第6章 光放大器2013Apr3

1、1 第第3 3章章 光放大器光放大器 l一般概念一般概念 l半导体光放大器半导体光放大器 l掺铒光纤放大器掺铒光纤放大器 l光纤光纤拉拉曼放大器曼放大器 2 再生再生中继器的缺点中继器的缺点 任何光纤通信系统的传输距离都受光纤损耗或色散限制；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。这种再生中继增加一个再生中继器，以便保证信号的质量。这种再生中继 器的基本功能是进行光器的基本功能是进行光-电电-光转换，并在光信号转变为电信光转换，并在光信号

2、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。后再转换回光信号，沿光纤线路继续传输。 这种方式有许多缺点。首先，通信设备复杂，系统的稳定性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，特别是在多信道光纤通信系统中更为突出，和可靠性不高，特别是在多信道光纤通信系统中更为突出， 因为每个信道均需要进行波分解复用，然后光因为每个信道均需要进行波分解复用，然后光-电电-光变换，光变换， 经波分复用后，再送回光纤信道传输，所需设备更复杂，费经波分复用后，再送回光纤信道传输，

3、所需设备更复杂，费 用更昂贵。其次，传输容量受到一定的限制。用更昂贵。其次，传输容量受到一定的限制。 3 WDM光光-电电-光转换再生中继器结构光转换再生中继器结构 缺点缺点: 通信设备复杂，系统的稳定性和可通信设备复杂，系统的稳定性和可 靠性不高，传输容量受到一定的限制。靠性不高，传输容量受到一定的限制。 1 2 N . . . . 光光纤纤 1 2 N 光光 解解 复复 用用 . . . O/EADME/O 光光 复复 用用 1 2 N . . . 1 2 N . . . . 光光纤纤 Amp 4 光放大器光放大器出现出现 多年来，人们一直在探索能否去掉上述光多年来，人们一直在探索能否去掉

4、上述光-电电- 光转换过程，直接在光路上对信号进行放大，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然后再传输，即用一个全光传输中继器代替目 前的这种光前的这种光-电电-光再生中继器。光再生中继器。 半导体光放大器（半导体光放大器（SOA） 掺铒光纤放大器（掺铒光纤放大器（EDFA） 分布光纤拉曼放大器（分布光纤拉曼放大器（DRA） 5 3.1 一般概念 3.1.1 增益和带宽 3.1.2 增益饱和 3.1.3 放大器噪声 3.1.4 光放大器应用 6 3.1 一般概念一般概念 光放大器通过受激发射放大入射光信号，其机光放大器通过受激发射放大入射光信号，其

5、机 理与激光器的相同。光放大器只是一个没有反理与激光器的相同。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时，使粒子数反转获得光增益 。 该增益通常不仅与入射信号的频率（或波长）该增益通常不仅与入射信号的频率（或波长） 有关，而且与放大器内任一点的局部光强有关；有关，而且与放大器内任一点的局部光强有关； 该频率和光强与光增益的关系又取决于放大器该频率和光强与光增益的关系又取决于放大器 介质。介质。 7 行波光放行波光放 大器是一大器是一 个没有反个没有反 馈的激光馈的激光 器。器。 其核心是其核心是 当放大

6、器当放大器 被光或电被光或电 泵浦时，泵浦时， 使粒子数使粒子数 反转获得反转获得 光增益。光增益。 行波半导体光放大器行波半导体光放大器 注注入入电电流流 输输入入 光光信信号号 输输出出光光信信号号 有有源源区区 L z = 0 z = L z z 8 相 对 增 益 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 -4-2024 归一化失谐 G( ) g ( ) 02 T A g 2 2 2 0 0 1T g g 增益系数：增益系数： 0 当入射光频与原子跃迁频率当入射光频与原子跃迁频率 相同时增益最大。相同时增益最大。 增益曲线，洛伦兹（增益曲线，洛伦兹（Lorentzian）分布曲线

