光纤通信 第五章 光纤线路技术及器件 光放大器解析
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影响光纤的连接损耗有多种，主要包括 以下2个方面：
(1)光纤结构参数失配引起的连接损耗，主 要包括光纤芯径尺寸失配、数值孔径失配 以及折射率分布失配等3个方面。
① 光纤芯径尺寸失配（主要在单模光纤中 考虑）
②数值孔径失配（多模光纤中起作用）
③折射率分布失配（多模光纤中起作用）
（2）两光纤相对位置偏离引起的连接损耗
对掺铒光纤进行激励的泵浦功率低，仅需几十毫 瓦，而喇曼放大器需要1W以上；
增益高、噪声低、输出功率大。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，与光纤连接损耗可低至0.1dB；
对各种类型、速率与格式的信号传输透明。
一、EDFA的基本结构
两根光纤相对位置偏离引起的连接损耗主要 包括横向错位引起的损耗、倾斜损耗以及间隙损 耗。
①横向错位引起的损耗
②纵向间隙引起的损耗 ③角度偏移引起的损耗
• 2）回波损耗大。
回波损耗是指在光纤连接处，后向反射光功率Pr相对输 入光功率Pi比的分贝值。回波（绝对值）越大越好，以减小 反射光对光源和系统的影响，其典型值应不小于45dB。
2
1
2
1
3
3 3端口环行器
4 4端口环行器
从图中可见，从任何端口进入的光都能被定向到任 何其它的端口，但必须按顺序通过。
环行器的主要参数： 隔离度： 插入损耗： 偏振相关损耗： 工作波长：
3、衰减器 衰减器是在控制状态下减少传输光功率的装置。
衰减器在光网络中最重要的应用包括：
防止接收器达到饱和（保证输入功率在接收器的 动态范围内）。
3、特性参数
在耦合器/分离器基础上，又增加了新的特性参数。
光纤通信第五章+光放大器1
EDFA + 均衡器 → 合成增益
掺铒光纤放大器 EDFA
增益平坦/均衡技术
2. 新型宽谱带掺杂光纤： 如 掺 铒 氟 化 物 玻 璃 光 纤 （ 30nm 平 坦 带 宽 ） 、
铒/铝共掺杂光纤（20nm）等， 静态增益谱的 平坦，掺杂工艺复杂。
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
Why?
掺铒光纤放大器 EDFA
EDFA的增益：随增益介质长度变化 Why?
增益降低 吸收区
0
L
同向泵浦
掺铒光纤放大器 EDFA
增益随泵浦功率而变的曲线(Why) 对于给定的放大
器长度（EDF 长度），增益随 泵浦功率在开始 时按指数增加， 当泵浦功率超过 一定值时，增益 增加变缓，并趋 于一恒定值。
✓谱线以斯托克斯光为主 ✓距离主频~13.2THz ✓线宽可以达到5000GHz
53
光纤拉曼放大器FRA
光功率(dB)
FRA特点
1450nm
1550nm 波长
光纤
1450nm 1550nm
有泵激光的1550nm传输
• 在所有类型光纤中都 会发生
• 峰值增益频移~13 THz (60-100nm)
• 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 为零
op光tic纤al fiber
op光tic纤al fiber
内容提要
光放大概述
光放大器分类
EDFA SOA FRA
内容提要
光放大概述
光放大器分类
EDFA SOA FRA
光放大器概述
光放大器出现之前，光纤通信的中继器采用光－电－光(O-EO)变换方式，但可实现3R中继
掺铒光纤放大器 EDFA
增益平坦/均衡技术
2. 新型宽谱带掺杂光纤： 如 掺 铒 氟 化 物 玻 璃 光 纤 （ 30nm 平 坦 带 宽 ） 、
铒/铝共掺杂光纤（20nm）等， 静态增益谱的 平坦，掺杂工艺复杂。
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
Why?
掺铒光纤放大器 EDFA
EDFA的增益：随增益介质长度变化 Why?
