光纤通信系统第六章 光放大技术

半导体激光器，输出功率 为10~100mW，工作波长为 0.98μm或1.48μm。
长度为10m~100m左右的掺 铒光纤，铒离子的掺杂浓 度一般为25mg/kg左右。
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铒离子能级分布
泵浦能带
快速非辐 射衰变
亚稳态能带
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图6-6 铒离子吸收谱
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EDFA泵浦方式
EDFA的内部按泵浦方式分，有三种基本的结构：即同向 泵浦、反向泵浦和双向泵浦。 同向泵浦
信号光与泵浦光以同一方向从掺铒光纤的输入端注入的 结构，也称为前向泵浦。 反向泵浦
信号光与泵浦光从两个不同方向注入进掺铒光纤的结构， 也称后向泵浦。 双向泵浦
同向泵浦和反向泵浦同时泵浦的结构。
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三种不同泵浦方式EDFA结构
光耦合器 光隔离器 EDF
信号光输入
光隔离器 光滤波器
信号光输出
信号光输入
的SNR也降低了2倍（3dB），对大多数实际的放大器Fn均超 过3dB，并可能达到6～8dB。
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6.1.3 光放大器分类
光放大器
光纤放大器
掺稀土元素放大器
非线性效应放大器
掺铒 光纤 放大器
掺镨 光纤 放大器
光纤 拉曼 放大器
光纤 布里渊 放大器
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半导体光放大器
谐振式
行波式
6.2 掺铒光纤放大器EDFA
一半（3dB）处的全宽度FWHM。 放大器的带宽比介质增益谱宽窄的多。
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3. 增益饱和和饱和输出功率
增益可以表示为
G

G0
exp
G 1 G

Pout Ps

增益饱和是放大器能力的一种限制因素，通常
将放大器增益降至最大小信号增益一半（3dB）时 的输出功率定义为饱和输出功率。
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图6-2 放大器增益随输出功率的变化
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6.1.1 光放大器的基本原理
半导体光放大器
法布里－珀罗谐振腔式光放大器（FPSOA） 注入锁定式光放大器（ILSOA） 行波式光放大器（TWSOA）。
掺杂稀土元素光放大器
EDFA和PDFA
光纤布里渊放大器 光纤拉曼放大器
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6.1.2 光放大器的主要参数
1. 泵浦和增益系数 2. 增益谱宽与放大器带宽 3. 增益饱和和饱和输出功率 4. 放大器噪声
光纤通信系统
本章要点
本章主要介绍光放大器原理、类型和主要实现 技术。光放大器是实现高速率大容量光纤通信系统 重要的系统元件，可以部分地代替光中继器，节约 系统成本。
本章教学课时为4学时。
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6.1 光放大器原理
光放大器是一种能在保持光信号特征不变的条件下，增 加光信号功率的有源设备。
光放大器的基本工作原理是受激辐射或受激散射效应， 其工作机制和激光器的发光原理非常相似。实际上，也可以 将光放大器理解为是一个没有反馈或反馈较小的激光器。对 于某种特定的光学介质，当采用泵浦（电能源或光能源）方 法，达到粒子数反转时就产生了光增益，即可实现光放大。
1. 功率增益 2. 输出功率特性 3. 噪声特性
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1. 功率增益
定义为输出功率 与输入功率之比。
功率增益=10log
输出光功率 输入光功率
dB
EDFA的增益大小与多 种因素有关，通常为 15～40dB。
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图6-14 增益（G）与掺铒光纤长度的关系
G
G
泵浦光功率上升
信号光输入功率增加
O
O
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1. 泵浦和增益系数
光学泵浦提供了所必须的能级间的粒子数反转， 因而也就提供了光学增益，考虑一个均匀加宽的增 益介质，其增益系数可以表示为
g
g0
1 2T22 P Ps
（ 6-2Leabharlann Baidu）
由上式可以确定光放大器的增益谱宽、放大因 子和饱和输出功率等参数。
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图6-1 两种泵浦原理示意图
掺铒光纤能放大光信号的基本原理在于铒离子 能吸收泵浦光的能量，实现粒子数反转。
当波长为1.55μm附近的信号光通过已被激活的 掺铒光纤时，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，都将产生一个与激 发该跃迁的光子完全一样的光子，从而实现了信号 光在掺铒光纤的传播过程中不断放大。
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E3
泵浦
E2 激光发射
E1 （a）三能级泵浦结构
E3
E2 泵浦
E1
E0 （b）四能级泵浦结构
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2. 增益谱宽与放大器带宽
小信号或非饱和状态时，增益系数可以表示为
g
g0
1 0 2T22
可以看出，当ω＝ω0时增益最大。定义增益谱
宽为增益谱g(ω)降至最大值一半处的全宽（FWHM）。 而放大器的带宽定义为G(ω)降至最大放大倍数
掺铒光纤长度
掺铒光纤长度
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2. 输出功率
对于EDFA而言，当输入功率 增加时，受激辐射加快，以 至于减少了粒子反转数，使 受激辐射光减弱，输出功率 趋于平稳。 衡量EDFA的输出功率特性通 常使用3dB饱和输出功率，其 定义为饱和增益下降3dB时所 对应的输出功率值。
6.2.1 EDFA的特点
工作波长处于1.53~1.56μm范围，与光纤最小损耗波 长窗口一致； 对掺铒光纤进行激励所需要的泵浦光功率较低，仅需 数十mW； 增益高、噪声低、输出功率高。EDFA的典型小信号增 益 可 达 40dB ， 噪 声 系 数 可 低 至 3~4dB ， 输 出 功 率 可 达 14~20dBm； 连接损耗低。EDFA是光纤型放大器，其与光纤线路间 的连接较为容易，连接损耗可低至0.1dB。
泵浦光
光隔离器
图10-8 同向泵浦式EDFA EDF 光耦合器 光隔离器 光滤波器 信号光输出
信号光输入
泵浦光
图10-9 反向泵浦式EDFA
光隔离器 光耦合器
EDF 光耦合器 光隔离器
光滤波器
信号光输出
泵浦光
泵浦光
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图10-10 双向泵浦式EDFA
不同泵浦方式性能差异
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6.2.3 EDFA性能参数
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6.2.2 EDFA结构及工作原理
掺铒光纤放大器（EDFA，Erbium Doped Fiber Amplifier是目前最成熟的光放大器。EDFA主要由掺 铒光纤（EDF）、泵浦光源、耦合器、隔离器等组 成。
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图6-4 EDFA的基本组成
将信号光和泵浦 光耦合在一起。
保证信号 单向传输
滤除噪声， 提高信噪比 。
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4. 放大器噪声
所有光放大器在放大过程中都会把自发辐射（或散射） 叠加到信号光上，导致被放大信号的信噪比（SNR）降低， 其降低程度通常用噪声指数Fn来表示，其定义为
Fn

( SNR) in ( SNR) out
（6-12）
式中的SNR是由光接收机测得的，因此所得Fn值也和接收机 参数有关。理论分析表明，对于理想放大器而言被放大信号