7、）分布曲线 增益：增益： ( )exp, exp GgP L g 3.1.1 增益和带宽增益和带宽 9 相 对 增 益 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 -4-2024 归一化失谐 G( ) g ( ) 02 T A g g v 2g 2 T 2 g g 1 2T 对于洛伦兹频谱曲线，增益带宽对于洛伦兹频谱曲线，增益带宽 与与 的关系是：的关系是： A G() g 放大器带宽放大器带宽定义为定义为 曲线半最大值的全宽曲线半最大值的全宽 的关系是：的关系是： 21 0 gA 2ln 2ln G 它与增益带宽它与增益带宽 10 G0为不饱和放大器增益为不饱和放大器增益 归 一 化 放

8、 大 器 增 益 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 归一化输出功率 10010 210 1101 10dB 15dB 30dBG0= PoutPsat/ G0G/ - sat out 0 1 exp GP PG GG 3.1.2 增益饱和增益饱和 11 3.1.3 放大器噪声放大器噪声 与电子放大器类似，用放大器噪声指数与电子放大器类似，用放大器噪声指数Fn来量度来量度SNR 下降的程度，并定义为：下降的程度，并定义为： out in n SNR SNR F 光纤通信（第3版） 原荣 编著12 用光放大器取代光用光放大器取代光-电电-光中继器，作为在线放大器使用。光中继器，作为在

9、线放大器使用。 插在光发射机之后，来增强光发射机功率，作为功率放大器，可增加传输插在光发射机之后，来增强光发射机功率，作为功率放大器，可增加传输 距离（距离（10100）km。 在接收机之前，插入一个光放大器，对微弱光信号进行预放大，提高接收在接收机之前，插入一个光放大器，对微弱光信号进行预放大，提高接收 机灵敏度，这样的放大器称为前置放大器，也可以用来增加传输距离。机灵敏度，这样的放大器称为前置放大器，也可以用来增加传输距离。 补偿局域网（补偿局域网（LAN）的分配损耗。）的分配损耗。 3.1.4 光放大器应用光放大器应用 光发光发 射机射机 EDFA 光接光接 收机收机 EDFA 光纤光纤

10、光纤光纤 (a) 在线放大器在线放大器 在线放大器在线放大器 光发光发 射机射机 光接光接 收机收机 EDFA 光纤光纤 (c) 前置放大器前置放大器 接收机前置放大器接收机前置放大器 光发光发 射机射机 EDFA 光接光接 收机收机 光纤光纤 (b) 功率放大器功率放大器 光发射机功率增强器光发射机功率增强器 光发光发 射机射机 EDFA 光接光接 收机收机 (d) 补偿损耗放大器补偿损耗放大器 光纤总线光纤总线 节点节点 在局域网中用于补偿分配损耗在局域网中用于补偿分配损耗 EDFA 13 3.2 半导体光放大器半导体光放大器 3.2.1 放大器设计放大器设计 3.2.2 放大器特性放大器

11、特性 3.2.3 半导体光放大器的应用半导体光放大器的应用 14 3.2.1 3.2.1 半导体光放大器的设计半导体光放大器的设计 对于半导体光放大器对于半导体光放大器(SOA)的研究，早在的研究，早在 1962年发明半导体激光器不久就已开始年发明半导体激光器不久就已开始 了。了。 然而，只有在上世纪然而，只有在上世纪80年代，在认识到年代，在认识到 它将在光波系统中具有广泛应用前景的它将在光波系统中具有广泛应用前景的 驱使下，才对驱使下，才对SOA进行了广泛的研究和进行了广泛的研究和 开发。开发。 光纤通信（第3版） 原荣 编著15 半导体光放大器外形半导体光放大器外形 16 半导体光放大器

12、的机理半导体光放大器的机理 半导体光放大器的机理与激光器的相同，即通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。过受激发射放大入射光信号。 光放大器只是一个没有反馈的激光器，其核心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，使是当放大器被光或电泵浦时，使粒子数反转粒子数反转获获 得得光增益光增益（P49, P234 3-20） 。 该增益通常不仅与入射信号的频率（或波长）该增益通常不仅与入射信号的频率（或波长） 有关，而且与放大器内任一点的局部光强有关，有关，而且与放大器内任一点的局部光强有关， 该关系取决于放大器介质。该关系取决于放大器介质。

