6第六章_光放大器最新改11.13

1、1 第六第六章章 2 内容简介内容简介： 1 光放大器概述光放大器概述 2 掺铒光纤放大器掺铒光纤放大器 3 光纤拉曼放大器光纤拉曼放大器 4 其它放大器其它放大器 引出引出 铺设更铺设更 多的光缆多的光缆 成本高成本高 受器件响受器件响 应速度限制应速度限制 Internet 数据量急剧增长数据量急剧增长 追求更高的传输容量追求更高的传输容量 提高传提高传 输速率输速率 光时分光时分 复用技术复用技术 系统复杂系统复杂 波分波分 复用复用 n采用光电光采用光电光(O-E-O)变换方式变换方式 n信号失真信号失真 nWDM系统引入，复杂性和成本倍增系统引入，复杂性和成本倍增 光接收光接收 D

2、W M 光发送光发送 D W M 光接收光接收 D W M 光发送光发送 D W M 重要意义重要意义: 促使波分复用技术促使波分复用技术 (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，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使光纤通信技术产生了质质的飞跃。的飞跃。 利用某种具有增益的激活介质对注入其中的微弱光信号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，进行放大，使其获得足够的光增益，变为较强的光信号， 从而实现从而实现对光信号的

3、直接光放大对光信号的直接光放大。 被放大的光信号 输入光信号 光放大器 1.1定义定义 光放大器是基于受激辐射机理来实现入射光功率放大的光放大器是基于受激辐射机理来实现入射光功率放大的。 1.2工作原理工作原理 (2) 受激辐射 (1) 能量注入 功率增益功率增益 =10lg 输出光功率输出光功率 输入光功率输入光功率 (dB) 放大器的放大能力放大器的放大能力与与泵浦功率泵浦功率和和光纤长度光纤长度的参数有关的参数有关 (2)表示最大输出能力表示最大输出能力 9 (1)光放大器的噪声来源光放大器的噪声来源： 主要由于主要由于自发辐射自发辐射被放大。自发辐射光子的相位和方被放大。自发辐射光子的

4、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 信号光的信号光的信噪比信噪比。 (3)噪声系数噪声系数 信噪比的劣化用噪声系数信噪比的劣化用噪声系数F Fn n表示，定义为输入信噪比与表示，定义为输入信噪比与 输出信噪比的比值。输出信噪比的比值。 () () in n out SNR F SNR 10 (2)信噪比：信噪比：正常信号功率与噪声功率的比值。正常信号功率与噪声功率的比值。 光放大器分类光放大器分类 半导体光放大器半导体

5、光放大器(SOA) 掺铒光纤放大器掺铒光纤放大器(EDFA) 1550nm 非线性非线性 光纤放光纤放 大器大器 掺稀土元素掺稀土元素 光纤放大器光纤放大器 布里渊光纤放大器布里渊光纤放大器(FBA) 掺镨光纤放大器掺镨光纤放大器(PDFA) 1310nm 拉曼光纤放大器拉曼光纤放大器(FRA) 内容简介内容简介： 2.1EDF结构结构 2掺铒光纤放大器掺铒光纤放大器 2.3结构和特性结构和特性 12 2.2工作原理工作原理 2.4性能指标性能指标 2.5应用应用 2.6优缺点优缺点 掺铒（掺铒（Er3+）光纤放大器）光纤放大器(Erbium-Doped Fiber Amplifier， ED

6、FA)是将是将掺铒光纤掺铒光纤在在泵浦源泵浦源作用下形成的光纤放大器。作用下形成的光纤放大器。 发展进程：发展进程： l1964年，美国光学公司制成了第一台掺铒玻璃激光器。年，美国光学公司制成了第一台掺铒玻璃激光器。 l1970年，光纤出现后，转入进行在光纤中掺杂激光器件的研究。年，光纤出现后，转入进行在光纤中掺杂激光器件的研究。 l1985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。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。 l1986年年，又制造出，又制造出EDFA。 构造与单模光纤的构造一样。构造与单模光纤的构造一样。 铒离子位于铒离子位于纤芯中央地带纤芯中央地带，

