光放大器原理分类及特点

1、光放大器原理分类及特点第1页，共68页，2022年，5月20日，4点6分，星期一2 内容简介：1 光放大器概述2 掺铒光纤放大器3 光纤拉曼放大器4 其它放大器第2页，共68页，2022年，5月20日，4点6分，星期一 引出铺设更多的光缆成本高受器件响应速度限制Internet 数据量急剧增长追求更高的传输容量提高传输速率光时分复用技术系统复杂波分复用第3页，共68页，2022年，5月20日，4点6分，星期一采用光电光(O-E-O)变换方式信号失真WDM系统引入，复杂性和成本倍增光接收光纤光纤中继器1N 23DWM光发送1N 32DWM第4页，共68页，2022年，5月20日，4点6分，星期一

2、光接收1N 23DWM光发送1N 32DWM重要意义:促使波分复用技术 (Wavelength Division Multiplexing，WDM)走向实用化，促进了光弧子技术和全光网络的发展，使光纤通信技术产生了质的飞跃。光放大器第5页，共68页，2022年，5月20日，4点6分，星期一1 光放大器概述 利用某种具有增益的激活介质对注入其中的微弱光信号进行放大，使其获得足够的光增益，变为较强的光信号，从而实现对光信号的直接光放大。被放大的光信号输入光信号光放大器1.1定义第6页，共68页，2022年，5月20日，4点6分，星期一光放大器是基于受激辐射机理来实现入射光功率放大的。1.2工作原理

3、(2) 受激辐射(1) 能量注入第7页，共68页，2022年，5月20日，4点6分，星期一1.3光放大器的重要指标-增益(1) 增益G：功率增益=10lg输出光功率输入光功率(dB)放大器的放大能力与泵浦功率和光纤长度的参数有关第8页，共68页，2022年，5月20日，4点6分，星期一1.3光放大器的重要指标-增益(2)增益饱和与饱和输出功率：表示最大输出能力 当输入光功率比较小时，增益G是一个常数，用符号G0表示，称为光放大器的小信号增益。 但当G增大到一定数值后，光放大器的增益开始下降，这种现象称为增益饱和；当光放大器的增益降至小信号增益G0的一半，也就是用分贝表示为下降3dB时，所对应的

4、输出功率称为饱和输出光功率，是放大器的一个重要参数，饱和输出功率用Pouts表示。9第9页，共68页，2022年，5月20日，4点6分，星期一1.3光放大器的重要指标-噪声(1)光放大器的噪声来源： 主要由于自发辐射被放大。自发辐射光子的相位和方向是随机的。对于有用信号没有贡献，就形成了信号带宽内的噪声，与放大信号在光纤中一起传输、放大，降低了信号光的信噪比。(3)噪声系数 信噪比的劣化用噪声系数Fn表示，定义为输入信噪比与输出信噪比的比值。10(2)信噪比：正常信号功率与噪声功率的比值。第10页，共68页，2022年，5月20日，4点6分，星期一光放大器分类半导体光放大器(SOA)掺铒光纤放

5、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)1.4光放大器家族掺镨光纤放大器(PDFA) 1310nm拉曼光纤放大器(FRA)第11页，共68页，2022年，5月20日，4点6分，星期一 内容简介：2.1EDF结构2掺铒光纤放大器2.3结构和特性122.2工作原理2.4性能指标2.5应用2.6优缺点第12页，共68页，2022年，5月20日，4点6分，星期一2 掺铒光纤放大器 掺铒（Er3+）光纤放大器(Erbium-Doped Fiber Amplifier，EDFA)是将掺铒光纤在泵浦源作用下形成的光纤放大器。发展进程：1964年，美国光学公

6、司制成了第一台掺铒玻璃激光器。1970年，光纤出现后，转入进行在光纤中掺杂激光器件的研究。1985年，英国南安普顿大学的迈尔斯等人制成了掺铒光纤激光器。1986年，又制造出EDFA。EDFA已经商用化第13页，共68页，2022年，5月20日，4点6分，星期一构造与单模光纤的构造一样。铒离子位于纤芯中央地带，将铒离子放在这里有利于其最大地吸收泵浦和信号能量，从而产生好的放大效果。材料掺Er3+光纤2.1 EDF的结构 折射率较低的玻璃包层完善波导结构，提供抗机械强度的特性。涂覆层将光纤总直径增大到 250m。第14页，共68页，2022年，5月20日，4点6分，星期一回顾：光与物质相互作用的三

