光放大器原理、分类及特点

直 径 1 25 m S iO 2 包 层 直 径 2 50 m 涂 覆 层
回顾：光与物质相互作用的三个过程
2.2 EDFA的工作原理
Er+3外层电子具有三 能级结构：
平均寿命
1s
激发态 亚稳态
平均寿命
能级1代表基态， 能量最低。
能级2是亚稳态， 处于中间能级。 能级3代表激发态， 能量最高。
平均寿命 1s 平均寿命
激发态
亚稳态
泵浦波长
放大器带宽
基态
2.2 EDFA的工作原理
EDFA的工作过程：
① 980 nm光子泵浦 激光器使er3+从基态 →泵浦能带(激发态) ②受激离子激发态 →亚稳带衰变得非 常快(约1μs)。 多余的能量以声子 形式释放。 er3+从亚稳态能 带→ 底端, 时间 长(10 ms左右)。
2.3 EDFA结构和特性-特性
三种泵浦方式比较： 1.信号输出功率 三种方式的转换效率分别为61%、76％和77％。在同样泵浦 条件下，同向泵浦式的输出最低。

信号输出光功率与泵浦光功率的关系
2.3 EDFA结构和特性-特性
三种泵浦方式比较： 2.噪声特性 输出功率加大将导致粒子反转数的下降，因而在未饱和区 ，同向泵浦式噪声指数最小，但在饱和区，情况将发生变化。 对于不同掺铒光纤长度，同向泵浦方式噪声都最小。
9
1.3光放大器的重要指标-噪声
(1)光放大器的噪声来源： 主要由于自发辐射被放大。自发辐射光子的相位和方 向是随机的。对于有用信号没有贡献，就形成了信号带宽 内的噪声，与放大信号在光纤中一起传输、放大，降低了 信号光的信噪比。 (2)信噪比：正常信号功率与噪声功率的比值。 (3)噪声系数 信噪比的劣化用噪声系数Fn表示，定义为输入信噪比与 输出信噪比的比值。
Ps , o u t Ps , in
dB
可求出EDFA的输出光信号功率为:
GE 20
Ps , out Ps , in 10
10
1 mW 10
10
100 mW
由
GE
PS , out PS , in
1
P PP , in S PS , in
,得到泵浦输入功率应满足
2.3 EDFA结构和特性-结构
因泵浦源所在的位置不同，分成同向、反向及双向泵浦方式。 1.同向泵浦：泵浦光与信号光从同一端注入掺铒光纤。输入泵 浦光较强，故粒子反转激励也强，其增益系数大。其优点是 构成简单，噪声指数较小；缺点是输出功率较低。
光隔离器
WDM EDF
光隔离器 光滤波器
输入信号
泵浦激光器
例：若EDFA输入信号为300uW，在1 nm带宽内的输入噪声 功率是30 nw，输出信号功率是60 mW，在1 nm带宽内的输 出噪声功率增大到20uW，计算光放大器的噪声指数。
放大器输出功率与NF的关系
光纤长度与NF的关系
2.3 EDFA结构和特性-特性
三种泵浦方式性能差异总结：
Leabharlann Baidu
同向泵浦: 噪声性能好 反向泵浦: 输出功率大 双向泵浦: 兼有上述优点,但成本高
2.4 EDFA的重要指标-增益
EDFA的输出功率含信号功率和噪声功率两部分，噪声功 率记为PASE，则EDFA的增益为
EDFA的工作过程
2.2 EDFA的工作原理
EDFA的工作过程
③ 若有1480nm泵浦激光器 直接把电子从基态→亚稳态 能级的顶部；
④电子将移到亚稳态能级 的较低端，这时出现粒子 数反转分布；
2.2EDFA的工作原理
⑤亚稳态离子，无激励 光子流时，一部分跃迁 到基态； 自发辐射放大 (ASE)--导致放大器的噪 声。
掺铒光纤长度与放大器增益关系
对某个确定的泵浦功率存在一个最佳光纤长度，使得增益最大。
2.4 EDFA的重要指标-增益
不同长度的掺铒光纤，在 泵浦功率不受限时，最大 的光放大器增益G受限于 光纤长度。
泵浦功率与放大器增益关系
从泵浦功率和光纤长度两方面综合考虑，以达到所要求的 增益标准。
2.4 EDFA的重要指标-增益
输出信号
同向泵浦
2.3EDFA结构和特性-结构
2.反向泵浦：泵浦光与信号光从不同的方向输入掺铒光纤， 两者在掺铒光纤中反向传输。 其优点是：当光信号放大到很强时，泵浦光也强，不易达 到饱和，输出功率比同向泵浦高；缺点是噪声性能差。