7、将铒离子放在这里有利于其最，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。大地吸收泵浦和信号能量，从而产生好的放大效果。 掺铒高密度带 (1002000 ppm) 直径36 m 掺锗的纤芯 直径125 m SiO2包层 直径250 m涂覆层 2.1 EDF的结构的结构 折射率较低的折射率较低的 玻璃包层玻璃包层完善完善 波导结构，提波导结构，提 供抗机械强度供抗机械强度 的特性。的特性。 涂覆层涂覆层将光纤将光纤 总直径增大到总直径增大到 250m。 回顾：光与物质相互作用的三个过程回顾：光与物质相互作用的三个过程 2.2 EDFA的工作原理的工作原理 Er+3外层

8、电子具有三外层电子具有三 能级结构：能级结构： 能级能级1代表代表基态基态， 能量最低。能量最低。 能级能级2是是亚稳态亚稳态， 处于中间能级。处于中间能级。 能级能级3代表代表激发态激发态， 能量最高。能量最高。 16 2.2 EDFA的工作原理的工作原理 当当泵浦泵浦(Pump, 抽运抽运)光光 激励，铒离子吸收泵浦光，激励，铒离子吸收泵浦光， 基态基态跃迁到跃迁到激发态激发态。 激发态激发态不稳定，不稳定，Er3+很很 快返回到快返回到亚稳态亚稳态。 亚稳态亚稳态粒子数积累，形粒子数积累，形 成成粒子数反转分布。粒子数反转分布。 如果输入的信号光的能量如果输入的信号光的能量 等于基态和亚

9、稳态的能量差等于基态和亚稳态的能量差 ，亚稳态亚稳态的的Er3+将跃迁到将跃迁到基基 态态，产生一个与信号光子完，产生一个与信号光子完 全一样的光子，实现了信号全一样的光子，实现了信号 光在光在掺铒光纤中的放大掺铒光纤中的放大。 2.2 EDFA的工作原理的工作原理 EDFA的工作过程：的工作过程： EDFA的工作过程的工作过程 980 nm光子泵浦光子泵浦 激光器使激光器使er3+从从基态基态 泵浦能带泵浦能带(激发态激发态) 受激离子受激离子激发态激发态 亚稳带亚稳带衰变得非衰变得非 常快常快(约约1s)。 多余的能量以声子多余的能量以声子 形式释放形式释放。 er3+从从亚稳态能亚稳态能

10、 带带 底端底端, 时间时间 长长(10 ms左右左右)。 2.2 EDFA的工作原理的工作原理 EDFA的工作过程的工作过程 若有若有1480nm泵浦激光器泵浦激光器 直接把电子从直接把电子从基态基态亚稳态亚稳态 能级的顶部；能级的顶部； 电子将移到电子将移到亚稳态亚稳态能级能级 的的较低端，较低端，这时出现这时出现粒子粒子 数反转分布数反转分布； 2.2EDFA的工作原理的工作原理 EDFA的工作过程的工作过程 信号光激励信号光激励,基态到亚基态到亚 稳态跃迁：稳态跃迁： 1.基态的离子将吸收基态的离子将吸收 一小部分外部光一小部分外部光,将将 跃迁到亚稳态跃迁到亚稳态-受激受激 吸收吸收

11、 。 亚稳态离子，无激励亚稳态离子，无激励 光子流时，一部分跃迁光子流时，一部分跃迁 到基态；到基态； 自发辐射放大自发辐射放大 (ASE)-导致放大器的噪导致放大器的噪 声声。 2. 信号光子触发激发态的离子使其下降到基态信号光子触发激发态的离子使其下降到基态. 受激辐射受激辐射-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。的新光子。 实现光信号放大。实现光信号放大。 亚稳态和基态的宽度亚稳态和基态的宽度：15301560nm 超过超过1560nm时增益会稳定下降，时增益会稳定下降， 在大约在大约1616nm处降

12、至处降至0dB。 2.2EDFA的工作原理的工作原理 例例EDFA和和LD中都有受激辐射，两者有何区别？中都有受激辐射，两者有何区别？ 答：答：EDFA中的受激辐射产生于中的受激辐射产生于整个掺铒光纤材料整个掺铒光纤材料中，其中中，其中粒子数反转分粒子数反转分 布布是在掺铒光纤材料的是在掺铒光纤材料的三能级三能级结构之间结构之间直接直接（泵浦激光（泵浦激光1480nm时）或时）或间间 接接（泵浦激光（泵浦激光980nm时）实现的（最终在能级时）实现的（最终在能级E2和和E1之间形成粒子数反之间形成粒子数反 转分布）。三个能级是：低能级转分布）。三个能级是：低能级E1是基态能级，中间能级是基态能

