光纤通信第6章光放大器
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1530~1564nm 之间的C波段
随着光纤通信网容量的增加，对放大器提出 新的要求，传统的EDFA已很难满足，FRA 再次成为研究的热点。
6.3 光纤拉曼放大器FRA
人们对FRA的兴趣来源于这种放大器可以提 供整个波长波段的放大。通过适当改变泵浦 激光波长，就可以达到在任意波段进行宽带 光放大，甚至可在1270～1670nm整个波 段内提供放大。
其他应用：
光波长转换（XGM, XPM, FWM） 光开关：直接调制SOA的注入电流实现光的
通断。特点：高速、无损 光信号处理器件。
6.3 光纤拉曼放大器FRA
拉曼(Raman)现象在泵1浦9功28率年大被发现，拉曼 放大技术从1984年开转始换研效率究低并应用。
90年代早期，掺铒光纤放大器取代它成为焦 点，光只纤能拉工曼作放在大器（FRA）受到冷遇。
后，光放大 器将变为激
wenku.baidu.com
GFmPiAn
光器。
0
GFmPaAx(
)
1
1
R2Gs
RGs 2
GFPA (R= 0.32)
R= 0.03
行波放大器
R=0
0-2 0 0+2
频率
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
后，光放大 器将变为激
GFmPiAn
光器。
0
GFmPaAx(
)
1
1
R2Gs
RGs 2
GFPA (R= 0.32)
R= 0.03
行波放大器
R=0
0-2 0 0+2
频率
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
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
有源区 输出光信号
光信号 输入
z z =L
z=0
L
输出光信号
z z =L
不同反射率时的F-P SOA的增益频谱曲线
F-P谐振腔反
射率 R 越大， SOA的增益
增益g
越多 不大适峰。 值合、通信带宽系G窄统FmPaA应，x
但超用 信过是， 号一，定当只处值R可理用。于一些
特别是高功率二极管泵浦激光器的迅猛发展， 又为FRA的实现奠定了坚实的基础。
6.3.1 分布式拉曼放大器工作原理和特性
1. 工作原理
受激拉曼散射（SRS， Stimulated Raman Scattering） 从物理实质上讲，散射是由原子振动引起的一种光调
制现象。
以频率 振动的原子将作为振源发射频率为 的声波 （与之对应，一个声子的能量为h）。当光波通过这 种振动的原子时将被其调制。这样，对应于频域，被调 制的光波（即散射波）将在其载频两侧出现上边频和下 边频，这两条谱线在光谱学上分别称为斯托克斯波 （ Stokes ）和反斯托克斯波，其频移量为 。
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。增导透体膜光放大器
光输入
有源区
光输出
光输入
增透膜
透明区
区
有源区
光输出
光输入
光输出
TW- SOA的特性
1. 增益
光场 限制 因子
GTWA exp[( g int )L]
2. 增益带宽
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。
解决方法：采用宽、厚可比拟的有源层设计；
相同结构SOA 互相垂直串接
相同结构SOA 互相垂直并接
输入光信号往返两次通过同一SOA，但反向通过前，采用 法拉第旋转器使返回光旋转900
SOA的应用
多信道放大中存在问题
• 噪声大 • 信道串扰(交叉增益调制XGM、四波混频FWM) • 增益饱和引起信号畸变
光功率(dB)
光纤拉曼放大器
同向泵浦
WDM耦合器
反向泵浦
6.3.1 分布式拉曼放大器工作原理和特性
2. 拉曼增益和带宽
斯托克斯（Stokes）频差（ΩR= ωP- ωs）在SRS过程 中扮演着重要角色。由分子振动能级确定的ΩR值决 定了SRS的频率（或波长）范围。
由于玻璃的非结晶性， 纤 硅分子的振动能级汇
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。
根据光放大器端面反射率和偏置条件，SOA可分为：
----行波放大器(TW，Traveling Wave－SOA) ----法布里－珀罗放大器(FP－SOA)
6.3.1 分布式拉曼放大器工作原理和特性
1. 工作原理
受激拉曼散射（SRS， Stimulated Raman Scattering）
反斯托克斯波
斯托克斯波
6.3.1 分布式拉曼放大器工作原理和特性
1. 工作原理
增益介质：系统传输光纤。
工作原理：非线性光学效应（受激拉曼散射SRS）。
A.光纤拉曼散射效应 一个入射光子（pump)的 湮灭，产生一个下移 stokes频率的光子和另一 个具有相当能量和动量的光 学声子 B.与pump光子相差 stokes频率的信号光子， 经受激散射过程被放大
G Ps,out Ps,in
G(dB)
10log10
Ps,out Ps,in