增益降低 吸收区
0
L
同向泵浦
掺铒光纤放大器 EDFA
增益随泵浦功率而变的曲线(Why) 对于给定的放大
器长度（EDF 长度），增益随 泵浦功率在开始 时按指数增加， 当泵浦功率超过 一定值时，增益 增加变缓，并趋 于一恒定值。
✓谱线以斯托克斯光为主 ✓距离主频~13.2THz ✓线宽可以达到5000GHz
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光纤拉曼放大器FRA
光功率(dB)
FRA特点
1450nm
1550nm 波长
光纤
1450nm 1550nm
有泵激光的1550nm传输
• 在所有类型光纤中都 会发生
• 峰值增益频移~13 THz (60-100nm)
• 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 为零
op光tic纤al fiber
op光tic纤al fiber
内容提要
光放大概述
光放大器分类
EDFA SOA FRA
内容提要
光放大概述
光放大器分类
EDFA SOA FRA
光放大器概述
光放大器出现之前，光纤通信的中继器采用光－电－光(O-EO)变换方式，但可实现3R中继
光纤通信第五章光纤线路技术原理及器件波分复用器件
Dl Df
1.6nm 100G 0.8nm 50G 0.4nm 25G
光纤通信第五章光纤线路技术原理 及器件波分复用器件
光纤通信第五章光纤线路技术原理 及器件波分复用器件
Frequency Wavelength Frequency Wavelength
(THz)
(nm)
(THz)
(nm)
196.1
基于偏振干涉的光梳状滤波器
偏振干涉系统：起偏器P1、双折射晶体平行 平板及检偏器P2
FX
X
X
P1
S
Z
45°
Y
Y
P1
P2
光纤通信第五章光纤线路技术原理 及器件波分复用器件
透过起偏器的光场的振幅为A0，光通过 双折射晶体平行平板后在X、Y方向的分 量分别为
AxA0co4s5ex pj2(Lon/l) AyA0si4n5ex pj2(Len/l)
闪耀光栅剖面图
BOE1
l1 ln
l┋1
F1
ln
L1 L2 透射式二元光学波分复用器件
光纤通信第五章光纤线路技术原理 及器件波分复用器件
光纤通信第五章光纤线路技术原理 及器件波分复用器件
干涉滤波片型
采用干涉滤波片来实现不同波长的光的 分离，实现分/合波功能。
由于采用了微等离子体镀膜技术，介质 膜窄带滤光片的光学性能有了很大改善， 工艺也较为成熟。透过率高，带宽窄，
1528.77 193.1
1552.52
196.0
1529.55 193.0
1553.33
195.9
1530.33 192.9
1554.13
195.8
1531.12 195.8
ห้องสมุดไป่ตู้
1.6nm 100G 0.8nm 50G 0.4nm 25G
光纤通信第五章光纤线路技术原理 及器件波分复用器件
光纤通信第五章光纤线路技术原理 及器件波分复用器件
Frequency Wavelength Frequency Wavelength
(THz)
(nm)
(THz)
(nm)
196.1
基于偏振干涉的光梳状滤波器
偏振干涉系统：起偏器P1、双折射晶体平行 平板及检偏器P2
FX
X
X
P1
S
Z
45°
Y
Y
P1
P2
光纤通信第五章光纤线路技术原理 及器件波分复用器件
透过起偏器的光场的振幅为A0，光通过 双折射晶体平行平板后在X、Y方向的分 量分别为
AxA0co4s5ex pj2(Lon/l) AyA0si4n5ex pj2(Len/l)
闪耀光栅剖面图
BOE1
l1 ln
l┋1
F1
ln
L1 L2 透射式二元光学波分复用器件
光纤通信第五章光纤线路技术原理 及器件波分复用器件
光纤通信第五章光纤线路技术原理 及器件波分复用器件
干涉滤波片型
采用干涉滤波片来实现不同波长的光的 分离，实现分/合波功能。
由于采用了微等离子体镀膜技术，介质 膜窄带滤光片的光学性能有了很大改善， 工艺也较为成熟。透过率高，带宽窄，
1528.77 193.1
1552.52
196.0
1529.55 193.0
1553.33
195.9
1530.33 192.9
1554.13
195.8
1531.12 195.8
ห้องสมุดไป่ตู้
光纤通信网光放大器
在泵浦能量（电或光）的作用下，实现粒子数 反转（非线性光纤放大器除外），然后通过受 激辐射实现对入射光的放大。
光放大器是基于受激辐射或受激散射原理实现 入射光信号放大的一种器件。其机制与激光器 完全相同。实际上，光放大器在结构上是一个 没有反馈或反馈较小的激光器。
光放大器的类型
利用稀土掺杂的光纤放大器（EDFA、 PDFA）
利用半导体制作的半导体光放大器（SOA） 利用光纤非线性效应制作的非线性光纤放大
器（FRA、FBA）
几种光放大器的比较
放大器 类型
原理
激励 工作长 噪声 与光 与光 稳 方式 度 特性 纤耦 偏振 定
合 关系ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ性
掺稀土光 粒子数反 光 数米到 好 容易 无 好
纤放大器 转
数十米
半导体光 粒子数反 电 100m 差 很难 大 差