13、级，中间能级E2是亚稳态能是亚稳态能 级（电子平均寿命可达级（电子平均寿命可达10ms），高能级），高能级E3是非稳态能级（电子的平均寿是非稳态能级（电子的平均寿 命命1s）。）。 LD中受激辐射产生于中受激辐射产生于p-n结半导体材料中的结半导体材料中的有源区有源区，其中，其中粒子数反转分粒子数反转分 布布是在是在有源区导带和价带有源区导带和价带能级之间能级之间直接直接实现的。所谓有源区，是指加上实现的。所谓有源区，是指加上 适当正向电压后，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。结交界面附近具有粒子数反转分布状态的窄区域。 2.3 EDFA结构和特性结构和特性-结

14、构结构 EDF的增益取决于的增益取决于Er3+的浓度的浓度、光纤长度和直径光纤长度和直径以及以及泵浦光功率泵浦光功率等多种因等多种因 素，通常由素，通常由实验实验获得最佳增益。获得最佳增益。 波分复用器波分复用器(WDM)把泵浦光与信号光耦合；把泵浦光与信号光耦合； 基本要求：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。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。置于两端防止光反射；保证系统稳定工作和减小噪声。 光滤波器光滤波器是滤除放大器噪声，提高系统的信噪比。是滤除放大器噪声，提高系统的信噪比。 和和是关键

15、器件；是关键器件； 对对泵浦光源（波长通常为泵浦光源（波长通常为980 nm或或1480 nm）的基本要求是大功率和长寿的基本要求是大功率和长寿 命。现在的研究表明波长为命。现在的研究表明波长为980 nm的泵浦效率最高，且噪声较低，是未来的泵浦效率最高，且噪声较低，是未来 发展的方向。发展的方向。 2.3 EDFA结构结构和特性和特性-结构结构 同向泵浦同向泵浦 因泵浦源所在的位置不同，分成因泵浦源所在的位置不同，分成同向同向、反向反向及及双向泵浦方式双向泵浦方式。 1.同向泵浦同向泵浦：泵浦光与信号光从：泵浦光与信号光从同一端同一端注入掺铒光纤。输入泵注入掺铒光纤。输入泵 浦光较强，故粒子

16、反转激励也强，其浦光较强，故粒子反转激励也强，其增益系数大增益系数大。其优点是。其优点是 构成简单，噪声指数较小；缺点是输出功率较低。构成简单，噪声指数较小；缺点是输出功率较低。 光隔离器光隔离器 WDM EDF 光隔离器光隔离器 泵浦激光器泵浦激光器 输入信号输入信号 输出信号输出信号 光滤波器光滤波器 2.3EDFA结结构和特性构和特性-结构结构 2.反向泵浦反向泵浦：泵浦光与信号光从不同的方向输入掺铒光纤，：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。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，不易达其优点是：当光信号放大到很强时，泵浦

17、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。到饱和，输出功率比同向泵浦高；缺点是噪声性能差。 输出信号输出信号 光隔离器光隔离器WDM EDF 光隔离器光隔离器 输入信号输入信号 泵浦激光器泵浦激光器 光滤波器光滤波器 反向泵浦反向泵浦 2.3 EDFA结结构和特性构和特性-结构结构 3.双向泵浦双向泵浦：可用：可用多个泵浦源多个泵浦源从从多个方向多个方向激励光纤。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浦光在光纤中均匀分布，从而使其增益在光纤中均匀分

18、布 。 双向泵浦双向泵浦 光隔离器光隔离器WDM EDF 光隔离器光隔离器 输入信号输入信号 输出信号输出信号 泵浦激光器泵浦激光器泵浦激光器泵浦激光器 光滤波器光滤波器 WDM 2.3 EDFA结构和特性结构和特性-特性特性 三种泵浦方式比较：三种泵浦方式比较： 1.信号输出功率信号输出功率 三种方式的转换效率分别为三种方式的转换效率分别为61%、76和和77。在同样泵浦。在同样泵浦 条件下，条件下，同向泵浦式同向泵浦式的输出最低的输出最低。 信号输出光功率与泵浦光功率的关系 2.3 EDFA结构结构和特性和特性-特性特性 三种泵浦方式比较：三种泵浦方式比较： 2.噪声特性噪声特性 输出功率

