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第七章 光 放 大 器
7.1 光放大器概述
7.2半导体光放大器 SOA
7.3 掺铒光纤放大器 EDFA
7.4 光纤喇曼放大器 FRA
2
本章内容、重点和难点本章内容
放大器的原理和功能
半导体光放大器 SOA,掺铒光纤放大器 EDFA
光纤拉曼放大器 FRA
本章重点
光纤拉曼放大器 FRA,掺铒光纤放大器 EDFA
本章难点
光纤拉曼放大器 FRA
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学习本章目的和要求
掌握几种主要的光放大器的原理、结构、特性及应用。
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前几章讨论了组成光波系统的光纤、光发送机和光接收机等三个基本单元，本章介绍光波系统组成的另一个重要单元 —— 全光中继器。
光信号在传输过程会出现两个问题：
① 光纤的损耗特性使光信号的幅度衰减，
限制了光信号的传输距离；
② 光纤的色散特性使光信号波形失真，造成码间干扰，使误码率增加。
以上两点不但限制了光信号的传输距离，也限制了光纤的传输容量。为增加光纤的通信距离和通信容量，必须设置光中继器。
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光中继器的功能是补偿光能量损耗，恢复信号脉冲形状有：
① 补偿衰减的光信号；
② 对畸变失真的信号波形进行整形。
光中继器主要有两种：一种是传统的光中继器（即光电中继器），另一种是全光中继器。
光电混合中继器实际上是光接收机和光发送机功能的串接。
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光电混合中继器中先将从光纤接收到的已衰减和变形的脉冲光信号用光电二极管检测转换为光电流，然后经前置放大器、主放大器、判决再生电路在电域实现脉冲信号放大与整形，最后再驱动光源产生符合传输要求的光脉冲信号沿光纤继续传输，其基本功能是 均衡放大，识别再生和再定时,具有这三种功能的中继器称为 3R中继器，
而仅具有前两种功能的中继器称为 2R中继器。
经再生后的输出光脉冲完全消除了附加噪声和波形畸变，即使由多个中继器组成的系统中，
噪声和畸变也不会累积，这正是数字通信能实现长距离通信的原因。
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光电光混合中继器，用于克服光纤损耗与色散对通信距离和通信容量的限制，
但结构复杂，价格昂贵,且不能用于波分复用 (WDM)系统中。 本章将允绍结构简单的光放大器构成新的全光中继器，对光信号进行直接放大，克服光纤损耗对通信距离的限制。
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光放大器的出现，可视为光纤通信发展史上的重要里程碑。
光放大器出现之前，光纤通信的中继器采用光－电－光 (O-E-O)变换方式。
装置复杂、耗能多、不能同时放大多个波长信道，在 WDM系统中复杂性和成本倍增，可实现 1R,2R,3R中继光放大器（ O-O）
多波长放大、低成本，只能实现 1R中继
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光放大器有多种类型，本章只介绍与光纤通信直接有关的几种，包括半导体激光放大器
(SLA)和光纤型光放大器两类。
光纤型光放大器有光纤喇曼放大器 (FRA)、
光纤布里渊放大器 (FBA),光纤参量放大器 (m)和掺杂光纤放大器 (如 EDFA)等几种。
光纤喇曼放大器和布里渊放大器利用所谓受激喇曼和布里渊散射两种非线性和非弹性散射过程，是石英光纤固有的现象，作为非线性介质的光纤，通过分子振动和声学声子的参与，起着主动的作用。
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光纤参量放大器利用光纤的被动作用，
依靠束缚电子的非线性响应产生的参量过程，实现光信号的放大。
掺杂光纤放大器是一种新型放大器，
特别是 1,55μ m的掺铒与 1,3μm的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。
本章将分别介绍上述几种主要的光放大器的原理、结构、特性及应用。
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7.1 光放大器概述
7.1.1 光放大器在现代光纤通光纤通信中用光纤来传输光信号 。 光纤的中继距离受限于光纤的损耗和色散 。
就损耗而言,目前光纤损耗典型值在
1.31μm波段为 0.35dB/km左右,在 1.55μm
波段为 0.25dB/km左右 。
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以 1989年诞生的掺铒光纤放大器
(Erbium Doped Fiber Amplifier,EDFA)
代表的光放大器技术可以说是光纤通信技术上的一次革命 。
光放大器在光纤通信系统目前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 。
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光放大器还将促进光孤子通信技术的实用化。光孤子通信是利用光纤的非线性来补偿光纤的色散作用的一种新型通信方式。
7.1.2
光放大器的发展最早可追溯到 1923年
A·斯梅卡尔预示的自发喇曼散射。 1928年印度加尔各答大学的喇曼观测到自发喇曼效应。
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7.1.3
光放大器按原理不同大体上有三种类型 。
(1) 掺杂光纤放大器,就是利用稀土金属离子作为激光工作物质的一种放大器 。
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(2) 传输光纤放大器,其中有受激喇曼散 射 ( Stimulated Raman Scattering，
SRS) 光 纤 放 大 器,受 激 布 里 渊 散 射
(Stimulated Brilliouin Scattering,SBS)光纤放大器和利用四波混频效应 (FWM)的光放大器等 。
(3) 半导体激光放大器 。 其结构大体上与激光二极管 (Laser Diode,LD)相同 。
这几种类型的光放大器的工作原理和激励方式各不相同 。
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7.1.4 光纤放大器的重要指标
1.
n光放大器的功能,提供光信号增益,以补偿光信号在通路中的传输衰减,增大系统的无中继传输距离 。
n在泵浦能量 （ 电或光 ） 的作用下,实现粒子数反转 （ 非线性光纤放大器除外 ）,然后通过受激辐射实现对入射光的放大 。
n光放大器是基于 受激辐射或受激散射 原理实现入射光信号放大的一种器件 。 其机制与激光器完全相同 。 实际上,光放大器在结构上是一个没有反馈或反馈较小的激光器 。
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2.
(1) 增益 G与增益系数 g
放大器的增益定义为式中,Pout,Pin分别为放大器输出端与输入端的连续信号功率 。
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(2)
人们希望放大器的增益在很宽的频带内与波长无关 。 这样在应用这些放大器的系统中,便可放宽单信道传输波长的容限,
也可在不降低系统性能的情况下,极大地增加 WDM系统的信道数目 。
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(3)
由于信号放大过程消耗了高能级上粒子,因而使增益系数减小,当放大器增益减小为峰值的一半时,所对应的输出功率就叫饱和输出功率,这是放大器的一个重要的参数,饱和功率用 Pouts表示 。
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3.