5.2 掺铒光纤放大器EDFA
掺杂光纤放大器利用掺入石英光纤的稀土离子作 为增益介质，在泵浦光的激发下实现光信号的放 大，放大器的特性主要由掺杂元素决定。
工作波长为1550nm的铒(Er)掺杂光纤放大器(EDFA) 工作波长为1300nm的镨(Pr)掺杂光纤放大器(PDFA) 工作波长为1400nm的铥(Tm)掺杂光纤放大器(TDFA) 目前，EDFA最为成熟，是光纤通信系统必备器件。
工作频带正处于光纤损耗最低处(1525-1565nm)； 频带宽，可以对多路信号同时放大-波分复用； 对数据率/格式透明，系统升级成本低； 增益高(>40dB)、输出功率大(~30dBm)、噪声低
(4~5dB)； 全光纤结构，与光纤系统兼容； 增益与信号偏振态无关，故稳定性好； 所需的泵浦功率低(数十毫瓦)。
EDFA的工作特性
光放大器的增益 放大器的噪声 EDFA的多信道放大特性 EDFA的大功率化
光放大器是基于受激辐射或受激散射原理实现 入射光信号放大的一种器件。其机制与激光器 完全相同。实际上，光放大器在结构上是一个 没有反馈或反馈较小的激光器。
光放大器的类型
利用稀土掺杂的光纤放大器（EDFA、 PDFA）
利用半导体制作的半导体光放大器（SOA） 利用光纤非线性效应制作的非线性光纤放大
器（FRA、FBA）
几种光放大器的比较
放大器 类型
原理
激励 工作长 噪声 与光 与光 稳 方式 度 特性 纤耦 偏振 定
合 关系ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ性
掺稀土光 粒子数反 光 数米到 好 容易 无 好
纤放大器 转
数十米
半导体光 粒子数反 电 100m 差 很难 大 差
5.2 掺铒光纤放大器EDFA
掺杂光纤放大器利用掺入石英光纤的稀土离子作 为增益介质，在泵浦光的激发下实现光信号的放 大，放大器的特性主要由掺杂元素决定。
工作波长为1550nm的铒(Er)掺杂光纤放大器(EDFA) 工作波长为1300nm的镨(Pr)掺杂光纤放大器(PDFA) 工作波长为1400nm的铥(Tm)掺杂光纤放大器(TDFA) 目前，EDFA最为成熟，是光纤通信系统必备器件。
工作频带正处于光纤损耗最低处(1525-1565nm)； 频带宽，可以对多路信号同时放大-波分复用； 对数据率/格式透明，系统升级成本低； 增益高(>40dB)、输出功率大(~30dBm)、噪声低
(4~5dB)； 全光纤结构，与光纤系统兼容； 增益与信号偏振态无关，故稳定性好； 所需的泵浦功率低(数十毫瓦)。
EDFA的工作特性
光放大器的增益 放大器的噪声 EDFA的多信道放大特性 EDFA的大功率化
光纤通信技术光放大器
拉曼放大器（RA）
总结词
利用拉曼散射效应实现光放大的器件， 具有宽带、低噪声、高效率等优点。
详细描述
RA利用拉曼散射效应，将泵浦光的能 量转移到信号光上，实现信号光的放 大。RA具有宽带、低噪声、高效率等 优点，适用于大容量、长距离光纤通 信系统中的分布式放大。
掺铒光纤放大器（EDFA）
总结词
利用掺铒光纤作为增益介质的光放大器，具有高效率、低噪声、宽带等优点。
光放大器的分类
按照工作波长
可分为可见光放大器和不可见光放大 器，其中不可见光放大器又可分为近
红外和中红外光放大器。
按照增益介质
可分为气体、液体和固体光放大器。
按照工作原理
可分为自发辐射放大器和受激发射放 大器。
光放大器的重要性
延长传输距离
光放大器能够将微弱的光信 号放大，从而延长了光纤通 信系统的传输距离，提高了 通信容量和可靠性。
要点二
新结构
探索新型的光放大器结构和设计，以提高其稳定性和可靠 性。
光放大器与其他光子器件的集成化
集成化技术
研究光放大器与其他光子器件的集成化技术，以提高系 统的集成度和稳定性。
模块化应用
开发标准化的光放大器模块，以满足不同光纤通信系统 的应用需求。
THANKS FOR WATCHING
感谢您的观看
光计算与光处理
总结词
光放大器在光计算和光处理领域的应用 ，可以实现高速、高带宽的信息处理。
VS
详细描述
光计算和光处理利用光信号的高速传播和 并行处理能力，进行大规模数据运算和信 号处理。光放大器在光计算和光处理系统 中起到扩展传输距离和提高光信号功率的 作用，有助于提高系统运算速度和降低延 迟。
光纤通信第五章光纤线路技术原理及器件光环形器
光纤通信
Fiber-Optic Communication Technology
2005/2006学年第二学期
光纤通信第五章光纤线路技术原理 及器件光环形器
第五章 光纤线路技术及器件
光纤通信第五章光纤线路技术原理 及器件光环形器
主要内容
一、光隔离器和光环形器 二、光纤的连接 三、光衰减器和光开关 四、光纤耦合器 五、光纤光栅 六、波分复用器件 七、平面及矩形光波导技术及器件 八、光放大器 九、色散补偿技术
单纤双向通信、上/下话路、合波/分波 及色散补偿等
光纤通信第五章光纤线路技术原理 及器件光环形器
结构
光 分 偏 光 偏分 光 纤 束 振 束 振束 纤 准 合 旋 变 旋合 准 直 束 转 换 转束 直 器 镜 镜 器 镜镜 器
端 x口
1 23 4 5 6
端 口
1
2
3
4
z
y
光纤通信第五章光纤线路技术原理 及器件光环形器