19、加大将导致粒子反转数的下降，因而在输出功率加大将导致粒子反转数的下降，因而在未饱和区未饱和区 ，同向泵浦式噪声指数最小，但在，同向泵浦式噪声指数最小，但在饱和区饱和区，情况将发生变化。，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对于不同掺铒光纤长度，同向泵浦方式噪声都最小。 放大器输出功率与NF的关系光纤长度与NF的关系 三种泵浦方式性能差异总结：三种泵浦方式性能差异总结： 2.3 EDFA结构和特性结构和特性-特性特性 2.4 EDFA的重要指标的重要指标-增益增益 EDFA的输出功率含信号功率和噪声功率两部分，噪声功的输出功率含信号功率和噪声功率两部分，噪声功 率记为率

20、记为PASE， ，则 则EDFA的增益为的增益为 10lg out in ASE E G PP dB P out P in P式中，式中，分别是输出光信号和输入光信号功率。分别是输出光信号和输入光信号功率。 EDFA的增益通常为的增益通常为1540dB。大小与铒离子浓度、大小与铒离子浓度、泵浦功率泵浦功率 和和掺铒光纤长度掺铒光纤长度有关。有关。 2.4 EDFA的重要指标的重要指标-增益增益 不同泵浦光功率下，当光不同泵浦光功率下，当光 纤长度较短时，增益增加纤长度较短时，增益增加 很快；而超过某一长度，很快；而超过某一长度， 增益反而下降。增益反而下降。 原因：长度增加，纤中泵原因：长度增

21、加，纤中泵 浦光功率下降，且掺铒光浦光功率下降，且掺铒光 纤损耗远大于普通光纤，纤损耗远大于普通光纤， 从而导致增益下降。从而导致增益下降。 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的重要指标的重要指标-增益增益 不同长度的掺铒光纤，在不同长度的掺铒光纤，在 泵浦功率不受限时，最大泵浦功率不受限时，最大 的光放大器增益的光放大器增益G受限于受限于 光纤长度。光纤长度。 泵浦功率泵浦功率与放大器增益关系与放大器增益关系 从泵浦功率和光纤长度两方面综合考虑，以达到所要求的从泵浦功率

22、和光纤长度两方面综合考虑，以达到所要求的 增益标准。增益标准。 可应用能量守恒原理，可应用能量守恒原理，EDFAEDFA的输入输出功率表示的输入输出功率表示为为 2.4 EDFA , ,s, ,s p s outs inp in s p inin s outp PPP PP P 式中，是输入泵浦功率，是信号输入功率， 是信号输出功率，和 分别为泵浦波长和信号波长。 物理意义：物理意义：EDFAEDFA输出信号能量不能超过注入泵输出信号能量不能超过注入泵 浦能量浦能量。 例题：例题：EDFA做功率放大器，设其增益为做功率放大器，设其增益为20dB，泵浦，泵浦 波长为波长为=980nm，输入光信号

23、的功率为，输入光信号的功率为0dBm，假如，假如 波长为波长为1550nm，求所用的最小泵浦源功率为多少？，求所用的最小泵浦源功率为多少？ 功率放大器增益表达式为：功率放大器增益表达式为： 解：解：入射功率入射功率0dBm，即为，即为1mw。 , , 10lg out in s E s G P dB P 可求出可求出EDFA的输出光信号功率为的输出光信号功率为: mWmWPP E G insouts 10010110 10 20 10 , inS inP S P inS outS E P P P P G , , , , 1 ,得到泵浦输入功率应满足得到泵浦输入功率应满足 由由 mWmWmWPP

24、P inSoutS P S inP 6 .1561100 980 1550 , 2.4 EDFA的重要指标的重要指标-噪声系数噪声系数 3.噪声系数噪声系数 噪声系数噪声系数Fn决定于决定于自发辐射。自发辐射。 实验证实：在实验证实：在EDFA中，可得到接近中，可得到接近3dB的噪声系数，的噪声系数， 这是这是噪声系数的极限噪声系数的极限。 EDFA极低噪声，成为光纤通信中的极低噪声，成为光纤通信中的理想放大器理想放大器，是在，是在 光纤通信系统中广泛应用的一个重要原因。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但即使噪声这样低，当长距离光纤通信系统