放大器本身产生噪声,放大器噪声使信号的信噪比 (Signal-to-Noise Ratio,SNR)
下降,造成对传输距离的限制,是光放大器的另一重要指标 。
(1)
光纤放大器的噪声主要来自它的放大自发辐射 (Amplified Spontaneous Emission，
ASE)。
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(2)
由于放大器中产生自发辐射噪声,使得放大后的信噪比下降 。 它定义为输入信噪比与输出信噪比之比 。
(SNR)in和 (SNR)out分别代表输入与输出的信噪比 。 它们都是在接收机端将光信号转换成光电流后的功率来计算的 。
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几种光放大器的比较放大器类型 原理激励方式工作长度噪声特性与光纤耦合与光偏振关系稳定性掺稀土光纤放大器粒子数反转光 数米到数十米好 容易 无 好半导体光放大器粒子数反转电 100?m~
1mm
差 很难 大 差光纤 (喇曼 )
放大器光学非线性 (喇曼 )
效应光 数千米 好 容易 大 好
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光放大器的应用局域网的功率放大器：补偿分配损耗，增大网络节点数前置预放大 (Pre-Amplify):
提高接收灵敏度功率放大 (Boost),增加入纤功率,延长传输距离线路放大 (In-line),周期性补偿各段光纤损耗
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7.2 半导体光放大器半导体光放大器 (SOA)是采用与通信用激光器相类似的工艺制作而成的一种行波放大器，
当偏置电流低于振荡阈值时，激光二极管就能对输入相干光实现光放大作用。
SOA也是一种重要的光放大器，其结构类似于普通的半导体激光器。
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7.2.1 P半导体光放大器概述
半导体光放大器的放大特性主要决定于激光腔的反射特性与有源层的介质特性。
根据光放大器端面反射率和工作偏置条件，将半导体光放大器分为：
----法布里－珀罗放大器 (FP－ SOA)
----行波放大器 (TW－ SOA)
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R1 R2
I
半导体光放大器示意图
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7.2.2 F-P半导体光放大器入射光从左端面进入，通过具有增益的有源层，到达右端面后，部分从端面反射，然后反向通过有源层至左端面，部分光从左端面出射，其余部分又从端面反射，
再次通过有源层，如此反复，使入射光得到放大。
多峰值、带宽窄，不适合通信系统应用，只可用于一些信号处理。
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7.2.3 行波半导体光放大器
TW－ SOA与 FP－ SOA的区别在于端面的反射率大小,TW－ SOA具有极低的端面反射率，
通常在 0.1%以下。
降低端面反射方法：倾斜有源区法、窗面结构。
TW－ SOA的增益、增益带宽和噪声特性都可以满足光纤通信的要求，但如下两个缺点限制着它在光纤通信中的实际应用：
对光信号偏振态的敏感性；
对光信号增益的饱和性。
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7.2.4 SOA增益偏振相关性起因,由于半导体有源层的横截面呈扁长方形，对横向（长方形的宽边方向）
和竖向（长方形的窄边方向）的光场约束不同，光场在竖向的衍射泄漏强于横向，
因而竖向的光增益弱于横向。因此光信号的偏振方向取横向时的增益大，取竖向时的增益小。
解决方法,① 采用宽、厚可比拟的有源层设计； ② 使用方法着手。
30
三种使用方法相同结构 SOA互相垂直串接，所得增益将与偏振无关相同结构 SOA互相垂直并接，在输入端采用偏振分束器将信号分成 TE和 TM偏振信号,分别输入至相互垂直的 SOA,然后将两只 SOA放大的 TE和
TM偏振信号合成，得到与输入光同偏振态的放大信号。
输入光信号往返两次通过同一 SOA,但反向通过前，采用法拉第旋转器使返回光旋转 900
31
①相同结构 SOA互相垂直串接②相同结构 SOA互相垂直并接 ③输入光信号往返两次通过同一 SOA
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7.2.5 SOA的应用多信道放大中存在问题
噪声大
信道串扰 (交叉增益调制 XGM,四波混频
FWM)
增益饱和引起信号畸变其他应用,
光波长转换 （ XGM,XPM,FWM）
光开关,直接调制 SOA的注入电流实现光的通断。特点：高速、无损
光信号处理器件。
33
SOA Product
34
7.3 掺铒光纤放大器掺铒光纤放大器是将掺铒光纤在泵浦源的作用下而形成的光纤放大器。对这种掺杂光纤放大器影响较大的工作可追溯到
1963年对玻璃激光器的研究。
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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 (Er)掺杂光纤放大器 (EDFA)
工作波长为 1300nm的镨 (Pr)掺杂光纤放大器 (PDFA)
工作波长为 1400nm的铥 (Tm)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。
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掺铒光纤是一种向常规传输光纤的石英玻璃基质中掺入微量铒元素的特种光纤，它是一种主动光纤，如图所示。 掺入铒元素的目的是,促成被动的传输光纤转变为具有放大能力的主动光纤。
由此可知，这种光纤的新特性 --激光特性、光放大特性等与铒离子的性质密切相关。
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掺铒光纤放大器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
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
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为什么要用掺铒光纤放大器
工作频带正处于光纤损耗最低处 (1525-
1565nm)；
频带宽，可以对多路信号同时放大 -波分复用；
对数据率 /格式透明，系统升级成本低；
增益高 (>40dB),输出功率大 (~30dBm),噪声低 (4~5dB)；
全光纤结构，与光纤系统兼容；
增益与信号偏振态无关，故稳定性好；
所需的泵浦功率低 (数十毫瓦 )。
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7.3.1 掺铒光纤放大器的工作原理
激光器的工作原理：
经泵浦源的作用,工作物质粒子由低能级跃迁到高能级 (一般通过另一辅助能级 ),在一定泵浦强度下,得到了粒子数反转分布而具有光放大作用 。 当工作频带范围内的信号光输入时便得到放大 。
掺铒光纤放大器的基本工作原理,
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,在信号光诱导下实现受激辐射放大 。
40
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。
Input signal
1530nm-1570nm
Amplified
output signal
Power laser
(Pump)
980nm or
1480nm Fiber containing
erbium dopant
41
EDFA中的 Er3+能级结构
泵浦波长可以是 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 。
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
980nm 1480nm
亚稳态能带
1550nm
铒离子简化能级示意图
42
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。
按常规电子能级的光谱命名方法，铒离子的电子能级如图所示。
由下能级向上能级的跃迁则对应于光的吸收过程，而由上能级向下能级的跃迁则对应于光的发射过程。
43
由上图可以看出，一些具有重要意义的跃迁过程主要是，铒离子的（光子）吸收和（荧光）
发射过程分别发生在下列能级之间：
吸收过程：从基态荧光发射：从激发态
44
铒离子的能级图中,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 10ms； 4I11/2能带称为泵浦态，离子在泵浦态上的平均寿命为 1μs。 除图中标出的吸收带外,还有 800nm等其他吸收带。
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,故得到了最广泛的应用。
45
掺铒光纤之所以能放大光信号的基本原理在于 吸收泵浦光的能量，由基态 4I15/2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，当用 980nm波长的光泵浦时，从基态跃迁至泵浦态 4I11/2 。
由于泵浦态上载流子的寿命时间只有 1μs,电子迅速以非辐射方式又泵浦态豫驰至亚稳态，在亚稳态上载流子有较长的寿命，在源源不断的泵浦下，亚稳态上的粒子数积累，从而实现了粒子数反转分布 。 动画 crgx-03.swf
46
当有 1.55μm 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，都将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不断放大，如图所示。 动画 crgx-04.swf
47
掺饵光纤放大器采用掺铒离子单模光纤作为增益物质，
在泵浦光激发下产生粒子数反转，在信号光诱导下实现受激辐射放大，其工作原理如图所示。
掺铒光纤放大器是由一段掺铒光纤、泵浦光源、光耦合器以及光隔离器等组成。光隔离器用于隔离反馈光信号，
提高稳定性。 动画 crgx-07.swf
48
掺铒光纤,当一定的泵浦光注入到掺铒光纤中时,Er3+从低能级被激发到高能级上，由于在高能级上的寿命很短，很快以非辐射跃迁形式到较低能级上，并在该能级和低能级间形成粒子数反转分布。
半导体泵浦二极管,为信号放大提供足够的能量，使物质达到粒子数反转。
波分复用耦合器,将信号光和泵浦光合路进入掺铒光纤中。
光隔离器,使光传输具有单向性，放大器不受发射光影响，保证稳定工作。
49
由于光纤对 1480nm的光损耗较小，所以
1480nm泵浦光又常用于遥泵方式 。
Multistag
e EDFA
Remote
Pumping
50
7.3.2 掺铒光纤放大器的结构
1.
在同向泵浦方案中,泵浦光与信号光从同一端注入掺铒光纤 。
2.
反向泵浦,泵浦光与信号光从不同的方向输入掺杂光纤,两者在掺铒光纤中反向传输 。
3.
