第8章光放大器(0)

S Pout
增益饱 和
饱和功率：放大器增益降至小信号增益一半时的 输出功率。
线性放大 区域
G0 ln 2 PS G0 2
饱和区域
PS为饱和功率
• 8.4 基本概念
8.4.3 放大器噪声

半导体光放大器中，受激辐射总是伴随有自发辐射的产生，自 发辐射也与信号一起被放大，产生放大自发辐射噪声（ASE)。
对大多数实际的放大器NF均超过3dB ，并可能达到6～8dB。
希望放大器的NF尽可能低。
• 8.5 光放大器类型 8.5.1 掺铒光纤放大器 1 工作原理
• EDFA 主要由掺铒光纤(EDF)、泵浦光源、耦合器、光隔离器及组成， 结构如图所示。
EDFA的核心部件为掺铒光纤。
泵浦光除了980nm和1480nm外，514nm、532nm、667nm 和800nm
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
增益平坦/均衡技术
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
nsp N2 N 2 N1
基态的粒子数
自发辐射系数或 粒子数反转系数
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；
激发态的粒子数
噪声指数为：
NF 10 lg[
2(G 1)nsp G
] 10 lg( 2nsp )
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）。
•对于级联EDFA系统，瞬态响应时间可短至几十s，要求增益控 制系统的响应时间相应为几～几十s
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。
（2） 工作波长 几米长的短掺铒光纤，最大增益的波长位于1530nm~1535nm 光功率沿着光纤长度而增加，增益是可以累计的。
C波段放大器的波长范围1530nm~1565nm，掺铒 L波段放大器的波长范围1570nm~1605nm，铒-铝共掺
（3） 增益均衡 EDFA在其在其整个工作波长范围的增益是不均衡的。 解决EDFA的增益不均衡的问题的解决办法： 1）增加光滤波器来减小最强光谱线的功率； 2）利用不同类型的光放大器，如拉曼光纤放大器。
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
• 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。
反向泵浦为主，也可同向泵浦。（拉曼增益与泵浦功率成正比）
支撑技术: 大功率泵浦激光器，目前已取得实用化。
• 8.5 光放大器类型
8.5.3 布里渊光纤放大器(SBR)
受激布里渊散射原理 • 当一个窄线宽、 高功率信号沿光纤传输时， 将产 生一个与输入光信号同向的声波， 此声波波长为 光波长的一半， 且以声速传输。 理解非线性布里 渊效应的一个简单方法是将此声波想像为一个把 入射光反射回去的移动布拉格光栅， 由于光栅向 前移动， 因此反射光经多普勒频移后变为一个较 低的频率值。 • 对于工作于1.3434 μm的二氧化硅光纤， 布里渊 频偏约为11 GHz， 且决定于光纤中的声速， 反射 光线宽取决于声波的损耗， 它可在几十至几百兆 赫兹的范围内变动。
第二级反向泵浦: 得到高的输出功率
3 泵浦方式
（2） 基本应用
EDFA具体的应用形式：后置放大器、在线 放大器、前置放大器和补偿器件损耗放大器。
EDFA的增益平坦技术：应用可调光衰减器 EDFA的增益锁定技术：通过功率监测和自动反馈控制 系统以解决EDFA的增益竞争 EDFA的增益竞争：EDFA的输入波道发生变化时，导致输入光 功率的变化，会使EDFA的增益能量重新分配。
• 8.5 光放大器类型
8.5.3 布里渊光纤放大器
光纤纤芯 输入信号 (0＝1 94 THz) A＝5 .8 mm /s 反射信号 ( 0－B) 0 .5 3利用强激光与光纤中的弹性声波场相互作用 产生的后向散射光来实现对光信号的放大。 其主要特点是高增益、 低噪声、 窄带宽， 因而可 以形成分布式放大， 用作光滤波器
EDFA的主要优点有： • 工作波长正好落在光纤通信最佳波段 (1500～1600 nm) ； 其主体是一段光纤 (EDF) ，与传输光纤的耦合 损耗很小， 可达0.1 dB。
• 增益高，约为30～40 dB; 饱和输出光功率大， 约为 10～15 dBm； 增益特性与光偏振状态无关。
• 噪声指数小， 一般为4～7 dB； 用于多信道传输时， 隔离度大，无串扰，适用于波分复用系统。 • 频带宽，在1550 nm窗口，频带宽度为20～40 nm， 可进行多信道传输，有利于增加传输容量。
（4） 噪声系数 EDFA的噪声主要包括：1）信号光的散粒噪声；2）放大的 自发辐射光的散粒噪声；3）自发辐射光谱与信号光之间的 差拍噪声；4）自发辐射光谱间的差拍噪声。
EDFA的噪声系数与输入信号功率、泵浦方 式和泵浦波长有关。 1）在小信号情况下，EDFA的噪声系数随着 输入信号光功率的增加而略微减小，而在 EDFA处在饱和状态时，噪声系数随着信号 功率的增加而增大。 2） EDFA的噪声系数会随泵浦功率的增加而 减小。 3）当掺铒光纤长度增长时，同向泵浦方式的噪声系数最小，双向居中， 反向泵浦最大。 4）980nm泵浦激光器采用的是三能级工作方式，具有比较高的反转水平， 良好的噪声性能。1480nm泵浦的是二能级工作方式，噪声性能比较差， 输出功率较大。
ASE噪声是主要的噪声源。