13、光纤通信（第3版） 原荣 编著17 行 波 光行 波 光 放 大 器放 大 器 是 一 个是 一 个 没 有 反没 有 反 馈 的 激馈 的 激 光器。光器。 其 核 心其 核 心 是 当 放是 当 放 大 器 被大 器 被 光 或 电光 或 电 泵浦时，泵浦时， 使 粒 子使 粒 子 数 反 转数 反 转 获 得 光获 得 光 增益。增益。 行波半导体光放大器行波半导体光放大器 注注入入电电流流 输输入入 光光信信号号 输输出出光光信信号号 有有源源区区 L z = 0 z = L z z 18 半导体激半导体激 光器由于光器由于 在介质表在介质表 面存在反面存在反 射，当偏射，当偏 流低于

14、阈流低于阈 值时，减值时，减 小腔体界小腔体界 面反射，面反射， 可使激光可使激光 器变为放器变为放 大器。大器。 注入电流注入电流 输入输入 光信号光信号 输出光信号输出光信号 有源区有源区 L z = z = L z z 反射面反射面R 反射面反射面R 0 F-P SOA的结构和原理的结构和原理 19 F-P谐振腔反射谐振腔反射 率率 R 越大，越大， SOA的增益越的增益越 大。大。 但是，当但是，当 R 超超 过一定值后，过一定值后， 光放大器将变光放大器将变 为激光器。为激光器。 当当 GsR = 1 时，时， F-P SOA将变将变 为无限大，此为无限大，此 时，时， SOA 产生

15、产生 激光发射。激光发射。 频率频率 增益增益 g G FPA R =0.03 R =0.32 R =0 0 G FPA max G FPA min 0 +2 0 -2 0 行波放大器行波放大器 ( ) 2 s s 2 1 1 RG GR max FPA )( G 不同反射率时的不同反射率时的F-P SOA的增益频谱的增益频谱 20 角度面或有源区倾斜结构，反射光束已与前向光束分角度面或有源区倾斜结构，反射光束已与前向光束分 开。开。 在大多数情况下，使用抗反射膜和有源区倾斜，可以在大多数情况下，使用抗反射膜和有源区倾斜，可以 使反射率使反射率 0.1% 减小反射率的方法减小反射率的方法 有源

16、区有源区 光输入光输入光输出光输出 反射反射 21 插入透明窗口。插入透明窗口。 光束在到达半导体和空气界面前，在该窗口区已发散，光束在到达半导体和空气界面前，在该窗口区已发散， 光束经界面反射后进一步发散，只有极小部分光耦合光束经界面反射后进一步发散，只有极小部分光耦合 进薄的有源层。进薄的有源层。 透明区透明区 有源区有源区 光输入光输入 光输出光输出 增透膜增透膜 减小反射率的方法减小反射率的方法 22 3.2.2 半导体光放大器的特性半导体光放大器的特性 增益：芯片增益：芯片 30 35 dB,除除 8 10 dB的的 耦合损耗外，还有耦合损耗外，还有22 25 dB的增益。的增益。

17、带宽很宽，可以对窄至几个带宽很宽，可以对窄至几个 ps 的超的超 窄光脉冲进行放大。窄光脉冲进行放大。 可与光发射机和接收机一起单片集可与光发射机和接收机一起单片集 成在一起成在一起。 23 增益频谱曲线和带宽增益频谱曲线和带宽 (a) 法布里法布里-玻罗放大器玻罗放大器(FPA)和行波放大器和行波放大器(TWA)的带宽的带宽 (b) 行波光放大器的增益与波长的关系行波光放大器的增益与波长的关系 信 号 增 益 波长 0 10 20 30 1.441.461.481.501.521.54 /dB m (TE)横电模 / 频率 增益g G FPA 0 0 G TWA v v vFPA vTWA