7、个过程第15页，共68页，2022年，5月20日，4点6分，星期一2.2 EDFA的工作原理Er+3外层电子具有三能级结构： 能级1代表基态，能量最低。能级2是亚稳态，处于中间能级。能级3代表激发态， 能量最高。16基态亚稳态激发态平均寿命1s平均寿命第16页，共68页，2022年，5月20日，4点6分，星期一2.2 EDFA的工作原理 当泵浦(Pump, 抽运)光激励，铒离子吸收泵浦光，基态跃迁到激发态。 激发态不稳定，Er3+很快返回到亚稳态。 亚稳态粒子数积累，形成粒子数反转分布。 如果输入的信号光的能量等于基态和亚稳态的能量差，亚稳态的Er3+将跃迁到基态，产生一个与信号光子完全一样的

8、光子，实现了信号光在掺铒光纤中的放大。平均寿命1s平均寿命泵浦波长放大器带宽 激发态亚稳态基态第17页，共68页，2022年，5月20日，4点6分，星期一2.2 EDFA的工作原理EDFA的工作过程：EDFA的工作过程 980 nm光子泵浦激光器使er3+从基态泵浦能带(激发态)受激离子激发态亚稳带衰变得非常快(约1s)。多余的能量以声子形式释放。er3+从亚稳态能带 底端, 时间长(10 ms左右)。第18页，共68页，2022年，5月20日，4点6分，星期一2.2 EDFA的工作原理EDFA的工作过程 若有1480nm泵浦激光器直接把电子从基态亚稳态能级的顶部；电子将移到亚稳态能级的较低端

9、，这时出现粒子数反转分布；第19页，共68页，2022年，5月20日，4点6分，星期一2.2EDFA的工作原理EDFA的工作过程信号光激励,基态到亚稳态跃迁： 1.基态的离子将吸收一小部分外部光,将跃迁到亚稳态-受激吸收 。亚稳态离子，无激励光子流时，一部分跃迁到基态； 自发辐射放大(ASE)-导致放大器的噪声。 2. 信号光子触发激发态的离子使其下降到基态. 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新光子。 实现光信号放大。第20页，共68页，2022年，5月20日，4点6分，星期一亚稳态和基态的宽度：15301560nm超过1560nm时增益会稳定下降，在大约1

10、616nm处降至0dB。2.2EDFA的工作原理第21页，共68页，2022年，5月20日，4点6分，星期一例EDFA和LD中都有受激辐射，两者有何区别？答：EDFA中的受激辐射产生于整个掺铒光纤材料中，其中粒子数反转分布是在掺铒光纤材料的三能级结构之间直接（泵浦激光1480nm时）或间接（泵浦激光980nm时）实现的（最终在能级E2和E1之间形成粒子数反转分布）。三个能级是：低能级E1是基态能级，中间能级E2是亚稳态能级（电子平均寿命可达10ms），高能级E3是非稳态能级（电子的平均寿命1s）。LD中受激辐射产生于p-n结半导体材料中的有源区，其中粒子数反转分布是在有源区导带和价带能级之间直

11、接实现的。所谓有源区，是指加上适当正向电压后，p-n结交界面附近具有粒子数反转分布状态的窄区域。 第22页，共68页，2022年，5月20日，4点6分，星期一2.3 EDFA结构和特性-结构EDF的增益取决于Er3+的浓度、光纤长度和直径以及泵浦光功率等多种因素，通常由实验获得最佳增益。波分复用器(WDM)把泵浦光与信号光耦合；基本要求：采用插入损耗小，熔拉双锥光纤耦合器型波分复用器。光隔离器置于两端防止光反射；保证系统稳定工作和减小噪声。光滤波器是滤除放大器噪声，提高系统的信噪比。掺铒光纤(EDF)和高功率泵浦光源是关键器件；对泵浦光源（波长通常为980 nm或1480 nm）的基本要求是大

12、功率和长寿命。现在的研究表明波长为980 nm的泵浦效率最高，且噪声较低，是未来发展的方向。第23页，共68页，2022年，5月20日，4点6分，星期一2.3 EDFA结构和特性-结构同向泵浦 因泵浦源所在的位置不同，分成同向、反向及双向泵浦方式。 1.同向泵浦：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。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第24页，共68页，2022年，5月20日，4点6分，星期一2.3EDFA结构和特性-结构2.反向泵浦：泵浦光与信号光从不同的方向输入掺

