦光源为半导体激光器，输出光功率约为10-100mw，工作波长约为0.98m。光隔离器是用来抑制光反射，防止光放大器自激，确保工作稳定。 光滤波器的作用滤除光放大器的噪声，降低噪声对系统的影响，提高系统的信

31、噪比。当较弱的信号光与较强的泵浦光一起输入EDF时，泵浦光激活EDF中的铒离子，跃迁到高能级态；在信号光的诱导下，受激辐射，跃迁到基态，产生与信号光相同的光子，实现输入信号光的放大。 EDFA的结构由于采用的泵浦方式不同而有三种，它们分别称为前向泵浦方式、反向泵浦方式和双向泵浦方式。 在前向泵浦结构中，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，粒子反转激励也强，其增益系数大，信号一进入光纤即得到了较强的放大。但由于吸收，泵浦光将沿着光纤长度衰减，这会使在一定的光纤长度上，因而达到增益饱和而使噪声增加。 信号光 耦合器 光隔离器 掺铒光纤 光隔离器 光滤波器 输出光 泵

32、浦光 前向泵浦方式 在反向泵浦结构中，泵浦光与信号光从不同的方向输入掺杂光纤，两者下掺铒光纤中方向传输，当光信号放大到很强时，泵浦光也很强，不易达到饱和噪声性能较好。 信号光 耦合器 光隔离器 EDF 光隔离器 光滤波器 输出光 泵浦光 反向泵浦方式 为了使掺铒光纤中的饵离子能够得到充分的激励，必须提高泵浦功率。可采用多个泵浦源从多个方向激励光纤，几个泵浦源可部分前向泵浦，部分后向泵浦，这种泵浦方式称为双向泵浦。 信号光 耦合器 光隔离器 EDF 光隔离器 光滤波器 输出光 泵浦光 泵浦光 耦合器 双向泵浦方式 双向泵浦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，从而使增益在

33、光纤中均匀分布。 从输出功率上来看，单泵浦的的输出功率可达14dBm，而双泵浦的输出功率可17dBm。 三种泵浦结构的性能比较可参考表6.1。表6.1 三种泵浦方式的掺铒光纤放大器性能比较6.3.3 EDFA的主要指标的主要指标 EDFA的性能可用增益特性、增益饱和特性与噪声特性三个主要指标来反映。1. 增益特性增益特性 功率增益反映掺铒光纤放大器的放大能力，功率增益系数定义为输出信号光功率与输入信号光功率的比值，G的大小与泵浦功率、光纤长度、饵离子浓度等因素有关，一般以分贝（dB）来表示，即10lg()outinPGdBP（6.18） 对于一定的掺铒光纤长度，只要泵浦功率达到某一值时，就可将

34、大部分的饵离子泵浦到高能级上，G也会随泵浦功率的增长按指数增长，由于饵离子数目是有限的，当泵浦功率超过某一值时，增长就会变得缓慢，并趋于一恒定值，此后再增加泵浦功率不能再使增益增大。 图6.10表示了不同长度的放大器增益随泵浦功率的变化情况。图6.10 放大器增益与泵浦功率的关系 对于一定的泵浦功率，当光线长度较短时，增益增加很快；当超过某一长度后，增益反而下降。这是因为随着长度的增加，光纤中的泵浦光功率下降，而且掺铒光纤受到较大的吸收衰减，从而导致增益系数下降。 图6.11表示了不同泵浦功率下，放大器增益与放大器长度的关系。当光线达到某一长度时可获得最大增益，这个长度称为最佳增益长度。图6.

35、11 掺铒光纤长度与泵浦功率的关系 在设计EDFA时，要在掺铒光纤结构参数的基础上，选择合适的泵浦功率和最佳常速，以使放大器工作在最佳长度。例如采用1.480m的泵浦光源时，当泵浦功率为5mw时，掺铒光纤长度为30m时，可获得35dB增益；采用1.5m的泵浦光源时，当泵浦功率为5mw时，掺铒光纤长度为30m时，可获得30dB增益；EDF再长已经没有意义。2. 增益饱和特性增益饱和特性 当光纤长度一定时，增益随泵浦功率的增加而迅速增加。但当泵浦功率增加到一定值以后，增益随泵浦功率的增加变得缓慢，甚至不变，这种现象称为增益饱和。这是泵浦功率导致的EDFA出现增益饱和的缘故。 在泵浦功率一定时， 输