为了使掺铒光纤中的铒离子能够得到充分的激励,必须提高泵浦功率 。
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前向（同向）泵浦掺铒光纤放大器，表示信号光和泵浦光同向进入掺铒光纤。这种结构噪声特性较好；
后向（反向）泵浦掺铒光纤放大器，表示信号光和泵浦光从两个不同方向进入掺铒光纤。这种结构具有较高的输出信号功率，但噪声特性较差；
双向泵浦掺铒光纤放大器，
表示两个泵浦光从两个相反方向进入掺铒光纤。这种结构具有的输出信号功率最高，
噪声特性也不差。
52
4.
(1)
(2)
图 7.5所示表示噪声指数与输出光功率之间的关系 。
(3)
同向泵浦式 EDFA的饱和输出光功率最小 。
53
图 7.5 噪声指数与输出功率之间的关系
54
7.2.3EDFA
1,EDFA
增益系数 g(z)与高能级和低能级的粒子数目差及泵浦功率有关,对增益系数 g(z)在整个掺铒光纤长度上进行积分,就可求出光纤放大器的增益 G,所以,放大器的增益应与泵浦强度及光纤的长度有关 。
增益 G是描述光放大器对信号放大能力的参数 。 定义为：
ins
o u ts
P
P
dBG
,
,
10log10)(?
输出信号光功率输入信号光功率
55
G与光放大器的泵浦功率、掺杂光纤的参数和输入光信号有很复杂的关系。
输入光功率较小时,G是一常数，即输出光功率 PS,OUT与输入光功率 PS,IN成正比例。 G0光放大器的小信号增益。
小信号增益 G＝ 30dB时，增益对输入光功率的典型依存关系饱和输出功率,放大器增益降至小信号增益一半时的输出功率。
3dB
Pout,sat
当 PS,IN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
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增益 G与输入光波长的关系增益谱 G(?),增益 G与信号光波长?的关系。光放大器的增益谱不平坦。
57
小信号增益随泵浦功率而变的曲线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。
58
当泵浦功率一定时，放大器在某一最佳长度时获得最大增益，如果放大器长度超过此值，由于泵浦的消耗，最佳点后的掺铒光纤不能受到足够泵浦，而且要吸收已放大的信号能量，导致增益很快下降。
因此，在 EDFA设计中，需要在掺铒光纤结构参数的基础上，选择合适的泵浦功率和光纤长度，使放大器工作于最佳状态。
小信号增益随放大器长度而变的曲线
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2,EDFA
图 7.9所示是掺铒硅光纤的 g-λ曲线,
从图中可以看出增益系数随着波长的不同而不同 。
EDFA实现宽频带和增益平坦度经过了 3个阶段,如表 7.1所示 。
光纤在 1.55μm低损耗区具有 200nm带宽,而目前使用的 EDFA增益带宽仅为
35nm左右 。
60
图
7.
9
掺铒离子硅光纤的g-
λ
曲线
61
62
3,EDFA
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） 下降,其降低程度通常 用噪声指数 Fn来表示,其定义为：
主要噪声源,放大的自发辐射噪声（ ASE）,它源于放大器介质中电子空穴对的自发复合。自发复合导致了与光信号一起放大的光子的宽谱背景。
o u t
in
n S NR
S NRF
)(
)(?
63
EDFA放大 1540波长信号时产生的影响
ASE噪声叠加在信号上，导致信噪比下降。
64
ASE噪声
ASE噪声近似为白噪声，噪声功率谱密度为：
hnGS spsp 1
自发发射因子或粒子数反转因子
对于原子都处于激发态或完全粒子数反转的光放大器,nsp=1;
当粒子数不完全反转时，
nsp>1；
12
2
NN
Nn
sp
激发态的粒子数 基态的粒子数
65
ASE噪声研究发现，接收机前接入光放大器后，新增加的噪声主要来自 ASE噪声与信号本身的差拍噪声。 噪声指数 为：
表明：即使对 nsp=1的完全粒子数反转的理想放大器，被放大信号的 SNR也降低了二倍（或 3dB）。
对大多数实际的放大器 Fn均超过 3dB,并可能达到 6~8dB。 希望放大器的 Fn尽可能低。
spspn nG
GnF 212
66
4,EDFA
EDFA 的 增 益 恢 复 时 间? g~10ms(SOA 的
g=0.1~1ns),其增益不能响应调制信号的快速变化,
不存在增益调制,四波混频效应也很小,所以在多信道放大中不引入信道间串扰 (SOA则不然 ),是其能够用于多信道放大的关键所在 。
EDFA对信道的插入、分出或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。
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EDFA的级联特性多信道放大中存在的其它问题：
增益平坦
增益钳制
高的输出功率信道间增益竞争，
多级级连使用导致“尖峰效应”
68
增益平坦
1544 1569
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
69
光功率波长
BER
接收光功率光功率波长光发射机光发射机光发射机光发射机?N
1
2
3
光接收机光接收机光接收机光接收机
EDFA
1
N
3
2
70
增益平坦 /均衡技术 (1)
1,滤波器均衡：
采用透射谱与掺杂光纤增益谱反对称的滤波器使增益平坦,如,薄膜滤波、紫外写入长周期光纤光栅、周期调制的双芯光纤等。 只能实现静态增益谱的平坦，在信道功率突变时增益谱仍会发生变化。
EDFA + 均衡器 → 合成增益
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增益平坦 /均衡技术 (2)
2,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。
3,声光滤波调节：
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
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增益平坦 /均衡技术 (3)
4,预失真技术,不灵活，传输链路变换后，输入功率也要随之调整
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增益钳制
EDFA对信道的插入、分出或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
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
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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。
泵浦控制均衡放大器（电控）
LD Pump
In Out
EDFA
75
增益钳制技术 (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
76
5,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
22
19
16输出功率（
dB
m
）
1540 1570
77
=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,5?m
内包层,50?m
芯层 (掺铒 )，传播信号层 (SM)
内包层，传播泵浦光 (MM)
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。
78
7.3.4 掺铒光纤放大器的系统应用
1,EDFA
由于 EDFA的低噪声特性,使它很适于作接收机的前置放大器 。
