33第六章光放大技术课件

1、第六章 光放大器本章要点 本章主要介绍光放大器原理、类型和主要实现技术。光放大器是实现高速率大容量光纤通信系统重要的系统元件，可以部分地代替光中继器，节约系统成本。 12再生中继器的缺点任何光纤通信系统的传输距离都受光纤损耗或色散限制；因此，传统的长途光纤传输系统，需要每隔一定的距离，就增加一个再生中继器，以便保证信号的质量。这种再生中继器的基本功能是进行光-电-光转换，并在光信号转变为电信号时进行再生、整形和定时处理，恢复信号形状和幅度，然后再转换回光信号，沿光纤线路继续传输。这种方式有许多缺点。首先，通信设备复杂，系统的稳定性和可靠性不高，特别是在多信道光纤通信系统中更为突出，因为每个信道

2、均需要进行波分解复用，然后光-电-光变换，经波分复用后，再送回光纤信道传输，所需设备更复杂，费用更昂贵。其次，传输容量受到一定的限制。3WDM光-电-光转换再生中继器结构 如图所示，传统的光/电/光的放大方式必须首先解复用出单根光纤中的多个信道，然后对每一个信道进行放大，最后再复用在一起，装置复杂、成本倍增。4光放大器出现 多年来，人们一直在探索能否去掉上述光-电-光转换过程，直接在光路上对信号进行放大，然后再传输，即用一个全光传输中继器代替目前的这种光-电-光再生中继器。经过多年的努力，科学家们已经发明了几种光放大器，其中掺铒光纤放大器（EDFA）、分布光纤拉曼放大器（DRA）和半导体光放大

3、器（SOA）技术已经成熟，众多公司已有商品出售。本章对这几种放大器进行简要的介绍。6.1 光放大器原理 光放大器是一种能在保持光信号特征不变的条件下，增加光信号功率的有源设备。 光放大器的基本工作原理是受激辐射或受激散射效应，其工作机制和激光器的发光原理非常相似。实际上，也可以将光放大器理解为是一个没有反馈或反馈较小的激光器。对于某种特定的光学介质，当采用泵浦（电能源或光能源）方法，达到粒子数反转时就产生了光增益，即可实现光放大。该增益通常不仅与入射信号的频率（或波长）有关，而且与放大器内任一点的局部光强有关；该频率和光强与光增益的关系又取决于放大器介质。56.1.1 光放大器的分类及应用现状

4、6光放大器分类半导体光放大器(SOA)掺铒光纤放大器(EDFA) 1550nm非线性光纤放大器掺稀土元素光纤放大器布里渊光纤放大器(FBA)拉曼光纤放大器(FRA)掺镨光纤放大器(PDFA) 1310nm 光放大器的应用现状各种光放大器中，以掺杂光纤放大器研究的居多；掺杂光纤放大器利用掺入石英光纤的稀土离子作为增益介质，在泵浦光的激发下实现光信号的放大，放大器的特性主要由掺杂元素决定；工作波长为1550nm的铒掺杂光纤放大器(EDFA)；工作波长为1300nm的镨掺杂光纤放大器(PDFA)；工作波长为1400nm的铥掺杂光纤放大器(TDFA)；目前，EDFA最为成熟，是光纤通信系统必备器件。6

5、.1.2 光放大器的主要参数泵浦和增益系数增益谱宽与放大器带宽增益饱和和饱和输出功率放大器噪声81. 泵浦和增益系数 光学泵浦提供了所必须的能级间的粒子数反转，因而也就提供了光学增益，考虑一个均匀加宽的增益介质，其增益系数可以表示为 （6-1） 由上式可以确定光放大器的增益谱宽、放大因子和饱和输出功率等参数。9图6-1 两种泵浦原理示意图10泵浦泵浦E3E1E2激光发射（a）三能级泵浦结构（b）四能级泵浦结构E3E1E2E02. 增益谱宽与放大器带宽 小信号或非饱和状态时，增益系数可以表示为 可以看出，当0时增益最大。定义增益谱宽为增益谱g()降至最大值一半处的全宽（FWHM）。 而放大器的带

6、宽定义为G()降至最大放大倍数一半（3dB）处的全宽度FWHM。 放大器的带宽比介质增益谱宽窄的多。 113. 增益饱和和饱和输出功率 增益可以表示为 增益饱和是放大器能力的一种限制因素，通常将放大器增益降至最大小信号增益一半（3dB）时的输出功率定义为饱和输出功率。12图6-2 放大器增益随输出功率的变化134. 放大器噪声 所有光放大器在放大过程中都会把自发辐射（或散射）叠加到信号光上，导致被放大信号的信噪比（SNR）降低，其降低程度通常用噪声指数Fn来表示，其定义为 （6-2） 式中的SNR是由光接收机测得的，因此所得Fn值也和接收机参数有关。理论分析表明，对于理想放大器而言被放大信号的

