光放大器的概术,EDFA,SOA

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。
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
小信号增益G＝30dB时，增益对输入光功率的典型 依存关系
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。 G0 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
饱和区域
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。
=1.3% =0.7%
芯层：5m 内包层： 50m 芯层(掺铒)，传播信号层(SM) 内包层，传播泵浦光(MM)
用于制作大功率EDFA 的双包层光纤结构图
半导体光放大器SOA
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。
R1
I
R2
半导体光放大器示意图
•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)
光放大器概述

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
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
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
EDFA的工作特性
光放大器的增益 放大器的噪声



EDFA的多信道放大特性
EDFA的大功率化
一、光放大器的增益

增益G是描述光放大器对信号放大能力的参数。 定义为：
G ( dB ) 10 log 10
Ps , out Ps , in
输出信号光功率 输入信号光功率

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。

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。
Amplified Spontaneous Emission
ASE噪声

ASE噪声近似为白噪声，噪声功率谱密度为：
自发发射因子或 粒子数反转因子
S sp G 1n sp h
好 差 好
与光 纤耦 合
容易 很难 容易
与光 偏振 关系
无 大 大
稳 定 性
好 差 好
掺稀土光 粒子数反 纤放大器 转 半导体光 粒子数反 放大器 转 光纤(喇 曼)放大 器 光学非线 性(喇曼) 效应
光放大器的应用
线路放大(In-line)：周 期性补偿各段光纤损耗 功率放大(Boost)：增加 入纤功率,延长传输距离


光放大器的类型

利用稀土掺杂的光纤放大器（EDFA、 PDFA）

利用半导体制作的半导体光放大器（SOA）
利用光纤非线性效应制作的非线性光纤放大 器（FRA、FBA）
几种光放大器的比较
放大器 类型 原理 激励 工作长 方式 度
光 电 光 数米到 数十米 100m ~1mm 数千米
噪声 特性
相同结构SOA 互相垂直串接， 所得增益将与 偏振无关
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
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。
Input signal 1530nm-1570nm 980nm or 1480nm Power laser (Pump) Amplified output signal
Fiber containing erbium dopant
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。
能级示意图
掺铒光纤放大器的基本结构
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。


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。
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。
In
EDFA
Out
LD
Pump
泵浦控制均衡放大器（电控）
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
四、EDFA的大功率化(1)
G 1 G
2 n sp
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。
三、 EDFA的多信道放大特性

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。
EDFA
+
均衡器
→
合成增益
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
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：采用宽、厚可比拟的有源层设计；使用方法着手。
•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；
n sp
N2
( N 2 N1)
基态的粒子数
激发态的粒子数
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：
Fn 2 n sp
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。
二、放大器的噪声

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）下降，其降低程度通常用噪声指数Fn 来表示，其定义为： ( SNR ) in
Fn ( SNR ) out

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”
增益平坦
固有的增益不平坦，噪比差别增大
各信道的接收灵敏度不同
1544 1569
典型的EDFA增益谱
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

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


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；
光发射机 1 光发射机
1
EDFA
2
光接收机
光发射机 3 光发射机
2 光接收机 3 光接收机 N
光接收机
N
光功率
光功率
波长
BER
波长
接收光功率
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。
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)。

EDFA的工作原理

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。
前置预放大(Pre-Amplify): 提高接收灵敏度
局域网的功率放大器：补偿 分配损耗，增大网络节点数
掺铒光纤放大器
(EDFA Erbium-Doped Fiber Amplifier)

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。
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
输出功率（dBm） 22 19
16 1540 1570
EDFA的大功率化(2)
纤 内 芯 包 层 外 包 层
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。
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。
行波半导体光放大器
光放大器的原理

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。 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。
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。
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。 铒离子简化
泵浦 能带 快速非辐 射跃迁 亚稳态能带 吸收泵浦光 产生噪声 自发辐射 980nm 基态 能带 1480nm 受激吸收 光放大 受激辐射 1550nm