第07章 光 放 大 器

(SNR)out =
2 Ip
σ
2
=
( RGPin ) 2
σ
2
GPin ≈ 4Ssp ∆f
(7.1.15)
由此，可以得到噪声指数为
NF =
2nsp (G − 1) G
≈ 2nsp
(7.1.16)
第7章 光放大器
其中， nsp是自发辐射系数或粒子数反转系数，对于一个完 全粒子数反转放大器，其值为1，光粒子数反转不完全时， 其值小于1。式(7.1.16)说明，即使对于nsp=1的理想放大器， 被放大后信号的信噪比也要比输入信号的信噪比低。光放 大器用于光通信系统，要求噪声指数尽可能低。
第7章 光放大器
通常定义放大器增益降到最大小信号增益一半时的输 出功率为饱和输出功率，按此定义，可以得到饱和输出功 率为
P
sat out
G0 ln 2 Ps = G0 − 2
(7.1.11)
一般来说， G0在一定范围内， Psatout约为饱和功率的 70%，当G0值很大时， Psatout几乎与G0无关。
第7章 光放大器
g 0 (ω ) g (ω , P ) = 1 + (ω − ω0 ) 2 T22 + P / Ps
(7.1.1)
式中， g0为增益峰值， 与泵浦强度有关； ω为入射光信号频 率； ω0为原子跃迁频率； P为被放大光信号的功率； Ps为饱 和功率， 与增益介质的参数有关。 对小信号放大时， 即P/Ps<<1， 此时的增益系数为
第7章 光放大器
图7-1-1 光放大器基本结构示意图
(a) 半导体光放大器； (b) 掺杂光纤放大器； (c) 非线性光纤放大器
第7章 光放大器
光纤放大器又包括两种。 一种是掺杂光纤放大器（如图 7-1-1（b）所示）， 它是将稀土元素注入到纤芯中， 形成 一种特殊的光纤， 在泵浦光的作用下可直接对某一波长的光 信号进行放大。 由于这种光放大器需要的泵浦功率低、 连 接损耗低、 增益高、 噪声低、 输出功率大等优点， 近年来 得到迅速发展， 并被广泛采用。 另一种是非线性光纤放大 器（如图7-1-1（c）所示）， 其中的受激拉曼散射光纤放大 器和受激布里渊散射光纤放大器是利用强的光源对光纤进行 激发， 使光纤产生非线性效应而出现散射， 通过在这种受 激发的一段光纤传输过程中得到放大。 它的主要缺点是需要 大功率的半导体激光器作为泵浦源，因而很难实用。
式中，I为平均光电流； R=q/hν是量子效率为1的理想光电 探测器的响应度； σ2为均方散粒噪声电流，它是当暗电流 为零时求得的散粒噪声。
第7章 光放大器
经研究发现，在接收机前接入光放大器后，新增的噪 声主要来自自发辐射噪声和信号本身的差拍噪声，因为自 发辐射光在光检测器中与放大信号相干混频，产生了光电 流的差拍分量，使光电流的方差出现了新的成分，可以表 示为
第7章 光放大器
3. 放大器噪声 放大器噪声 由于自发辐射噪声在信号放大期间叠加到信号上，所 以对所有的放大器，信号放大后的信噪比(SNR)均有所下降。 与电子放大器类似，用放大器噪声指数NF来量度信噪比下 降的程度，并定义为
(SNR)in NF= (SNR)out
放大后的光电流信噪比。
(7.1.12)
第7章 光放大器
1970年美国和前苏联同时披露制成世界首件室温下连续 工作的半导体激光器。 同年， 康宁公司制成低损耗光纤， 使光纤的损耗首次降到20 dB/km以下。 1986年， 南安普敦 大学制成了掺铒光纤放大器。 1989年， 安捷伦科技有限公 司制成首件半导体光放大器产品。 1999年分子光电子公司 和蒂姆光子学公司制成首件掺铒波导放大器产品。 在1999 年10月举办的日内瓦电信展览会上， 朗讯公司展示了一种 拉曼放大系统。 2001年拉曼放大器得到更广泛的应用。
第7章 光放大器
7.2 掺铒光纤放大器（EDFA） 掺铒光纤放大器（ ）
7.2.1 EDFA的工作原理 的工作原理
掺铒光纤放大器（EDFA）的工作原理是经泵浦源的 作用，工作物质粒子由低能级跃迁到高能级，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，便得到光放大。而且掺铒 光纤细长的纤形结构使得有源区能量密度很高，光与物质 的作用区很长，有利于降低对泵浦功率的要求。