7、SNR也降低了2倍（3dB），对大多数实际的放大器Fn均超过3dB，并可能达到68dB。 14光放大器应用用光放大器取代光-电-光中继器，作为在线放大器使用。插在光发射机之后，来增强光发射机功率，作为功率放大器，可增加传输距离（10100）km。在接收机之前，插入一个光放大器，对微弱光信号进行预放大，提高接收机灵敏度，这样的放大器称为前置放大器，也可以用来增加传输距离。补偿局域网（LAN）的分配损耗。15EDFA给光纤通信领域带来的革命 EDFA解决了系统容量提高的最大的限制光损耗； 补偿了光纤本身的损耗，使长距离的光纤传输成为可能； 大大增加了功率预算的冗余，系统中引入各种新型光器件成为可能

8、； 支持了最有效的增加光通信容量的方式-WDM； 推动了全光网络的研究开发热潮。6.2 掺铒光纤放大器EDFA一、EDF的结构 EDF在泵浦光的作用下，直接对信号光进行放大，是提供光增益的核心部件。EDF的结构与EDFA工作原理00.20.40.60.81.0010002000300040005000b/a铒离子浓度ppm铒离子浓度与b/a值的关系Er3+ GeO2-Al2O3-SiO2GeO2-SiO2F-SiO22b2aEr掺铒区（浓度11002500ppm)掺锗区直径46um硅包层直径125um+：1.3%-：0.7%EDF的结构与折射率分布 对于EDF，为了实现有效放大所要求的足够多的

9、铒离子数反转，应该增加掺铒区泵浦光的功率密度，为此，需要减小纤芯横截面积Aeff，从而使EDF的结构最佳化；定义有效纤芯面积Aeff为 同时，适当减小b/a值也是必要的，把掺铒区局限在光纤纤芯的中心，但较小的值减小了对泵浦光的吸收效率，并要求较长的EDF，或较高的铒离子浓度；掺铝是为了展宽频带宽度（带宽由掺杂剂决定）。EDF的结构与EDFA工作原理二、EDFA的工作原理 铒的自由离子具有不连续的能级，当Er3+被结合到硅光纤时，它们的每个能级被分裂为许多紧密相关的能级-能带。能级分裂为能带以后会有什么影响？ 在EDFA中能级分裂为能带是有利的：第一：使EDFA对光信号的放大不只是单个波长而是一

10、组波长的能力，即在一段波长范围内的光波长都可以得到放大；第二：避免了细调泵浦激光波长。EDF的结构与EDFA工作原理 EDFA采用掺铒离子单模光纤为增益介质，在泵浦光作用下产生粒子数反转，信号光诱导实现受激辐射放大。 信号光与波长较其为短的光波(泵浦光)同沿光纤传输，泵浦光的能量被光纤中的稀土元素离子吸收而使其跃迁至更高能级，并可通过能级间的受激发射转移为信号光的能量。信号光沿光纤长度得到放大，泵浦光沿光纤长度不断衰减。6-2 EDF的结构与EDFA工作原理Input signal1530nm-1570nmAmplified output signalPower laser (Pump)980

11、nm or 1480nmFiber containing erbium dopant 吸收带可以是520、650、800、980、1480nm； 波长短于980nm的泵浦效率低，因而通常采用980和1480nm泵浦。Er3+有三个工作能级：6-2 EDF的结构与EDFA工作原理1550nm吸收泵浦光快速非辐射跃迁光放大受激辐射产生噪声自发辐射受激吸收基态能带泵浦能带980nm1480nm亚稳态能带 实现粒子数反转的过程：-电子吸收泵浦光跃迁Er3+在未任何光激励的情况下，处于最低能级基态上。 在980nm泵浦光的作用下， 电子不断从基态能级吸收泵浦光的能量跃迁到激发态，但是电子在激发态的生存期

12、很短，对于平均寿命为1us的电子迅速以“非辐射方式跃迁至亚稳态，在亚稳态上电子有较长的寿命，在源源不断的泵浦下，亚稳态上的粒子数积累，从而实现粒子数反转分布； 电子被1480nm的泵浦光不断地泵浦到亚稳态上，此时电子在亚稳态上生存期较长（10ms），不断地积累实现粒子数反转分布。EDF的结构与EDFA工作原理 此动画为实现粒子数反转分布的动画：基态的电子在泵浦光的作用下被源源不断的抽运到泵浦态，泵浦态的电子以无辐射的形式跃迁到亚稳态。EDF的结构与EDFA工作原理实现光放大的过程： 当WDM的信号光通过这段粒子数反转分布的EDF时，电子在WDM信号光作为感应光场的情况下，从亚稳态受激辐射到基态

