光放大器
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7.1 光放大器的分类
• 从大的方面来分，光放大器主要包括半导体光放大器 和光纤放大器两种。 • 半导体光放大器（SOA）是由半导体材料制成的，如 果将半导体激光器两端的反射去除，即变成没有反馈 的半导体行波光放大器，它能适合不同波长的光放大。 • 光纤放大器又包括两种。
– 非线性光纤放大器 – 掺铒光纤放大器（EDFA）
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7.2．EDFA的结构
1. 掺铒光纤放大器结构示意图
图7-1 掺铒光纤放大器结构示意图
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7.2．EDFA的结构
2.掺铒光纤放大器各部分的功能： • 光耦合器：将输入光信号和泵浦光源输出的光波混合 起来的无源光器件，一般采用波分复用器。 • 光隔离器：防止反射光影响光放大器的工作稳定性， 保证光信号只能只能正向传输的器件。 • 掺铒光纤：一段长度大约为10~100m的石英光纤，将 稀土元素铒离子Er3+注入到纤芯中，浓度约为25mg/kg。 • 泵浦光源：为半导体激光器，输出光功率约为 10~100mw，工作波长约为0.98μm. • 光滤波器：滤除光放大器的噪声，降低噪声对系统的 影响，提供系统的信噪比。
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7.5．EDFA在光纤通信系统中的 应用 • 图7-8 EDFA的应用
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第七章 光放大器
7.1光放大器的分类 7.2掺铒光纤放大器的结构 7.3掺铒光纤放大器的工作原理 7.4掺铒光纤放大器的特性指标 7.5掺铒光纤放大器在光纤通信系统中的应用
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第七章 光放大器
• 从前面光纤的传输特性中可知，影响线路最大距离的 主要特性是光纤的损耗和色散。 • 为了保证长途光缆干线可靠的性能指标，就需在线路 适当地点设立中继站。光缆干线上中继站的形式主要 有两种，一是光/电/光转换形式的中继器，一是直接对 光信号进行放大的光放大器。第一种形式的中继器在 第四章已作介绍，因此本章将重点介绍光放大器，光 放大器的研制成功是光纤通信发展史上的重要突破， 解决了全光通信的关键问题，其影响深远。
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7.2．EDFA的结构
图7-2 EDFA的泵浦方式
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7.3．EDFA的工作原理
• 图7-3 铒离子能带图
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7.4 EDFA的特性指标
• 掺铒光纤放大器的主要特性指标是功率增益、输出饱 和功率和噪声系数。 7.4.1 功率增益 • 功率增益定义为
输出功率 功率增益 10lg dB 输入功率
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7.1 光放大器的分类
• 非线性光纤放大器：它是利用强的光源对光纤进行激 发，使光纤产生非线性效应而出现拉曼散射，在这受 激发的一段光纤的传输过程中得到放大，它的主要缺 点是需要大功率的半导体激光器作泵浦源（约 0.5~1W），因而目前很难达到实用。 • 掺铒光纤放大器：是将稀土元素铒注入到纤芯中，即 形成了一种特殊光纤，它在泵浦光的作用下可直接对 某一波长的光信号进行放大，因此称为掺铒光纤放大 器。由于掺铒光纤放大器具有一系列优点，因此近年 来得到迅速发展，并被广泛采用。
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7.5EDFA在光纤通信系统中的应 用 • 1.EDFA在光纤通信系统中的主要作用是延长中 继距离，当它与波分复用技术、光孤子技术相 结合时，可实现超大容量、超长距离的传输。 • 2.EDFA在光纤通信系统中的主要应用形式： （1） 作为前置放大器 （2） 作为功率放大器 （3） 作光中继器使用
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7.2．EDFA的结构
3.EDFA的主体部件是泵浦光源和掺铒光纤。按照泵浦光 源的泵浦方式不同，EDFA又可包括三种不同的结构方 式： （1）同向泵浦结构：输入光信号与泵浦光源输出的光波， 以同一方向注入掺铒光纤。 （2）反向泵浦结构：输入光信号与泵浦光源输出的光波， 以相反方向注入掺铒光纤。 （3）双向泵浦结构：它有两个泵浦光源，其中一个泵浦 光源输出的光波和输入光信号以同一方向注入掺铒光 纤，另一个泵浦光源输出的光波从相反方向注入掺铒 光纤。
• 它表示了光放大器的Hale Waihona Puke Baidu大能力，增益的大小与泵浦光 功率以及光纤长度等诸因素有关。
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7.4 EDFA的特性指标
• 图7-4 掺铒光纤放大器功率增益与泵浦功率间的 关系