13、铒光纤，两者在掺铒光纤中反向传输。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。输出信号光隔离器WDMEDF光隔离器输入信号泵浦激光器光滤波器反向泵浦第25页，共68页，2022年，5月20日，4点6分，星期一2.3 EDFA结构和特性-结构3.双向泵浦：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。 双向泵浦光隔离器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第26页，共68页，2022年，5月20日，4点6分，星期一2.3

14、EDFA结构和特性-特性三种泵浦方式比较：1.信号输出功率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第27页，共68页，2022年，5月20日，4点6分，星期一2.3 EDFA结构和特性-特性三种泵浦方式比较：2.噪声特性 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。放大器输出功率与NF的关系光纤长度与NF的关系第28页，共68页，2022年，5月20日，4点6分，星期一三种泵浦方式性能差异总结：同向泵浦: 噪声性能

15、好反向泵浦: 输出功率大双向泵浦: 兼有上述优点,但成本高2.3 EDFA结构和特性-特性第29页，共68页，2022年，5月20日，4点6分，星期一2.4 EDFA的重要指标-增益 EDFA的输出功率含信号功率和噪声功率两部分，噪声功率记为PASE，则EDFA的增益为式中，分别是输出光信号和输入光信号功率。EDFA的增益通常为1540dB。大小与铒离子浓度、泵浦功率和掺铒光纤长度有关。第30页，共68页，2022年，5月20日，4点6分，星期一2.4 EDFA的重要指标-增益 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。 原因：长度增加，纤中泵浦光功率下降

16、，且掺铒光纤损耗远大于普通光纤，从而导致增益下降。掺铒光纤长度与放大器增益关系对某个确定的泵浦功率存在一个最佳光纤长度，使得增益最大。第31页，共68页，2022年，5月20日，4点6分，星期一2.4 EDFA的重要指标-增益不同长度的掺铒光纤，在泵浦功率不受限时，最大的光放大器增益G受限于光纤长度。泵浦功率与放大器增益关系从泵浦功率和光纤长度两方面综合考虑，以达到所要求的增益标准。第32页，共68页，2022年，5月20日，4点6分，星期一可应用能量守恒原理，EDFA的输入输出功率表示为2.4 EDFA的重要指标-增益 物理意义：EDFA输出信号能量不能超过注入泵 浦能量。第33页，共68页

17、，2022年，5月20日，4点6分，星期一例题：EDFA做功率放大器，设其增益为20dB，泵浦波长为=980nm，输入光信号的功率为0dBm，假如波长为1550nm，求所用的最小泵浦源功率为多少？ 功率放大器增益表达式为：解：入射功率0dBm，即为1mw。可求出EDFA的输出光信号功率为:,得到泵浦输入功率应满足由第34页，共68页，2022年，5月20日，4点6分，星期一2.4 EDFA的重要指标-噪声系数3.噪声系数 噪声系数Fn决定于自发辐射。 实验证实：在EDFA中，可得到接近3dB的噪声系数，这是噪声系数的极限。 EDFA极低噪声，成为光纤通信中的理想放大器，是在光纤通信系统中广泛应

18、用的一个重要原因。 但即使噪声这样低，当长距离光纤通信系统采用多级EDFA级联时，噪声影响使系统长度也受限。第35页，共68页，2022年，5月20日，4点6分，星期一例：若EDFA输入信号为300uW，在1 nm带宽内的输入噪声功率是30 nw，输出信号功率是60 mW，在1 nm带宽内的输出噪声功率增大到20uW，计算光放大器的噪声指数。解：光放大器的输入信噪比为：光放大器的输出信噪比为： 噪声指数为：第36页，共68页，2022年，5月20日，4点6分，星期一2.5 EDFA的系统应用1. EDFA用作前置放大器 光接收器之前，提高接收机灵敏度可提高1020dB。即，在光信号进入接收机前

19、，得到放大，以抑制接收机内的噪声。小信号放大，要求低噪声，但输出饱和功率则不要求很高。第37页，共68页，2022年，5月20日，4点6分，星期一2.5 EDFA的系统应用2. EDFA用作功率放大器 放在光发射机之后用来提升输出功率，将通信距离延长10-20km。通信距离由放大器增益及光纤损耗决定，功率放大器除了要求低噪声外，还要求高饱和输出功率。第38页，共68页，2022年，5月20日，4点6分，星期一2.5 EDFA的系统应用3. EDFA用作线路放大器 非常适合用在海底光缆，没有电中继器的光-电-光过程。用EDFA可代替半导体光放大器，对线路中的光信号直接进行放大，使得全光通信技术得

