3光放大器

《光纤通信》（第3版） 原荣 编著 32
(3) 波分复用器
其作用是使泵浦光与信号光进行复合。对它的 要求是插入损耗低，因而适用的 WDM 器件有 熔融拉锥形光纤耦合器。
(4) 光隔离器
在输入、输出端插入光隔离器是为了抑制光路 中的反射，从而使系统工作稳定可靠、降低噪 声。对隔离器的基本要求是插入损耗低、反向 隔离度大。
增益曲线，洛伦兹（Lorentzian）分布曲线
对于洛伦兹频谱曲线，增益带宽
1.0 相 0.8 对 增 0.6 益 0.4 0.2 0.0 -4 -2 0 g A
vg 与 g 2 T2 的关系是：
g ( )
1 g 2π πT2
G ( ) 曲线半最大值的全宽
它与增益带宽
(c) 接 收 机 前 置 放《光纤通信》（第 大器 (d) 在 12耗 3版） 原荣 编著 局域网中用于补偿分配损
3.2 半导体光放大器
3.2.1 放大器设计 3.2.2 放大器特性 3.2.3 半导体光放大器的应用
13
3.2.1
半导体光放大器的设计
对于半导体光放大器(SOA)的研究，早在 1962 年发明半导体激光器不久就已开始 了。 然而，只有在上世纪 80 年代，在认识到 它将在光波系统中具有广泛应用前景的 驱使下，才对 SOA 进行了广泛的研究和 开发。
掺耳光纤结构、折射率分布、光场分布 34
3.3.3 EDFA工作 原理及其特性
30

3.3.1 EDFA构成
掺铒光纤
泵浦
输入信号 波分复用器 熔接
输出信号
光隔离器
光隔离器
31
EDFA各部分作用
(1) 掺铒光纤
光纤放大器的关键部件是具有增益放大特性的掺铒光纤，因 而使掺铒光纤的设计最佳化是主要的技术关键。EDFA的增 益与许多参数有关，如铒离子浓度、掺饵光纤长度、芯径以 及泵浦光功率等。
20
减小反射率的方法
增透膜 透明区 有源区 光输出 光输入
插入透明窗口。 光束在到达半导体和空气界面前，在该窗口区已发散， 光束经界面反射后进一步发散，只有极小部分光耦合 进薄的有源层。
21
3.2.2 半导体光放大器的特性
增益：芯片 3035 dB,除 810 dB的 耦合损耗外，还有2225 dB的增益。 带宽很宽，可以对窄至几个 ps 的超 窄光脉冲进行放大。 可与光发射机和接收机一起单片集 成在一起。
第3章

光放大器
一般概念 半导体光放大器 掺铒光纤放大器 光纤拉曼放大器
1
再生中继器的缺点
任何光纤通信系统的传输距离都受光纤损耗或色散限制； 因此，传统的长途光纤传输系统，需要每隔一定的距离，就 增加一个再生中继器，以便保证信号的质量。这种再生中继 器的基本功能是进行光 -电-光转换，并在光信号转变为电信 号时进行再生、整形和定时处理，恢复信号形状和幅度，然 后再转换回光信号，沿光纤线路继续传输。 这种方式有许多缺点。首先，通信设备复杂，系统的稳定性 和可靠性不高，特别是在多信道光纤通信系统中更为突出， 因为每个信道均需要进行波分解复用，然后光-电-光变换， 经波分复用后，再送回光纤信道传输，所需设备更复杂，费 用更昂贵。其次，传输容量受到一定的限制。
(2) 泵浦源
对泵浦源的基本要求是高功率和长寿命。它是保证光纤放大 器性能的基本因素。几个波长可有效激励掺铒光纤。 最先使用1480nm的 InGaAs 多量子阱(MQW)激光器，其输 出功率可达 100 mW，泵浦增益系数较高。 随后采用980nm 波长泵浦，效率高, 噪声低，现已广泛使用。
22
增益频谱曲线和带宽
增益 g 30 GFPA GTWA 横 电 模(TE)
vFPA vTW A
信 号 20 增 益 /dB 10 v 频率 0 1.44
0
v0
1.46 1.48 1.50 波 长 / m
1.52
1.54
(a) 法布里-玻罗放大器(FPA)和行波放大器(TWA)的带宽 (b) 行波光放大器的增益与波长的关系
33
3.3.2 掺铒光纤结构
Ge02-Si02 Er3+-Al203-Ge02-Si02