(dB )
Pi：输入的光信号功率，
Pi
Po
Po ：经过光隔离器后的功率，
显然， IL值越小越好。
光隔离器的插入损耗来源于偏振器、法拉 第旋转器等各部分的插入损耗。
光纤通信第五章光纤线路技术原理 及器件光环形器
回波损耗(RL)
回波损耗：指由于构成光隔离器的各元 件、光纤以及空气折射率失配引起的反 射造成的对入射光信号的衰减。
光纤通信第五章光纤线路技术原理 及器件光环形器
光隔离器(isolator)
光隔离器是一种只允许光沿一个方向通 过而在相反方向阻挡光通过的光无源器 件
作用：防止光路中的后向传输光对光源 以及光路系统产生不良影响
例如：半导体激光器、光纤放大器 应用：光纤通信、光信息处理系统、光
Fiber-Optic Communication Technology
2005/2006学年第二学期
光纤通信第五章光纤线路技术原理 及器件光环形器
第五章 光纤线路技术及器件
光纤通信第五章光纤线路技术原理 及器件光环形器
主要内容
一、光隔离器和光环形器 二、光纤的连接 三、光衰减器和光开关 四、光纤耦合器 五、光纤光栅 六、波分复用器件 七、平面及矩形光波导技术及器件 八、光放大器 九、色散补偿技术
单纤双向通信、上/下话路、合波/分波 及色散补偿等
光纤通信第五章光纤线路技术原理 及器件光环形器
结构
光 分 偏 光 偏分 光 纤 束 振 束 振束 纤 准 合 旋 变 旋合 准 直 束 转 换 转束 直 器 镜 镜 器 镜镜 器
端 x口
1 23 4 5 6
端 口
1
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光纤通信第五章光纤线路技术原理 及器件光环形器
(dB )
Pi：输入的光信号功率，
Pi
Po
Po ：经过光隔离器后的功率，
显然， IL值越小越好。
光隔离器的插入损耗来源于偏振器、法拉 第旋转器等各部分的插入损耗。
光纤通信第五章光纤线路技术原理 及器件光环形器
回波损耗(RL)
回波损耗：指由于构成光隔离器的各元 件、光纤以及空气折射率失配引起的反 射造成的对入射光信号的衰减。
光纤通信第五章光纤线路技术原理 及器件光环形器
光隔离器(isolator)
光隔离器是一种只允许光沿一个方向通 过而在相反方向阻挡光通过的光无源器 件
作用：防止光路中的后向传输光对光源 以及光路系统产生不良影响
例如：半导体激光器、光纤放大器 应用：光纤通信、光信息处理系统、光
《光纤通信技术》课程教学大纲、教案、课程日历
《光纤通信技术》课程教学大纲、教案、课程日历第一章：光纤通信概述1.1 光纤通信的定义和发展历程1.2 光纤通信的优势和局限性1.3 光纤通信的应用领域1.4 光纤通信的发展趋势第二章：光纤的基础知识2.1 光纤的组成和结构2.2 光纤的种类和特性2.3 光纤的传输原理2.4 光纤的耦合和衰减第三章：光纤通信系统的组成3.1 光源和光发射器3.2 光接收器和解调器3.3 光放大器和光纤放大器3.4 光波分复用器和光开关第四章：光纤通信系统的性能评估4.1 系统性能指标4.2 信道容量和误码率4.3 系统噪声和损耗4.4 系统优化和升级第五章：光纤通信技术的应用5.1 光纤通信在通信领域的应用5.2 光纤通信在数据传输中的应用5.3 光纤通信在有线电视中的应用5.4 光纤通信在互联网和数据中心中的应用第六章：光纤通信系统的传输技术6.1 直接序列扩频传输技术6.2 频率分割复用传输技术6.3 时间分割复用传输技术6.4 波长分割复用传输技术第七章：光纤通信系统的网络架构7.1 点对点光纤通信网络7.2 星型光纤通信网络7.3 环型光纤通信网络7.4 光纤通信网络的规划和设计第八章：光纤通信系统的保护与恢复8.1 光纤通信系统的保护技术8.2 光纤通信系统的恢复技术8.3 故障检测与定位技术8.4 系统冗余设计第九章：光纤通信技术的最新进展9.1 光量子通信技术9.2 光纤激光器技术9.3 光纤传感器技术9.4 光纤通信技术的未来发展趋势第十章：实验与实践10.1 光纤通信系统的基本实验10.2 光纤通信系统的性能测试与评估10.3 光纤通信网络的搭建与维护10.4 实际案例分析与讨论第十一章：光纤通信系统的维护与管理11.1 光纤通信设备的维护与管理11.2 光纤通信网络的监测与维护11.3 光纤通信系统的安全与保护11.4 光纤通信技术的标准化与规范第十二章：光纤通信技术在特定领域的应用12.1 光纤通信在军事通信领域的应用12.2 光纤通信在航空航天领域的应用12.3 光纤通信在海洋探测领域的应用12.4 光纤通信在医疗健康领域的应用第十三章：光纤通信技术的国际化发展13.1 国际光纤通信技术的标准与协议13.2 跨国光纤通信网络的构建与运营13.3 国际合作与竞争在光纤通信领域的影响13.4 光纤通信技术在全球范围内的普及与发展第十四章：光纤通信技术的创新与研发14.1 新型光纤材料与技术的研发14.2 光纤通信设备的创新设计14.3 光纤通信系统的智能化与自动化14.4 光纤通信技术在未来的挑战与机遇第十五章：课程总结与展望15.1 光纤通信技术课程回顾15.2 光纤通信技术的关键问题和挑战15.3 光纤通信技术的未来发展趋势15.4 学生实践和研究的方向与建议重点和难点解析本文档详细介绍了《光纤通信技术》课程的教学大纲、教案和课程日历，涵盖了光纤通信的概述、基础知识、系统组成、性能评估、应用领域、传输技术、网络架构、保护与恢复、最新进展、实验与实践、维护与管理、特定领域应用、国际化发展、创新与研发以及课程总结与展望等十五个章节。