36、入信号功率较小时，放大器增益不随输入光信号的增加而变化；当输入信号功率增大到一定值后，增益开始随信号功率的增加而下降，这是输入信号导致EDFA出现增益饱和的缘故。 EDFA的最大输出功率常用3dB饱和输出功率来表示。如图6.12所示，当饱和增益下降到3dB时所对应的的输出功率值为3dB饱和输出功率。它代表了掺铒光纤放大器的最大输出能力。图6.12 EDFA的饱和增益特性3. 噪声特性噪声特性 EDFA的噪声主要来自它的自发辐射。自发辐射产生的光与被放大的信号光在光纤中一起传播、放大，由于ASE 占有整个放大带宽，故不可能将其全部滤除。一般用噪声系数（NF ：Noise Figure）来衡量一个

37、EDFA 的噪声特性，其定义为放大器输入信噪比和输出信噪比之比。一般来时，噪声系数越小越好。 对于不同的泵浦波长，NF是有差异的。当使用1480nm泵浦时，由于泵浦态和亚稳态处在同一个能带中，该能带中的粒子服从玻耳兹曼分布规律，所以始终有部分粒子保持在泵浦态上，使得基态粒子不能全部反转，其反转程度小于980nm泵浦。 正因如此，后者泵浦的EDFA的NF优于前者。理论上证明，对于任何利用受激辐射进行放大的放大器，其NF的最小值为3dB，这个极限被称为NF 的量子极限。对于980nm泵浦，其NF可以接近量子极限，而对于1480nm泵浦，报道的最小NF约为4dB 。 EDFA 的有三种基本泵浦结构方

38、式，即同向泵浦、反向泵浦和双向泵浦。三种泵浦结构的EDFA 在性能上略有差异。采用同向泵浦，可获得较好的噪声性能；采用反向泵浦，可获得较高的输出功率；采用双向泵浦，可使EDFA的增益和噪声性能都优于单向泵浦，但由于增加了一个泵浦源，EDFA的成本也增加很多。 在这些基本结构的基础上，EDFA向着多级化复合结构发展。研究表明，在掺铒光纤中插入合适的光学器件可以平坦放大器的增益、抑制反向ASE和瑞利散射；还可以实现增益控制和输出限制放大器，充分利用泵浦光功率等等。所有这些方法都以增加放大器的复杂程度来换取其性能的提高。6.4.3 EDFA的特点的特点掺铒光纤放大器的主要优点有以下五个方面：（1）工

39、作波长处在1.51.6，与光纤的最小损耗窗口一致；（2）掺铒光纤放大器的主体是一段光纤，它与传输光纤的耦合损耗低，可低至0.1dB；（3）增益高可达30-40dB；饱和输出功率大，为10-15dBm；增益特性与光偏振态无关；（4）噪声指数小，一般为4-7dB；用于多信道传输时，隔离度大，无串扰，适用于波分复用系统；（5）对掺铒光纤进行激励的泵浦功率低，仅需几十毫瓦。 掺铒光纤放大器也有其缺点，主要表现在以下两个方面：（1）波长固定，只能放大1.55附近的光波。换用不同基制的光纤时，饵离子能级也只能发生很小的变化，可调节的波长有限，只能换用掺杂其他元素来改善。（2）增益带宽不平坦。在WDM系统中

40、需要采用特殊的手段来进行增益谱补偿。6.4 光纤喇曼放大器光纤喇曼放大器(FRA) EDFA实现了对一根光纤中传输的多路光信号同时放大，不仅降低了中继， 高了传输效率，而且还具有高速率、高增益和低噪声等优点，因此它被成功地用于WDM光纤系统中，极大地增加了光纤传输系统的信息容量。 随着WDM的通道数越来越多，工作波长的范围也不断增大，工作波长已经逐渐地从C波段扩展到L波段甚至是S波段。因此，WDM传输系统对光放大器的带宽要求也越来越高。 而EDFA只能实现在C波段约35nm带宽内信号的放大，采用单一的EDFA不能够同时放大两个波段的光信号，所以必须寻求一种宽带放大的解决方案。 为此利用光纤的非

41、线性效应受激拉曼散射（SRS）进行光放大的拉曼光纤放大器应运而生。当适当波长的泵浦光注入到光纤中，拉曼频移处的光信号将得到放大，基于这种原理的放大器称之为拉曼光纤放大器（RFA）。 与掺铒光纤放大器（EDFA）和半导体光放大器（SOA）相比，拉曼光纤放大器优势明显： 增益波长由泵浦波长决定，理论上可以实现任意波长信号的放大；可以实现分布式放大，增益介质就是传输光纤本身；信号间差拍噪声小，噪声指数低；可以通过多波长泵浦，实现宽带放大。 随着10Gbit/s DWDM 长距离传输系统的大量应用和40Gbit/s 技术的日趋成熟，拉曼光纤放大器的重要性日渐显露，并逐步进入商用。光器件制造商竞相研制出