2,EDFA
功率放大器是将 EDFA直接放在光发射机之后用来提升输出功率 。
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3,EDFA
EDFA用作线路放大器是它在光纤通信系统的一个重要应用 。
4,EDFA
EDFA可在宽带本地网,特别在电视分配网中得到应用 。
80
7.3.5 掺铒光纤放大器的优缺点
EDFA之所以得到迅速的发展,源于它的一系列优点 。
(1) 工作波长与光纤最小损耗窗口一致,可在光纤通信中获得广泛应用 。
(2) 耦合效率高 。 因为是光纤型放大器,易于光纤耦合连接,也可用熔接技术与传输光纤熔接在一起,损耗可降至 0.1dB，
这样的熔接反射损耗也很小,不易自激 。
81
(3) 能量转换效率高。激光工作物质集中在光纤芯子，且集中在光纤芯子中的近轴部分，而信号光和泵浦光也是在近轴部
(4) 增益高，噪声低。输出功率大，增益可达 40dB,输出功率在单向泵浦时可达
14dBm,双向泵浦时可达 17dBm,甚至可达 20dBm,充分泵浦时，噪声系数可低至
3~4dB，
82
(5) 增益特性不敏感。首先是 EDFA增益对温度不敏感，在 100° C内增益特性保
(6) 可实现信号的透明传输，即在波分复用系统中可同时传输模拟信号和数字信号，高速率信号和低速率信号，系统扩容
83
EDFA
(1) 波长固定，只能放大 1.55μm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
(2) 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。
84
下表列出国外几家公司 EDFA商品的技术参数。
下表列出国外几家公司 EDFA商品的技术参数 。
85
7.3 光纤喇曼放大器拉曼现象在 1928年被发现。
90年代早期,EDFA取代它成为焦点,FRA受到冷遇。
随着光纤通信网容量的增加，对放大器提出新的要求，传统的 EDFA已很难满足,FRA再次成为研究的热点。
特别是高功率二极管泵浦激光器的迅猛发展，
又为 FRA的实现奠定了坚实的基础。
人们对 FRA的兴趣来源于这种放大器可以提供整个波长波段的放大。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，甚至可在
1270～ 1670nm整个波段内提供放大。
86
1550nm
1450nm
(a)无泵激光的 1550nm传输光纤波长光功率
(d
B)
1550nm 经光纤传输衰减的光波长光功率
(d
B) 1550nm
光纤
(b)有泵激光的 1550nm传输
1450nm
1550nm
如果一个弱信号和一个强泵浦光同时在光纤中传输，并使弱信号波长置于泵浦光的拉曼增益带宽内，则弱信号即可被放大。这种基于 SRS机制的光放大器称为光纤拉曼放大器 FRA。
87
88
FRA原理简介：
物理机制：
A.光纤拉曼散射效应（ SRS)
一个入射光子（ pump)的湮灭，产生一个下移 stokes
频率的光子和另一个具有相当能量和动量的光学声子
B.与 pump光子相差 stokes频率的信号光子，经受激散射过程被放大
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
7.3.1 光纤喇曼放大器的工作原理
89
90
频率为?p和?s的泵浦光和信号光通过耦合器输入光纤，当这两束光在光纤中一起传输时，
泵浦光的能量通过 SRS效应转移给信号光，使信号光得到放大。
峰值增益频移：～ 13.2THz
反向泵浦为主，也可同向泵浦
支撑技术,14nm的大功率泵浦激光器，目前以取得实用化
91Properties of Raman Scattering in Fibers
特性：
在所有类型光纤中都会发生
峰值增益频移 ~13 THz (60-100nm)
增益具有偏振依赖性，当泵浦光与信号光偏振方向平行时增益最大，垂直时增益最小为零
增益谱很宽 (125nm)但并不平坦
92
受激喇曼散射主要性质包括：
① 在玻璃介质中参与喇曼散射的是光学声子；
② 在所有类型的光纤中都会发生,但喇曼增益稀疏的形状和峰值与泵浦源的波长和功率有关；
③ 响应时间很短,为瞬态效应；
93
④ 增益具有偏振依赖性,当泵浦光与信号光偏振方向平行时增益最大,垂直时增益最小,但实际上在非保偏光纤中由于模式混扰的原因而表现为增益无关；
⑤ 增益谱很宽,但不平坦 。 最大增益频移为 13.2THz,并且可以扩展到 30THz。
94
FRA以传输光纤作为放大介质－ 分布式放大,从而实现一种“无损耗”传输（可降低入纤光功率，避免非线性效应）
光纤拉曼放大器－ 超低噪声放大原理脉冲幅度
z
集中放大 Nonlinear Effects
Noise High
分布放大缺点：泵浦功率大
(W),对光纤损害,
95
分布放大分立放大
96
机制：拉曼增益与泵浦波长相关方法：多波长泵浦增益：各个泵浦波长拉曼增益谱的加权和（以 dB为单位）
光纤拉曼放大器 － 宽带放大原理
97
Ultraflat amplifier
98
光纤拉曼放大器的泵浦要求
高能量输出。
消偏输出和偏振混合输出。（拉曼散射增益具有偏振依赖性）
泵浦波长至关重要。信号光在 1300nm
波段时，最佳泵浦波长约在 1220～
1240nm,而在 1550nm波段时，最佳泵浦波长约在 1440～ 1460nm左右处。高功率双包层拉曼光纤激光器是最佳的泵浦源。
99
7.3.2 光纤喇曼放大器的结构光纤喇曼放大器可分为两类：分立式喇曼放大器 (Raman Amplifier,RA)和分布式 喇 曼 放 大 器 ( Distributed Raman
Amplifier,DRA)。
100
7.3.3 光纤喇曼放大器的性能
1.
在连续波的工作条件下,并忽略泵浦光消耗,光纤喇曼放大器的增益可由下式表示：
式中,gR为喇曼增益系数； Aeff为光纤在泵浦波长处的有效面积； P0为泵浦光功率；； αP为泵浦光在光纤中的衰减常数。
101
2.
增益带宽由泵浦波长决定,选择适当的泵浦光波长,就可得到任意波长的信号放大,DRA的增益频谱是每个波长的泵浦光单独产生的增益频谱叠加的结果,所以它由泵浦波长的数量和种类决定 。
102
3.
由于喇曼放大是分布式获得增益的过程,其等效噪声比分立式放大器要小 。 为了比较 DRA与分立式放大器的性能,定义
DRA的等效集中噪声指数 FR为式中,ρASE是光纤末端放大自发辐射 (ASE)
密度； GR是在光纤末端信号的喇曼增益 。
103
分布式喇曼放大器经常与 EDFA混合使用,当作为前置放大器的 DRA与作为功率放大器的常规 EDFA混合使用时,其等效噪声指数为
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,只要增加喇曼增益 GR,就可以减少总的噪声指数 。
104
7.3.4 光纤喇曼放大器的系统应用
1.
分立式喇曼放大器所用的光纤增益介质比较短,泵浦功率要求很高,一般在几瓦到几十瓦,可产生 40dB以上的高增益,
像 EDFA一样可用来对光信号进行集中放大,因此主要用于 EDFA无法放大的波段 。
105
2,DRA
采用 DRA技术的传输系统,在 WDM
系统的每个传输单元内,在 EDFA的输入端注入反向的喇曼泵浦,信号将会沿光纤实现分布式喇曼放大,由于 DRA具有噪声低,增益带宽与泵浦波长和功率相关的特点,EDFA又具有高增益,低成本的特点,
所以这种混合放大结构可以同时发挥两种光纤放大器的优势 。
106
7.3.5 光纤喇曼放大器的优缺点
FRA具有以下优点 。
(1) 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,这样的 FRA就可扩展到 EDFA不能使用的波段,为波分复用进一步增加容量拓宽了空间 。
107
(2) 增益介质可以为传输光纤本身，
如此实现的 FRA称为分布式放大，因为放大是沿光纤分布作用而不是集中作用，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。
