第六章 光放大器

3. EDFA用作线路放大器

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在本地网中的应用

EDFA 可在宽带本地网，特别在电视 分配网中得到应用。
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。

(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 持稳定，另外，增益也与偏振无关。

(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 时，可只改动端机而不改动线路。


EDFA也有固有的缺点：
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
(3) 增益饱和与饱和输出功率

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



2. 喇曼放大器的带宽

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。

3. 噪声指数

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
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。

(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 大是沿光纤集中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。

2. 反向泵浦

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.
双向泵浦

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。
4.
三种泵浦方式比较
(1) 信号输出功率 (2) 噪声特性


图2所示表示噪声指数与输出光功率之间 的关系。


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。
光衰减器 可调激 光器 偏振控 制器

3. EDFA的噪声系数

EDFA 的噪声系数 Fn 决定于自发辐射， 即噪声系数与粒子反转差ΔN有关。
掺铒光纤放大器的系统应用

1. EDFA用作前置放大器

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用作功率放大器

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。
第二代 1530～ 1560nm 1.55μm放大波段、 波段 全波段 （1525～ 1564nm ） 第三代 EDFA放大波段、 全波段 1.55μm放大波段 +1.58μm放大 波段 1530～ 1600nm 波段
1. 并联型放大器 （1.55μm波段+1.58μm波段增益平坦型 EDFA） 1. 碲化物EDFA（+均衡器）


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。
光放大器的分类

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。 (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、

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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 。

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

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。


工作原理
第四章已经介绍过激光器的工作原理：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。这也就是掺铒光 纤放大器的基本工作原理。

2. EDFA的带宽



图 3 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。
掺 铒 离 子 硅 光 纤 的 曲 线
(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 分最强，这使得光与物质作用很充分。 (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，串话也很小。
光隔离器
SOA
光隔离器 光谱仪
微调架

拉曼光纤放大器

光纤放大器的重要指标 1. 光纤放大器的增益 (1) 增益G与增益系数g 放大器的增益定义为
Pout G Pin
式中：Pout，Pin分别为放大器输出端与输入 端的连续信号功率。
(2) 放大器的带宽

人们希望放大器的增益在很宽的频带内

只是EDFA(及其他掺杂光纤放大器)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，有利于降低对泵浦源 功率的要求。
泵浦效率Wp可以用来衡量泵浦的有效性， 其表达式如下：


Wp=放大器增益(dB)/泵浦功率(mW)


掺饵光纤放大器的结构

1. 同向泵浦
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。

(3) 饱和输出特性

小
同向泵浦式 EDFA 的饱和输出光功率最
图2 噪声指数与输出功率之间的关系

EDFA的重要指标

1. EDFA的增益特性

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

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。

2. DRA传输系统典型结构

采用DRA技术的传输系统典型结构， 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。
参数，饱和功率用Pouts表示。

放大器噪声 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) 光纤放大器的噪声来源

光纤放大器的噪声主要来自它的放大自 发 辐 射 (Amplified Spontaneous Emission ， ASE)。
第六章 光放大器
6.1 光放大器的基本类型
光放大器在现代光纤系统中的应用
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。

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。
(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，可调节的波长 有限，只能换用其他元素； (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。

6.4 光纤喇曼放大器
光纤喇曼放大器的工作原理

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；

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。
ASE ( ) 1 h FR GR

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
(2)

噪声系数
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 Fn ( SNR) out

(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。

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。
g-λ
表1 EDFA宽带、增益平坦化的进程 关键技术
增益平坦放 大波段
第一代 1.55μm放大波段 （一部分） 1540～ 1560nm 波段 1. 掺铝（A1）、磷（P） 2. 使用改善频带特性的均衡器 3. 构成混合型EDFA 1. 提高光均衡器的性能 长周期光纤光栅 • 复用法布里－珀罗滤波器 1. 氟化物EDFA
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。
光纤喇曼放大器的系统应用 1. 分立式喇曼放大器的应用
式喇曼放大器(Distributed Raman Amplifier，
DRA)。
光纤喇曼放大器的性能

1. 光纤喇曼放大器的增益


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。

光纤放大器的作用
光放大器的作用
z=0 z=L
衰减
光放 大器

常规的光电混合中继器放大光信号时，需要进行光 电转换、电放大、再定时、脉冲整形以及电光转换， 这种方式已经满足不了现代通信传输的要求。 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。

7.2 掺饵光纤放大器