18、24 减小偏振态对增益的影响减小偏振态对增益的影响 偏振分光器 放大器 (a)(b)两个放大器并接 TE TM 两个结平面相互垂直的放大器串接 偏振 合光器 TM TE 25 反射镜 法拉第 旋转器 放大器芯片 偏振控制 输出 输入45 (c) 光信号通过同一个放大器两次, 极化旋转了 o 90 ,使总增益与偏振态无关 o 信号通过同一个放大器两次，但是两次间信号通过同一个放大器两次，但是两次间 的极化旋转了，使得总增益与偏振态无关的极化旋转了，使得总增益与偏振态无关 。 26 波长可调激光器波长可调激光器 + 光放大光放大 + 调制器调制器 集成化器件集成化器件 可可调调谐谐光光栅栅 滤滤波

19、波器器 增增益益区区 D DB BR R 调调谐谐 半半导导体体 光光放放大大 探探测测 E EA A 调调制制 抗抗反反射射膜膜 高高 反反 射射 膜膜 后后镜镜面面 前前镜镜面面 I I 27 3.2.3 半导体光放大器的应用半导体光放大器的应用 SOA存在增益受偏振影响、以及耦合损耗较大等缺存在增益受偏振影响、以及耦合损耗较大等缺 点，所以不能作为在线放大器使用。点，所以不能作为在线放大器使用。 SOA可以在可以在1.3 m光纤系统中作为光放大使用，因光纤系统中作为光放大使用，因 为一般的为一般的EDFA不能在该窗口使用。不能在该窗口使用。 SOA芯片具有高达芯片具有高达3035 dB的

20、增益，除输入和输出的增益，除输入和输出 端存在总共端存在总共810 dB的耦合损耗外，还有的耦合损耗外，还有2225 dB 的增益。的增益。 另外行波半导体光放大器具有很宽的带宽，可以对另外行波半导体光放大器具有很宽的带宽，可以对 窄至几个窄至几个ps的超窄光脉冲进行放大。的超窄光脉冲进行放大。 在在DWDM光纤通信中，可作为波长转换和快速交光纤通信中，可作为波长转换和快速交 换器件使用。换器件使用。 28 3.3 掺铒光纤放大器（掺铒光纤放大器（EDFA） 3.3.1 EDFA构成构成 3.3.2 掺铒光纤结构掺铒光纤结构 3.3.3 工作原理及其特性工作原理及其特性 3.3.4 EDFA的

21、优点的优点 29 光纤放大器光纤放大器 增益性介质为：掺有稀土离子的光纤增益性介质为：掺有稀土离子的光纤 光纤放大器的工作频带光纤放大器的工作频带 30 掺铒光纤放大器掺铒光纤放大器 使用铒离子作为增益介质的光纤放大器，称为掺铒光使用铒离子作为增益介质的光纤放大器，称为掺铒光 纤放大器纤放大器(EDFA)。这些离子在光纤制造过程中被掺入。这些离子在光纤制造过程中被掺入 光纤芯中，使用泵浦光直接对光信号放大，提供光增光纤芯中，使用泵浦光直接对光信号放大，提供光增 益。益。 虽然掺杂光纤放大器早在虽然掺杂光纤放大器早在1964年就有研究，但是直到年就有研究，但是直到 1985年才首次研制成功掺铒光

22、纤。年才首次研制成功掺铒光纤。1988年低损耗掺铒年低损耗掺铒 光纤技术已相当成熟，其性能相当优良，已可以提供光纤技术已相当成熟，其性能相当优良，已可以提供 实际使用。实际使用。 放大器的特性，如工作波长、带宽由掺杂剂所决定。放大器的特性，如工作波长、带宽由掺杂剂所决定。 掺铒光纤放大器因为工作波长在靠近光纤损耗最小的掺铒光纤放大器因为工作波长在靠近光纤损耗最小的 1.55 m 波长区，它比其它光放大器更引人注意。波长区，它比其它光放大器更引人注意。 31 3.3.1 EDFA构成构成 输输入入信信号号 泵泵浦浦 光光隔隔离离器器 光光隔隔离离器器 波波分分复复用用器器 掺掺铒铒光光纤纤 输输