光放大器在放大过程中都会把ASE噪声叠加到信号光上，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NF来表示，其定义为：
( SNR)in NF (dB) 10 log10 ( SNR) out
ASE噪声近似为白噪声，噪声功率谱密度为：
Ssp G 1nsp h
与半导体激光器工作原理类似。
n
p
外加正向偏压实现结区粒子数反转 泵浦导致受激辐射，信号光被放大 内部的自发辐射产生自发辐射噪声(ASE)，它也会被放大 没有谐振腔的选择，SOA将同时输出放大的光信号和自发辐 射噪声
• 8.5 光放大器类型
8.5.4 半导体光放大器
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。
3 应用 （1） 泵浦方式
1）前向泵浦：具有良好的噪声性能 2）反向泵浦：输出功率高； 3）双向泵浦：良好的增益和噪声性能，成本高。
多级泵浦
Er3+ Doped Fiber
Input Signal
Optical Isolator Pump 第一级同向泵浦: 得到低的噪声指数 Pump
Output Signal
EDFA的工作原理：Er+3吸收泵浦能量，由基态跃迁 到高能级泵浦态，对于不同的泵浦波长，电子跃迁 至不同的能级，当用980nm波长泵浦时， Er+3从基态 跃迁至泵浦态，由于泵浦态载流子的寿命时间只有 1us，电子以非辐射方式由泵浦态迅速预驰至亚稳态， 在亚稳态上载流子有较长的寿命，在源源不断的泵 浦作用下，亚稳态上的粒子数积累，从而实现粒子 数反转分布。当由1550nm光信号通过已被激活的掺 铒光纤时，在光信号的感应下，亚稳态上的粒子以 受激辐射的方式跃迁到基态。对应于每一次跃迁， 都将产生一个与感应光子完全一样的光子，从而实 现了利用泵浦光能作用，通过掺铒光纤的饵离子受 激辐射使光信号在传播过程中不断得到放大。
• 8.3 工作波段
• 8.3 工作波段
• 8.4 基本概念
8.4.1 功率放大
γ是增益系数，z为增益介质长度。
光功率等于光强与光束剖面的乘积。
增益系数：
光纤通信工程中，放大器的增益G常用dB表示。
• 8.4 基本概念
8.4.2 增益饱和 输入光功率较小时，G是一常数，即输出光功率Pout与输入光功率Pin成正 比例。G0光放大器的小信号增益。 当Pin增大到一定值后，光放大器的增益G开始下降。 G0 3dB Ps
EDFA也有固有的缺点： (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。
2 工作特性
（1） 增益与输出功率
输入功率小，增益大；输入功率大，增益就会出现饱和。 即：输入功率随着输入功率的增加而降低。
po 输入的泵浦光功率
饱和增益： Gs
0：输入信号功 率对泵浦光功率 的比例
1 o o G (1 o )
f p Ps (0) o f s Pp (0)
Ps (0) 信号光的功率
f p 泵浦光的频率