12004-10-26
光放大器
2004.10.26
第八讲
22004-10-26
DWDM工作原理
DWDM光纤传输系统
O
M
U
X
O
D
M
U
X
OA
光发送
光发送
光发送
λ １ λ
２
λ
Ν
λ １,λ ２ …… λ Ν
光接收
光接收
光接收
λ １
λ ２
λ Ν
后置放
大 前置放 大
λ ２λ
２
32004-10-26
内容提要
? １、光放大器的形式（分类）
? ２,EDFA的结构与部件
? ３,EDFA的工作原理
? ４,EDFA在光纤通信中的应用形式
42004-10-26
0.1 序
? 光放大器的出现，可视为光纤通信发展史
上的重要的里程碑。
? 在光纤放大器出现之前，光纤通信的中继
器无一例外的采用 光 /电 /光 变换的方式，导
致通信系统的复杂化，进而系统效率降低
? 因此人们一直致力于全光型中继器的研制，
出现了很多种光放大器。
52004-10-26
放大 整形 判决再生
O/E E/O
0.1 传统放大技术的缺陷
缺点,1、设备复杂。
2、稳定性可靠性不够。
3、不利于波分复用。
4、光电转换限制通信的容量。
未来全光网络（ AON）的发展趋势：光复用、光交换、光
路由，所以必须在光传输上实现全光化。
光放大器：直接在光域进行放大。
62004-10-26
发展历程：
80年代中、后期 SOA的研究为主；
90年代 EDFA获得巨大成功，成为光纤通信
系统必不可少的器件。
Erbium-doped fiber amplifier
(EDFA)
72004-10-26
0.2 放大器的形式
? 利用 光纤非线性效应 制作的常规光纤放大
器，如：喇曼放大器；
? 利用 半导体 制作的半导体放大器；
? 利用 稀土掺杂 的光纤放大器
82004-10-26
0.3 几种类型放大器的比较
92004-10-26
0.4 常用光放大器及其工作波段
3、掺铒光纤放大器（ EDFA）
4、掺镨光纤放大器（ PDFA）
2、光纤拉曼放大器（ FRA）
1、半导体放大器（ SOA）
损耗
1310nm 1550nm 波长
SOA
FRA
EDFAPDFA
102004-10-26
1.1 常规光纤放大器
? 所谓常规光纤放大器：用传输光纤制作的放
大器，这种光纤放大器是利用 光纤的非线性
光学效应 产生增益机制从而对光信号放大。
? 特点：传输线路和放大线路同为一体
(都是光纤）
不足,单位长度的增益系数很低，需要很高
的泵浦功率，不利于在高速大容量光纤通信
系统中使用。
112004-10-26
耦合
器件 激活物质
耦合
器件
泵浦
源
光输入
信号
放大光
信号
?常规光纤放大器原理图
122004-10-26
1.2 半导体光放大器
一,工作原理：
在电泵浦源的作用下，半导体材料发生粒子数反转，当遇到
外来光子激励时，产生受激辐射，对光的能量进行放大 。
二、放大波段：
1300nm-1600nm
三,优点：
1,覆盖 1310nm和 1550nm 的窗口范围。
2、充分利用激光器技术，工艺成熟，便于集成。
四、缺点：
1、与光纤耦合困难。
2、对光的偏振特性敏感。
3,噪声及串扰大。
132004-10-26
1.3 稀土掺杂光纤放大器
? 利用光纤中稀土掺杂物质引起的增益机制
实现光放大。
? 典型代表,
? 工作波长为：
? 1550nm的铒 [Er]掺杂光纤放大器 EDFA
? 1300nm的镨 [Pr]掺杂光纤放大器 PDFA
? 1400nm的铥 [ T ]掺杂光纤放大器 TDFA
142004-10-26
? 1.已经商用化的是 EDFA，其大量用于通信
系统；
? 2.PDFA的放大波段在 1300nm与 G-652光
纤的零点色散相吻合，在已建立的 1.3um通
信系统中有着巨大的应用市场；但因掺镨
光纤的机械强度和与普通光纤熔接困难等
因素，目前尚未获得广泛商业应用。
? 3.工作在 1.4um的掺铥光纤放大器（ TDFA）
为传输开辟了新的波长段资源，它和 EDFA
组合可以实现超宽带合波传输。
152004-10-26
1.3.1 掺铒光纤放大器原理图
输入信号 耦合器980/1550nm WDM
泵浦光 掺铒光纤
输出信号
光隔离器
162004-10-26
1.3.2 EDFA
? EDFA工作在波长 1550nm，与光纤的低损
耗波段一致，是最具吸引力的和最成熟的
光纤放大器。
? EDFA优点：
172004-10-26
EDFA优点
? 1.