13、上，并产生与输入光子完全一样（具有相同波长、相同方向和相同相位）的光子，从而实现信号光在EDF的传播过程中被放大。 因此，简单地说，EDFA放大就是把泵浦能量转换为信号光的能量，而且它的效率很高。 泵浦效率等因素的影响，980nm、1480nm半导体激光器更适合于EDFA的泵浦光源，而且这两种半导体激光器已经得到很好的商用化。另外，980nm相对于1480nm而言，增益高、噪声小，是目前EDFA的首选泵浦光源，只用几毫瓦的泵浦功率就可获得高达 30 40 dB 的放大器增益。EDF的结构与EDFA工作原理 此动画为实现光放大过程的动画：亚稳态上的反转分布粒子在信号光的感应下跃迁到基态上，释放出

14、一模一样的大量光子，从而实现光放大。EDF的结构与EDFA工作原理输出信号功率与泵浦功率的关系右图表示输出信号功率与泵浦功率的关系。由图可见，能量从泵浦光转换成信号光的效率很高，因此EDFA很适合作功率放大器。泵浦光功率转换为输出信号光功率的效率为 92.6 %，60 mW功率泵浦时，吸收效率为 88 %。(信号输出功率 信号输入功率) / 泵浦功率266.2.1 EDFA的特点工作波长处于1.531.56m范围，与光纤最小损耗波长窗口一致；对掺铒光纤进行激励所需要的泵浦光功率较低，仅需数十mW；增益高、噪声低、输出功率高。EDFA的典型小信号增益可达40dB，噪声系数可低至34dB，输出功率

15、可达1420dBm；连接损耗低。EDFA是光纤型放大器，其与光纤线路间的连接较为容易，连接损耗可低至0.1dB。276.2.2 EDFA结构 掺铒光纤放大器（EDFA，Erbium Doped Fiber Amplifier是目前最成熟的光放大器。EDFA主要由掺铒光纤（EDF）、泵浦光源、耦合器、隔离器等组成。 28图6-4 EDFA的基本组成29长度为10m100m左右的掺铒光纤，铒离子的掺杂浓度一般为2100 2000ppm左右。半导体激光器，输出功率为10200mW，工作波长为0.98m或1.48m。将信号光和泵浦光耦合在一起。保证信号单向传输、防止反射光影响EDFA的工作稳定性；滤除

16、放大器噪声，提高信噪比。EDFA各部分作用(1) 掺铒光纤 光纤放大器的关键部件是具有增益放大特性的掺铒光纤，因而使掺铒光纤的设计最佳化是主要的技术关键。EDFA的增益与许多参数有关，如铒离子浓度、放大器长度、芯径以及泵浦光功率等。30EDFA各部分作用(2) 泵浦源 对泵浦源的基本要求是高功率和长寿命。它是保证光纤放大器性能的基本因素。几个波长可有效激励掺铒光纤。最先使用1480 nm的 InGaAs 多量子阱(MQW)激光器，其输出功率可达 100 mW，泵浦增益系数较高。 随后采用980nm 波长泵浦，效率高, 噪声低，现已广泛使用。31EDFA各部分作用(3) 波分复用器其作用是使泵浦

17、光与信号光进行复合。对它的要求是插入损耗低，因而适用的WDM器件主要有熔融拉锥形光纤耦合器和干涉滤波器。(4) 光隔离器在输入、输出端插入光隔离器是为了抑制光路中的反射，从而使系统工作稳定可靠、降低噪声。对隔离器的基本要求是插入损耗低、反向隔离度大。32EDFA各部分作用(5) 光滤波器滤除放大器噪声，提高信噪比。33EDFA泵浦方式 EDFA的内部按泵浦方式分，有三种基本的结构：即同向泵浦、反向泵浦和双向泵浦。 同向泵浦 信号光与泵浦光以同一方向从掺铒光纤的输入端注入的结构，也称为前向泵浦。输入泵浦光较强，故粒子反转激励也强，其增益系数大。其优点是构成简单，噪声指数较小；缺点是输出功率较低。

18、34光隔离器WDMEDF光隔离器泵浦激光器输入信号输出信号光滤波器同向泵浦EDFA泵浦方式反向泵浦 信号光与泵浦光从两个不同方向注入进掺铒光纤的，两者在掺铒光纤中反向传输。也称后向泵浦。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，输出功率比同向泵浦高；缺点是噪声性能差。35光隔离器WDMEDF光隔离器输入信号泵浦激光器光滤波器反向泵浦EDFA泵浦方式 双向泵浦 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。 36光隔离器WDMEDF光隔离器输入信号输出信号泵浦激光器泵浦激光器光滤波器WDM双向

