第6章光放大器

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吸
收 或
8
增 益6
/(dB/m) 4
2
吸收 ??
增益
6
截 4面
-25 2
10 m 2
0 1 480 1 500 1 520 1 540 1 560 波长 /nm
（a）硅光纤中铒离子 的能级图
（b） EDFA的吸收和增 益频谱
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图6.2.3 输出信号功率与泵浦功率的关系
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图6.1.2 中间含有光分插复用（ OADM）器的光 -电-
光点对点波分复用（ WDM）系统结构
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。
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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。
?SNR ?out 表示放大后的光电流信噪比。
通常， F n 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，
同
时考虑到放大器增益
G >>1 ，就可以得到 F n 的简单表达式
F n ? 2 nsp ?G ? 1? G ? 2 nsp
式中， nsp 为自发辐射系数或粒子数反转系数。
小信号输 入，实际 掺铒光纤 增益和泵 浦功率的 关系，1.48 ? m泵浦时 的增益系 数是6.3 dB/mW。
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图6.2.5 小信号增益频谱
40
小 信
30
号
增 益
20
(dB) 10
0 1.52
1.54
1.56
1.58
波 长 (? m )
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光发 射机
在线放大器
EDFA
EDFA
光纤
光接 光纤 收机
(a) 在线放大器
光发 射机
功率放大器 EDFA
EDFA 光 纤
(b) 光发射机功率增强器
光接 收机
光发 射机
光纤
前置放大器 EDFA
光接 收机
光发 射机
补偿损耗放大器 节 点 EDFA
光纤总线
光接 收机
(c) 接收机前置放大器《光纤通信》原 荣 杨淑(雯d) 肖在石局林域网中用于补偿分配损耗 7
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。
(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。
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6.2.2 EDFA工作 原理及其特性
Er3?能 级
...
1.27eV
E3 980nm
0.80eV 980nm 泵浦光
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再生中继器的缺点
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1480 nm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。
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图6.2.2 掺铒光纤放大器的工作原理
Er3?能级 1.27eV
...
E3 980 nm
0.80eV
E 2 1 530 nm
980 nm 泵浦光
信号光 1 550 nm
放大后 的信号光
1 550 nm
0
E1
在泵浦光的作用下，能级 E2 的铒离子返回 E1 时产生信号光子 ，受激发射使信号光得到放大
信号光 1550nm
0
铒离子能级图
E2 1530nm
放大后 的信号光
1550nm E1
为了提高放大器的Hale Waihona Puke Baidu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。
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。 与电子放大器类似， 用光放大器噪声指
数 F n 来量度
SNR
下降的程度，并定义为
Fn
?
?SNR ?in ?SNR ?out
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，
（ 6.1.2 ）
?SNR ?in 表示光
放大前的光电流信噪比，
Fn
?
?SNR ?in ?SNR ?out
?
10 ? 103 3 ? 103
?
3.33 或
5.2
dB
从该例中我们得到一个重要的概念：光放大器使输出信噪比
下降了，但是同时也使输出功率增加了，所以我们可以容忍输出
SNR 的下降。
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6.2 掺铒光纤放大器（EDFA）
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
dB 的放大器增益。《光纤通信》原 荣 杨淑雯 肖石林
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第 6章 光放大器
6.1 光放大器概述 ? 6.2 掺铒光纤放大器
6.3 光纤拉曼放大器 6.4 半导体光放大器（ SOA） 6.5 复习思考题 6.6 习题
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6.1 光放大器概述 6.1.1 光放大器作用和种类
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，并在光信号转换为电 信号时进行整形、再生和定时（ Reshaping ， Regenerating ，Retiming ，3R）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，如图 6.1.1a所示。
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6.1.3 光放大器增益和噪声
光放大器增益G（有时也称放大倍数） 为
G = Pout/Pin （6.1.1） 式中，Pin和Pout分别是正在放大的连续波 （CW）信号的输入和输出功率。
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光放大器噪声指数Fn
由于自发辐射噪声在信号放大期间叠加到了信号上，
将铝与锗同 时掺入铒光 纤的小信号 增益频谱和 大信号增益 频谱特性 与图6.2.2b 比较，将铝 与锗同时掺 入铒光纤可 获得比纯掺 锗更平坦的 增益频谱。
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3. EDFA小信号增益
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
当处于激发态 E3 能级的离子很快返回到 E2 能级，产 生的辐射是自发辐射，它对信号光放大不起作用。
假如输入信号功率为 300 ? W，在 1 nm 带宽内的输入噪声功 率是 30 nW，输出信号功率是 60 mW，在 1 nm 带宽内的输出噪 声功率增大到 20 ? W ，计算光放大器的噪声指数。
解：光放大器的输入信噪比为 ?SNR ?in ? 10 ? 10 3 ，输出信噪比为
?SNR ?out ? 3 ? 103 ，所以噪声指数为
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 布光纤拉曼放大器（ 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。
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6.1.2 光放大器应用
用光放大器取代光-电-光中继器，作为在线放大器使用。 插在光发射机之后，来增强光发射机功率，作为功率放大器，可增加传输 距离（10~100）km。 在接收机之前，插入一个光放大器，对微弱光信号进行预放大，提高接收 机灵敏度，这样的放大器称为前置放大器，也可以用来增加传输距离。 补偿局域网（LAN）的分配损耗。
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。
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6.2.1 EDFA构成
泵浦
掺铒光纤
输入信号
波分复用器
光隔离器
熔接
输出信号 光隔离器
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图6.2.3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。
80
输
出 60 信
号
功 率
40
(mW)
转换效率 92.6%
泵浦光功率转换为输
20
出信号光功率的效率
为 92.6 %，60 mW
功率泵浦时，吸收效
0
率为 88 %。[(信号输
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EDFA产品
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EDFA产品
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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、放大器长度、芯径以及 泵浦光功率等。
信号光 1550nm
0
铒离子能级图
E 2 1530nm 放大后
的信号光 1550nm E1
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。
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光放大中继器的作用是在光路上对光信号进行 直接放大，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，如图 6.1.1b所示。
图6.1.1 光-电-光中继系统和全光中继系统的比较 a）光-电-光中继系统 b）全光中继系统
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该式表明， 即使对于理想的放大器
? ? nsp ? 1 ，放大后信号的
（ 6.1.3 ） SNR 也要比输入
信号的 SNR 低 3 dB ；对于大多数实际的放大器，
F n 超过 3 dB ，可能降低到
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5~8 dB 。 9
例6.1.1 光放大器噪声指数计算
0 20 40 60 80
出功率 ? 信号输入功
泵 浦 功 率(mW)
率) / 泵浦功率]
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图6.2.4 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
增益系数 6.3dB/mW
5 10 15 20 泵 浦 功 率(mW)
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980 nm 泵浦LD
双光纤布拉格光栅波长稳定 600 mW输出功率
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EDFA各部分作用
(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 器件主 要有熔融拉锥形光纤耦合器和干涉滤波器。
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。
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泵浦光是如何 将能量转移给
信号的
Er3?能 级
...
1.27eV
E3 980nm
0.80eV 980nm 泵浦光
将铝与锗同 时掺入铒光 纤的小信号 增益频谱和 大信号增益 频谱特性 与图6.2.2b 比较，将铝 与锗同时掺 入铒光纤可 获得比纯掺 锗更平坦的 增益频谱。
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图6.2.6 大信号增益频谱
25
大
信 号
20
增
益 15
(dB)
10
0 1.52
1.54
1.56
1.58
波 长 (? m )
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