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。
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。
光纤拉曼放大器
光功率(dB)
1550nm 波长
光纤
1550nm
经光纤传 输衰减
(a)无泵激光的1550nm传输
1450nm
1550nm 波长
光纤
1450nm 1550nm
(b)有泵激光的1550nm传输
如果一个弱信号和一个强 泵浦光同时在光纤中传输， 并使弱信号波长置于泵浦 光的拉曼增益带宽内，则 弱信号即可被放大。这种 基于SRS机制的光放大器 称为光纤拉曼放大器FRA。
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。
61.1.0 一般概念
3. 放大器带宽
相 0.8
对
增 益
0.6
g A
0.4
0.2
g ( )
G(
6.1 一般概念
4. 放大器噪声
第六章 光放大器
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）
WDM系统光－电－光(O-E-O)变换方式
TW- SOA的特性
2. 增益带宽
增益 g
GFPA GTW A
vF P A vTW A
30
信 号 20 增 益 (dB) 10
v
0
0
v0
频率
1.44 1.46 波
增益带宽宽（约为70nm），有能力放大超窄光脉冲。
SOA的应用
多信道放大
• 噪声大 • 信道串扰(交叉增益调制XGM、四波混频FWM) • 增益饱和引起信号畸变
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。
增益 g
GFPA GTW A
vF P A vTW A
30
信 号 20 增 益 (dB) 10
v
0
0
v0
频率
1.44 1.46
增益带宽宽（约为70nm），有能力放大超窄光脉冲。
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 起因：由于半导体有源层的横截面呈扁长方形，对横 向（长方形的宽边方向）和竖向（长方形的窄边方向） 的光场约束不同，光场在竖向的衍射泄漏强于横向， 因而竖向的光增益弱于横向。因此光信号的偏振方向 取横向时的增益大，取竖向时的增益小。
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
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， 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。
SOA Product
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。
根据光放大器端面反射率和偏置条件，SOA可分为：
----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
有源区 输出光信号
光信号 输入
z z =L
z=0
L
输出光信号
z z =L
不同反射率时的F-P SOA的增益频谱曲线
F-P谐振腔反
射率 R 越大， SOA的增益
增益g
越多 不大适峰。 值合、通信带宽系G窄统FmPaA应，x
但超用 信过是， 号一，定当只处值R可理用。于一些
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。增导透体膜光放大器
光输入
有源区
光输出
光输入
增透膜
透明区
区
有源区
光输出
光输入
光输出
TW- SOA的特性
1. 增益
光场
限制
因子
GTWA exp[( g int )L]
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
光放大器的出现，可视为光纤通信发展史上的重要 里程碑。
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）
6.1 一般概念
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：
其他应用：
光波长转换（XGM, XPM, FWM） 光开关：直接调制SOA的注入电流实现光的
通断。特点：高速、无损 光信号处理器件。
波长可调激光器 + 光放大 + 调制器 集成化器件
DBR I
增益区 调谐
高 反 射 膜
半导体 光放大 探测
EA 调制
抗反射膜
后镜面
可调谐光栅 滤波器
前镜面
合在一起就构成一个
p
能带，结果使信号光
在很滤宽波的器范围内s （约
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。
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
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)oiun噪t 声（ASE Amplified Spontaneous Emission）。