19、泵浦不同泵浦方式性能差异37三种方式的转换效率分别为61%、76和77。在同样泵浦条件下，同向泵浦式的输出最低。信号输出光功率与泵浦光功率的关系输出功率加大将导致粒子反转数的下降，因而在未饱和区，同向泵浦式噪声指数最小，但在饱和区，情况将发生变化。对于不同掺铒光纤长度，同向泵浦方式噪声都最小。6.2.3 EDFA性能参数 功率增益 输出功率特性 噪声特性 381. 功率增益 定义为输出功率与输入功率之比。EDFA的增益大小与多种因素有关，通常为1540dB。39例：EDF的输入光功率是300W，输出功率是60mW, EDFA的增益是多少？假如放大自发辐射噪声功率是30W，EDFA的增益又是多少

20、？解：EDFA增益是或当考虑放大自发辐射噪声功率时，EDFA增益为 以上结果是单个波长光的增益，不是整个EDFA带宽内的增益。图6-14 增益（G）与掺铒光纤长度的关系41对于给定的放大器长度L，放大器增益最初随泵浦功率按指数函数增加，但是当泵浦功率超过一定值后，增益的增加就减小2. 输出功率对于EDFA而言，当输入功率增加时，受激辐射加快，以至于减少了粒子反转数，使受激辐射光减弱，输出功率趋于平稳。衡量EDFA的输出功率特性通常使用3dB饱和输出功率，其定义为饱和增益下降3dB时所对应的输出功率值。42增益饱和（饱和输出功率） 输入信号的功率越大增益G越大！ 一个高功率的输入信号，意味着每单

21、位时间内大量的光子进入EDF，然后这些光子在单位时间内激发高能级到低能级的大量迁移，这意味着高能级会很快耗尽光子，即：输入光功率越大，高能级将会有很少的粒子数。高能级上的粒子数耗尽意味着增益的减少，这种现象称为增益饱和。 饱和输出功率： 增益相对小信号增益减少3dB时的输出信号的光功率称为饱和输出功率。 小信号增益： EDFA工作在线性范围区域时的增益，此时在给定的信号波长和泵浦功率下，增益G基本上与输入信号光功率无关，即：输入光功率较小（小信号）时，增益是一个常数，用G0表示，输出光功率Pout与输入光功率Pin成正比例。 增益比小信号增益降低3dB时的波长间隔，称为小信号增益波长带宽，可以

22、达到35nm以上。饱和输出功率：放大器增益降至小信号增益一半时的输出功率。3dBPout,sat当Pin增大到一定值后，光放大器的增益G开始下降。增益饱和现象。饱和区域G0增益G是激励光纤长度的函数 EDF有一最佳长度。EDF中泵浦租用是沿激励光纤长度提供的，对于一定的泵浦光功率，如果EDF的长度超过了一定的范围，泵浦光功率沿光纤衰减，然后消耗到阈值功率以下，信号光将会受到越来越小的增益，并且最终经受损耗，即：低能级上有比高能级上更多的电子，其能量不足以使EDF中的粒子数翻转，而且要吸收已放大的信号能量，此时，EDF对信号光开始产生吸收损耗。 因此，EDF有一最佳长度，它与光纤的特性有关，如：

23、掺杂浓度、增益带宽等。小信号增益随放大器长度而变的曲线 增益的大小考虑了EDF的长度以后，还有什么因素需要考虑？小信号增益随泵浦功率而变 泵浦功率越大，激发到高能级上的电子数量就越多，EDFA的增益就越大，但是，并不是说高的泵浦功率会从低能级上扫除所有的电子！光放大是一个动态过程，在低能级不断堆积信号光激发从激发态能级上落下的电子。 对于给定的放大器长度（EDF长度），增益随泵浦功率在开始时按指数增加，当泵浦功率超过一定值时，增益增加变缓，并趋于一恒定值。 EDFA放大多信道时，泵浦功率被所有要放大的波长共享，传输的多路复用的波长数越多，为满足EDFA的泵浦功率就越大。 多信道同时被放大时，不

24、同波长的增益一样吗？2022/7/14增益G是输入波长的函数 增益谱G()：增益G与信号光波长的关系。光放大器的增益谱不平坦。增益平坦性： 3. 噪声 EDFA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，EDFA的噪声主要有以下四种：信号光的散粒噪声；被放大的自发辐射光的散粒噪声；自发辐射光谱与信号光之间的差拍噪声；自发辐射光谱间的差拍噪声。 以上四种噪声中，后两种影响最大，尤其是第三种噪声是决定EDFA性能的主要因素。 理论分析表明，EDFA的噪声指数Fn的极限值是3dB。这表明在即使是在理想情况下，每经过一个EDFA，信噪比也会下降一半。52例 光

25、放大器噪声指数53EDFA 特性小结对于给定的放大器长度L，放大器增益最初随泵浦功率按指数函数增加，但是当泵浦功率超过一定值后，增益的增加就减小。对于给定的泵浦功率，放大器的最大增益对应一个最佳光纤长度，并且当超过这个最佳值后很快降低，其原因是铒光纤的剩余部分没有被泵浦，反而吸收了已放大的信号。选择适当的 L 值和 PP,，获得所需要的增益。当用1.48m 波长的激光泵浦时，如泵浦功率 5mW，放大器长度 30 m，则可获得 35dB 的光增益。54掺铒光纤放大器的优点55光纤通信（第3版） 原荣 编著566.2.4 EDFA在光纤通信系统中的应用 在长距离、大容量、高速率光纤通信系统中，ED

