光通信：第07章光放大器PPT
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曲 线
g-λ
3. EDFA
EDFA的噪声系数Fn决定于自发辐射， 即噪声系数与粒子反转差ΔN有关。
7.2.4 掺铒光纤放大器的系统应用
1. EDFA
由于EDFA的低噪声特性，使它很适 于作接收机的前置放大器。
2. EDFA
功率放大器是将EDFA直接放在光发 射机之后用来提升输出功率。
3. EDFA
以1989年诞生的掺铒光纤放大器 (Erbium Doped Fiber Amplifier，EDFA)代 表的光放大器技术可以说是光纤通信技术 上的一次革命。
光放大器在光纤通信系统目前最重要 的应用就是促使了波分复用技术 (Wavelength Division Multiplexing，WDM) 走向实用化。
泵浦效率Wp可以用来衡量泵浦的有效 性，其表达式如下：
Wp=放大器增益(dB)/泵浦功率(mW)
7.2.2 掺铒光纤放大器的结构
1.
在同向泵浦方案中，泵浦光与信号光 从同一端注入掺铒光纤。
2.
反向泵浦，泵浦光与信号光从不同的 方向输入掺杂光纤，两者在掺铒光纤中反 向传输。
3.
为了使掺铒光纤中的铒离子能够得到充分 的激励，必须提高泵浦功率。
光放大器还将促进光孤子通信技术的 实用化。光孤子通信是利用光纤的非线性 来补偿光纤的色散作用的一种新型通信方 式。
7.1.2
光放大器的发展最早可追溯到1923年 A·斯梅卡尔预示的自发喇曼散射。1928年 印度加尔各答大学的喇曼观测到自发喇曼 效应。
7.1.3
光放大器按原理不同大体上有三种类 型。
(2)
人们希望放大器的增益在很宽的频带 内与波长无关。这样在应用这些放大器的 系统中，便可放宽单信道传输波长的容限， 也可在不降低系统性能的情况下，极大地 增加WDM系统的信道数目。
(Hale Waihona Puke Baidu)
由于信号放大过程消耗了高能级上粒 子，因而使增益系数减小，当放大器增益 减小为峰值的一半时，所对应的输出功率 就叫饱和输出功率，这是放大器的一个重 要的参数，饱和功率用Pouts表示。
2. EDFA
图7.9所示是掺铒硅光纤的g-λ曲线， 从图中可以看出增益系数随着波长的不同 而不同。
EDFA实现宽频带和增益平坦度经过 了3个阶段，如表7.1所示。
光纤在1.55μm低损耗区具有200nm带 宽 ， 而 目 前 使 用 的 E D FA 增 益 带 宽 仅 为 35nm左右。
.
图 7 9 掺 铒 离 子 硅 光 纤 的
原理
第五章已经介绍过激光器的工作原理： 经泵浦源的作用，工作物质粒子由低能级 跃迁到高能级(一般通过另一辅助能级)， 在一定泵浦强度下，得到了粒子数反转分 布而具有光放大作用。当工作频带范围内 的信号光输入时便得到放大。这也就是掺 铒光纤放大器的基本工作原理。
只是EDFA(及其他掺杂光纤放大器)细 长的纤形结构使得有源区能量密度很高， 光与物质的作用区很长，有利于降低对泵 浦源功率的要求。
(1) 掺杂光纤放大器，就是利用稀土 金属离子作为激光工作物质的一种放大器。
(2) 传输光纤放大器，其中有受激喇 曼散射(Stimulated Raman Scattering， SRS)光纤放大器、受激布里渊散射 (Stimulated Brilliouin Scattering，SBS)光 纤放大器和利用四波混频效应(FWM)的光 放大器等。
2.
放大器本身产生噪声，放大器噪声使 信号的信噪比(Signal-to-Noise Ratio，SNR) 下降，造成对传输距离的限制，是光放大 器的另一重要指标。
(1)
光纤放大器的噪声主要来自它的放大 自发辐射(Amplified Spontaneous Emission， ASE)。
(2)
由于放大器中产生自发辐射噪声，使 得放大后的信噪比下降。它定义为输入信 噪比与输出信噪比之比。
4.