108
(4) 喇曼增益谱比较宽,在普通 DSF上单波长泵浦可实现 40nm范围的有效增益；
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) 喇曼放大的作用时间为飞秒 (10-15s)
级,可实现超短脉冲的放大 。
109
FRA
① 喇曼光纤放大器所需要的泵浦光功率高。
② 作用距离太长，增益系数偏低。
③ 对偏振敏感。
110
光纤拉曼放大器特性
Advantages:
理论上可以得到任意波长的增益，前提是需要合适的泵浦源；
分布或分立放大均能实现；
使用光纤作为放大介质意味着在线放大的可能，可以减少噪声的积累。
Disadvantages:
泵浦功率高（ 500mW）
111
光纤放大器比较
112
宽带 Raman+EDFA光放大器
Raman 放大器
C band EDFA
pump
filter
Raman Fiber
113
Raman+EDFA光放大器增益曲线
114
7.4 其他光放大器
7.4.1
物体内部会持续产生微弱的声波,这种声波的频率很高 (一般在 109Hz左右 ),人耳是听不见的,它对通过物质的光波会产生作用 。 根据光波的多普勒效应,推导出布里渊散射公式：
115
式中,v0,vs,vp分别代表入射光,
散射光和超声波的频率； v代表超声波的速度； c是光波的传播速度； n是物质的折射率； θ为散射光传播方向和入射光传播方向之间的夹角 。
在光纤通信领域,SBS未来最有可能的用途就是受激布里渊放大器。
116
作业第 5章,5.9,5.10,5.13
第 6章,6.6,6.9
第 7章,7.2,7.6,7.9
类型：阶段性论文题目：《光放大器的应用及对通信系统性能的影响》
字数,>5000字形式,Word文档格式：摘要，关键字，正文，参考文献截止日期：考试前邮箱,gxtx2006@163.com
第七章 光 放 大 器
7.1 光放大器概述
7.2半导体光放大器 SOA
7.3 掺铒光纤放大器 EDFA
7.4 光纤喇曼放大器 FRA
2
本章内容、重点和难点本章内容
放大器的原理和功能
半导体光放大器 SOA,掺铒光纤放大器 EDFA
光纤拉曼放大器 FRA
本章重点
光纤拉曼放大器 FRA,掺铒光纤放大器 EDFA
本章难点
光纤拉曼放大器 FRA
3
学习本章目的和要求
掌握几种主要的光放大器的原理、结构、特性及应用。
4
前几章讨论了组成光波系统的光纤、光发送机和光接收机等三个基本单元，本章介绍光波系统组成的另一个重要单元 —— 全光中继器。
光信号在传输过程会出现两个问题：
① 光纤的损耗特性使光信号的幅度衰减，
限制了光信号的传输距离；
② 光纤的色散特性使光信号波形失真，造成码间干扰，使误码率增加。
以上两点不但限制了光信号的传输距离，也限制了光纤的传输容量。为增加光纤的通信距离和通信容量，必须设置光中继器。
5
光中继器的功能是补偿光能量损耗，恢复信号脉冲形状有：
① 补偿衰减的光信号；
② 对畸变失真的信号波形进行整形。
光中继器主要有两种：一种是传统的光中继器（即光电中继器），另一种是全光中继器。
光电混合中继器实际上是光接收机和光发送机功能的串接。
6
光电混合中继器中先将从光纤接收到的已衰减和变形的脉冲光信号用光电二极管检测转换为光电流，然后经前置放大器、主放大器、判决再生电路在电域实现脉冲信号放大与整形，最后再驱动光源产生符合传输要求的光脉冲信号沿光纤继续传输，其基本功能是 均衡放大，识别再生和再定时,具有这三种功能的中继器称为 3R中继器，
而仅具有前两种功能的中继器称为 2R中继器。
经再生后的输出光脉冲完全消除了附加噪声和波形畸变，即使由多个中继器组成的系统中，
噪声和畸变也不会累积，这正是数字通信能实现长距离通信的原因。
7
光电光混合中继器，用于克服光纤损耗与色散对通信距离和通信容量的限制，
但结构复杂，价格昂贵,且不能用于波分复用 (WDM)系统中。 本章将允绍结构简单的光放大器构成新的全光中继器，对光信号进行直接放大，克服光纤损耗对通信距离的限制。
8
光放大器的出现，可视为光纤通信发展史上的重要里程碑。
光放大器出现之前，光纤通信的中继器采用光－电－光 (O-E-O)变换方式。
装置复杂、耗能多、不能同时放大多个波长信道，在 WDM系统中复杂性和成本倍增，可实现 1R,2R,3R中继光放大器（ O-O）
多波长放大、低成本，只能实现 1R中继
9
光放大器有多种类型，本章只介绍与光纤通信直接有关的几种，包括半导体激光放大器
(SLA)和光纤型光放大器两类。
光纤型光放大器有光纤喇曼放大器 (FRA)、
光纤布里渊放大器 (FBA),光纤参量放大器 (m)和掺杂光纤放大器 (如 EDFA)等几种。
光纤喇曼放大器和布里渊放大器利用所谓受激喇曼和布里渊散射两种非线性和非弹性散射过程，是石英光纤固有的现象，作为非线性介质的光纤，通过分子振动和声学声子的参与，起着主动的作用。
10
光纤参量放大器利用光纤的被动作用，
依靠束缚电子的非线性响应产生的参量过程，实现光信号的放大。
掺杂光纤放大器是一种新型放大器，
特别是 1,55μ m的掺铒与 1,3μm的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。
本章将分别介绍上述几种主要的光放大器的原理、结构、特性及应用。
11
7.1 光放大器概述
7.1.1 光放大器在现代光纤通光纤通信中用光纤来传输光信号 。 光纤的中继距离受限于光纤的损耗和色散 。
就损耗而言,目前光纤损耗典型值在
1.31μm波段为 0.35dB/km左右,在 1.55μm
波段为 0.25dB/km左右 。
12
以 1989年诞生的掺铒光纤放大器
(Erbium Doped Fiber Amplifier,EDFA)
代表的光放大器技术可以说是光纤通信技术上的一次革命 。
光放大器在光纤通信系统目前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 。
13
光放大器还将促进光孤子通信技术的实用化。光孤子通信是利用光纤的非线性来补偿光纤的色散作用的一种新型通信方式。
7.1.2
光放大器的发展最早可追溯到 1923年
A·斯梅卡尔预示的自发喇曼散射。 1928年印度加尔各答大学的喇曼观测到自发喇曼效应。
14
7.1.3
光放大器按原理不同大体上有三种类型 。
(1) 掺杂光纤放大器,就是利用稀土金属离子作为激光工作物质的一种放大器 。
15
(2) 传输光纤放大器,其中有受激喇曼散 射 ( Stimulated Raman Scattering，
SRS) 光 纤 放 大 器,受 激 布 里 渊 散 射
(Stimulated Brilliouin Scattering,SBS)光纤放大器和利用四波混频效应 (FWM)的光放大器等 。
(3) 半导体激光放大器 。 其结构大体上与激光二极管 (Laser Diode,LD)相同 。
这几种类型的光放大器的工作原理和激励方式各不相同 。
16
7.1.4 光纤放大器的重要指标
1.
n光放大器的功能,提供光信号增益,以补偿光信号在通路中的传输衰减,增大系统的无中继传输距离 。
n在泵浦能量 （ 电或光 ） 的作用下,实现粒子数反转 （ 非线性光纤放大器除外 ）,然后通过受激辐射实现对入射光的放大 。
n光放大器是基于 受激辐射或受激散射 原理实现入射光信号放大的一种器件 。 其机制与激光器完全相同 。 实际上,光放大器在结构上是一个没有反馈或反馈较小的激光器 。
17
2.
(1) 增益 G与增益系数 g
放大器的增益定义为式中,Pout,Pin分别为放大器输出端与输入端的连续信号功率 。
18
(2)
人们希望放大器的增益在很宽的频带内与波长无关 。 这样在应用这些放大器的系统中,便可放宽单信道传输波长的容限,
也可在不降低系统性能的情况下,极大地增加 WDM系统的信道数目 。
19
(3)
由于信号放大过程消耗了高能级上粒子,因而使增益系数减小,当放大器增益减小为峰值的一半时,所对应的输出功率就叫饱和输出功率,这是放大器的一个重要的参数,饱和功率用 Pouts表示 。
20
3.