光纤通信_第5章 光放大器
放大器
电光变换 (E/O)
光纤
光的范围
电的范围
光的范围
图5.1 传统的中继器原理框图
尽管这种方式对于单个波长且数 据速率不太高的通信很适用， 但对于高 速率的多个波长系统显然是相当复杂的， 每一波长就需一个再生器， 如有 N 个波 长就需要N个这样的再生器，造价是相当 高的。另一方面， 对于很高的数据速率， 电放大器的实现难度很大。 因此， 人们 试图对光信号直接放大， 如果这种放大 的带宽较宽， 则可以同时对多个波长进 行放大，因而只需一个放大器即可。 人 们经过很大的努力， 终于研制成功了全 光放大器， 它可同时对多个波长进行放
根据不同的要求， 可将再生器分为三 种类型: 只有放大和均衡功能的1R再生 器， 用于模拟信号的传输; 2R再生器， 即在1R的基础上加上数字信号处理(如整 形(Reshaping))的再生器； 3R再生器， 即在2R的基础上再增加重新定时与判决 功能（Retiming）的再生器。
光纤
光电变换 (O/E)
掺铒光纤 (EDF) 输入 隔离器 熔接头 WDM耦合器
泵浦激光 (9 80 n m或1 48 0 n m)
图5.5 EDFA的基本组成
光隔离器将系统所产生的任何反 射回放大器的光减小到一个可接受的水 平。 如果没有光隔离器， 光反射将降低 放大器的增益并附加噪声， 如图5.5所示。 EDFA常用的结构有三种， 即同向泵浦、 反向泵浦和双向泵浦。
5.5.1 SOA的放大原理 半导体光放大器是利用受激辐射 来实现对入射光功率的放大的， 产生受 激辐射所需的粒子数反转机制与半导体 激光器中使用的完全相同， 即采用正向 偏置的PN结， 对其进行电流注入， 实 现粒子数反转分布。 SOA与半导体激光 器的结构相似， 但它没有反馈机制， 而 反馈机制对产生相干的激光是很必要的。 因此SOA只能放大光信号， 但不能产生 相干的光输出。
光纤通信- 光纤放大器
2011-6-29
9
掺杂光纤放大器(EDFA) 掺杂光纤放大器
(Erbium-Doped Fiber Amplifier) 掺铒光纤放大器(EDFA) 掺铒光纤放大器(EDFA)
机理 已经实用化
粒子数反转分布的受激辐射产生的放大
材料
2011-6-29
掺Er3+光纤
10
EDFA的特点 的特点
高增益 低噪声 偏振不敏感
光 电
光
光放大器出现之后的信号放大方式： 光放大器出现之后的信号放大方式：
光
光
2011-6-29
2
电中继存在的问题
• 采用电中继的办法，即在中继时进行光电变换 采用电中继的办法， (接收 后，对电信号放大整形 再生 ，然后再 接收)后 对电信号放大整形(再生 再生)， 接收 进行电光变换(发射 继续传输。 发射)， 进行电光变换 发射 ，继续传输。 • 优点：但它不仅可以对损耗限制系统，而且可 优点：但它不仅可以对损耗限制系统， 以对色散限制系统进行再生。 以对色散限制系统进行再生。 • 缺点：电中继装置复杂、体积大、耗能多，对 缺点：电中继装置复杂、体积大、耗能多， 多信道复用和双向复用系统实现起来特别困难
2011-6-29
6
半导体激光放大器(SOA) 半导体激光放大器
• SOA的主要优点：尺寸小、功率消耗低, 便于 的主要优点：尺寸小、功率消耗低 的主要优点 光电集成. 光电集成 • 其主要缺点：与光纤的耦合损耗大、易受环境 其主要缺点：与光纤的耦合损耗大、 温度影响、对偏振态敏感。 温度影响、对偏振态敏感。
2011-6-29 24
EDFA的工作原理 的工作原理
• 当用1480nm波长的光泵浦时，Er+3从基态跃 当用 波长的光泵浦时， 从基态跃 波长的光泵浦时 迁至该能带的上部，在亚稳态上积累， 迁至该能带的上部，在亚稳态上积累，从而形 成粒子数反转分布，实现光放大。 成粒子数反转分布，实现光放大。
光纤通信课件chap
斯托克斯频移 vR vp vs ( 这里 vp 是泵浦光的频率，vs 是 信号光的频率），由分子振动能级决定，其值决定了 受激喇曼散射的频率范围。
如图所示，泵浦光子经过分子的散射作用成为另 一个低频斯托克斯光子，同时其余能量转移给声子， 分子完成了振动态之间的跃迁。
对非晶态石英光纤，其分子振动能级集合 在一起，形成一条能带，因而可以在较宽的频 差范围通过受激喇曼散射实现信号光的放大。
光纤放大器的实质是： 把工作物质制作成光纤形状的固体激光器，所以也称为光 纤激光器。
20世纪80年代末期，波长为1.55 μm的掺铒(Er)光纤放大器 (EDFA： Erbium Doped Fiber Amplifier)研制成功并投入实用， 把光纤通信技术水平推向一个新高度，成为光纤通信发展史上 一个重要的里程碑。
光输入
电源
＋5 V
0V －5 V
监视
激光器驱动输入
光输出
热沉
输入隔离器
输入 WDM
监视和 告警电路
泵浦 LD
泵浦监视 和控制电路
PD 探测器 泵浦 LD
掺铒 光纤
输出耦合器
输出隔离器
图7.3(b)
输出 WDM