随着光纤通信网容量的增加，对放大器提出 新的要求，传统的EDFA已很难满足，FRA 再次成为研究的热点。
6.3 光纤拉曼放大器FRA
人们对FRA的兴趣来源于这种放大器可以提 供整个波长波段的放大。通过适当改变泵浦 激光波长，就可以达到在任意波段进行宽带 光放大，甚至可在1270～1670nm整个波 段内提供放大。
其他应用：
光波长转换（XGM, XPM, FWM） 光开关：直接调制SOA的注入电流实现光的
通断。特点：高速、无损 光信号处理器件。
6.3 光纤拉曼放大器FRA
拉曼(Raman)现象在泵1浦9功28率年大被发现，拉曼 放大技术从1984年开转始换研效率究低并应用。
90年代早期，掺铒光纤放大器取代它成为焦 点，光只纤能拉工曼作放在大器（FRA）受到冷遇。
后，光放大 器将变为激
wenku.baidu.com
GFmPiAn
光器。
0
GFmPaAx(
)
1
1
R2Gs
RGs 2
GFPA (R= 0.32)
R= 0.03
行波放大器
R=0
0-2 0 0+2
频率
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
后，光放大 器将变为激
GFmPiAn
光器。
0
GFmPaAx(
)
1
1
R2Gs
RGs 2
GFPA (R= 0.32)
R= 0.03
行波放大器
R=0
0-2 0 0+2
频率
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
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
有源区 输出光信号
光信号 输入
z z =L
z=0
L
输出光信号
z z =L
不同反射率时的F-P SOA的增益频谱曲线
F-P谐振腔反
射率 R 越大， SOA的增益
增益g
越多 不大适峰。 值合、通信带宽系G窄统FmPaA应，x
但超用 信过是， 号一，定当只处值R可理用。于一些
特别是高功率二极管泵浦激光器的迅猛发展， 又为FRA的实现奠定了坚实的基础。
6.3.1 分布式拉曼放大器工作原理和特性
1. 工作原理
受激拉曼散射（SRS， Stimulated Raman Scattering） 从物理实质上讲，散射是由原子振动引起的一种光调
制现象。
以频率 振动的原子将作为振源发射频率为 的声波 （与之对应，一个声子的能量为h）。当光波通过这 种振动的原子时将被其调制。这样，对应于频域，被调 制的光波（即散射波）将在其载频两侧出现上边频和下 边频，这两条谱线在光谱学上分别称为斯托克斯波 （ Stokes ）和反斯托克斯波，其频移量为 。
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。增导透体膜光放大器
光输入
有源区
光输出
光输入
增透膜
透明区
区
有源区
光输出
光输入
光输出
TW- SOA的特性
1. 增益
光场 限制 因子
GTWA exp[( g int )L]
2. 增益带宽
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。
解决方法：采用宽、厚可比拟的有源层设计；
相同结构SOA 互相垂直串接
相同结构SOA 互相垂直并接
输入光信号往返两次通过同一SOA，但反向通过前，采用 法拉第旋转器使返回光旋转900
SOA的应用
多信道放大中存在问题
• 噪声大 • 信道串扰(交叉增益调制XGM、四波混频FWM) • 增益饱和引起信号畸变
光功率(dB)
光纤拉曼放大器
同向泵浦
WDM耦合器
反向泵浦
6.3.1 分布式拉曼放大器工作原理和特性
2. 拉曼增益和带宽
斯托克斯（Stokes）频差（ΩR= ωP- ωs）在SRS过程 中扮演着重要角色。由分子振动能级确定的ΩR值决 定了SRS的频率（或波长）范围。
由于玻璃的非结晶性， 纤 硅分子的振动能级汇
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。
根据光放大器端面反射率和偏置条件，SOA可分为：
----行波放大器(TW，Traveling Wave－SOA) ----法布里－珀罗放大器(FP－SOA)
6.3.1 分布式拉曼放大器工作原理和特性
1. 工作原理
受激拉曼散射（SRS， Stimulated Raman Scattering）
反斯托克斯波
斯托克斯波
6.3.1 分布式拉曼放大器工作原理和特性
1. 工作原理
增益介质：系统传输光纤。
工作原理：非线性光学效应（受激拉曼散射SRS）。
A.光纤拉曼散射效应 一个入射光子（pump)的 湮灭，产生一个下移 stokes频率的光子和另一 个具有相当能量和动量的光 学声子 B.与pump光子相差 stokes频率的信号光子， 经受激散射过程被放大
G Ps,out Ps,in
G(dB)
10log10
Ps,out Ps,in
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。
