光纤通信中的光放大器

光放大器的一般工作原理
(2) 受激辐射 (1) 能量注入
光放大器与激光器的唯一区别就是光放大器没有正反馈机制
光放大器的工作原理
在泵浦能量作用下实现粒子数反转，然后通过 受激辐射实现对入射光信号的放大。
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。
Optical Amplifiers
λ1
解 复
λ2
光接收机 1 光接收机 2
用
器 λn
光接收机 n
宽带宽的光放大器可以对多信道信号同时放大，而不需 要进行解复用，光放大器的问世推动了DWDM技术的快 速发展。
光放大器整形能力较差，在长途干线上需与光电中继器 结合使用！
光放大器的重要性
➢ 光放大器的出现，可视为光纤通信发展史上的重 要里程碑。
几种光放大器的比较
放大器类 型
原理
激励 工作长度 噪声 与光纤 与光 稳
方式
特性 耦合 偏振 定
关系 性
掺稀土光 粒子数反 光 数米到数 好
纤放大器
转
十米
半导体光 粒子数反 电 100m~ 差
放大器
转
1mm
光纤(喇曼) 光学非线 光 数千米 好 放大器 性(喇曼) 效应
容易 很难 容易
无好 大差 大好
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
光放大器的主要指标
1.0
相 0.8
对
增 益
0.6
0.4
0.2
0.0 -4
g ( )
增益系数：
g
g
1
g0 0 2T22
Hale Waihona Puke Baidu
P
/
PS
A
0
G( )
增益系数与光频率和 光强有关！
0 时增益最大。
P / PS 1
g
1
g0 0 2
T22
➢ 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。
光信号首先由光电二极管转变成电信号。 电信号经电路整形放大后再重新驱动一个光源，实
现光信号的再生。 ➢ 装置复杂、耗能多、不能同时放大多个波长信道
➢ 光放大器（O-O）
➢ 对光信号进行直接放大，多波长放大、低成本、提高可 靠性、体积小。
光放大器的分类
利用半导体制作的半导体光放大器（SOA）
光放大器 （OA）
利用稀土掺杂的光纤放大器
1550nm光纤放大器 如：掺铒光纤放大（EDFA） 1310nm光纤放大器 如：掺镨光纤放大器（PDFA）
利用光纤非线性效应制作的非线性光纤放大器
拉曼光纤放大器 （RFA）
布里渊光纤放大器 （FBA）
6.1 光放大器
动机：解决电中继器设备复杂、维护难、成本高的 问题
历史：以1989年诞生的掺铒光纤放大 David Payne 器 代表的全光放大技术是光纤通信技 术上的一次革命
影响：光放大器最重要的意义在于 促使波分复用技术 (WDM) 走向实用 化、促进了光接入网的实用化
➢ WDM是波分复用系统，是一种可以提高光纤 频率带宽利用率的系统
➢ 这种方式有许多缺点。首先，通信设备复杂，系 统的稳定性和可靠性不高。其次，传输容量受到 一定的限制。
光-电-光转换再生中继器结构
光纤
12 ...N
1
光
解 2
复 ...
N
用
O/E ADM E/O
1
光
光纤
2 复
...
N
用
12 ...N
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。
放大器的类型
1. 半导体激光放大器 (SOA)
结构大体上与激光二极管 (Laser Diode, LD) 相同，半导体 激光器芯片两端镀上增透膜。
优点：单程增益高，小型化，容易与其他半导体器件 集成。 缺点：性能与光偏振方向有关；与光纤的耦合损耗大。
放大器的类型
2. 掺杂光纤放大器(DFA)
利用掺杂离子在泵浦光作用下形成粒子数反转分布，当有入 射光信号通过时实现对入射光信号的放大作用。
复
解
用
复
用
器
器
λ1 λ2…λn
λ2 中继器
λn 中继器
λ1 光接收机 1
复
解 复
λ2
光接收机 2
用
用
器
器 λn
光接收机 n
λ1 λ2…λn
光接 收机
滤波、去噪、 恢复、整形；
光发 送机
采用光放大器的中继方法
… …
光发送机 1 λ1
光发送机 2 λ2
复 用
器 光发送机 n λn
光纤 光放大器 λ1 λ2…λn
➢ 就是以前一根光纤一次只用来传输一个波长 的信号，而现在是通过WDM（这里指的是波 分复用器）把多个波长（比如40、50个）的 信号复用在一起，通过光纤来传输，再在接 受端用解复用器把个波长的光分开。
波分复用系统中的光电中继
… …
光发送机 1 λ1 光发送机 2 λ2
光发送机 n λn
λ1 中继器
优点：掺铒与掺镨光纤放大器具有增益高、噪声低、 频带宽、输出功率高等优点，具有广泛的应用前景。
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1310nm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。
-2 0
24
归 一 化 失谐 0 T2
0 时增益的减小由洛伦兹 （Lorentzian）分布曲线描述
图 光放大器增益分布曲线和相应的放大器增益频谱曲线
放大器的增益或放大倍数为
本章内容
1
光放大器
2 半导体激光放大器（SOA）
3
掺铒光纤放大器（EDFA）
4
光纤拉曼放大器（FRA）
5
光放大器的应用
再生中继器的缺点
➢ 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。
➢ 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，沿光纤线路继续传输。
第6章 光纤通信中的光放大器
第6章 光纤通信中的光放大器
本章内容、重点和难点
本章内容 光放大器的工作原理、分类及应用。 半导体激光放大器（SOA）：工作原理及其性能。 掺铒光纤放大器（EDFA）：工作原理及其性能。 光纤拉曼放大器（FRA）：工作原理及其性能 本章重点 光放大器的原理与一般特性。 掺铒光纤放大器的工作原理与应用 本章难点 光放大器的原理。