当1550nm波段的信号光通过这段掺铒光纤时亚稳态上的粒子以受激辐射的形式跃迁到基态并产生和入射光信号中的光子一模一样的光子从而大大增加了信号光的光子数量即实现了信号光在掺铒光纤的传输在er受激辐射的过程中还有少数粒子以自发辐射的形式自己跃迁到基态产生带宽极宽且杂乱无章的光子并在传播中不断得到放大从而形成了放大自发辐射噪声amplifiedspontaneousemissionase并消耗了部分泵光放大器722edfa的结构掺铒光纤放大器主要是由掺铒光纤泵浦源光耦合器和光隔离器组成如图723所示
第7章 光放大器
7.1 光放大器概述 光放大器概述
由于信号在光纤中传输时会受到损耗和色散的限制， 因 此， 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， 以保证信号的质量。 传统的再生中继器是进行 光—电—光转换， 这种方式存在着设备复杂和传输容量小的 缺点。 经过多年的研究， 直接在光路上对信号进行放大， 然后再进行传输的全光传输中继器应运而生， 光放大器作为 新的全光中继器， 克服了光纤损耗对通信距离的限制。
第7章 光放大器
7.1.1
光放大器的发展
最早的光放大器可以追溯到1923年斯梅卡尔预示的自 发拉曼散射。 1928年印度加尔各达大学的拉曼观测到自 发拉曼效应。 1953年约翰冯诺伊曼用半导体做了首例光 放大实验。 1962年科学家利用激光作光源观测到受激拉 曼效应， 同年有人发表了利用受激拉曼效应可制作光放 大器的论文。 1964年美国光学公司首次演示了1.06 µm纤 维放大器。
第7章 光放大器
P( z ) = Pin exp( gz )
(7.1.5)
输出功率为
Pout = P( L) = Pin exp[ g (ω ) L]
因此，光放大器的增益为
(7.1.6)
G (ω ) = exp[ g (ω ) L ]
的全宽度(FWHM)，它与介质增益谱宽∆νg的关系为
(7.1.7)
第7章 光放大器
图7-1-2 光放大器的应用
(a) 在线放大器； (b) 功率放大器； (c) 前置放大器； (d) 光放大器
第7章 光放大器
随着波分复用技术的日益普及，光纤中传输的速度越 来越高，对光通信器件的要求也越来越高，任何器件都有 可能成为光纤通信系统带宽的“瓶颈”，实现全光通信是 通信技术发展的必然趋势。光放大器从线路上解决了无电 再生中继问题，为全光通信提供了条件。
σ 2 = 2q( RGPin ) ν + 4( RGPin )( RSsp )∆ν
(7.1.14)
式中， Ssp是噪声的频谱密度，右边第一项由接收机的散 粒噪声产生，第二项由信号与自发辐射噪声差拍产生。
第7章 光放大器
上式为了简化讨论，并没有考虑其他噪声对接收机的 影响。当G1时，式中的第一项也可以忽略不计，可得到放 大器输出端的信噪比为
第7章 光放大器
SOA采取多种措施抑制端面的反射反馈， 防止腔体产 生激光振荡， 如腔端面镀多层抗反射膜(AR coat)， 芯片成 角度切割、 采用弯曲输出波导等。 当端面反射率约为10－2 时， 称为法布里—珀罗放大器(FPA)。当端面反射率小于 10－4时， 称为行波放大器(TWA)， 此时输入光信号在单程 通过激活区时得到放大。 半导体光放大器是由半导体材料 制成的， 能适合不同波长的光放大。 它存在的主要缺点是 与光纤的耦合损耗比较大、 放大器的增益受偏振影响较大、 噪声及串扰较大。 以上缺点使它作为在线放大器使用中受 到了限制。
第7章 光放大器
g0 P dP = dz 1 + P / Ps
放大器增益为
(7.1.9)
利用初始条件P(0)=Pin和P(L)=Pout=GPin，对式(7.1.9)积分可得
G − 1 Pout G = G0 exp − ⋅ Ps G
(7.1.10)
式中， G0=exp(g0L)是放大器不饱和时的谐振放大倍数。
第7章 光放大器