F-Si02
2b 2a

掺锗区 m （直径3 ~6 0.01~0.04
) Er
直 径 12 5m 硅包层
掺铒区 （ 浓 度 110 2500ppm) ~0
2
0.4 0.6 b/a
0.8
1.0 径向分布场
14
半导体光放大器外形
《光纤通信》（第3版） 原荣 编著
15
半导体光放大器的机理
半导体光放大器的机理与激光器的相同，即通 过受激发射放大入射光信号。 光放大器只是一个没有反馈的激光器，其核心 是当放大器被光或电泵浦时，使粒子数反转获 得光增益（P49, P234 3-20） 。 该增益通常不仅与入射信号的频率（或波长） 有关，而且与放大器内任一点的局部光强有关， 该关系取决于放大器介质。
27
3.3 掺铒光纤放大器（EDFA）
3.3.1 3.3.2 3.3.3 3.3.4 EDFA构成
掺铒光纤结构 工作原理及其特性 EDFA的优点
28
光纤放大器
增益性介质为：掺有稀土离子的光纤
光纤放大器的工作频带
29
掺铒光纤放大器
使用铒离子作为增益介质的光纤放大器，称为掺铒光 纤放大器(EDFA)。这些离子在光纤制造过程中被掺入 光纤芯中，使用泵浦光直接对光信号放大，提供光增 益。 虽然掺杂光纤放大器早在 1964年就有研究，但是直到 1985 年才首次研制成功掺铒光纤。 1988 年低损耗掺铒 光纤技术已相当成熟，其性能相当优良，已可以提供 实际使用。 放大器的特性，如工作波长、带宽由掺杂剂所决定。 掺铒光纤放大器因为工作波长在靠近光纤损耗最小的 1.55 m 波长区，它比其它光放大器更引人注意。
2
WDM光-电-光转换再生中继器结构
1
光纤 光 解 2 . . . 复 用 O/E
1
光 光纤
1 2 ... N
Amp ADM
E/O
2 复 N
N
. . . 用 1 2 ... N
缺点: 通信设备复杂，系统的稳定性和可 靠性不高，传输容量受到一定的限制。
3
光放大器出现
23
减小偏振态对增益的影响
TE 偏振 合 光器
TM TM 放 大器 TE 偏 振分 光 器
(a) 两个结平面相互垂直的放大器串接
(b) 两个放大器并接
24
放大器芯片 输入 偏振控制 输出
45o 法拉第 旋转器 反射镜
o (c) 光信号通过同一个放大器两次, 极化旋转了 90 ,使总增益与偏振态无关
多年来，人们一直在探索能否去掉上述光 - 电 光转换过程，直接在光路上对信号进行放大， 然后再传输，即用一个全光传输中继器代替目 前的这种光-电-光再生中继器。 半导体光放大器（SOA） 掺铒光纤放大器（EDFA） 分布光纤拉曼放大器（DRA）
4
3.1 一般概念
3.1.1 3.1.2 3.1.3 3.1.4
max GFPA (
增 益g
max GFPA
1 R Gs ) 1 RGs 2
2
GFPA (R = 0.32 )
R = 0.03
行波放大器 min GFPA
R= 0 0
0-2
0 0+2

频率
19
减小反射率的方法
反射 有源区 光输入 光输出
角度面或有源区倾斜结构，反射光束已与前向光束分 开。 在大多数情况下，使用抗反射膜和有源区倾斜，可以 使反射率< 0.1%
半导体激 光器由于 在介质表 面存在反 射，当偏 流低于阈 值时，减 小腔体界 面反射， 可使激光 器变为放 大器。
注入电流 R反 射 面 有源区 输出光信号 光信号 输入 R反 射 面
z z =0 L z=L
18
不同反射率时的F-P SOA的增益频谱
F-P谐振腔反射 率 R 越大， SOA的增益越 大。 但是，当 R 超 过一定值后， 光放大器将变 为激光器。 当 GsR = 1 时， F-P SOA将变 为无限大，此 时， SOA 产生 激光发射。
增益和带宽 增益饱和 放大器噪声 光放大器应用
5
3.1 一般概念
光放大器通过受激发射放大入射光信号，其机 理与激光器的相同。光放大器只是一个没有反 馈的激光器，其核心是当放大器被光或电泵浦 时，使粒子数反转获得光增益 。 该增益通常不仅与入射信号的频率（或波长） 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。
信号通过同一个放大器两次，但是两次间 的极化旋转了，使得总增益与偏振态无关 。
25
波长可调激光器 + 光放大 + 调制器 集成化器件
增益区 高 反 射 膜 后镜面 可调谐光栅 滤波器 DBR 调谐
I
EA 半导体 光放大探测 调制 抗反射膜
前镜面
26
3.2.3 半导体光放大器的应用
SOA存在增益受偏振影响、以及耦合损耗较大等缺 点，所以不能作为在线放大器使用。 SOA可以在1.3 m光纤系统中作为光放大使用，因 为一般的EDFA不能在该窗口使用。 SOA芯片具有高达30~35 dB的增益，除输入和输出 端存在总共8~10 dB的耦合损耗外，还有22~25 dB 的增益。 另外行波半导体光放大器具有很宽的带宽，可以对 窄至几个ps的超窄光脉冲进行放大。 在DWDM光纤通信中，可作为波长转换和快速交 换器件使用。
6
行波半导体光放大器