放大器本身产生噪声,放大器噪声使信号的信噪比 (Signal-to-Noise Ratio,SNR)
下降,造成对传输距离的限制,是光放大器的另一重要指标 。
(1)
光纤放大器的噪声主要来自它的放大自发辐射 (Amplified Spontaneous Emission，
ASE)。
21
(2)
由于放大器中产生自发辐射噪声,使得放大后的信噪比下降 。 它定义为输入信噪比与输出信噪比之比 。
(SNR)in和 (SNR)out分别代表输入与输出的信噪比 。 它们都是在接收机端将光信号转换成光电流后的功率来计算的 。
22
几种光放大器的比较放大器类型 原理激励方式工作长度噪声特性与光纤耦合与光偏振关系稳定性掺稀土光纤放大器粒子数反转光 数米到数十米好 容易 无 好半导体光放大器粒子数反转电 100?m~
1mm
差 很难 大 差光纤 (喇曼 )
放大器光学非线性 (喇曼 )
效应光 数千米 好 容易 大 好
23
光放大器的应用局域网的功率放大器：补偿分配损耗，增大网络节点数前置预放大 (Pre-Amplify):
提高接收灵敏度功率放大 (Boost),增加入纤功率,延长传输距离线路放大 (In-line),周期性补偿各段光纤损耗
24
7.2 半导体光放大器半导体光放大器 (SOA)是采用与通信用激光器相类似的工艺制作而成的一种行波放大器，
当偏置电流低于振荡阈值时，激光二极管就能对输入相干光实现光放大作用。
SOA也是一种重要的光放大器，其结构类似于普通的半导体激光器。
25
7.2.1 P半导体光放大器概述
半导体光放大器的放大特性主要决定于激光腔的反射特性与有源层的介质特性。
根据光放大器端面反射率和工作偏置条件，将半导体光放大器分为：
----法布里－珀罗放大器 (FP－ SOA)
----行波放大器 (TW－ SOA)
26
R1 R2
I
半导体光放大器示意图
27
7.2.2 F-P半导体光放大器入射光从左端面进入，通过具有增益的有源层，到达右端面后，部分从端面反射，然后反向通过有源层至左端面，部分光从左端面出射，其余部分又从端面反射，
再次通过有源层，如此反复，使入射光得到放大。
多峰值、带宽窄，不适合通信系统应用，只可用于一些信号处理。
28
7.2.3 行波半导体光放大器
TW－ SOA与 FP－ SOA的区别在于端面的反射率大小,TW－ SOA具有极低的端面反射率，
通常在 0.1%以下。
降低端面反射方法：倾斜有源区法、窗面结构。
TW－ SOA的增益、增益带宽和噪声特性都可以满足光纤通信的要求，但如下两个缺点限制着它在光纤通信中的实际应用：
对光信号偏振态的敏感性；
对光信号增益的饱和性。
29
7.2.4 SOA增益偏振相关性起因,由于半导体有源层的横截面呈扁长方形，对横向（长方形的宽边方向）
和竖向（长方形的窄边方向）的光场约束不同，光场在竖向的衍射泄漏强于横向，
因而竖向的光增益弱于横向。因此光信号的偏振方向取横向时的增益大，取竖向时的增益小。
解决方法,① 采用宽、厚可比拟的有源层设计； ② 使用方法着手。
30
三种使用方法相同结构 SOA互相垂直串接，所得增益将与偏振无关相同结构 SOA互相垂直并接，在输入端采用偏振分束器将信号分成 TE和 TM偏振信号,分别输入至相互垂直的 SOA,然后将两只 SOA放大的 TE和
TM偏振信号合成，得到与输入光同偏振态的放大信号。
输入光信号往返两次通过同一 SOA,但反向通过前，采用法拉第旋转器使返回光旋转 900
31
①相同结构 SOA互相垂直串接②相同结构 SOA互相垂直并接 ③输入光信号往返两次通过同一 SOA
32
7.2.5 SOA的应用多信道放大中存在问题
噪声大
信道串扰 (交叉增益调制 XGM,四波混频
FWM)
增益饱和引起信号畸变其他应用,
光波长转换 （ XGM,XPM,FWM）
光开关,直接调制 SOA的注入电流实现光的通断。特点：高速、无损
光信号处理器件。
33
SOA Product
34
7.3 掺铒光纤放大器掺铒光纤放大器是将掺铒光纤在泵浦源的作用下而形成的光纤放大器。对这种掺杂光纤放大器影响较大的工作可追溯到
1963年对玻璃激光器的研究。
35
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 (Er)掺杂光纤放大器 (EDFA)
工作波长为 1300nm的镨 (Pr)掺杂光纤放大器 (PDFA)
工作波长为 1400nm的铥 (Tm)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。
36
掺铒光纤是一种向常规传输光纤的石英玻璃基质中掺入微量铒元素的特种光纤，它是一种主动光纤，如图所示。 掺入铒元素的目的是,促成被动的传输光纤转变为具有放大能力的主动光纤。
由此可知，这种光纤的新特性 --激光特性、光放大特性等与铒离子的性质密切相关。
37
掺铒光纤放大器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
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
38
为什么要用掺铒光纤放大器
工作频带正处于光纤损耗最低处 (1525-
1565nm)；
频带宽，可以对多路信号同时放大 -波分复用；
对数据率 /格式透明，系统升级成本低；
增益高 (>40dB),输出功率大 (~30dBm),噪声低 (4~5dB)；
全光纤结构，与光纤系统兼容；
增益与信号偏振态无关，故稳定性好；
所需的泵浦功率低 (数十毫瓦 )。
39
7.3.1 掺铒光纤放大器的工作原理
激光器的工作原理：
经泵浦源的作用,工作物质粒子由低能级跃迁到高能级 (一般通过另一辅助能级 ),在一定泵浦强度下,得到了粒子数反转分布而具有光放大作用 。 当工作频带范围内的信号光输入时便得到放大 。
掺铒光纤放大器的基本工作原理,
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,在信号光诱导下实现受激辐射放大 。
40
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。
Input signal
1530nm-1570nm
Amplified
output signal
Power laser
(Pump)
980nm or
1480nm Fiber containing
erbium dopant
41
EDFA中的 Er3+能级结构
泵浦波长可以是 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 。
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
980nm 1480nm
亚稳态能带
1550nm
铒离子简化能级示意图
42
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。
按常规电子能级的光谱命名方法，铒离子的电子能级如图所示。
由下能级向上能级的跃迁则对应于光的吸收过程，而由上能级向下能级的跃迁则对应于光的发射过程。
43
由上图可以看出，一些具有重要意义的跃迁过程主要是，铒离子的（光子）吸收和（荧光）
发射过程分别发生在下列能级之间：
吸收过程：从基态荧光发射：从激发态
44
铒离子的能级图中,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 10ms； 4I11/2能带称为泵浦态，离子在泵浦态上的平均寿命为 1μs。 除图中标出的吸收带外,还有 800nm等其他吸收带。
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,故得到了最广泛的应用。
45
掺铒光纤之所以能放大光信号的基本原理在于 吸收泵浦光的能量，由基态 4I15/2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，当用 980nm波长的光泵浦时，从基态跃迁至泵浦态 4I11/2 。
由于泵浦态上载流子的寿命时间只有 1μs,电子迅速以非辐射方式又泵浦态豫驰至亚稳态，在亚稳态上载流子有较长的寿命，在源源不断的泵浦下，亚稳态上的粒子数积累，从而实现了粒子数反转分布 。 动画 crgx-03.swf
46
当有 1.55μm 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，都将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不断放大，如图所示。 动画 crgx-04.swf
47
掺饵光纤放大器采用掺铒离子单模光纤作为增益物质，
在泵浦光激发下产生粒子数反转，在信号光诱导下实现受激辐射放大，其工作原理如图所示。
掺铒光纤放大器是由一段掺铒光纤、泵浦光源、光耦合器以及光隔离器等组成。光隔离器用于隔离反馈光信号，
提高稳定性。 动画 crgx-07.swf
48
掺铒光纤,当一定的泵浦光注入到掺铒光纤中时,Er3+从低能级被激发到高能级上，由于在高能级上的寿命很短，很快以非辐射跃迁形式到较低能级上，并在该能级和低能级间形成粒子数反转分布。
半导体泵浦二极管,为信号放大提供足够的能量，使物质达到粒子数反转。
波分复用耦合器,将信号光和泵浦光合路进入掺铒光纤中。
光隔离器,使光传输具有单向性，放大器不受发射光影响，保证稳定工作。
49
由于光纤对 1480nm的光损耗较小，所以
1480nm泵浦光又常用于遥泵方式 。
Multistag
e EDFA
Remote
Pumping
50
7.3.2 掺铒光纤放大器的结构
1.
在同向泵浦方案中,泵浦光与信号光从同一端注入掺铒光纤 。
2.
反向泵浦,泵浦光与信号光从不同的方向输入掺杂光纤,两者在掺铒光纤中反向传输 。
3.