(1) (2)
图7.5所示表示噪声指数与输出光功率之间 的关系。
(3)
同向泵浦式EDFA的饱和输出光功率最小。
图7.5 噪声指数与输出功率之间的关系
7.2.3EDFA
1. EDFA
增益系数g(z)与高能级和低能级的粒 子数目差及泵浦功率有关，对增益系数g(z) 在整个掺铒光纤长度上进行积分，就可求 出光纤放大器的增益G，所以，放大器的 增益应与泵浦强度及光纤的长度有关。
(3) 半导体激光放大器。其结构大体 上与激光二极管(Laser Diode，LD)相同。
这几种类型的光放大器的工作原理和 激励方式各不相同。
7.1.4 光纤放大器的重要指标
1.
(1) 增益G与增益系数g
放大器的增益定义为
式 中 ： Pout，Pin 分 别 为 放 大 器 输 出 端 与 输 入端的连续信号功率。
第七章 光 放 大 器
7.1 光放大器概述 7.2 掺铒光纤放大器 7.3 光纤喇曼放大器 7.4 其他光放大器
7.1 光放大器概述
7.1.1 光放大器在现代光纤通
光纤通信中用光纤来传输光信号。光 纤的中继距离受限于光纤的损耗和色散。 就损耗而言，目前光纤损耗典型值在 1.31μm波段为0.35dB/km左右，在1.55μm 波段为0.25dB/km左右。
(3) 能量转换效率高。激光工作物质集 中在光纤芯子，且集中在光纤芯子中的近 轴部分，而信号光和泵浦光也是在近轴部
(SNR)in和(SNR)out分别代表输入与输 出的信噪比。它们都是在接收机端将光信 号转换成光电流后的功率来计算的。
7.2 掺铒光纤放大器
掺铒光纤放大器是将掺铒光纤在泵浦 源的作用下而形成的光纤放大器。对这种 掺杂光纤放大器影响较大的工作可追溯到 1963年对玻璃激光器的研究。
7.2.1 掺铒光纤放大器的工作
EDFA用作线路放大器是它在光纤通 信系统的一个重要应用。
4. EDFA
EDFA可在宽带本地网，特别在电视 分配网中得到应用。
7.2.5 掺铒光纤放大器的优缺点
EDFA之所以得到迅速的发展，源于 它的一系列优点。
(1) 工作波长与光纤最小损耗窗口一 致，可在光纤通信中获得广泛应用。
(2) 耦合效率高。因为是光纤型放大 器，易于光纤耦合连接，也可用熔接技术 与传输光纤熔接在一起，损耗可降至0.1dB， 这样的熔接反射损耗也很小，不易自激。
g-λ
3. EDFA
EDFA的噪声系数Fn决定于自发辐射， 即噪声系数与粒子反转差ΔN有关。
7.2.4 掺铒光纤放大器的系统应用
1. EDFA
由于EDFA的低噪声特性，使它很适 于作接收机的前置放大器。
2. EDFA
功率放大器是将EDFA直接放在光发 射机之后用来提升输出功率。
3. EDFA
以1989年诞生的掺铒光纤放大器 (Erbium Doped Fiber Amplifier，EDFA)代 表的光放大器技术可以说是光纤通信技术 上的一次革命。
光放大器在光纤通信系统目前最重要 的应用就是促使了波分复用技术 (Wavelength Division Multiplexing，WDM) 走向实用化。
泵浦效率Wp可以用来衡量泵浦的有效 性，其表达式如下：
Wp=放大器增益(dB)/泵浦功率(mW)
7.2.2 掺铒光纤放大器的结构
1.
在同向泵浦方案中，泵浦光与信号光 从同一端注入掺铒光纤。
2.
反向泵浦，泵浦光与信号光从不同的 方向输入掺杂光纤，两者在掺铒光纤中反 向传输。
3.