42、了性能优良的拉曼光纤放大器，主要是希望利用拉曼光纤放大器特有的分布式放大、可降低非线性影响、噪声特性好等特点，进一步推动高速、大容量、长距离光纤传输系统的发展。6.4.1 FRA的工作原理的工作原理 光纤喇曼放大器是利用光纤的受激喇曼散射效应制成的。我们先来了解一下喇曼散射效应：物质内部的分子无时无刻不在振动着，但它们只能在某几个固定的频率上振动，这些频率叫喇曼频率，不同的频率对应着不同的分子能量。 当外界光照射时，外来光子能与振动分子发生能量交换，这时在入射光光谱线（母线）两边出现一些强度很弱的新谱线，这种效应称为喇曼散射效应。 这些新出现的谱线叫伴线，其中比母线波长长的叫斯托克斯线，比母线

43、波长短的叫反斯托克斯线。它们两个与母线波长的间隔相等，其值等于相应的分子振动频率，约为十几太赫兹。自发喇曼散射效应很弱，散射光的强度一般只有入射光强度的百万分之一或亿万分之一。 DRA 工作的基本原理是受激拉曼散射（SRS）效应，当足够强的短波长泵浦光以一定强度与信号光同时进入光纤后，信号在光纤中被放大。即将一小部分入射功率由一光束转移到另外一个频率下移的光束，频率下移量由非线性介质的振动模式决定。 当波长较短（与信号波长相比）的泵浦光馈入光纤时，发生此类效应。泵浦光光子释放其自身的能量，释放出基于信号光波长的光子，将其能量叠加在信号光上，从而完成对信号光的放大。 泵浦光子的能量产生了一个与信

44、号光同频的光子和一个声子（vibration energy），如图6.13 所示图6.13 自激喇曼散射效应 图6.13中，基态上方存在一个范围较宽的振动态，为信号光提供增益。由于振动态（vibrational states）与基态（ground state）间的宽度很大，也就提供了多种增益的可能，这可由图6.13中的阴影区域看出。 光纤喇曼放大器就是利用额石英光纤中的受激喇曼效应实现光放大的，将一个长波长弱信号光与一个短波长强泵浦光波同时在光纤中传输，泵浦光功率超过受激喇曼散射阈值功率且弱信号光位于泵浦光的喇曼增益谱带宽之内，则弱信号光被该光纤放大。 石英光纤中喇曼增益有一个很宽的频率范围（

45、达40THz），并且频移为13.2THz附近有一个较宽的主峰，如图6.14所示。 频移/THz 0 5 10 15 20 25 30 频移/THz 增益(10-13m/W) 1 0.8 0.6 0.4 0.2 0 图6.14 光纤的喇曼增益谱 这些性质和光纤的非晶性有关。在熔石英等非晶材料中，分子的振动频率展宽成频带，这些频带交叠并产生连续态。因此和大多数介质中在特定频率上产生喇曼增益的情况不同，光纤中的喇曼增益频谱是一个连续的宽带谱，这就是光纤可以用作宽带放大器的原因。 图6.14中的横轴（频移）表示泵浦光与斯托克斯光的频率差。6.4.2 FRA的结构和特点的结构和特点 FRA的结构如图6.

46、15所示。信号光在光纤内正向传输，泵浦光通过WDM耦合进传输光纤，泵浦光可以正向注入也可以反向注入。为了减少泵浦光噪声对信号的影响，一般采用反向注入。图6.15 FRA的结构示意图 FRA能够提供一个单一、简化的放大平台从而来满足长途和超长传输的需要。FRA的种类很多，根据泵浦方式可以分为前向、后向和双向泵浦的喇曼放大器。如果按结构来分，拉曼放大器主要分为两大类：分立式拉曼放大器和分布式拉曼放大器。1. 分立式喇曼放大器分立式喇曼放大器 分立式拉曼放大器是指用一个集中的单元来提供增益，这一点与分布式FRA完全不同，在分立式FRA中，所有的泵浦功率都被限制在一个由隔离器作为边界的集中单元中。 如