其中，图7-1-2(a)是将光放大器作为在线放大器代替 光电光混合中继器，当光纤色散和放大器自发辐射噪声 累积尚未使系统性能恶化到不能工作时，可以节约大量 设备投资。图7-1-2(b)是将光放大器接在光发送机后，来 提高光发送机的发送功率，增加传输距离，这种放大器 称为功率放大器。图7-1-2(c)是将光放大器接在光接收机 7-1-2(c) 前，来提高接收机的灵敏度，对微弱光信号进行预放大， 从而提高接收机的功率和信噪比，增加通信距离，这种 放大器称为前置放大器。图7-1-2(d)是将光放大器用于补 偿局域网的分配损耗，分配损耗常常限制网络的数目， 尤其在总线拓扑结构的情况下。
g0 g (ω ) = 1 + (ω − ω0 ) 2 T22
(7.1.2)
第7章 光放大器
当ω=ω0时，增益得到最大值；当ω≠ω0时，增益随ω的改变 而按洛伦兹分布变化，实际放大器的增益频谱可能与洛伦 兹曲线稍有不同。 增益带宽∆νg定义为增益降至最大值一半处的全宽 (FWHM)。对于洛伦兹分布，增益带宽∆νg与谱宽∆ωg=2/T2 的关系是
第7章 光放大器
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光放大器的应用
光放大器是可将微弱光信号直接进行光放大的器件。 它的出现使光纤通信技术产生了质的飞跃，为未来的全 光通信网奠定了扎实的基础，成为现代和未来通信系统 中不可或缺的重要器件。 光放大器具有高增益和高功率放大能力，在各种不 同的光通信系统中均可得到应用。图7-1-2给出了光放大 器的四种基本应用。
第7章 光放大器
放大器的带宽∆νA定义为G(ω)降至最大放大倍数一半处
第7章 光放大器
ln 2 νA = νg g 0 L − ln 2
1/ 2
(7.1.8)
从式(7.1.8)可以看出，放大器的带宽要比增益带宽窄得 多，其差值取决于放大器的本身。 2. 增益饱和 增益饱和 增益饱和的产生是由于增益系数和功率之间有依存关 系。当入射光信号较小时，增益系数在放大期间也维持在 较小值。因为当P接近饱和时，增益系数减小，所以放大倍 数也随着减小。为使讨论简化，假定入射信号频率准确地 调谐到原子跃迁频率ω0，以便使小信号增益最大。可以得 到光功率随距离变化的关系为
第7章 光放大器
7.1.3
光放大器的主要指标
1. 增益频谱和带宽 增益频谱和带宽 光放大器通过受激辐射放大入射光信号， 其核心是当 光放大器被光或电泵浦时， 使粒子数反转获得光增益。 该 增益不仅与入射光信号的频率有关， 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。 由激光器原理可知， 对于可用均匀展宽二 能级系统模型描述的介质， 其增益系数可写为
式中， SNRin表示光放大前的光电流信噪比， SNRout表示
第7章 光放大器
对于放大倍数为G的放大器，输出功率与输入功率的关 系是Pout=GPin，输入信号的信噪比为
( RPin ) 2 Pin = (SNR)in = 2 = σ 2q ( RPin ) ν 2hν∆ν
2 Ip
(7.1.13)
第7章 光放大器
第 7 章 光 放 大 器
7.1 7.2 7.4 7.5 7.6 7.7 习题 光放大器概述 掺铒光纤放大器（ 掺铒光纤放大器（EDFA） ） 光纤拉曼放大器（ 光纤拉曼放大器（FRA） ） 光纤布里渊放大器（ 光纤布里渊放大器（FBA） ） 半导体光放大器（ 半导体光放大器（SOA） ） 两种主要光放大器的比较 7.3 铒/镱共掺光纤放大器（YEDFA） 镱共掺光纤放大器（ 镱共掺光纤放大器 ）
第7章 光放大器
7.1.2
光放大器的分类
从工作原理来分， 光放大器主要包括半导体光放大器和 光纤放大器两种。 半导体光放大器(SOA)（如图7-1-1(a)所示）与半导体激 光器的工作原理相似， 都由电流对载流子提供激励。 SOA 实际上是偏置电流靠近振荡阈值但在阈值之下， 腔体没有或 有很少光反馈的激光二极管， 其放大特性主要取决于有源层 的特性和激光腔的特性。
ωg 1 νg = = 2π π T2
(7.1.3)
第7章 光放大器
式(7.1.3)说明，在小信号条件下，增益谱宽主要取决于增益 介质的热弛豫时间T2。 定义放大器的增益或放大倍数为
Pout G= Pin
(7.1.4)
式中， Pin和Pout分别为输入和输出的功率。在长度为L的放 大器中，光信号沿长度逐渐被放大，光功率随距离的变化 规律为dP/dz=gP，在z点的功率可由积分得到