25、采用多级 EDFA级联时，噪声影响使级联时，噪声影响使系统长度系统长度也受限。也受限。 () () in out n SNR SNR F 例：若例：若EDFA输入信号为输入信号为300uW，在，在1 nm带宽内的输入噪声带宽内的输入噪声 功率是功率是30 nw，输出信号功率是，输出信号功率是60 mW，在，在1 nm带宽内的输带宽内的输 出噪声功率增大到出噪声功率增大到20uW，计算光放大器的噪声指数。，计算光放大器的噪声指数。 3 3 1010 )(30 )(10300 )(30 )(300 )( nW nW nW W SNR in 3 3 103 )(20 )(1060 )(20 )(60

26、 )( W W W mW SNR out 33. 3 103 1010 3 3 out in n SNR SNR F 解：光放大器的输入信噪比为：解：光放大器的输入信噪比为： ： 光放大器的输出信噪比为：光放大器的输出信噪比为： 噪声指数为：噪声指数为： 2.5 EDFA的系统应用的系统应用 1. EDFA用作前置放大器用作前置放大器 光接收器之前光接收器之前，提高接收机灵敏度可提高，提高接收机灵敏度可提高101020dB20dB。即，。即， 在光信号进入接收机前，得到放大，以抑制接收机内的噪声。在光信号进入接收机前，得到放大，以抑制接收机内的噪声。 小信号放大小信号放大，要求低噪声，但输出饱

27、和功率则不要求很高。，要求低噪声，但输出饱和功率则不要求很高。 2.5 EDFA的系统应用的系统应用 2. EDFA用作功率放大器用作功率放大器 放在放在光发射机之后光发射机之后用来提升输出功率，将通信距离延长用来提升输出功率，将通信距离延长 10-20km。通信距离由通信距离由放大器增益放大器增益及及光纤损耗光纤损耗决定，功率放决定，功率放 大器除了要求大器除了要求低噪声低噪声外，还要求外，还要求高饱和输出功率高饱和输出功率。 2.5 EDFA的系统应用的系统应用 3. EDFA用作线路放大器用作线路放大器 非常适合用在海底光缆，没有电中继器的光非常适合用在海底光缆，没有电中继器的光-电电-

28、光过程。光过程。 用用EDFA可代替半导体光放大器，对线路中的光信号直接进可代替半导体光放大器，对线路中的光信号直接进 行放大，使得全光通信技术得以实现。行放大，使得全光通信技术得以实现。 2.5 EDFA的系统应用的系统应用 4.EDFA用作本地网放大器用作本地网放大器 EDFA+WDM结合可在结合可在宽带本地网宽带本地网，特别在电视分配网中，特别在电视分配网中 得到应用。它补偿由于分路带来的损耗及其他损耗，极大地得到应用。它补偿由于分路带来的损耗及其他损耗，极大地 扩大了网径和用户数量。扩大了网径和用户数量。 40 2.6 EDFA的优点和缺点的优点和缺点 优点：优点： p工作频带工作频带

29、正处于光纤正处于光纤损耗最低处损耗最低处(1525-1565nm)； p能量转换效率高。能量转换效率高。激光工作物质集中在光纤芯子的近轴部激光工作物质集中在光纤芯子的近轴部 分，而信号光和泵浦光也在近轴部分最强，则光与物质作用分，而信号光和泵浦光也在近轴部分最强，则光与物质作用 很充分。很充分。 p频带宽频带宽，可以对多路信号同时放大，可以对多路信号同时放大-波分复用波分复用 p增益高，噪声低，输出功率大。增益高，噪声低，输出功率大。增益达增益达40dB。输出功率。输出功率 在单向泵浦在单向泵浦14dBm，双向泵浦，双向泵浦17dBm-20dBm，充分泵浦，充分泵浦 时，噪声系数可低至时，噪声