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。
光纤拉曼放大器
光功率(dB)
1550nm 波长
光纤
1550nm
经光纤传 输衰减
(a)无泵激光的1550nm传输
1450nm
1550nm 波长
光纤
1450nm 1550nm
(b)有泵激光的1550nm传输
如果一个弱信号和一个强 泵浦光同时在光纤中传输， 并使弱信号波长置于泵浦 光的拉曼增益带宽内，则 弱信号即可被放大。这种 基于SRS机制的光放大器 称为光纤拉曼放大器FRA。
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。
61.1.0 一般概念
3. 放大器带宽
相 0.8
对
增 益
0.6
g A
0.4
0.2
g ( )
G(
6.1 一般概念
4. 放大器噪声
第六章 光放大器
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）
WDM系统光－电－光(O-E-O)变换方式
TW- SOA的特性
2. 增益带宽
增益 g
GFPA GTW A
vF P A vTW A
30
信 号 20 增 益 (dB) 10
v
0
0
v0
频率
1.44 1.46 波
增益带宽宽（约为70nm），有能力放大超窄光脉冲。
SOA的应用
多信道放大
• 噪声大 • 信道串扰(交叉增益调制XGM、四波混频FWM) • 增益饱和引起信号畸变
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。
增益 g
GFPA GTW A
vF P A vTW A
30
信 号 20 增 益 (dB) 10
v
0
0
v0
频率
1.44 1.46
增益带宽宽（约为70nm），有能力放大超窄光脉冲。
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 起因：由于半导体有源层的横截面呈扁长方形，对横 向（长方形的宽边方向）和竖向（长方形的窄边方向） 的光场约束不同，光场在竖向的衍射泄漏强于横向， 因而竖向的光增益弱于横向。因此光信号的偏振方向 取横向时的增益大，取竖向时的增益小。
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
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， 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。
SOA Product
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。
根据光放大器端面反射率和偏置条件，SOA可分为：
----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
有源区 输出光信号
光信号 输入
z z =L
z=0
L
输出光信号
z z =L
不同反射率时的F-P SOA的增益频谱曲线
F-P谐振腔反
射率 R 越大， SOA的增益
增益g
越多 不大适峰。 值合、通信带宽系G窄统FmPaA应，x
但超用 信过是， 号一，定当只处值R可理用。于一些
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。增导透体膜光放大器
光输入
有源区
光输出
光输入
增透膜
透明区
区
有源区
光输出
光输入
光输出
TW- SOA的特性
1. 增益
光场
限制
因子
GTWA exp[( g int )L]
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
光放大器的出现，可视为光纤通信发展史上的重要 里程碑。
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）
6.1 一般概念
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：
其他应用：
光波长转换（XGM, XPM, FWM） 光开关：直接调制SOA的注入电流实现光的
通断。特点：高速、无损 光信号处理器件。
波长可调激光器 + 光放大 + 调制器 集成化器件
DBR I
增益区 调谐
高 反 射 膜
半导体 光放大 探测
EA 调制
抗反射膜
后镜面
可调谐光栅 滤波器
前镜面
合在一起就构成一个
p
能带，结果使信号光
在很滤宽波的器范围内s （约
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。
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
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)oiun噪t 声（ASE Amplified Spontaneous Emission）。