为了使掺铒光纤中的铒离子能够得到充分的激励,必须提高泵浦功率 。
51
前向（同向）泵浦掺铒光纤放大器，表示信号光和泵浦光同向进入掺铒光纤。这种结构噪声特性较好；
后向（反向）泵浦掺铒光纤放大器，表示信号光和泵浦光从两个不同方向进入掺铒光纤。这种结构具有较高的输出信号功率，但噪声特性较差；
双向泵浦掺铒光纤放大器，
表示两个泵浦光从两个相反方向进入掺铒光纤。这种结构具有的输出信号功率最高，
噪声特性也不差。
52
4.
(1)
(2)
图 7.5所示表示噪声指数与输出光功率之间的关系 。
(3)
同向泵浦式 EDFA的饱和输出光功率最小 。
53
图 7.5 噪声指数与输出功率之间的关系
54
7.2.3EDFA
1,EDFA
增益系数 g(z)与高能级和低能级的粒子数目差及泵浦功率有关,对增益系数 g(z)在整个掺铒光纤长度上进行积分,就可求出光纤放大器的增益 G,所以,放大器的增益应与泵浦强度及光纤的长度有关 。
增益 G是描述光放大器对信号放大能力的参数 。 定义为：
ins
o u ts
P
P
dBG
,
,
10log10)(?
输出信号光功率输入信号光功率
55
G与光放大器的泵浦功率、掺杂光纤的参数和输入光信号有很复杂的关系。
输入光功率较小时,G是一常数，即输出光功率 PS,OUT与输入光功率 PS,IN成正比例。 G0光放大器的小信号增益。
小信号增益 G＝ 30dB时，增益对输入光功率的典型依存关系饱和输出功率,放大器增益降至小信号增益一半时的输出功率。
3dB
Pout,sat
当 PS,IN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
56
增益 G与输入光波长的关系增益谱 G(?),增益 G与信号光波长?的关系。光放大器的增益谱不平坦。
57
小信号增益随泵浦功率而变的曲线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。
58
当泵浦功率一定时，放大器在某一最佳长度时获得最大增益，如果放大器长度超过此值，由于泵浦的消耗，最佳点后的掺铒光纤不能受到足够泵浦，而且要吸收已放大的信号能量，导致增益很快下降。
因此，在 EDFA设计中，需要在掺铒光纤结构参数的基础上，选择合适的泵浦功率和光纤长度，使放大器工作于最佳状态。
小信号增益随放大器长度而变的曲线
59
2,EDFA
图 7.9所示是掺铒硅光纤的 g-λ曲线,
从图中可以看出增益系数随着波长的不同而不同 。
EDFA实现宽频带和增益平坦度经过了 3个阶段,如表 7.1所示 。
光纤在 1.55μm低损耗区具有 200nm带宽,而目前使用的 EDFA增益带宽仅为
35nm左右 。
60
图
7.
9
掺铒离子硅光纤的g-
λ
曲线
61
62
3,EDFA
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） 下降,其降低程度通常 用噪声指数 Fn来表示,其定义为：
主要噪声源,放大的自发辐射噪声（ ASE）,它源于放大器介质中电子空穴对的自发复合。自发复合导致了与光信号一起放大的光子的宽谱背景。
o u t
in
n S NR
S NRF
)(
)(?
63
EDFA放大 1540波长信号时产生的影响
ASE噪声叠加在信号上，导致信噪比下降。
64
ASE噪声
ASE噪声近似为白噪声，噪声功率谱密度为：
hnGS spsp 1
自发发射因子或粒子数反转因子
对于原子都处于激发态或完全粒子数反转的光放大器,nsp=1;
当粒子数不完全反转时，
nsp>1；
12
2
NN
Nn
sp
激发态的粒子数 基态的粒子数
65
ASE噪声研究发现，接收机前接入光放大器后，新增加的噪声主要来自 ASE噪声与信号本身的差拍噪声。 噪声指数 为：
表明：即使对 nsp=1的完全粒子数反转的理想放大器，被放大信号的 SNR也降低了二倍（或 3dB）。
对大多数实际的放大器 Fn均超过 3dB,并可能达到 6~8dB。 希望放大器的 Fn尽可能低。
spspn nG
GnF 212
66
4,EDFA
EDFA 的 增 益 恢 复 时 间? g~10ms(SOA 的
g=0.1~1ns),其增益不能响应调制信号的快速变化,
不存在增益调制,四波混频效应也很小,所以在多信道放大中不引入信道间串扰 (SOA则不然 ),是其能够用于多信道放大的关键所在 。
EDFA对信道的插入、分出或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。
67
EDFA的级联特性多信道放大中存在的其它问题：
增益平坦
增益钳制
高的输出功率信道间增益竞争，
多级级连使用导致“尖峰效应”
68
增益平坦
1544 1569
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
69
光功率波长
BER
接收光功率光功率波长光发射机光发射机光发射机光发射机?N
1
2
3
光接收机光接收机光接收机光接收机
EDFA
1
N
3
2
70
增益平坦 /均衡技术 (1)
1,滤波器均衡：
采用透射谱与掺杂光纤增益谱反对称的滤波器使增益平坦,如,薄膜滤波、紫外写入长周期光纤光栅、周期调制的双芯光纤等。 只能实现静态增益谱的平坦，在信道功率突变时增益谱仍会发生变化。
EDFA + 均衡器 → 合成增益
71
增益平坦 /均衡技术 (2)
2,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。
3,声光滤波调节：
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
72
增益平坦 /均衡技术 (3)
4,预失真技术,不灵活，传输链路变换后，输入功率也要随之调整
73
增益钳制
EDFA对信道的插入、分出或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
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
74
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。
泵浦控制均衡放大器（电控）
LD Pump
In Out
EDFA
75
增益钳制技术 (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
76
5,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
22
19
16输出功率（
dB
m
）
1540 1570
77
=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,5?m
内包层,50?m
芯层 (掺铒 )，传播信号层 (SM)
内包层，传播泵浦光 (MM)
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。
78
7.3.4 掺铒光纤放大器的系统应用
1,EDFA
由于 EDFA的低噪声特性,使它很适于作接收机的前置放大器 。
2,EDFA
功率放大器是将 EDFA直接放在光发射机之后用来提升输出功率 。
79
3,EDFA
EDFA用作线路放大器是它在光纤通信系统的一个重要应用 。
4,EDFA
EDFA可在宽带本地网,特别在电视分配网中得到应用 。
80
7.3.5 掺铒光纤放大器的优缺点
EDFA之所以得到迅速的发展,源于它的一系列优点 。
(1) 工作波长与光纤最小损耗窗口一致,可在光纤通信中获得广泛应用 。
(2) 耦合效率高 。 因为是光纤型放大器,易于光纤耦合连接,也可用熔接技术与传输光纤熔接在一起,损耗可降至 0.1dB，
这样的熔接反射损耗也很小,不易自激 。
81
(3) 能量转换效率高。激光工作物质集中在光纤芯子，且集中在光纤芯子中的近轴部分，而信号光和泵浦光也是在近轴部
(4) 增益高，噪声低。输出功率大，增益可达 40dB,输出功率在单向泵浦时可达
14dBm,双向泵浦时可达 17dBm,甚至可达 20dBm,充分泵浦时，噪声系数可低至
3~4dB，
82
(5) 增益特性不敏感。首先是 EDFA增益对温度不敏感，在 100° C内增益特性保
(6) 可实现信号的透明传输，即在波分复用系统中可同时传输模拟信号和数字信号，高速率信号和低速率信号，系统扩容
83
EDFA
(1) 波长固定，只能放大 1.55μm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