30、系数可低至34dB，串话也很小。，串话也很小。 2.6 EDFA的优点和缺点的优点和缺点 优点：优点： p增益特性不敏感增益特性不敏感。对温度不敏感，在。对温度不敏感，在100内增益特性保内增益特性保 持稳定。持稳定。 p可实现信号的透明传输可实现信号的透明传输。在波分复用系统中，同时传输模。在波分复用系统中，同时传输模 拟信号和数字信号，高速率信号和低速率信号。拟信号和数字信号，高速率信号和低速率信号。 缺点：缺点： p波长固定，只能放大波长固定，只能放大1.55m左右的光波。左右的光波。换用不同基质换用不同基质 的光纤时，铒离子能级也只能发生很小的变化，可调节的波的光纤时，铒离子能级也只能

31、发生很小的变化，可调节的波 长有限，只能换用其他元素。长有限，只能换用其他元素。 p增益带宽不平坦。增益带宽不平坦。在在WDM系统中需要采用特殊的手段来系统中需要采用特殊的手段来 进行增益谱补偿。进行增益谱补偿。 内容简介内容简介： 3.3系统应用系统应用 3.1工作原理工作原理 3光纤拉曼放大器光纤拉曼放大器 3.2结构结构 3.4性能指标性能指标 3.5优缺点优缺点 3 光纤拉曼放大器光纤拉曼放大器 p EDFA 光纤的最低损耗区即光纤的最低损耗区即C波段波段(1530-1565nm)， 适当设计用于适当设计用于L波段波段(1565-1625nm)信号的放大。信号的放大。 p光纤拉曼放大器

32、光纤拉曼放大器(Fiber Raman Amplifer，FRA)可以用可以用 于其它波段的放大于其它波段的放大,通过适当改变泵浦激光波长，就可以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达到在任意波段进行宽带光放大。 p拉曼光纤放大器逐渐引起人们的重视，但拉曼光纤放大拉曼光纤放大器逐渐引起人们的重视，但拉曼光纤放大 器距离真正商用化还有一段距离。器距离真正商用化还有一段距离。 pEDFA+拉曼放大器，是目前的通信系统中比较成熟的一拉曼放大器，是目前的通信系统中比较成熟的一 种方式。种方式。 FRA实现放大是基于光纤中的非线性效应：实现放大是基于光纤中的非线性效应：受激拉曼

33、散射受激拉曼散射 （Stimulated Raman Scattering，SRS）。）。 拉曼散射基本原理拉曼散射基本原理：在许多非线性光学介质中，：在许多非线性光学介质中，高能量（高能量（ 波长较短）的泵浦光散射，将一部分入射功率转移给另一波长较短）的泵浦光散射，将一部分入射功率转移给另一 较低频率的光波，这个低频与高频相比的偏移量由介质的较低频率的光波，这个低频与高频相比的偏移量由介质的 振动模式决定。振动模式决定。 RS的原理性结构示意图的原理性结构示意图 拉曼散射与泵浦光功率有关，泵浦光较弱时，产生拉曼散射与泵浦光功率有关，泵浦光较弱时，产生自发拉曼散射自发拉曼散射； 泵浦光超过某个

34、阈值，产生泵浦光超过某个阈值，产生受激拉曼散射受激拉曼散射。大量试验得到石英光纤。大量试验得到石英光纤 的斯托克斯频移的斯托克斯频移(拉曼增益带宽拉曼增益带宽)为为13.2THZ。 自发拉曼散射的强度一般只有入射光强度的百万分之一或亿万自发拉曼散射的强度一般只有入射光强度的百万分之一或亿万 分之一。分之一。 思考题：拉曼放大器与受激辐射的思考题：拉曼放大器与受激辐射的 光放大器工作原理有何不同？光放大器工作原理有何不同？ 2.拉曼放大的信号波长取决于泵浦光子频率和石英分子的振拉曼放大的信号波长取决于泵浦光子频率和石英分子的振 动频率，而受激辐射放大的光波长与泵浦光频率无关。动频率，而受激辐射放

35、大的光波长与泵浦光频率无关。 1.受激辐射的光放大器需要粒子数反转分布，而拉曼放大不受激辐射的光放大器需要粒子数反转分布，而拉曼放大不 需要粒子数反转分布，因为分子不吸收信号光子；需要粒子数反转分布，因为分子不吸收信号光子； 3.2 FRA的结构的结构 p与与EDFA结构基本一致。传输光纤本身作为增益介质。结构基本一致。传输光纤本身作为增益介质。 p可前向、后向泵浦；为减少泵浦光和信号光相互作用的长可前向、后向泵浦；为减少泵浦光和信号光相互作用的长 度，从而减少泵浦噪声对信号影响，多用度，从而减少泵浦噪声对信号影响，多用后向泵浦方式后向泵浦方式。 p多个泵浦激光器扩展放大带宽。多个泵浦激光器扩