? 2.
? 3.
? 4.
? 5.
182004-10-26
2 EDFA的结构和部件
? 一台实用的 EDFA由光路和辅助电路组成。
? 光路部分：
掺铒光纤、泵浦光源、合波器、光隔离器、
光滤波器等；
? 辅助电路：
电源、微处理自动控制和告警及保护电路
192004-10-26
2.1 EDFA的泵浦源和泵浦方式
? EDFA的另一核心是泵浦源，它为信号放大
提供足够的能量，使物质达到粒子数反转
分布的必要条件。
? 泵浦源直接决定 EDFA的性能，所以要求泵
浦工作必须稳定可靠、寿命长；
202004-10-26
2.2 EDFA的三种结构方式
１,同向泵浦方式
合波器 光隔离器 光隔离器 滤波器
泵浦光源
优点：噪声小
缺点,输出光功率不大
212004-10-26
?EDFA的三种结构方式
２、反向泵浦方式
合波器 光隔离器 光隔离器 光滤波 器
泵浦光源
优点：输出光功率大
缺点：噪声大
222004-10-26
合波器 光隔离器 光滤波器
泵浦光源
3、双向泵浦方式
泵浦光源
EDFA的三种结构方式
光隔离器
232004-10-26
3 EDFA工作原理
? 在泵浦光的照射下，掺铒光纤处于粒子数
反转的状态，接收到光子后产生受激辐射，
实现了对光的放大。
242004-10-26
4 EDFA在光纤通信中的应用形式
? EDFA主要有三种应用方式：
? 发射机末级光功率放大；
? 线路（在线）放大器；
? 接收机预放。
252004-10-26
4.1 发射机末级光功率放大器
? 可直接接在激光二极管后，将信号放大到
10dBm上，而不恶化信号。
? 图示：
262004-10-26
4.2 系统线路放大器
? 直接接入光传输链路线路中，作为在线放
大器，或光中继器取代 光 -电 -光 中继器，实
现 光 -光 放大。
? 结构如图示
? 这种 线路放大器 是全光通信系统和全光网
络的关键器件，也是长距离和 CATV光纤网
的关键器件。
272004-10-26
4.3 系统接收机预放
? 如果用光滤波器,EDFA的低噪声将极
大改善直接检测式接收机灵敏度，可改善
约 10dB，接近或超过相干光接收机的最好
水平。
282004-10-26
EDFA FRA SOA
美国 CIBC worrld market公司对 2004年光放大器市场预测
96亿美圆
7.5亿美圆
2亿美圆
292004-10-26
要点
１、光放大器的分类
半导体放大器
光纤放大器
非线性光放大器
EDFA
302004-10-26
要点
２,EDFA的结构与分类
泵浦光源
掺铒光纤
光隔离器
波分复用器
光滤波器
同向泵浦结构ＥＤＦＡ
反向泵浦结构ＥＤＦＡ
双向泵浦结构ＥＤＦＡ
312004-10-26
要点
３,EDFA的工作原理
在泵浦光的照射下，掺铒光纤处于粒子数反转
的状态，接收到光子后产生受激辐射，实现了
对光的放大。
322004-10-26
要点
４,EDFA的性能指标
功率增益
输出饱和功率
噪声系数
332004-10-26
要点
５,EDFA在光纤通信中的应用
前置放大器
功率放大器
中继器
342004-10-26
作业
１、光放大器的种类，画出各自的工作波段
２,EDFA的结构及功能
３、简述 EDFA的工作原理，并从量子学的角度解释
４,EDFA的几种应用形式
352004-10-26
2.0 EDFA的基本结构及功能
合波
器
光滤波
器
泵浦
光源
ＥＤＦ（掺铒光纤）
信号光 光隔离器 光隔离器
放大的
信号光
将输入光信号和泵浦光
混合在一起送给ＥＤＦ
输出一个较短波长的激
光为ＥＤＦ提供激励
防止反射光
影响光放大
器的工作稳
定性。
提供能产生粒子数
反转的工作物质，
放大光信号。
清除放大器的噪声，
提高系统的信噪比
362004-10-26
利用光泵浦源对光纤进行激发，使光纤中
产 生非线性效应（拉曼散射），将泵浦光的能
量向信号光转移，从而实现光的放大。
2.1 拉曼放大器
一,工作原理,
拉曼散射,
介质在强光功率下产生对入射光的非弹性散射，
使得短波长光的能量向长波长转移。
λ λ
二、放大波段
1270nm-1670nm
372004-10-26
三,优点
1,输出光功率 大，工作稳定
2,噪声特性好，耦合容易
四,缺点
光纤长度过大，于偏振态有关
光放大器
2004.10.26
第八讲
22004-10-26