为了使掺铒光纤中的铒离子能够得到充分 的激励，必须提高泵浦功率。
光放大器还将促进光孤子通信技术的 实用化。光孤子通信是利用光纤的非线性 来补偿光纤的色散作用的一种新型通信方 式。
7.1.2
光放大器的发展最早可追溯到1923年 A·斯梅卡尔预示的自发喇曼散射。1928年 印度加尔各答大学的喇曼观测到自发喇曼 效应。
7.1.3
光放大器按原理不同大体上有三种类 型。
(2)
人们希望放大器的增益在很宽的频带 内与波长无关。这样在应用这些放大器的 系统中，便可放宽单信道传输波长的容限， 也可在不降低系统性能的情况下，极大地 增加WDM系统的信道数目。
(Hale Waihona Puke Baidu)
由于信号放大过程消耗了高能级上粒 子，因而使增益系数减小，当放大器增益 减小为峰值的一半时，所对应的输出功率 就叫饱和输出功率，这是放大器的一个重 要的参数，饱和功率用Pouts表示。
2. EDFA
图7.9所示是掺铒硅光纤的g-λ曲线， 从图中可以看出增益系数随着波长的不同 而不同。
EDFA实现宽频带和增益平坦度经过 了3个阶段，如表7.1所示。
光纤在1.55μm低损耗区具有200nm带 宽 ， 而 目 前 使 用 的 E D FA 增 益 带 宽 仅 为 35nm左右。
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图 7 9 掺 铒 离 子 硅 光 纤 的
原理
第五章已经介绍过激光器的工作原理： 经泵浦源的作用，工作物质粒子由低能级 跃迁到高能级(一般通过另一辅助能级)， 在一定泵浦强度下，得到了粒子数反转分 布而具有光放大作用。当工作频带范围内 的信号光输入时便得到放大。这也就是掺 铒光纤放大器的基本工作原理。
只是EDFA(及其他掺杂光纤放大器)细 长的纤形结构使得有源区能量密度很高， 光与物质的作用区很长，有利于降低对泵 浦源功率的要求。
(1) 掺杂光纤放大器，就是利用稀土 金属离子作为激光工作物质的一种放大器。
(2) 传输光纤放大器，其中有受激喇 曼散射(Stimulated Raman Scattering， SRS)光纤放大器、受激布里渊散射 (Stimulated Brilliouin Scattering，SBS)光 纤放大器和利用四波混频效应(FWM)的光 放大器等。
2.
放大器本身产生噪声，放大器噪声使 信号的信噪比(Signal-to-Noise Ratio，SNR) 下降，造成对传输距离的限制，是光放大 器的另一重要指标。
(1)
光纤放大器的噪声主要来自它的放大 自发辐射(Amplified Spontaneous Emission， ASE)。
(2)
由于放大器中产生自发辐射噪声，使 得放大后的信噪比下降。它定义为输入信 噪比与输出信噪比之比。
4.
(1) (2)
图7.5所示表示噪声指数与输出光功率之间 的关系。
(3)
同向泵浦式EDFA的饱和输出光功率最小。
图7.5 噪声指数与输出功率之间的关系
7.2.3EDFA
1. EDFA
增益系数g(z)与高能级和低能级的粒 子数目差及泵浦功率有关，对增益系数g(z) 在整个掺铒光纤长度上进行积分，就可求 出光纤放大器的增益G，所以，放大器的 增益应与泵浦强度及光纤的长度有关。
(3) 半导体激光放大器。其结构大体 上与激光二极管(Laser Diode，LD)相同。
这几种类型的光放大器的工作原理和 激励方式各不相同。
7.1.4 光纤放大器的重要指标
1.
(1) 增益G与增益系数g
放大器的增益定义为
式 中 ： Pout，Pin 分 别 为 放 大 器 输 出 端 与 输 入端的连续信号功率。
第七章 光 放 大 器
7.1 光放大器概述 7.2 掺铒光纤放大器 7.3 光纤喇曼放大器 7.4 其他光放大器
7.1 光放大器概述
7.1.1 光放大器在现代光纤通
光纤通信中用光纤来传输光信号。光 纤的中继距离受限于光纤的损耗和色散。 就损耗而言，目前光纤损耗典型值在 1.31μm波段为0.35dB/km左右，在1.55μm 波段为0.25dB/km左右。
(3) 能量转换效率高。激光工作物质集 中在光纤芯子，且集中在光纤芯子中的近 轴部分，而信号光和泵浦光也是在近轴部
(SNR)in和(SNR)out分别代表输入与输 出的信噪比。它们都是在接收机端将光信 号转换成光电流后的功率来计算的。
7.2 掺铒光纤放大器
掺铒光纤放大器是将掺铒光纤在泵浦 源的作用下而形成的光纤放大器。对这种 掺杂光纤放大器影响较大的工作可追溯到 1963年对玻璃激光器的研究。
7.2.1 掺铒光纤放大器的工作
EDFA用作线路放大器是它在光纤通 信系统的一个重要应用。
4. EDFA
EDFA可在宽带本地网，特别在电视 分配网中得到应用。
7.2.5 掺铒光纤放大器的优缺点
EDFA之所以得到迅速的发展，源于 它的一系列优点。
(1) 工作波长与光纤最小损耗窗口一 致，可在光纤通信中获得广泛应用。
(2) 耦合效率高。因为是光纤型放大 器，易于光纤耦合连接，也可用熔接技术 与传输光纤熔接在一起，损耗可降至0.1dB， 这样的熔接反射损耗也很小，不易自激。