光隔离器 EDF WDM 光隔离器 光滤波器 输出信号
输入信号 泵浦激光器
G E 1 0 lg
Po u t PA S E Pin
dB
式中， Pin
Pout
分别是输出光信号和输入光信号功率。
EDFA的增益通常为15~40dB。大小与铒离子浓度、泵浦功率 和掺铒光纤长度有关。
2.4 EDFA的重要指标-增益
不同泵浦光功率下，当光 纤长度较短时，增益增加 很快；而超过某一长度， 增益反而下降。 原因：长度增加，纤中泵 浦光功率下降，且掺铒光 纤损耗远大于普通光纤， 从而导致增益下降。
Fn ( S N R ) in ( S N R ) out
10
1.4光放大器家族
半导体光放大器(SOA) 掺铒光纤放大器(EDFA) 1550nm 掺镨光纤放大器(PDFA) 1310nm 拉曼光纤放大器(FRA) 非线性 光纤放 大器
掺稀土元素 光纤放大器 光放大器分类
布里渊光纤放大器(FBA)
EDFA
已经商用化
2.1 EDF的结构
材料 掺Er3+光纤
构造与单模光纤的构造一样。 铒离子位于纤芯中央地带，将铒离子放在这里有利于其最 大地吸收泵浦和信号能量，从而产生好的放大效果。 折射率较低的 玻璃包层完善 波导结构，提 供抗机械强度 的特性。 涂覆层将光纤 总直径增大到 250μm。
掺铒 高密 度带 (1 00 ～ 2 00 0 p pm ) 直 径 3 ～ 6 m 掺锗 的纤 芯
基态
16
2.2 EDFA的工作原理
当泵浦(Pump, 抽运)光 激励，铒离子吸收泵浦光， 基态跃迁到激发态。 激发态不稳定，Er3+很 快返回到亚稳态。 亚稳态粒子数积累，形 成粒子数反转分布。 如果输入的信号光的能量 等于基态和亚稳态的能量差 ，亚稳态的Er3+将跃迁到基 态，产生一个与信号光子完 全一样的光子，实现了信号 光在掺铒光纤中的放大。
2
光纤
光纤
光接收 － W
M
D
3 N
采用光－电－光(O-E-O)变换方式 信号失真 WDM系统引入，复杂性和成本倍增
1 2 3 N
1
光放大器
D W － 光发送 M
2 光接收－ W
M D
3 N
重要意义:
促使波分复用技术 (Wavelength Division Multiplexing， WDM)走向实用化，促进了光弧子技术和全光网络的发展， 使光纤通信技术产生了质的飞跃。
内容简介：
2掺铒光纤放大器
2.1EDF结构 2.2工作原理 2.3结构和特性 2.4性能指标
2.5应用
2.6优缺点
12
2 掺铒光纤放大器
掺铒（Er3+）光纤放大器(Erbium-Doped Fiber Amplifier， EDFA)是将掺铒光纤在泵浦源作用下形成的光纤放大器。 发展进程：
1964年，美国光学公司制成了第一台掺铒玻璃激光器。 1970年，光纤出现后，转入进行在光纤中掺杂激光器件的研究。 1985年，英国南安普顿大学的迈尔斯等人制成了掺铒光纤激光器。 1986年，又制造出EDFA。
亚稳态和基态的宽度： 1530～1560nm 超过1560nm时增益会稳定下降， 在大约1616nm处降至0dB。
例．EDFA和LD中都有受激辐射，两者有何区别？
答：EDFA中的受激辐射产生于整个掺铒光纤材料中，其中粒子数反转分 布是在掺铒光纤材料的三能级结构之间直接（泵浦激光1480nm时）或间 接（泵浦激光980nm时）实现的（最终在能级E2和E1之间形成粒子数反 转分布）。三个能级是：低能级E1是基态能级，中间能级E2是亚稳态能 级（电子平均寿命可达10ms），高能级E3是非稳态能级（电子的平均寿 命<<1μs）。 LD中受激辐射产生于p-n结半导体材料中的有源区，其中粒子数反转分 布是在有源区导带和价带能级之间直接实现的。所谓有源区，是指加上 适当正向电压后，p-n结交界面附近具有粒子数反转分布状态的窄区域。
物理意义：EDFA输出信号能量不能超过注入泵 浦能量。