23、出出信信号号 熔熔接接 光纤通信（第3版） 原荣 编著32 EDFA各部分作用各部分作用 (1) 掺铒光纤掺铒光纤 光纤放大器的关键部件是具有光纤放大器的关键部件是具有增益增益放大特性的掺铒光纤，因放大特性的掺铒光纤，因 而使掺铒光纤的设计最佳化是主要的技术关键。而使掺铒光纤的设计最佳化是主要的技术关键。EDFA的增的增 益与许多参数有关，如铒离子浓度、掺饵光纤长度、芯径以益与许多参数有关，如铒离子浓度、掺饵光纤长度、芯径以 及泵浦光功率等。及泵浦光功率等。 (2) 泵浦源泵浦源 对泵浦源的基本要求是高功率和长寿命。它是保证光纤放大对泵浦源的基本要求是高功率和长寿命。它是保证光纤放大 器性能的

24、基本因素。几个波长可有效激励掺铒光纤。器性能的基本因素。几个波长可有效激励掺铒光纤。 最先使用最先使用1480nm的的 InGaAs 多量子阱多量子阱(MQW)激光器，其输激光器，其输 出功率可达出功率可达 100 mW，泵浦增益系数较高。，泵浦增益系数较高。 随后采用随后采用980nm 波长泵浦，效率高波长泵浦，效率高, 噪声低，现已广泛使用。噪声低，现已广泛使用。 33 (3) 波分复用器波分复用器 其作用是使泵浦光与信号光进行复合。对它的其作用是使泵浦光与信号光进行复合。对它的 要求是插入损耗低，因而适用的要求是插入损耗低，因而适用的WDM器件有器件有 熔融拉锥形光纤耦合器。熔融拉锥形光

25、纤耦合器。 (4) 光隔离器光隔离器 在输入、输出端插入光隔离器是为了抑制光路在输入、输出端插入光隔离器是为了抑制光路 中的反射，从而使系统工作稳定可靠、降低噪中的反射，从而使系统工作稳定可靠、降低噪 声。对隔离器的基本要求是插入损耗低、反向声。对隔离器的基本要求是插入损耗低、反向 隔离度大。隔离度大。 34 3.3.2 掺铒光纤结构掺铒光纤结构 掺耳光纤结构、折射率分布、光场分布掺耳光纤结构、折射率分布、光场分布 35 3.3.3 EDFA工作工作 原理及其特性原理及其特性 在掺铒离子的能级图中，在掺铒离子的能级图中， E1是基态，是基态， E2 是中间能是中间能 级，级，E3代表激发态。代

26、表激发态。 若泵浦光的光子能量等若泵浦光的光子能量等 于于 E3 与与 E1之差，铒离子之差，铒离子 吸收泵浦光后，从吸收泵浦光后，从E1升升 至至 E3。但是激发态不稳。但是激发态不稳 定，激发到定，激发到E3 的铒离子的铒离子 很快返回到很快返回到 E2。 若信号光的光子能量等若信号光的光子能量等 于于 E2 和和 E1 之差，则当之差，则当 处于处于 E 2的铒离子返回的铒离子返回E1 时则产生信号光子，这时则产生信号光子，这 就是受激发射，结果使就是受激发射，结果使 信号光得到放大。信号光得到放大。 1530nm 980nm 980nm 泵浦光泵浦光 放大后放大后 的信号光的信号光 .