DWDM工作原理
DWDM光纤传输系统
O
M
U
X
O
D
M
U
X
OA
光发送
光发送
光发送
λ １ λ
２
λ
Ν
λ １,λ ２ …… λ Ν
光接收
光接收
光接收
λ １
λ ２
λ Ν
后置放
大 前置放 大
λ ２λ
２
32004-10-26
内容提要
? １、光放大器的形式（分类）
? ２,EDFA的结构与部件
? ３,EDFA的工作原理
? ４,EDFA在光纤通信中的应用形式
42004-10-26
0.1 序
? 光放大器的出现，可视为光纤通信发展史
上的重要的里程碑。
? 在光纤放大器出现之前，光纤通信的中继
器无一例外的采用 光 /电 /光 变换的方式，导
致通信系统的复杂化，进而系统效率降低
? 因此人们一直致力于全光型中继器的研制，
出现了很多种光放大器。
52004-10-26
放大 整形 判决再生
O/E E/O
0.1 传统放大技术的缺陷
缺点,1、设备复杂。
2、稳定性可靠性不够。
3、不利于波分复用。
4、光电转换限制通信的容量。
未来全光网络（ AON）的发展趋势：光复用、光交换、光
路由，所以必须在光传输上实现全光化。
光放大器：直接在光域进行放大。
62004-10-26
发展历程：
80年代中、后期 SOA的研究为主；
90年代 EDFA获得巨大成功，成为光纤通信
系统必不可少的器件。
Erbium-doped fiber amplifier
(EDFA)
72004-10-26
0.2 放大器的形式
? 利用 光纤非线性效应 制作的常规光纤放大
器，如：喇曼放大器；
? 利用 半导体 制作的半导体放大器；
? 利用 稀土掺杂 的光纤放大器
82004-10-26
0.3 几种类型放大器的比较
92004-10-26
0.4 常用光放大器及其工作波段
3、掺铒光纤放大器（ EDFA）
4、掺镨光纤放大器（ PDFA）
2、光纤拉曼放大器（ FRA）
1、半导体放大器（ SOA）
损耗
1310nm 1550nm 波长
SOA
FRA
EDFAPDFA
102004-10-26
1.1 常规光纤放大器
? 所谓常规光纤放大器：用传输光纤制作的放
大器，这种光纤放大器是利用 光纤的非线性
光学效应 产生增益机制从而对光信号放大。
? 特点：传输线路和放大线路同为一体
(都是光纤）
不足,单位长度的增益系数很低，需要很高
的泵浦功率，不利于在高速大容量光纤通信
系统中使用。
112004-10-26
耦合
器件 激活物质
耦合
器件
泵浦
源
光输入
信号
放大光
信号
?常规光纤放大器原理图
122004-10-26
1.2 半导体光放大器
一,工作原理：
在电泵浦源的作用下，半导体材料发生粒子数反转，当遇到
外来光子激励时，产生受激辐射，对光的能量进行放大 。
二、放大波段：
1300nm-1600nm
三,优点：
1,覆盖 1310nm和 1550nm 的窗口范围。
2、充分利用激光器技术，工艺成熟，便于集成。
四、缺点：
1、与光纤耦合困难。
2、对光的偏振特性敏感。
3,噪声及串扰大。
132004-10-26
1.3 稀土掺杂光纤放大器
? 利用光纤中稀土掺杂物质引起的增益机制
实现光放大。
? 典型代表,
? 工作波长为：
? 1550nm的铒 [Er]掺杂光纤放大器 EDFA
? 1300nm的镨 [Pr]掺杂光纤放大器 PDFA
? 1400nm的铥 [ T ]掺杂光纤放大器 TDFA
142004-10-26
? 1.已经商用化的是 EDFA，其大量用于通信
系统；
? 2.PDFA的放大波段在 1300nm与 G-652光
纤的零点色散相吻合，在已建立的 1.3um通
信系统中有着巨大的应用市场；但因掺镨
光纤的机械强度和与普通光纤熔接困难等
因素，目前尚未获得广泛商业应用。
? 3.工作在 1.4um的掺铥光纤放大器（ TDFA）
为传输开辟了新的波长段资源，它和 EDFA
组合可以实现超宽带合波传输。
152004-10-26
1.3.1 掺铒光纤放大器原理图
输入信号 耦合器980/1550nm WDM
泵浦光 掺铒光纤
输出信号
光隔离器
162004-10-26
1.3.2 EDFA
? EDFA工作在波长 1550nm，与光纤的低损
耗波段一致，是最具吸引力的和最成熟的
光纤放大器。
? EDFA优点：
172004-10-26
EDFA优点
? 1.
