第6章光放大器

沿光纤线路继续传输。
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(O-O)
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。
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）、分布光纤喇曼 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。
第六章 光放大器
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概述
光纤通信系统的传输距离受光纤损耗或色散 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。
光放大器出现之前，光纤通信的中继器采用 光－电－光(O-E-O)变换方式。
光放大器（O-O）
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6.2 半导体光放大器
半导体光放大器的机理与激光器的相同，即 通过受激发射放大入射光信号。
I
R1
R2
半导体光放大器示意图
光放大器只是一个没有反馈的激光器，其核心
是当放大器被光或电泵浦时，使粒子数反转获
得光增益。
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根据光放大器端面反射率和偏置条件，SOA可分为：
有源区
光输入
光输 光 出 输
增透膜 透明区
有源区
有源区
入
光输 光 出 输入
光输
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TW- SOA的特性
1. 增益
光场 限制
因子
G TW e Ax g p[in ()L t]
2. 增益带宽
增益g
GFP A
GTWA
vFPA vTWA
Hale Waihona Puke Baidu30
信 号 20 增 益 (dB1) 0
g(
G(
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6.1 一般概念
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） 下降，其降低程度通常用噪声指数Fn来表示，其定义为：
主要噪声源：放大F的n 自((发SSNN辐RR射))oinu噪t 声（ASE Amplified Spontaneous Emission）。
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6.2 半导体光放大器SOA
对 于 半 导 体 光 放 大 器 (SOA, Semiconductor Optical Amplifiers)的研究，早在1962年发明 半导体激光器不久就已开始了。
然而，只有在上世纪80年代，在认识到它将 在光波系统中具有广泛应用前景的驱使下， 才对SOA进行了广泛的研究和开发。
----行波放大器(TW，Traveling Wave－SOA) ----法布里－珀罗放大器(FP－SOA)
注入电流
R反射面
注入电流
R反射面
输入 光信号
有源区
z= 0
L
输出光信号
有源区 光信号 输入
z z=L
z= 0
L
输出光信号
z z=L
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不同反射率时的F-P SOA的增益频谱曲线
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。
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光放大器的应用
线路放大(In-line)：周 期性补偿各段光纤损耗
功率放大(Boost)：增加 入纤功率,延长传输距离
前置预放大(Pre-Amplify): 提高接收灵敏度
局域网的功率放大器：补偿 分配损耗，增大网络节点数
光放大器的出现，可视为光纤通信发展史上的重要 里程碑。
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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）
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6.1 一般概念
G0
3dB Pout,sat
饱和输出功率：放大器增益降至小 信号增益一半时的输出功率。
饱和区域
当PS,IN增大到一定值后， 光放大器的增益G开始 下降。增益饱和现象。
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61.1.0一般概念
3. 放大器带宽
相 0.8
对
信号
增 益
0.6
g A
0.4
0.2
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1.光放大器的放大倍数（增益）
增益G是描述光放大器对信号放大能力的参数。 定义为：
G Ps ,out Ps ,in
G(dB)10log10PPss,o,inut
G与光放大器的泵浦功率、掺杂光纤的参数 和输入光信号有很复杂的关系。
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6.1 一般概念
2. 增益饱和
输入光功率较小时，G是一常数，即输出光功率PS,OUT与输入光 功率PS,IN成正比例，此时增益G0 为光放大器的小信号增益。
行波放大器
R=0
0 -2 0 0 +2
频率
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减小端面反射反馈，就可以制出行波半导体光放大器。 减小反射率的一个简单方法是在界面上镀以抗反射膜 （增透膜）。然而，对于作为行波放大器的SOA，反射
率必须相当小 103
作当为满行足波G （s TRW1R2）放0.1大7时器，来人描们述习其惯特把性半。增 导体光透 放大器膜
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WDM系统光－电－光(O-E-O)变换方式
1
光纤 光
解 2
12. ..N
复 ...
N
用
O/E ADM E/O
1
光
光纤
2 复
...
N
用
12. ..N
这种再生中继器的基本功能是进行光-电-光转换， 并在光信号转变为电信号时进行再生、整形和定时
处理，恢复信号形状和幅度，然后再转换回光信号，
F-P谐振腔反
射率 R 越大， SOA的增益
增益 g
越多 不大峰适。 合值通、带信系宽G统窄FmPAax，应
但超用 信过是号，一，定当只处值R可理。用于一些
后，光放大 器将变为激
G
min FPA
光器。
0
G
max FPA
(
)
1 1
R 2Gs RG s
2
GFPA ( R = 0.32)
R = 0.03
v
0
0
v0
频率
1.44 1.4
增益带宽宽（约为70nm），有能力放大超窄光脉冲。
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TW- SOA的特性
3. 缺点
SOA对极化态非常敏感（增益偏振相关性）。不同极 化模式，具有不同的增益G，横电模（TE）和横磁模 （TM）极化增益差可能达到5~8dB