例题：EDFA做功率放大器，设其增益为20dB，泵浦 波长为λ=980nm，输入光信号的功率为0dBm，假如 波长为1550nm，求所用的最小泵浦源功率为多少？
解：入射功率0dBm，即为1mw。 功率放大器增益表达式为：
G E 1 0 lg
光放大器介绍
1
内容简介：
1 光放大器概述 2 掺铒光纤放大器 3 光纤拉曼放大器 4 其它放大器
2
引出
Internet 数据量急剧增长 追求更高的传输容量
铺设更 多的光缆
提高传 输速率
光时分 复用技术
波分 复用
成本高
受器件响 应速度限制
系统复杂
1 2 3 N
1
中继器
D W － 光发送 M
100 mW 1 mW
PP , in
S P
P
S , out
PS , in
1550 980
156
. 6 mW
2.4 EDFA的重要指标-噪声系数
3.噪声系数
Fn
( S N R ) in ( S N R ) out
噪声系数Fn决定于自发辐射。 实验证实：在EDFA中，可得到接近3dB的噪声系数， 这是噪声系数的极限。 EDFA极低噪声，成为光纤通信中的理想放大器，是在 光纤通信系统中广泛应用的一个重要原因。 但即使噪声这样低，当长距离光纤通信系统采用多级 EDFA级联时，噪声影响使系统长度也受限。
反向泵浦
2.3 EDFA结构和特性-结构
3.双向泵浦：可用多个泵浦源从多个方向激励光纤。 多个泵浦源部分前向，部分后向，结合前两种优点。使泵 浦光在光纤中均匀分布，从而使其增益在光纤中均匀分布 。
EDF 光隔离器 WDM 输入信号 WDM 光隔离器 光滤波器 泵浦激光器 泵浦激光器 输出信号
双向泵浦
可应用能量守恒原理，EDFA的输入输出功率表示为
Ps , o u t Ps , in
p s
P p , in
式 中 ， P p , in 是 输 入 泵 浦 功 率 ， Ps , in 是 信 号 输 入 功 率 ， Ps , o u t 是 信 号 输 出 功 率 ， p 和 s 分 别 为 泵 浦 波 长 和 信 号 波 长 。
2.3 EDFA结构和特性-结构
掺铒光纤(EDF)和高功率泵浦光源是关键器件； EDF的增益取决于Er3+的浓度、光纤长度和直径以及泵浦光功率等多种因 素，通常由实验获得最佳增益。 对泵浦光源（波长通常为980 nm或1480 nm）的基本要求是大功率和长寿 命。现在的研究表明波长为980 nm的泵浦效率最高，且噪声较低，是未来 发展的方向。 波分复用器(WDM)把泵浦光与信号光耦合； 基本要求：采用插入损耗小，熔拉双锥光纤耦合器型波分复用器。 光隔离器置于两端防止光反射；保证系统稳定工作和减小噪声。 光滤波器是滤除放大器噪声，提高系统的信噪比。
信号光激励,基态到亚 稳态跃迁： 1.基态的离子将吸收 一小部分外部光,将 跃迁到亚稳态--受激 吸收 ⑥。 EDFA的工作过程 2. 信号光子触发激发态的离子使其下降到基态. 受激辐射-发射与输入信号光子具有相同能量、相同波矢量以及相同偏振态 的新光子⑦。 实现光信号放大。
2.2EDFA的工作原理
1 光放大器概述
1.1定义
利用某种具有增益的激活介质对注入其中的微弱光信号 进行放大，使其获得足够的光增益，变为较强的光信号， 从而实现对光信号的直接光放大。
输入光信号
光放大器 被放大的光信号
1.2工作原理
光放大器是基于受激辐射机理来实现入射光功率放大的。
(2) 受激辐射
(1) 能量注入
1.3光放大器的重要指标-增益
(1) 增益G：
输出光功率 =10lg (dB) 输入光功率
功率增益
放大器的放大能力
与泵浦功率和光纤长度的参数有关
1.3光放大器的重要指标-增益
(2)增益饱和与饱和输出功率：表示最大输出能力
当输入光功率比较小时，增益G是一个常数，用符号G0表示，称为光放 大器的小信号增益。 但当G增大到一定数值后，光放大器的增益开始下降，这种现象称为 增益饱和；当光放大器的增益降至小信号增益G0的一半，也就是用分贝表 示为下降3dB时，所对应的输出功率称为饱和输出光功率，是放大器的一 个重要参数，饱和输出功率用Pouts表示。