36、展放大带宽。 光隔离器光隔离器WDM光隔离器光隔离器 输入信号输入信号 输出信号输出信号 泵浦激光器泵浦激光器 光滤波器光滤波器 FRA基本结构基本结构 3.2 FRA的结构的结构 光隔离器光隔离器WDM光隔离器光隔离器 输入信号输入信号 输出信号输出信号 泵浦激光器泵浦激光器 光滤波器光滤波器 FRA基本结构基本结构 按放大方式分为分立式和分布式：按放大方式分为分立式和分布式： p分布式：沿光纤分布的光信号进行在线放大。分布式：沿光纤分布的光信号进行在线放大。 主要作为传输光纤损耗的分布式补偿放大，主要作为传输光纤损耗的分布式补偿放大，传输的传输的普通光纤普通光纤作增益介作增益介 质，传输距

37、离比较质，传输距离比较长长，可达，可达100km100km左右；左右；泵浦源功率泵浦源功率几百毫瓦；所以几百毫瓦；所以 光纤中各处的信号光功率都比较小，从而可降低各种光纤光纤中各处的信号光功率都比较小，从而可降低各种光纤非线性效应非线性效应 的干扰。的干扰。 p分立式分立式( (集总式集总式) )：集中对光信号进行放大。：集中对光信号进行放大。 主要作为高增益、高功率放大，主要作为高增益、高功率放大，介质通常是介质通常是色散补偿光纤或高非线色散补偿光纤或高非线 性光纤性光纤 ，比较，比较短短，一般，一般10km10km以内；以内；泵浦源功率泵浦源功率几瓦到几十瓦。几瓦到几十瓦。EDFAEDFA

38、 也属于分立式也属于分立式。 1.1.分立分立式拉曼放大器的应用式拉曼放大器的应用 与与EDFA一样集中放大，通常用于一样集中放大，通常用于EDFA无法放大的波段无法放大的波段 3.3 FRA的系统应用的系统应用 分立式拉曼放大器的应用分立式拉曼放大器的应用 DCF-色散补偿型光纤；色散补偿型光纤； C-EDFA-C波段波段EDFA 拉曼泵浦(50W) 3.3 FRA的系统应用的系统应用 2. .分布分布式拉曼放大器（式拉曼放大器（DRA）的应用）的应用 在在WDM系统的每个传输单元中，在输入端系统的每个传输单元中，在输入端 注入反向拉曼泵注入反向拉曼泵 浦，信号将沿光纤实现分布式拉曼放大，可

39、以降低入射功浦，信号将沿光纤实现分布式拉曼放大，可以降低入射功 率并保持一定的信噪比。率并保持一定的信噪比。 DRA具有噪声低、增益带宽与泵浦波长和功率相关特点。具有噪声低、增益带宽与泵浦波长和功率相关特点。 EDFA具有高增益、低成本的特点。具有高增益、低成本的特点。 采用采用DRA+EDFA的典型的典型WDM系统系统 3.4 FRA的性能 1.1.增益增益 与信号光和泵浦光的与信号光和泵浦光的频率差频率差有关有关; ;频差小频差小, ,增益大，增益大， 与泵浦光的与泵浦光的功率功率有关。有关。功率大功率大, ,增益大。增益大。 典型的拉曼放大器增益曲线典型的拉曼放大器增益曲线 3.4 FRA的性能的性能 2.带宽带宽 EDFA的增益带宽只有的增益带宽只有80nm。 FRA使用多个泵浦源，增益带宽可达使用多个泵浦源，增益带宽可达132nm，通，通 过选择泵浦光波长可实现过选择泵浦光波长可实现任意波长的光放大任意波长的光放大。 3.4 FRA的性能的性能 3.噪声指数噪声指数 3.5 FRA的优点和缺点的优点和缺点 (3) 噪声指数低噪声指数低，可提升原系统的信噪比。，可提升原系统的信噪比。 3.5 FRA的优点和缺点的优点和缺点 3.5 FRA的优点