26、FA有多种应用形式，其基本作用是：（1）延长中继距离，使无中继传输达数百公里。（2）与波分复用技术结合，可迅速简便地实现扩容。（3）与光孤子技术结合，可实现超大容量、超长距离光纤通信。（4）与CATV等技术结合，对视频传播和ISDN具有积极作用。57EDFA应用形式58功率放大（BA） 功率放大是指将EDFA设置于光发送机后，BA可以提高注入光纤的有效光功率，从而延长中继距离。BA的引入会导致入纤功率的大幅提高，可能会在光纤中激发出较强的非线性效应，因此在实际应用中要对其输出功率进行仔细控制。应具有较高的饱和输出功率。EDFA应用形式59线路放大（LA） 线路放大是指将EDFA置于光纤链路原有

27、中继器的位置，对信号进行在线放大。LA是EDFA最常见的应用形式，广泛应用于长途和本地通信系统中，替代复杂昂贵的光中继器。要求：应有：中等的增益；中等的噪声；中等的饱和输出功率。 这是EDFA在光纤通信系统中的一种重要应用，它可替代传统的O/E/O中继器，对线路中的光信号直接进行放大，是实现全光通信的重要保障之一。EDFA应用形式61前置放大（PA） 前置放大是指将EDFA置于光接收机之前。PA可以将光纤线路传输的微弱光信号进行放大，从而提高光接收机的灵敏度。PA一般工作在小信号状态，因此需要有较高的噪声性能和增益系数，而不需要很高的输出功率以避免造成光接收机过载。要求：高增益（不是功率）；低

28、噪声。 作前置放大器时，使接收机灵敏度提高1020dB。 用途：放大一个长距离传输后的微弱光信号。 前置放大器的另一个重要特性参数是它的灵敏度，即EDFA能处理的光输入信号的最小功率。前置放大器能运行在-40dBm（0.1uW）的输入功率条件下。EDFA应用形式63局域网的功率放大器增加网络节点数 局域网的功率放大器补偿分配损耗，增加网络节点数。EDFA+WDM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，极大地扩大了网径和用户数量。 EDFA应用形式64功率、在线、前置放大器的组合光发射机+功率放大器+前置放大器+光接收机光发射机+功率放大器+线路放大器

29、+光接收机光发射机+线路放大器+前置放大器+光接收机光发射机+功率放大器+线路放大器+前置放大器+光接收机二、EDFA的大功率化 WDM系统要求EDFA具有足够高的输出功率，以保证各信道获得足够的光功率。方法：多级泵浦221916输出功率（dBm）15401570双包层结构的EDF=0.7%=1.3%纤芯内包层外包层用于制作大功率EDFA的双包层光纤结构图芯层：5m内包层： 50m芯层(掺铒)：传播信号光内包层：传播泵浦光双包层光纤是实现EDFA的重要技术，信号光在中心的纤芯里以单模传播，而泵浦光则在内包层中以多模传输。三、EDFA的宽带化 长波段（L-band）掺铒光纤放大器： L波段的造价

30、高，原因是：低反转水平，需长掺铒光纤，强泵浦，此波段其它光器件价格较高。2022/7/14四、EDFA在级联中可能出现的问题及解决办法 EDFA的引入一方面使系统的中继距离加大，节省设备成本；另一方面也产生了一些新的问题，如非线性、高的输出功率（增益钳制）、噪声积累和增益均衡等，并且对高速线路系统构成影响。1. 噪声积累 第一级EDFA对信号进行放大的同时，产生放大的自发辐射噪声ASE（前向与后向），此时ASE与放大信号一同沿光纤传输，会被第二级、第三级 EDFA放大，同时，第二级、第三级 EDFA也将产生自己的ASE噪声，并且不断积累，放大累积的噪声以两种方法影响系统性能： 放大累计的ASE

31、被接收机接收，影响系统的性能（误码率、灵敏度等）；当ASE幅度增加到一定程度时，它开始使光放大器饱和并减小信号增益。 当K个EDFA级联时，考虑ASE影响的有效噪声系数：解决办法：滤波器滤除；EDFA在光纤通信系统中的应用以及大功率化 噪声积累到一定程度后，插入一个O/E/O中继器，使含有累积噪声的输出信号由相关电路（经门限电路判决）去掉该噪声。2. 增益均衡（增益平坦化） EDFA对不同波长光信号的放大增益不同，从而在EDFA多级串联后，使不同波长的光增益相差很大（贫富差距拉大），这就限制了WDM系统中使用的信道数量。EDFA在光纤通信系统中的应用以及大功率化EDFA在光纤通信系统中的应用以