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7.4 EDFA的特性指标
• 图7-5 掺铒光纤放大器功率增益与光纤长度间 的关系
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7.4 EDFA的特性指标
• 由此可见，在给定的掺铒光纤的情况下，应选择 合适的泵浦功率和光纤长度，以达到最大增益。 • 目前采用的主要泵浦波长为0.98μm和1.48μm据 报道，如采用1.48μm泵浦源，当泵浦功率为 5mW、掺铒光纤长度为30m，可获得增益35dB 的增益。
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7.1 光放大器的分类
• 掺铒光纤放大器的主要优点如下。 （1）工作波长处在1.53～1.56μm范围，与光纤最小损 耗窗口一致。 （2）对掺铒光纤进行激励的泵浦功率低，仅需几十毫瓦； 而拉曼放大器需0.5～1W的泵浦源进行激励。 （3）增益高、噪声低、输出功率大，它的增益可达 40dB，噪声系数可低至3～4dB，输出功率可达14～ 20dBm。 （4）连接损耗低，因为是光纤型放大器，因此与光纤连 接比较容易，连接损耗可低至0.1dB。
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7.4 EDFA的特性指标
7.4.2．输出饱和功率 • 输出饱和功率是一个描述输入信号功率与输出信号功 率之间关系的参量。 • 在掺铒光纤放大器中，输入信号功率和输出信号功率 并不完全成正比关系，而是存在着饱和的趋势。
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•图7-6 掺铒光纤放大器输出饱和功率曲线
7.4 EDFA的特性指标
•掺铒光纤放大器的最大输出功率常用3dB饱和输 出功率来表示。
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图7-7 掺铒光纤放大器的增益饱和特性
7.4 EDFA的特性指标
• 当饱和增益下降3dB时所对应的输出功率值为 3dB饱和输出功率。它代表了掺铒光纤放大器的 最大输出能力。
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7.4 EDFA的特性指标
7.4.3 噪声系数
1.掺铒光纤放大器噪声的主要来源包括： • 信号光的散弹噪声， • 信号光波与放大器自发辐射光波之间的差拍噪声， • 被放大的自发辐射光的散弹噪声， • 光放大器自发辐射的不同频率光波间差拍噪声。 2.掺铒光纤放大器噪声特性可用噪声系数F来表示，它定 义为 F=放大器的输入信噪比/放大器的输出信噪比
7.1 光放大器的分类
• 从大的方面来分，光放大器主要包括半导体光放大器 和光纤放大器两种。 • 半导体光放大器（SOA）是由半导体材料制成的，如 果将半导体激光器两端的反射去除，即变成没有反馈 的半导体行波光放大器，它能适合不同波长的光放大。 • 光纤放大器又包括两种。
– 非线性光纤放大器 – 掺铒光纤放大器（EDFA）
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7.2．EDFA的结构
1. 掺铒光纤放大器结构示意图
图7-1 掺铒光纤放大器结构示意图
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7.2．EDFA的结构
2.掺铒光纤放大器各部分的功能： • 光耦合器：将输入光信号和泵浦光源输出的光波混合 起来的无源光器件，一般采用波分复用器。 • 光隔离器：防止反射光影响光放大器的工作稳定性， 保证光信号只能只能正向传输的器件。 • 掺铒光纤：一段长度大约为10~100m的石英光纤，将 稀土元素铒离子Er3+注入到纤芯中，浓度约为25mg/kg。 • 泵浦光源：为半导体激光器，输出光功率约为 10~100mw，工作波长约为0.98μm. • 光滤波器：滤除光放大器的噪声，降低噪声对系统的 影响，提供系统的信噪比。
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7.5．EDFA在光纤通信系统中的 应用 • 图7-8 EDFA的应用
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第七章 光放大器
7.1光放大器的分类 7.2掺铒光纤放大器的结构 7.3掺铒光纤放大器的工作原理 7.4掺铒光纤放大器的特性指标 7.5掺铒光纤放大器在光纤通信系统中的应用
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第七章 光放大器
• 从前面光纤的传输特性中可知，影响线路最大距离的 主要特性是光纤的损耗和色散。 • 为了保证长途光缆干线可靠的性能指标，就需在线路 适当地点设立中继站。光缆干线上中继站的形式主要 有两种，一是光/电/光转换形式的中继器，一是直接对 光信号进行放大的光放大器。第一种形式的中继器在 第四章已作介绍，因此本章将重点介绍光放大器，光 放大器的研制成功是光纤通信发展史上的重要突破， 解决了全光通信的关键问题，其影响深远。
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7.2．EDFA的结构
图7-2 EDFA的泵浦方式