图7.3(b) 实用光纤放大器外形图及其构成方框图
波长为980 nm的泵浦光转换效率更高，达10 dB/mW， 而且 噪声较低，是未来发展的方向。
当信号光功率增加到一定值(一般为-20 dBm)后， 增益开始随信号光功率的增加而下降， 因此出现输出 信号光功率达到饱和的现象。
增益 / dB
35.0
30.0
增益 / dB
25.0
20.0
15.0
输出光功率 / dBm
第五章光无源器件与光放大器概论
9
方法：利用精密陶瓷套筒准直纤芯
光纤通信
光纤连接器的核心技术体现在陶瓷插针体的毛坯上，毛坯内孔 的精度体现了精密机械加工的技术水平。2002年以前，以TOTO 为代表的日本三大公司的产量占全球产量的80%以上。
10
光纤通信
11
光纤通信 （2）光纤连接器的分类 型号:FC/SC/ST/LC系列（螺纹/方销/卡口/自锁） 多芯光纤活动连接器（光纤阵列等） 跳线:单芯/双芯/模块尾纤/束状/带状
一般情况下，要求小于0.5dB 。
30
5.1.2 光纤耦合器
（2）耦合比CR（用百分数表示）
光纤通信
耦合比是指一个输出端口（3口）的光功率P03与全部输出端口输
出光功率之比，如图端3耦合比：
CR P03 X100 P03 P04
一般情况下，定向耦合器的分光比为1︰1～1︰10。
（3）串音LC 由端1输入的光功率P1应从端2和端3输出，端4理论上应无光功 率输出。但实际上端4还是有少量光功率输出（P4），其大小就表 示了1、4两个端口的串音程度，用Lc表示为
Pout,1=Eout,1Eout,1*=1/2Ein,12=1/2P0 Pout,2=Eout,2Eout,2*=1/2Ein,12=1/2P0
24
光纤通信
25
光纤通信
3dB coupler
26
光纤通信
27
5.1.2 光纤耦合器
3．介质膜型滤波器WDM(微器件型)
光纤通信
原理:基于多层介质薄膜的反射/透射原理，由光学厚度λ1/4的两组 高反膜系H（LH）P-1和（HL）P-1中间夹着一层间隔层LL构成，类
Reflected signals
Component
方法：利用精密陶瓷套筒准直纤芯
光纤通信
光纤连接器的核心技术体现在陶瓷插针体的毛坯上，毛坯内孔 的精度体现了精密机械加工的技术水平。2002年以前，以TOTO 为代表的日本三大公司的产量占全球产量的80%以上。
10
光纤通信
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光纤通信 （2）光纤连接器的分类 型号:FC/SC/ST/LC系列（螺纹/方销/卡口/自锁） 多芯光纤活动连接器（光纤阵列等） 跳线:单芯/双芯/模块尾纤/束状/带状
一般情况下，要求小于0.5dB 。
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5.1.2 光纤耦合器
（2）耦合比CR（用百分数表示）
光纤通信
耦合比是指一个输出端口（3口）的光功率P03与全部输出端口输
出光功率之比，如图端3耦合比：
CR P03 X100 P03 P04
一般情况下，定向耦合器的分光比为1︰1～1︰10。
（3）串音LC 由端1输入的光功率P1应从端2和端3输出，端4理论上应无光功 率输出。但实际上端4还是有少量光功率输出（P4），其大小就表 示了1、4两个端口的串音程度，用Lc表示为
Pout,1=Eout,1Eout,1*=1/2Ein,12=1/2P0 Pout,2=Eout,2Eout,2*=1/2Ein,12=1/2P0
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光纤通信
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光纤通信
3dB coupler
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光纤通信
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5.1.2 光纤耦合器
3．介质膜型滤波器WDM(微器件型)
光纤通信
原理:基于多层介质薄膜的反射/透射原理，由光学厚度λ1/4的两组 高反膜系H（LH）P-1和（HL）P-1中间夹着一层间隔层LL构成，类
Reflected signals
Component
光纤通信技术第五章光无源器件(1)汇总
（1）T型耦合器
这是一种2×2的3端耦合器，如图5.8（a） 所示，它的功能是把一根光纤输入的光信号按 一定比例分配给两根光纤，或把两根光纤输入 的光信号组合在一起输入一根光纤。这种耦合 器主要用作不同分路比的功率分配器或功率组 合器。
（2）星型耦合器
这是一种n×m耦合器，如图5.8（b）所示， 它的功能是把n根光纤输入的光功率组合在一 起，均匀地分配给m根光纤，m和n不一定相 等。这种耦合器常用作多端功率分配器。
1. 光纤型耦合器
光纤型耦合器是把两根或多根光纤排列，
用熔融拉锥法制作出来的器件。熔融拉锥法就 是将两根或两根以上除去涂覆层的光纤以一定 的方式靠拢，在高温加热下熔融，同时向两侧 拉伸，最终在加热区形成双锥体形式的特殊波 导结构，实现传输光功率耦合的一种方法，这 种方法的系统框图如图5.9所示。