32、及大功率化EDFA级联特性：信道间增益竞争，多级级连使用导致“尖峰效应”。15441569典型的EDFA增益谱固有的增益不平坦，增益差随级联放大而积累增大各信道的信噪比差别增大各信道的接收灵敏度不同! 增益谱的形状随信号功率而变，在有信道上、下的动态情况下，失衡情况更加严重。EDFA在光纤通信系统中的应用以及大功率化BER接收光功率光功率波长光功率波长光发射机光发射机光发射机光发射机N 123光接收机光接收机光接收机光接收机EDFA1N 32EDFA在光纤通信系统中的应用以及大功率化光放大的增益平坦化技术：（1）插入衰减器法 使EDFA输出的光信号经波分复用后变成独立波长的光信号，使增益大的波

33、长对应大的衰减值，从而实现各波长的增益均衡，然后再经波分复用器复用后送入光纤传输。（2）单独放大法 对光功率不同的每个波长的光信号选用增益不同的EDF进行放大。EDFA在光纤通信系统中的应用以及大功率化（3）滤波器法 采用透射谱与掺铒光纤增益谱反对称的滤波器使增益平坦化，即：使增益大的波长信号对应小的透过率值，反之对应大的透过率值。常采用的滤波器有：薄膜滤波、长周期光纤光栅、周期调制的双芯光纤等。EDFA在光纤通信系统中的应用以及大功率化 EDFA + 均衡器 合成增益(平坦化光谱)（4）增益互补法 （1）（3）方案都是以牺牲放大器的部分功率为代价来获取均衡效果，而采用增益互补法，把掺杂不同的

34、增益互补的两段EDF连接起来，不但能实现均衡，而且能做到不影响放大器的工作效率。主掺杂是Er3+。（5）新型宽谱带掺杂光纤 如掺铒氟化物玻璃光纤（30nm平坦带宽）、铒/铝共掺杂光纤（20nm）等， 静态增益谱的平坦，掺杂工艺复杂。EDFA在光纤通信系统中的应用以及大功率化（6）声光滤波调节法 根据各信道功率，反馈控制放大器输出端的多通道声光带阻滤波器，调节各信道输出功率使之均衡，动态均衡需要解复用、光电转换、结构复杂，实用性受限。（7）预失真补偿法不灵活，传输链路变换后，输入功率也要随之调整EDFA在光纤通信系统中的应用以及大功率化3. 增益钳制什么是增益钳制？ EDFA对信道的插入、分出或

35、信道无光故障等因素引起的输入光功率的变化（较低速变化）能产生响应-瞬态特性。在系统应用中应予以控制-增益钳制。EDFA瞬态特性对通信的影响？ 瞬态特性使得剩余信道获得过大的增益，并输出过大的功率，而产生非线性，最终导致其传输性能的恶化-需进行自动增益控制。 对于级联EDFA系统，瞬态响应时间可短至几几十s，要求增益控制系统的响应时间相应为几几十s。EDFA在光纤通信系统中的应用以及大功率化增益钳制技术：（1）电控 监测EDFA的输入光功率，根据其大小调整泵浦功率，从而实现增益钳制，是目前最为成熟的方法。LDPumpInOut泵浦控制均衡放大器（电控）EDFAEDFA在光纤通信系统中的应用以及大

36、功率化（2）在系统中附加一波长信道 根据其它信道的功率，改变附加波长的功率，而实现增益钳制。注入激光EDFA在光纤通信系统中的应用以及大功率化83例题 EDFA增益6.3 光纤拉曼放大器FRA 拉曼放大具有广阔的光谱范围。拉曼放大器FRA是唯一能在1260nm到1675nm的光谱上进行放大的器件。拉曼放大器适合于任何类型的光纤，且成本较低。FRA可采用同向、反向或双向泵浦，增益带宽可达6THz。 光纤拉曼放大器（FRA）是基于非线性光学效应的原理，它利用强泵浦光束通过光纤传输时产生受激拉曼散射，一个较高能量（较短波长）的入射泵浦光子产生一个较低能量（较长波长）的光子，剩余的能量以分子振荡的形式

37、（光声子）被介质吸收。 84 RS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，产生自发拉曼散射；泵浦光超过某个阈值，产生受激拉曼散射。大量试验得到石英光纤的斯托克斯频移(拉曼增益带宽)为13.2THZ。自发拉曼散射的强度一般只有入射光强度的百万分之一或亿万分之一。波长光功率(dB)1550nm1450nm光纤(b)有泵激光的1550nm传输1450nm1550nm如果光纤中同时存在两个光束，会发生受激拉曼散射。图中一个弱信号和一个强泵浦光同时在光纤中传输，高频、高能量（波长较短）为泵浦光；低频、被放大（波长较长）为信号光。并使弱信号波长置于泵浦光的拉曼增益带宽内，当泵浦功率增加到

