第6章 光放大器

n 为了评价放大后信号的信噪比，应该考虑自发辐射系数 sp
的贡献。
对接收机噪声
21
自 发 辐 射 系 数 nsp N 2 N 2 N1 是 铒 离 子 反
N 转系 数 ，它 与 处 于基 态 和 激活 态 的 离子 数 1 和 N 2 有关。对于铒离子完全反转放大器(即所有 铒 离子均被泵浦光激发到激活态)，nsp 1 ；但是当
小信号增益和泵浦功率的关系
对于给定的 放大器长度 L，放大器 增益最初随 泵浦功率按 指数函数增 加，但是当 泵浦功率超 过一定值后， 增益的增加 就减小
40 增 30 益 (dB) 20 10 0 -10 0 2 6 4 泵浦功率 (mW) 8 10
17
20 15 10 L = 5m
小信号增益和光纤长度的关系
80 输 出 60 信 号 功 40 率 (mW) 20 0 0
转换效率 92.6%
20 40 60 泵浦功率 (mW)
80
10
图6.1.5 小信号增益与泵浦功率的关系
40 小 信 30 号 增 益 20 (dB) 10 0 0 5 10 15 (mW) 泵浦功率 20
11
增益系数 6.3dB/mW
掺铒区 （ 浓 度 1100 2500ppm) ~
0
0.2
0.4 0.6 b/a
0.8
1.0 径向分布场
图 7.1.1 铒离子浓度 与 b/a 值的关系
图 7.1.2 掺铒光纤结构 和折射率分布
7
6.1.2 EDFA工作 原理及其特性
Er 能 级 1.27eV 0.80eV 信号光 980nm 泵浦光 0 1550nm
EDFA泵浦功率对噪声指数的影响
该图表示泵浦功 率对放大器噪声 指数影响的模拟 结果。 数值计算表明， 强泵浦功率的高 增益放大器可以 得到接近 3 dB 的 噪声指数。实验 结果也验证了这 个结论。 噪声指数就像放 大器增益一样， 与放大器长度和 泵浦功率有关。
15 噪 声 指 数 10 Fn (dB) 5
6
6.1.1 掺铒光纤结构
Ge02-Si02 Er3+-Al203-Ge02-Si02

F-Si02
2b 2a

铒 离 4000 子 浓 度 3000 ppm-wt 2000 1000 0
5000
掺锗区 （ 直 径 3 6 m ~ 0.01~0.04
) Er
直 径 1 2 m 5 硅包层
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EDFA 特性小结
对于给定的放大器长度L，放大器增益最初随泵浦 功率按指数函数增加，但是当泵浦功率超过一定 值后，增益的增加就减小。 对于给定的泵浦功率，放大器的最大增益对应一 个最佳光纤长度，并且当超过这个最佳值后很快 降低，其原因是铒光纤的剩余部分没有被泵浦， 反而吸收了已放大的信号。 选择适当的 L 值和 PP,，获得所需要的增益。当用 1.48m 波长的激光泵浦时，如泵浦功率 5mW，放 大器长度 30 m，则可获得 35dB 的光增益。
8
Er 能 级 1.27eV
3
. . .
E 3 980nm E 2 1530nm 放大后 的信号光 1550nm E1
泵浦光是如何将 能量转移给信号的
0.80eV 信号光 980nm 泵浦光 0 1550nm
铒离子能级图
为了提高放大器的增益，应尽可能使基态铒离子激发到激发 态能级 E3。 从以上分析可知，能级 E2 和 E1 之差必须是需要放大信号光 的光子能量，而泵浦光的光子能量也必须保证使铒离子从基 态 E1 跃迁到激活态 E3。 EDFA的增益特性与泵浦方式及其光纤掺杂剂有关。 可使用多种不同波长的光来泵浦 EDFA，但是 0.98 m 和 1.48 m的半导体激光泵浦最有效。使用这两种波长的光泵 浦 EDFA 时，只用几毫瓦的泵浦功率就可获得高达 30 ~ 40 9 dB 的放大器增益。
对于给定的 泵浦功率， 放大器的最 大增益对应 一个最佳光 纤长度，并 且当超过这 个最佳值后 很快降低。 其原因是铒 光纤的剩余 部分没有被 泵浦，反而 吸收了已放 大的信号。
40 增 30 益 (dB) 20 10 9
7 8 PP = 3 mW 2 4
5
6
0 -10 0
1 10 30 20 40 (m) 铒光纤长度 50
图6.1.4 输出信号功率与泵浦功率的关系
图6.1.4表示输出信号 功率与泵浦功率的关 系。 由图可见，能量从泵 浦光转换成信号光的 效率很高，因此 EDFA很适合作功率 放大器。 泵浦光功率转换为输 出信号光功率的效率 为 92.6 %，60 mW 功率泵浦时，吸收效 率为 88 %。[(信号输 出功率 信号输入功 率) / 泵浦功率]
3
. . .
E 3 980nm E 2 1530nm 放大后 的信号光 1550nm E1
铒离子能级图
在掺铒离子的能级图中， E1是基态， E2 是中间能 级，E3代表激发态。 若泵浦光的光子能量等 于 E3 与 E1之差，铒离子 吸收泵浦光后，从E1升 至 E3。但是激活态是不 稳定的，激发到E3 的铒 离子很快返回到 E2。 若信号光的光子能量等 于 E2 和 E1 之差，则当 处于 E 2的铒离子返回E1 时则产生信号光子，这 就是受激发射，结果使 信号光得到放大。
离子数反转不完全时，总有一部分铒离子留在基 态，此时 nsp 1 。于是 EDFA 的噪声指数要比理 想值 3dB 大。放大器噪声指数 Fn 2nsp G 1 G 2nsp
(7.1.4) 在光通信系统中，光放大器应该具有尽可能低的 Fn 。放大器噪声是系统性能的最终限制因素。 22
铒光纤的输入光功率是 300W，输出功率是 60mW, EDFA 的 增 益 是 多 少 ？ 假 如 放 大 自 发 辐 射 噪 声 功 率 是 PASE 30 W，EDFA 的增益又是多少：
GdB
解：EDFA 增益是 G Pout Pin 60 103 300 200 ，或 10 log(Pout Pin ) 23dB 。 当 考 虑 放 大 自 发 辐 射 噪 声 功 率 时 ， EDFA 增 益 为 10log[(Pout PASE ) Pin ] 23dB 。
是 平均 光电 流， R q hv 是 量子 效率 为 1 的 理想 光电 探
测器的响应度（见5.1节）， s 是均方散粒噪声电流。
放大后信号的SNR
SNRout
I 2
2
n
RGP 2 in
2
sp