图5.9 熔融拉锥系统示意图
图5.1示出套筒结构的光 纤连接器简图，包括用于对 中的套筒、带有微孔的插针 和端面的形状（图中画出平 面的端面）。光纤固定在插 针的微孔内，两支带光纤的 插针用套筒对中实现连接。 以下文中提到的光纤连接器 都指的是光纤活动连接器。
图5.1 套筒结构光纤连接器简图
对光纤连接器的基本要求是使发射光纤输出的光 能量最大限度地耦合进接收光纤。光纤连接器是光纤 通信中应用最广泛、最基本的光无源器件。光纤连接 器的“尾纤”（即一端有活动的连接器光纤）用于和 光源或检测器耦合，以构成发射机或接收机的输出/输 入接口，或构成光缆线路及各种光无源器件两端的接 口。光纤连接器跳线（即两端都有光纤活动连接器的 一小段光纤）用于终端设备与光缆线路及各种光无源 器件之间的互连，以构成光纤传输系统。
重复性是指光纤（缆）活动连接器多次插拔后插 入损耗的变化，用dB表示。互换性是指连接器各部件 互换时插入损耗的变化，也用dB表示。 这两项指标可以考核连接器结构设计和加工工艺 的合理性，也是表明连接器实用化的重要标志。影响 插入损耗的各项因素，也同时影响着连接器的重复性 和互换性，因而这些因素的改善也会有效地提高重复 性和互换性的性能指标。
光纤通信_第五章_光纤线路技术及器件_光衰减器
各种光纤材料光敏特性光纤纤芯掺杂类型最大光致折射率掺光纤纤芯掺杂类型最大光致折射率掺ge光纤103102普通通信光纤103bge光纤103102掺掺pp光纤103硫化物光纤104可见光光纤光栅的制作?基于光纤的光敏特性可以利用紫外光将特定的波导结构写入到光纤中基于光纤的光敏特性可以利用紫外光将特定的波导结构写入到光纤中?根据波导结构构造相应的光场分布?制作方法
光衰减器（optical attenuator）
用来稳定地、准确地减小信号光功率的 无源器件。它是光功率调节所不可缺少 的器件。
按衰减光功率的工作机理分有： 耦合型光衰减器 反射型光衰减器 吸收型光衰减器
耦合型光衰减器
通过输入、输出光束对准偏差的控制来 改变光耦合量的大小，从而达到改变衰 减量的目的。
反射型光衰减器
是在玻璃基片上镀反射膜作为衰减片。 光透过衰减片时主要是反射和透射。由 膜层厚度的不同来改变反射量的大小， 从而达到改变衰减量的目的。
吸收型光衰减器
采用光学吸收材料制成衰减片，对光的 作用主要是吸收和透射，其反射量很小。 因而光线可垂直入射到衰减片上，从而 可简化结构和工艺，使器件体积和重量 变得较小。
这种光折变效应主要发生在近紫外波段
最初光致折射率变化出现在掺锗光纤中， 后来研究发现，具有光敏特性的光纤种 类很多，有些是掺磷或硼，并不一定都 掺杂，只是掺杂光纤的光敏特性更明显。 有时根据需要为了加大折射率的变化程 度，就会选用高掺杂的光纤。
折射率的永久性改变
与掺杂锗的浓度基本上成正比关系，与 所用的紫外光源类型及照射到材料上的 能量密度有关
可以实现对线路的监控；可以用于光纤 CATV、光纤用户网、无源光网络(PON)、 光纤传感等领域，实现信号的组合与分配。
光衰减器（optical attenuator）
用来稳定地、准确地减小信号光功率的 无源器件。它是光功率调节所不可缺少 的器件。
按衰减光功率的工作机理分有： 耦合型光衰减器 反射型光衰减器 吸收型光衰减器
耦合型光衰减器
通过输入、输出光束对准偏差的控制来 改变光耦合量的大小，从而达到改变衰 减量的目的。
反射型光衰减器
是在玻璃基片上镀反射膜作为衰减片。 光透过衰减片时主要是反射和透射。由 膜层厚度的不同来改变反射量的大小， 从而达到改变衰减量的目的。
吸收型光衰减器
采用光学吸收材料制成衰减片，对光的 作用主要是吸收和透射，其反射量很小。 因而光线可垂直入射到衰减片上，从而 可简化结构和工艺，使器件体积和重量 变得较小。
这种光折变效应主要发生在近紫外波段
最初光致折射率变化出现在掺锗光纤中， 后来研究发现，具有光敏特性的光纤种 类很多，有些是掺磷或硼，并不一定都 掺杂，只是掺杂光纤的光敏特性更明显。 有时根据需要为了加大折射率的变化程 度，就会选用高掺杂的光纤。
折射率的永久性改变
与掺杂锗的浓度基本上成正比关系，与 所用的紫外光源类型及照射到材料上的 能量密度有关
可以实现对线路的监控；可以用于光纤 CATV、光纤用户网、无源光网络(PON)、 光纤传感等领域，实现信号的组合与分配。
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EDFA的增益谱
有效放大的光信号的频谱范围。ndB谱宽为增 益Gsmax-ndB对应的两个光波长之差Dl或(Dn)。 商用EDFA的Dl为2~40nm，
噪声指数
光放大器的噪声指数NF定义为输入信噪 比(S/N)in和输出信噪比(S/N)out的商的 分贝数
( S / N ) in NF 10 lg ( S / N ) out
光放大器
l1
l1 …ln W l2 D … M ln
O/E/O
O/E/O O/E/O
W l1 …ln D M
输入信号光
工作介质
输出信号光
泵浦源
光放大器分类