47、图6.16 给出了一个典型的采用集中泵浦的拉曼放大器。在图中后向传输的泵浦光功率通过使用隔离器被集中在一个单元中。相比于分布式FRA 应用而言，图中的FRA基本没有泵浦功率进入到外部传输线路中。 图6.16 分立式拉曼放大器工作原理 分立式拉曼放大器采用拉曼增益系数较高的特种光纤（如高掺锗光纤等），这种光纤长度一般为几公里。泵浦功率要求很高，一般在数瓦。分立式拉曼放大器可产生40dB 以上的高增益，其应用方式和EDFA完全一样是用来对信号进行集总式放大，因此主要用于实现EDFA 无法放大的波段。2. 分布式喇曼放大器分布式喇曼放大器 分布式的拉曼放大器（DRA）是一种可以对传输光纤进行泵浦放大

48、的一种放大器。分布式放大器可以使光传输系统的性能得到极大的改善，而以目前的技术来看只有拉曼放大技术才能实现在光传输过程中的分布式放大，因此分布式拉曼放大器在系统中的应用前景正日益重要起来。 分布式拉曼放大器所用的光纤比较长，一般为几十公里，泵源功率可降低到几百毫瓦，主要辅助EDFA 用于提高DWDM 通信系统的性能，抑制非线性效应，提高信噪比。 在DWDM系统中，传输容量，尤其是复用波长数目的增加，使光纤中传输的光功率越来越大，引起的非线性效应也越来越强，容易产生信道串扰，使信号失真。采用分布式光纤拉曼放大辅助传输可大大降低信号的入射功率，同时保持适当的光信号信噪比（OSNR）。这种分布式拉曼

49、放大技术由于系统传输容量提升的需要而得到快速的发展。 分布式光纤拉曼放大辅助传输系统的典型结构如图6.17 所示，DRA 就利用了传输网络中已有的传输光纤作为拉曼增益介质来进行放大。这是一个很典型的放大结构：即后向传输的拉曼泵浦与分立式放大器（如EDFA）结合起来组成的混合放大器。 图6.17 采用分布式拉曼辅助传输的WDM 系统 拉曼泵浦光在DWDM系统的每个传输单元的末端注入光纤，并与信号传输方向相反，以传输光纤为增益介质，对信号进行分布式放大。如此，分布式光纤拉曼放大器与掺铒光纤放大器混合使用，同时对信号进行在线放大。值得注意的是，这种后向拉曼泵浦由于传输单元末端的光信号功率微弱，不会因

50、为拉曼放大而引起附加的光纤非线性效应。 分布式拉曼放大器可作为预放，置于接收机或EDFA 的前面，以提高光传输系统的光信噪比OSNR，增加传输跨距（Span）长度。在长距离传输光纤中，信号被分布式放大，接收端信号的信噪比得到改善。喇曼放大器的特点如下：喇曼放大器的特点如下： （1）喇曼放大器利用石英光纤的固有属性（SRS）来获得信号放大，传输光纤可以用来作为放大媒质，构成分布式放大器（DRA） ，即光信号在传输的同时被放大。（2）工作波长取决于泵浦波长，FRA可以工作在1.3m 波段，也可以在1.5m 波段，增益带宽的位置能够通过调谐泵浦波长来进行调整，增益范围灵活，可调整。（3）在不同波长泵

51、浦下的喇曼增益谱形状几乎不变，而且之间可以相互重叠，这样可以利用多个泵浦提供宽带、平坦增益谱，并可根据需要调整增益谱的范围，即通过多波长泵浦实现宽带放大。已经报道的采用多波长泵浦的光纤喇曼放大器中，增益平坦带宽已达到80nm以上，整个增益带宽可达到120 nm左右。（4）喇曼放大器具有优良的噪声性能，在超长距离传输时，可以保持好的OSNR。目前，数千千米的高速系统一般都要采用喇曼放大器。喇曼放大器的不足之处为：喇曼放大器的不足之处为：（1）喇曼光纤放大器所需要的泵浦光功率高，分立式要用几瓦到几时瓦，实现起来非常困难。而分布式则降低到几百毫瓦。（2）不适合短距离的光放大，因为它作用距离太长，增益系数偏低。分立式FRA作用距离为几公里，放大可达40dB；而分布式作用距离为几十到上百公里，增益只有几分贝到十几分贝，这就决定了它只能适合于长途干线网的低噪声放大。（3）对偏振敏感。泵浦光与信号光方向的振动方向平行时增益最大，垂直时增益最小为0。6.5光放大器的应用光放大器的应用6.5.1掺铒光纤放大器掺铒光纤放大器EDFA的应用的应用 EDFA的工作波长处在1550nm的光纤低损耗窗口上，该窗口的光纤损耗系数较1310nm窗口低。现已商用的EDFA噪声低、增益曲线好、与WDM系统兼容，泵浦效率高、工作性能稳定、技术成熟，在光纤通信传输系统中备受青睐。EDFA主要的