GP in 4S sp f
sp
(7.1.3)
将式（7.1.2）和（7.1.3）代入式（7.1.1），得到放大器噪声指数 F 2n G 1 G 2n (7.1.4)
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SNRin SNRout
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 SNR 由下式给出
SNR in
式中
I 2
2 s
RPin 2 2qRPin f
2

Pin 2hvf
I RPin
(7.1.2)
15
Er 能 级
3
E 2 1530nm 信号光 放大后 的信号光
两能级模型
980nm 泵浦光 0
1550nm E1 1550nm
EDFA的增益与铒离子浓度、掺铒光纤长度、芯径 和泵浦功率有关。 处于激发态 E3 能级的离子很快返回E2 能级，产生 的辐射是自发辐射，它对信号光放大不起作用。 只有铒离子从 E2 能级返回 E1 能级时，发生的受激 发射才对信号光的放大有贡献。 因为泵浦到能级 E3 的离子快速地转移到能级 E2， 忽略自发辐射和激发态吸收时，能级 E3 几乎保持 空位，可使用一个简单两能级模型，对 EDFA 的 原理可得到更好地理解。 16
2
WDM光-电-光转换再生中继器结构
1
光纤 光 解 2 . . . 复 用 O/E
ADM E/O
1
光 光纤
2 复 N
1 2 ... N
N
. . . 用 1 2 ... N
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
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。 经过多年的努力，科学家们已经发明了几种光 放大器，其中掺铒光纤放大器（EDFA）、分 布光纤喇曼放大器（DRA）和半导体光放大器 （SOA）技术已经成熟，众多公司已有商品出 售。本章对这几种放大器进行简要的介绍。
图6.1.6 小信号增益频谱
40 小 30 信 号 增 20 益 (dB) 10 0 1.52
1.54 波 长(m
1.56 )
1.58
12
图6.1.7 大信号增益频谱
25 大 信 20 号 增 益 15 (dB) 10 0 1.52
1.56 1.54 波长( m )
1.58
13
例题6.5.1 EDFA增益
19
4. 放大器噪声
由于自发辐射噪声在信号放大期间叠加到了信号上，所以对 于所有的放大器，信号放大后的信噪比（SNR）均有所下降。与 F 电子放大器类似，用放大器噪声指数 n 来量度 SNR 下降的程度， 并定义为
Fn
(7.1.1) 式中SNR指的是由光电探测器将光信号转变成电信号的信噪比， SNR in SNRout 表示放大后 的 表示光放大前的光电流信噪比， 光电流信噪比。通常，Fn 与探测器的参数，如散粒噪声和热噪声 有关，对于性能仅受限于散粒噪声的理想探测器，人们可以获得 Fn 的简单表达式。