掺稀土元素光纤放大器 工作介质主要是掺镧系元素（如铒、钕、 镨）的玻璃光纤，泵浦源为一般半导体激 光器。利用光的受激放大原理对信号光进 行放大，如EDFA、PDFA等 非线性光学光纤放大器 工作介质是常规石英光纤，泵浦源为固体 激光器。利用光的受激喇曼放大、受激布 里渊放大等，如RA 半导体光放大器（SOA） 工作介质为半导体材料，泵浦源为电源
增益谱
RA的结构
光纤拉曼放大器的优点
（1）增益介质为普通传输光纤，与光纤系统具 有良好的兼容性； （2）增益波长由泵浦光波长决定，不受其它因 素的限制，理论上只要泵浦源的波长适当，就 可以放大任意波长的信号光； （3）增益高、串扰小、噪声指数低、频谱范围 宽、温度稳定性好。 可放大EDFA不能放大的波段，可在1292~ 1660nm范围内进行光放大，获得比EDFA宽 得多的增益带宽；是EDFA的补充，而不是代替， 两者结合起来可获得大于100nm增益平坦宽带
用于WDM的光纤放大器大器应具有: 低噪声系数 高输出功率 足够的带宽 平坦的增益 动态特性：不同波长信道的增益随输入 信号光功率变化而产生的动态变化
用于WDM的光纤放大器的改进
选用EDFA的平坦区域 采用增益均衡和增益斜率补偿技术：连接 一段掺钐光纤 利用光滤波器抑制EDFA增益不平坦：采用 与增益谱相反的滤波谱特性的光滤波器来 抑制增益不平坦 采用掺铝EDFA 采用掺铒氟化物玻璃光纤
EDFA的特点
可用做数字和模拟系统的中继器 可传输不同的码速，在系统增容时， EDFA线路设备可不必改变 增益频谱宽，可同时放大多信道中的光信 号，适用于波分复用通信 （波长透明、速率透明和调制方式透明） 结构紧凑，可靠性高，价格低廉
EDFA的噪声
自发辐射噪声ASE Amplified Spontaneous Emission
光放大器的性能参数
增益G：输出信号光功率Pout与输入信号光 功率Pin之比的分贝数G =10lg(Pout/Pin)
EDFA的增益饱和特性曲线
输入功率小时，光放大器的增益为一常 数Gs(Gs称为小信号增益)，随着输入光 功率的增加光放大器的增益反而减小， 称为光放大器的增益饱和现象。 增益(Gs-3dB)称为3dB饱和增益。 光放大器的最大输出功率常用3dB饱和 输出功率Psat来表示。定义为3dB饱和增 益所对应的输出信号光功率。
掺铒光纤放大器的监控技术
监控系统必须具备监测和控制两大功能。 监测主要完成与系统性能有关的参量， 包括输入输出信号光功率，泵浦电流、 EDFA环境温度等的测量 控制功能主要是完成备用器件的切换 （如：备用EDFA模块的切换及其他备用 电设备的切换等）。
告警项目
ASE光源
一种高稳定、高功率输出的宽带光源。广泛 应用于光纤耦合器、隔离器、环形器、光纤 光栅、DWDM薄膜滤波器、CWDM薄膜滤 波器、AWG等光无源器件的生产与测试。 根据光谱覆盖范围可分为C和C+L波段两种。 特点：宽光谱输出，覆盖C波段或C+L波段； 高输出功率；超高稳定性 应用：光纤光栅、DWDM滤波器、AWG、 光纤耦合器和其它光纤无源器件产品的生产 与测试；光纤传感、光纤陀螺等需要超稳定 性光源的场合
EDF
在石英光纤或氟化物光纤中适量掺入三 价的铒（Er）金属元素，就形成EDFA的 工作介质—掺铒光纤 EDF
EDFA的原理
EDFA的结构
前向泵浦
后向泵浦
双向泵浦
三种泵浦方式的放大器的比较
EDFA的泵浦波长
1.48m、0.98m、0.807m、0.655m及 0.514m 选择依据：泵浦效率和光源是否容易获取 泵浦效率是指放大器增益与泵浦功率之比， 泵浦效率高说明泵浦光功率的转换效率高。 0.98m泵浦效率最高，其次是1.48m。 1.48m的大功率泵浦源最先研制成功，早期 的EDFA普遍使用，目前0.98m泵浦源正在 新EDFA产品中逐步取代1.48m泵浦源。
EDFA的NF较小，已接近量子极限3dB
光放大器的增益G、饱和输出功率Psat以 及噪声指数NF还与泵浦情况有关，泵浦 强度增大，它们也增大，泵浦强度减小， 它们也减小; 还和EDF的长度有关
光放大器的应用
EDFA作为线路中继器 EDFA作为接收机前置放大器 EDFA作为光发射机的后置放大 EDFA作为光无源器件的补偿放大器
光纤拉曼放大器
受激拉曼散射（SRS）是光纤中的一种非线 性现象，它将一小部分入射光功率转移到频 率比其低的斯托克斯波上；如果一个弱信号 与一强泵浦光波同时在光纤中传输，并使弱 信号波长置于泵浦光的拉曼增益带宽内，弱 信号光即可以得到放大，这种基于受激拉曼 散射机制的光放大器即称为光纤拉曼放大器 （FRA）。
基于泵浦源调制的监控技术
EDFA增益调制法： （低速时）利用监 控信号对泵浦光进行调制，通过调制光 放大器的增益将监控信号叠加在主信号 上传输至接收端 泵浦源调制+WDM法： （高速时）利用 100kHz以上的调制光放大器的增益不敏 感性，即泵浦光的调制对主信号传输不 产生明显影响的特点，在泵浦源调制后。 利用WDM技术使加有小信号调制的泵浦光 和信号光同时在光纤中传输。
分严重故障告警、一般故障告警和告警显示： 无输入信号（严重故障告警）； 无输出信号（严重故障告警）； EDFA 输出功率超出规定范围（一般故障）； 温度超出范围或失去控制---泵浦激光器故障 （严重故障告警） 泵浦激光器电流超出规定范围（一般故障）； 告警处理单元的微处理器故障（一般故障）； 光保护的插入/清除（告警显示）； 通过监控信道传输FERF（告警显示）；