20、以实现。第39页，共68页，2022年，5月20日，4点6分，星期一2.5 EDFA的系统应用4.EDFA用作本地网放大器 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。 40第40页，共68页，2022年，5月20日，4点6分，星期一2.6 EDFA的优点和缺点优点：工作频带正处于光纤损耗最低处(1525-1565nm)； 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，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。频带宽，可以对多路信号同时放大-波分复用；增益高，噪声低，输出功率大。增益达40

21、dB。输出功率在单向泵浦14dBm，双向泵浦17dBm-20dBm，充分泵浦时，噪声系数可低至34dB，串话也很小。第41页，共68页，2022年，5月20日，4点6分，星期一2.6 EDFA的优点和缺点优点：增益特性不敏感。对温度不敏感，在100内增益特性保持稳定。可实现信号的透明传输。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。缺点：波长固定，只能放大1.55m左右的光波。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，可调节的波长有限，只能换用其他元素。增益带宽不平坦。在WDM系统中需要采用特殊的手段来进行增益谱补偿。第42页，共68页，2022年，5月2

22、0日，4点6分，星期一 内容简介：3.3系统应用3.1工作原理3光纤拉曼放大器3.2结构3.4性能指标3.5优缺点第43页，共68页，2022年，5月20日，4点6分，星期一3 光纤拉曼放大器 EDFA 光纤的最低损耗区即C波段(1530-1565nm)， 适当设计用于L波段(1565-1625nm)信号的放大。光纤拉曼放大器(Fiber Raman Amplifer，FRA)可以用于其它波段的放大,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。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。EDFA+拉曼放大器，是目前的通信系统中比较成熟的一种方

23、式。第44页，共68页，2022年，5月20日，4点6分，星期一3.1FRA工作原理FRA实现放大是基于光纤中的非线性效应：受激拉曼散射（Stimulated Raman Scattering，SRS）。拉曼散射基本原理：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。第45页，共68页，2022年，5月20日，4点6分，星期一 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

24、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。第46页，共68页，2022年，5月20日，4点6分，星期一波长光功率(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

25、现放大功能，不需要能级间粒子数反转3.1FRA工作原理第47页，共68页，2022年，5月20日，4点6分，星期一思考题：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；第48页，共68页，2022年，5月20日，4点6分，星期一3.2 FRA的结构与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

26、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FRA基本结构第49页，共68页，2022年，5月20日，4点6分，星期一3.2 FRA的结构光隔离器WDM光隔离器输入信号输出信号泵浦激光器光滤波器FRA基本结构按放大方式分为分立式和分布式：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

27、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。第50页，共68页，2022年，5月20日，4点6分，星期一1.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3.3 FRA的系统应用分立式拉曼放大器的应用DCF-色散补偿型光纤；C-EDFA-C波段EDFA拉曼泵浦(50W)第51页，共68页，2022年，5月20日，4点6分，星期一3.3 FRA的系统应用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

28、。 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系统第52页，共68页，2022年，5月20日，4点6分，星期一3.4 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第53页，共68页，2022年，5月20日，4点6分，星期一3.4 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。第54页，共68页，2022年，5月20日，4点6分，星期一3.4 FR

29、A的性能3.噪声指数 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。第55页，共68页，2022年，5月20日，4点6分，星期一3.5 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

30、，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。第56页，共68页，2022年，5月20日，4点6分，星期一3.5 FRA的优点和缺点FRA具有以下优点：(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。第57页，共68页，2022年，5月20日，4点6分，星期一3.5 FRA的优点和缺

31、点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。第58页，共68页，2022年，5月20日，4点6分，星期一 内容简介：1光放大器概述2掺铒光纤放大器3光纤喇曼放大器4其它光放大器第59页，共68页，2022年，5月20日，4点6分，星期一4 其他光纤放大器2.光纤布里渊放大器：与受激拉曼放大器相比，增益高300倍。1.半导体光放大器：半导体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。覆盖了1300-1600nm波段。不仅可用于光放大器的有益选择方案，还可促成1310nm窗口WDM系统的实现；动态波长转换。第60页，共68页，2022年，5月20日，4点6分，星期一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1半导体光放大器 (SOA)第61页，共68页，2022年，5月20日，4点6分，星期一1半导体光放大器 (SOA)pn外加正向偏压实现结区粒子数反