38、一定值时，光纤呈现非线性，出现受激发拉曼散射，弱信号即可被放大。这种基于SRS机制的光放大器称为光纤拉曼放大器FRA。FRA是靠非线性散射实现放大功能，不需要能级间粒子数反转FRA工作原理87 光纤分布式拉曼放大器分布式拉曼放大器（DRA）采用强泵浦光对传输光纤进行泵浦，可以采用前向泵浦，也可以采用后向泵浦；因后向泵浦减小了泵浦光和信号光相互作用的长度，从而也就减小了泵浦噪声对信号的影响，所以通常采用后向泵浦。增益介质：系统传输光纤。工作原理：基于非线性光学效应。 如果一个弱信号光与一个强泵浦光同时在一根光纤中传输，并且弱信号光的波长在泵浦光的拉曼增益带宽内，则强泵浦光的能量,通过受激拉曼散射

39、,耦合到光纤硅材料的振荡模中，然后又以较长的波长发射，该波长就是信号光的波长，从而使弱信号光得到放大，获得拉曼增益。88因为分布式拉曼放大器的增益频谱只由泵浦波长决定，而与掺杂物的能级电平无关，所以只要泵浦波长适当，就可以在任意波长获得信号光的增益分布式拉曼放大器DRA工作原理89拉曼放大技术应用分布式拉曼放大器不但能够工作在EDFA常使用到的 C 波段（1530 1564 nm）而且也能工作在波长较短的 S 波段（1350 1450 nm）和较长的 L 波段（1564 1620 nm），完全满足全波光纤对工作窗口的要求。分布式拉曼放大器的工作原理和特性如果一个弱信号光与一个强泵浦光同时在一根

40、光纤中传输，并且弱信号光的波长在泵浦光的拉曼增益带宽内，则强泵浦光的能量通过受激拉曼散射耦合到光纤硅材料的振荡模中，然后又以较长的波长发射，该波长就是信号光的波长，从而使弱信号光得到放大，获得拉曼增益。906.3.1 受激拉曼散射原理 在许多非线性介质中，受激拉曼散射将一小部分入射功率由一光束转移到另一频率下移的光束，频率下移量由介质的振动模式决定，此过程称为受激拉曼效应。 量子力学描述为入射光波的一个光子被一个分子散射成为另一个低频光子，同时分子完成振动态之间的跃迁，入射光作为泵浦光产生称为斯托克斯波的频移光。91图6-17 受激拉曼散射的工作原理92图6-18 泵浦波长为1m时测得的拉曼增

41、益谱936.3.2 FRA结构 光纤拉曼放大器的基本结构如图6-19所示。在输入端和输出端各有一个隔离器，目的是使信号光单向传输。泵浦激光器用于提供能量。近年来，FRA的泵浦源共有三个方案：一是大功率半导体激光器（LD）及其组合，二是Raman光纤激光器（RFL）；三是半导体泵浦固体激光器（DPSSL）。 94图6-19 FRA基本结构示意图95与EDFA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长度，从而减少泵浦噪声对信号影响，多用后向泵浦方式。多个泵浦激光器扩展放大带宽。光隔离器WDM光隔离器输入信号输出信号泵浦激光器光滤波器按放大方式分为分立

42、式和分布式：分布式：沿光纤分布的光信号进行在线放大。主要作为传输光纤损耗的分布式补偿放大，传输的普通光纤作增益介质，传输距离比较长，可达100km左右；泵浦源功率几百毫瓦；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非线性效应的干扰。 分立式(集总式)：集中对光信号进行放大。 主要作为高增益、高功率放大，介质通常是色散补偿光纤或高非线性光纤 ，比较短，一般10km以内；泵浦源功率几瓦到几十瓦。EDFA也属于分立式。FRA不同配置97思考题：拉曼放大器与受激辐射的光放大器工作原理有何不同？ 2.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

43、无关。 1.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，因为分子不吸收信号光子；6.3.3 拉曼放大技术应用分布式拉曼放大器不但能够工作在EDFA常使用到的 C 波段（1530 1564 nm）。而且也能工作在波长较短的 S 波段（1350 1450 nm）和较长的 L 波段（1564 1620 nm），完全满足全波光纤对工作窗口的要求。由于分布式拉曼放大器可利用传输光纤做在线放大，它与EDFA的组合使用，可明显的提高长距离光纤通信系统的增益和 Q 值，降低系统的噪声指数，扩大系统传输的跨距。分布式拉曼放大器可使DWDM系统的信道间距减小，扩大系统的带宽容量。99分布