(2) 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。
84
下表列出国外几家公司 EDFA商品的技术参数。
下表列出国外几家公司 EDFA商品的技术参数 。
85
7.3 光纤喇曼放大器拉曼现象在 1928年被发现。
90年代早期,EDFA取代它成为焦点,FRA受到冷遇。
随着光纤通信网容量的增加，对放大器提出新的要求，传统的 EDFA已很难满足,FRA再次成为研究的热点。
特别是高功率二极管泵浦激光器的迅猛发展，
又为 FRA的实现奠定了坚实的基础。
人们对 FRA的兴趣来源于这种放大器可以提供整个波长波段的放大。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，甚至可在
1270～ 1670nm整个波段内提供放大。
86
1550nm
1450nm
(a)无泵激光的 1550nm传输光纤波长光功率
(d
B)
1550nm 经光纤传输衰减的光波长光功率
(d
B) 1550nm
光纤
(b)有泵激光的 1550nm传输
1450nm
1550nm
如果一个弱信号和一个强泵浦光同时在光纤中传输，并使弱信号波长置于泵浦光的拉曼增益带宽内，则弱信号即可被放大。这种基于 SRS机制的光放大器称为光纤拉曼放大器 FRA。
87
88
FRA原理简介：
物理机制：
A.光纤拉曼散射效应（ SRS)
一个入射光子（ pump)的湮灭，产生一个下移 stokes
频率的光子和另一个具有相当能量和动量的光学声子
B.与 pump光子相差 stokes频率的信号光子，经受激散射过程被放大
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
7.3.1 光纤喇曼放大器的工作原理
89
90
频率为?p和?s的泵浦光和信号光通过耦合器输入光纤，当这两束光在光纤中一起传输时，
泵浦光的能量通过 SRS效应转移给信号光，使信号光得到放大。
峰值增益频移：～ 13.2THz
反向泵浦为主，也可同向泵浦
支撑技术,14nm的大功率泵浦激光器，目前以取得实用化
91Properties of Raman Scattering in Fibers
特性：
在所有类型光纤中都会发生
峰值增益频移 ~13 THz (60-100nm)
增益具有偏振依赖性，当泵浦光与信号光偏振方向平行时增益最大，垂直时增益最小为零
增益谱很宽 (125nm)但并不平坦
92
受激喇曼散射主要性质包括：
① 在玻璃介质中参与喇曼散射的是光学声子；
② 在所有类型的光纤中都会发生,但喇曼增益稀疏的形状和峰值与泵浦源的波长和功率有关；
③ 响应时间很短,为瞬态效应；
93
④ 增益具有偏振依赖性,当泵浦光与信号光偏振方向平行时增益最大,垂直时增益最小,但实际上在非保偏光纤中由于模式混扰的原因而表现为增益无关；
⑤ 增益谱很宽,但不平坦 。 最大增益频移为 13.2THz,并且可以扩展到 30THz。
94
FRA以传输光纤作为放大介质－ 分布式放大,从而实现一种“无损耗”传输（可降低入纤光功率，避免非线性效应）
光纤拉曼放大器－ 超低噪声放大原理脉冲幅度
z
集中放大 Nonlinear Effects
Noise High
分布放大缺点：泵浦功率大
(W),对光纤损害,
95
分布放大分立放大
96
机制：拉曼增益与泵浦波长相关方法：多波长泵浦增益：各个泵浦波长拉曼增益谱的加权和（以 dB为单位）
光纤拉曼放大器 － 宽带放大原理
97
Ultraflat amplifier
98
光纤拉曼放大器的泵浦要求
高能量输出。
消偏输出和偏振混合输出。（拉曼散射增益具有偏振依赖性）
泵浦波长至关重要。信号光在 1300nm
波段时，最佳泵浦波长约在 1220～
1240nm,而在 1550nm波段时，最佳泵浦波长约在 1440～ 1460nm左右处。高功率双包层拉曼光纤激光器是最佳的泵浦源。
99
7.3.2 光纤喇曼放大器的结构光纤喇曼放大器可分为两类：分立式喇曼放大器 (Raman Amplifier,RA)和分布式 喇 曼 放 大 器 ( Distributed Raman
Amplifier,DRA)。
100
7.3.3 光纤喇曼放大器的性能
1.
在连续波的工作条件下,并忽略泵浦光消耗,光纤喇曼放大器的增益可由下式表示：
式中,gR为喇曼增益系数； Aeff为光纤在泵浦波长处的有效面积； P0为泵浦光功率；； αP为泵浦光在光纤中的衰减常数。
101
2.
增益带宽由泵浦波长决定,选择适当的泵浦光波长,就可得到任意波长的信号放大,DRA的增益频谱是每个波长的泵浦光单独产生的增益频谱叠加的结果,所以它由泵浦波长的数量和种类决定 。
102
3.
由于喇曼放大是分布式获得增益的过程,其等效噪声比分立式放大器要小 。 为了比较 DRA与分立式放大器的性能,定义
DRA的等效集中噪声指数 FR为式中,ρASE是光纤末端放大自发辐射 (ASE)
密度； GR是在光纤末端信号的喇曼增益 。
103
分布式喇曼放大器经常与 EDFA混合使用,当作为前置放大器的 DRA与作为功率放大器的常规 EDFA混合使用时,其等效噪声指数为
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,只要增加喇曼增益 GR,就可以减少总的噪声指数 。
104
7.3.4 光纤喇曼放大器的系统应用
1.
分立式喇曼放大器所用的光纤增益介质比较短,泵浦功率要求很高,一般在几瓦到几十瓦,可产生 40dB以上的高增益,
像 EDFA一样可用来对光信号进行集中放大,因此主要用于 EDFA无法放大的波段 。
105
2,DRA
采用 DRA技术的传输系统,在 WDM
系统的每个传输单元内,在 EDFA的输入端注入反向的喇曼泵浦,信号将会沿光纤实现分布式喇曼放大,由于 DRA具有噪声低,增益带宽与泵浦波长和功率相关的特点,EDFA又具有高增益,低成本的特点,
所以这种混合放大结构可以同时发挥两种光纤放大器的优势 。
106
7.3.5 光纤喇曼放大器的优缺点
FRA具有以下优点 。
(1) 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,这样的 FRA就可扩展到 EDFA不能使用的波段,为波分复用进一步增加容量拓宽了空间 。
107
(2) 增益介质可以为传输光纤本身，
如此实现的 FRA称为分布式放大，因为放大是沿光纤分布作用而不是集中作用，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。
108
(4) 喇曼增益谱比较宽,在普通 DSF上单波长泵浦可实现 40nm范围的有效增益；
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) 喇曼放大的作用时间为飞秒 (10-15s)
级,可实现超短脉冲的放大 。
109
FRA
① 喇曼光纤放大器所需要的泵浦光功率高。
② 作用距离太长，增益系数偏低。
③ 对偏振敏感。
110
光纤拉曼放大器特性
Advantages:
理论上可以得到任意波长的增益，前提是需要合适的泵浦源；
分布或分立放大均能实现；
使用光纤作为放大介质意味着在线放大的可能，可以减少噪声的积累。
Disadvantages:
泵浦功率高（ 500mW）
111
光纤放大器比较
112
宽带 Raman+EDFA光放大器
Raman 放大器
C band EDFA
pump
filter
Raman Fiber
113
Raman+EDFA光放大器增益曲线
114
7.4 其他光放大器
7.4.1
物体内部会持续产生微弱的声波,这种声波的频率很高 (一般在 109Hz左右 ),人耳是听不见的,它对通过物质的光波会产生作用 。 根据光波的多普勒效应,推导出布里渊散射公式：
115
式中,v0,vs,vp分别代表入射光,
散射光和超声波的频率； v代表超声波的速度； c是光波的传播速度； n是物质的折射率； θ为散射光传播方向和入射光传播方向之间的夹角 。
在光纤通信领域,SBS未来最有可能的用途就是受激布里渊放大器。
116
作业第 5章,5.9,5.10,5.13
第 6章,6.6,6.9
第 7章,7.2,7.6,7.9
类型：阶段性论文题目：《光放大器的应用及对通信系统性能的影响》
字数,>5000字形式,Word文档格式：摘要，关键字，正文，参考文献截止日期：考试前邮箱,gxtx2006@163.com