? 2.
? 3.
? 4.
? 5.
182004-10-26
2 EDFA的结构和部件
? 一台实用的 EDFA由光路和辅助电路组成。
? 光路部分：
掺铒光纤、泵浦光源、合波器、光隔离器、
光滤波器等；
? 辅助电路：
电源、微处理自动控制和告警及保护电路
192004-10-26
2.1 EDFA的泵浦源和泵浦方式
? EDFA的另一核心是泵浦源，它为信号放大
提供足够的能量，使物质达到粒子数反转
分布的必要条件。
? 泵浦源直接决定 EDFA的性能，所以要求泵
浦工作必须稳定可靠、寿命长；
202004-10-26
2.2 EDFA的三种结构方式
１,同向泵浦方式
合波器 光隔离器 光隔离器 滤波器
泵浦光源
优点：噪声小
缺点,输出光功率不大
212004-10-26
?EDFA的三种结构方式
２、反向泵浦方式
合波器 光隔离器 光隔离器 光滤波 器
泵浦光源
优点：输出光功率大
缺点：噪声大
222004-10-26
合波器 光隔离器 光滤波器
泵浦光源
3、双向泵浦方式
泵浦光源
EDFA的三种结构方式
光隔离器
232004-10-26
3 EDFA工作原理
? 在泵浦光的照射下，掺铒光纤处于粒子数
反转的状态，接收到光子后产生受激辐射，
实现了对光的放大。
242004-10-26
4 EDFA在光纤通信中的应用形式
? EDFA主要有三种应用方式：
? 发射机末级光功率放大；
? 线路（在线）放大器；
? 接收机预放。
252004-10-26
4.1 发射机末级光功率放大器
? 可直接接在激光二极管后，将信号放大到
10dBm上，而不恶化信号。
? 图示：
262004-10-26
4.2 系统线路放大器
? 直接接入光传输链路线路中，作为在线放
大器，或光中继器取代 光 -电 -光 中继器，实
现 光 -光 放大。
? 结构如图示
? 这种 线路放大器 是全光通信系统和全光网
络的关键器件，也是长距离和 CATV光纤网
的关键器件。
272004-10-26
4.3 系统接收机预放
? 如果用光滤波器,EDFA的低噪声将极
大改善直接检测式接收机灵敏度，可改善
约 10dB，接近或超过相干光接收机的最好
水平。
282004-10-26
EDFA FRA SOA
美国 CIBC worrld market公司对 2004年光放大器市场预测
96亿美圆
7.5亿美圆
2亿美圆
292004-10-26
要点
１、光放大器的分类
半导体放大器
光纤放大器
非线性光放大器
EDFA
302004-10-26
要点
２,EDFA的结构与分类
泵浦光源
掺铒光纤
光隔离器
波分复用器
光滤波器
同向泵浦结构ＥＤＦＡ
反向泵浦结构ＥＤＦＡ
双向泵浦结构ＥＤＦＡ
312004-10-26
要点
３,EDFA的工作原理
在泵浦光的照射下，掺铒光纤处于粒子数反转
的状态，接收到光子后产生受激辐射，实现了
对光的放大。
322004-10-26
要点
４,EDFA的性能指标
功率增益
输出饱和功率
噪声系数
332004-10-26
要点
５,EDFA在光纤通信中的应用
前置放大器
功率放大器
中继器
342004-10-26
作业
１、光放大器的种类，画出各自的工作波段
２,EDFA的结构及功能
３、简述 EDFA的工作原理，并从量子学的角度解释
４,EDFA的几种应用形式
352004-10-26
2.0 EDFA的基本结构及功能
合波
器
光滤波
器
泵浦
光源
ＥＤＦ（掺铒光纤）
信号光 光隔离器 光隔离器
放大的
信号光
将输入光信号和泵浦光
混合在一起送给ＥＤＦ
输出一个较短波长的激
光为ＥＤＦ提供激励
防止反射光
影响光放大
器的工作稳
定性。
提供能产生粒子数
反转的工作物质，
放大光信号。
清除放大器的噪声，
提高系统的信噪比
362004-10-26
利用光泵浦源对光纤进行激发，使光纤中
产 生非线性效应（拉曼散射），将泵浦光的能
量向信号光转移，从而实现光的放大。
2.1 拉曼放大器
一,工作原理,
拉曼散射,
介质在强光功率下产生对入射光的非弹性散射，
使得短波长光的能量向长波长转移。
λ λ
二、放大波段
1270nm-1670nm
372004-10-26
三,优点
1,输出光功率 大，工作稳定
2,噪声特性好，耦合容易
四,缺点
光纤长度过大，于偏振态有关