44、式拉曼放大器（DRA）采用强泵浦光对传输光纤进行泵浦，可以采用前向泵浦，也可以采用后向泵浦；因后向泵浦减小了泵浦光和信号光相互作用的长度，从而也就减小了泵浦噪声对信号的影响，所以通常采用后向泵浦。100光功率在分布式拉曼放大传输光纤中的分布表示后向泵浦的光纤分布式拉曼放大器，32个波长的DWDM 信号光和2个波长的泵浦光在光纤中反向传输时，光功率在传输光纤中的分布情况。由图可见，在光纤的后半段，信号光功率电平已足够低，所以不会产生光纤的非线性影响 。1011.分立式拉曼放大器的应用 与EDFA一样集中放大，通常用于EDFA无法放大的波段分立式拉曼放大器的应用DCF-色散补偿型光纤；C-EDFA

45、-C波段EDFA拉曼泵浦(50W)2.分布式拉曼放大器（DRA）的应用在WDM系统的每个传输单元中，在输入端 注入反向拉曼泵浦，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定的信噪比。 DRA具有噪声低、增益带宽与泵浦波长和功率相关特点。EDFA具有高增益、低成本的特点。采用DRA+EDFA的典型WDM系统混合拉曼/掺铒光纤放大器 拉曼放大器和掺铒光纤放大器各有其独特的特点，将FRA和EDFA结合起来构成混合拉曼/掺铒光纤放大器（HFA），也是提高拉曼放大器性能的一种重要方法。使用混合拉曼/EDFA放大器，可以获得更加平坦的增益谱，从而提高系统的带宽，改善光信噪比（OSNR）。 设

46、计HFA的基本思想就是将掺铒光纤放大器和拉曼放大器级联，组成混合放大器，获得的总增益为两个放大器增益的叠加。 104混合EDFA/FRA结构105信号输入信号输出泵浦LDWDM传输光纤铒掺杂光纤光隔离器6.3.4 FRA的性能1.增益与信号光和泵浦光的频率差有关;频差小,增益大，与泵浦光的功率有关。功率大,增益大。典型的拉曼放大器增益曲线FRA的性能2.带宽EDFA的增益带宽只有80nm。FRA使用多个泵浦源，增益带宽可达132nm，通过选择泵浦光波长可实现任意波长的光放大。3.噪声特性 分布式拉曼放大器经常与EDFA混合使用，其等效总噪声指数为F=FR+FE/GR式中：GR和FR分别是DRA

47、的增益和噪声指数； FE是EDFA的噪声指数。 因为FR通常要比作为功率放大器的EDFA的噪声指数FE要小，所以由上式可知，只要增加拉曼增益GR，就可以减少总的噪声指数 光纤拉曼放大器中主要有三种噪声，一是放大器自发辐射（ASE）噪声，二是串话噪声，三是瑞利散射噪声。另外，拉曼放大器还会受非线性和受激布里渊散射造成的噪声影响。拉曼放大器对系统性能的影响光纤通信系统的性能可用Q值来衡量，Q值越大表示系统的信噪比越大而误码率越小。当系统性能主要由信号和放大自发辐射（ASE）引起的自发辐射产生的拍频噪声决定时，此时Q值可用下式表示 这里P是入射信号功率，F是放大器噪声指数，G是放大器增益，N是光放大

48、器数量，Be是系统的电带宽，hv是常数。这里的分布式拉曼放大器，已等效为在每段传输光纤内EDFA在线放大器之前，增加了一个分立的前置光放大器。由于EDFA+DRA系统的噪声指数F比只使用EDFA的小4 dB，所以EDFA+DRA系统的Q值要比只使用EDFA的大2 dB。1096.3.5 FRA的优点和缺点FRA具有以下优点：(1) 更宽的频段提供放大，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信号放大，为波分复用进一步增加容量拓宽了空间。(2) 增益介质可以为传输光纤本身，与EDFA相比，即使甭浦源失效，也不会增加额外的损失。特别是当采用分布式拉曼放大，光纤中各处

49、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。(3) 噪声指数低，可提升原系统的信噪比。(4) 拉曼增益谱比较宽，如果采用多个泵浦源，则可容易地实现宽带放大。(5) FRA的饱和功率比较高，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。(6) 拉曼放大的作用时间短，为飞秒(10-15s)级，可实现超短脉冲的放大。(7) SRS效应可在任意光纤中发生，即使在普通单模光纤中，也可获得一定增益，因此利用拉曼放大器可在原有光纤基础上直接扩容，可以减少投资；FRA具有以下缺点：(1)拉曼光纤放大器所需要的泵浦光功率高。分立式几瓦到几十瓦，分布式几百毫瓦；EDFA只有几十毫瓦。(2)作用距离太长，增益系数偏低。(3)对偏振敏感。表6-1 FRA与EDFA比较EDFA拉曼放大器放大带宽20nm48nm增 益20dB可达30dB饱和功率取决于发射功率和介质材料取决于泵浦光的功率放大频带决定于媒介决定于泵浦