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7.3．EDFA的工作原理
• 图7-3 铒离子能带图
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7.4 EDFA的特性指标
• 掺铒光纤放大器的主要特性指标是功率增益、输出饱 和功率和噪声系数。 7.4.1 功率增益 • 功率增益定义为
输出功率 功率增益 10lg dB 输入功率
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7.1 光放大器的分类
• 非线性光纤放大器：它是利用强的光源对光纤进行激 发，使光纤产生非线性效应而出现拉曼散射，在这受 激发的一段光纤的传输过程中得到放大，它的主要缺 点是需要大功率的半导体激光器作泵浦源（约 0.5~1W），因而目前很难达到实用。 • 掺铒光纤放大器：是将稀土元素铒注入到纤芯中，即 形成了一种特殊光纤，它在泵浦光的作用下可直接对 某一波长的光信号进行放大，因此称为掺铒光纤放大 器。由于掺铒光纤放大器具有一系列优点，因此近年 来得到迅速发展，并被广泛采用。
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7.5EDFA在光纤通信系统中的应 用 • 1.EDFA在光纤通信系统中的主要作用是延长中 继距离，当它与波分复用技术、光孤子技术相 结合时，可实现超大容量、超长距离的传输。 • 2.EDFA在光纤通信系统中的主要应用形式： （1） 作为前置放大器 （2） 作为功率放大器 （3） 作光中继器使用
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7.2．EDFA的结构
3.EDFA的主体部件是泵浦光源和掺铒光纤。按照泵浦光 源的泵浦方式不同，EDFA又可包括三种不同的结构方 式： （1）同向泵浦结构：输入光信号与泵浦光源输出的光波， 以同一方向注入掺铒光纤。 （2）反向泵浦结构：输入光信号与泵浦光源输出的光波， 以相反方向注入掺铒光纤。 （3）双向泵浦结构：它有两个泵浦光源，其中一个泵浦 光源输出的光波和输入光信号以同一方向注入掺铒光 纤，另一个泵浦光源输出的光波从相反方向注入掺铒 光纤。
• 它表示了光放大器的Hale Waihona Puke Baidu大能力，增益的大小与泵浦光 功率以及光纤长度等诸因素有关。
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7.4 EDFA的特性指标
• 图7-4 掺铒光纤放大器功率增益与泵浦功率间的 关系
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7.4 EDFA的特性指标
• 图7-5 掺铒光纤放大器功率增益与光纤长度间 的关系
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7.4 EDFA的特性指标
• 由此可见，在给定的掺铒光纤的情况下，应选择 合适的泵浦功率和光纤长度，以达到最大增益。 • 目前采用的主要泵浦波长为0.98μm和1.48μm据 报道，如采用1.48μm泵浦源，当泵浦功率为 5mW、掺铒光纤长度为30m，可获得增益35dB 的增益。
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7.1 光放大器的分类
• 掺铒光纤放大器的主要优点如下。 （1）工作波长处在1.53～1.56μm范围，与光纤最小损 耗窗口一致。 （2）对掺铒光纤进行激励的泵浦功率低，仅需几十毫瓦； 而拉曼放大器需0.5～1W的泵浦源进行激励。 （3）增益高、噪声低、输出功率大，它的增益可达 40dB，噪声系数可低至3～4dB，输出功率可达14～ 20dBm。 （4）连接损耗低，因为是光纤型放大器，因此与光纤连 接比较容易，连接损耗可低至0.1dB。
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7.4 EDFA的特性指标
7.4.2．输出饱和功率 • 输出饱和功率是一个描述输入信号功率与输出信号功 率之间关系的参量。 • 在掺铒光纤放大器中，输入信号功率和输出信号功率 并不完全成正比关系，而是存在着饱和的趋势。
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•图7-6 掺铒光纤放大器输出饱和功率曲线
7.4 EDFA的特性指标
•掺铒光纤放大器的最大输出功率常用3dB饱和输 出功率来表示。
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图7-7 掺铒光纤放大器的增益饱和特性
7.4 EDFA的特性指标
• 当饱和增益下降3dB时所对应的输出功率值为 3dB饱和输出功率。它代表了掺铒光纤放大器的 最大输出能力。
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7.4 EDFA的特性指标
7.4.3 噪声系数
1.掺铒光纤放大器噪声的主要来源包括： • 信号光的散弹噪声， • 信号光波与放大器自发辐射光波之间的差拍噪声， • 被放大的自发辐射光的散弹噪声， • 光放大器自发辐射的不同频率光波间差拍噪声。 2.掺铒光纤放大器噪声特性可用噪声系数F来表示，它定 义为 F=放大器的输入信噪比/放大器的输出信噪比