27、 . . 1E 2 E 3E 信号光信号光 1550nm 1550nm 0 能级能级 3 r E 0.80eV 1.27eV 铒离子能级图铒离子能级图 习题习题7-1 36 泵浦光如何将能量转移给信号光？泵浦光如何将能量转移给信号光？ 为了提高放大器的增益，应尽可能使基态铒离子激发到激发为了提高放大器的增益，应尽可能使基态铒离子激发到激发 态能级态能级 E3。 从以上分析可知，能级从以上分析可知，能级 E2 和和 E1 之差必须是需要放大信号光之差必须是需要放大信号光 的光子能量，而泵浦光的光子能量也必须保证使铒离子从基的光子能量，而泵浦光的光子能量也必须保证使铒离子从基 态态 E1 跃迁到激

28、活态跃迁到激活态 E3。 EDFA的增益特性与的增益特性与泵浦方式泵浦方式及其光纤掺杂剂有关。及其光纤掺杂剂有关。 可使用多种不同波长的光来泵浦可使用多种不同波长的光来泵浦 EDFA，但是，但是 0.98 m 和和 1.48 m的半导体激光泵浦最有效。使用这两种波长的光泵的半导体激光泵浦最有效。使用这两种波长的光泵 浦浦 EDFA 时，只用几毫瓦的泵浦功率就可获得高达时，只用几毫瓦的泵浦功率就可获得高达 30 40 dB 的放大器增益。的放大器增益。 37 EDFA三种泵浦方式三种泵浦方式 38 1530nm 980nm 980nm 泵浦光泵浦光 放大后放大后 的信号光的信号光 . . . 1

29、E 2 E 3E 信号光信号光 1550nm 1550nm 0 能级能级 3 r E 0.80eV 1.27eV 铒离子能级图铒离子能级图 ASE 自发辐射自发辐射 光纤通信（第3版） 原荣 编著39 40 习题习题: EDFA增益计算增益计算 铒光纤的输入光功率是铒光纤的输入光功率是 300 W，输出功率是，输出功率是 60mW, EDFA 的增益是多少？假如放大自发辐射噪声功率是的增益是多少？假如放大自发辐射噪声功率是 30 ASE P W，EDFA的增益又是多少：的增益又是多少： 解：解：EDFA 增益是增益是2003001060 3 inout PPG，或，或 dB23)log(10

30、inoutdB PPG。 当考虑放大自发辐射噪声功率时，当考虑放大自发辐射噪声功率时，EDFA 增益为增益为 dB23)log(10 inASEoutdB PPPG。 请注意，以上结果是单个波长光的增益，不是整个请注意，以上结果是单个波长光的增益，不是整个 EDFA带宽内的增益。带宽内的增益。 41 EDFA噪声噪声 42 习题习题 噪声系数噪声系数Fn计算计算 43 注意：注意： 对于给定的放大器长度对于给定的放大器长度L，放大器增益最初随泵浦，放大器增益最初随泵浦 功率按指数函数增加，但是当泵浦功率超过一定功率按指数函数增加，但是当泵浦功率超过一定 值后，增益的增加就减小。值后，增益的增加

31、就减小。 对于给定的泵浦功率，放大器的最大增益对应一对于给定的泵浦功率，放大器的最大增益对应一 个最佳光纤长度，并且当超过这个最佳值后很快个最佳光纤长度，并且当超过这个最佳值后很快 降低，其原因是铒光纤的剩余部分没有被泵浦，降低，其原因是铒光纤的剩余部分没有被泵浦， 反而吸收了已放大的信号。反而吸收了已放大的信号。 选择适当的选择适当的 L 值和值和 PP,，获得所需要的增益。当用，获得所需要的增益。当用 1.48 m 波长的激光泵浦时，如泵浦功率波长的激光泵浦时，如泵浦功率 5mW，放，放 大器长度大器长度 30 m，则可获得，则可获得 35dB 的光增益。的光增益。 44 3.3.4 ED

32、FA的优点的优点 光纤通信（第3版） 原荣 编著45 46 3.4 光纤拉曼放大器光纤拉曼放大器 3.4.1 分布式拉曼放大器的工作原理分布式拉曼放大器的工作原理 3.4.2 拉曼放大技术应用拉曼放大技术应用 47 引言引言 EDFA只能工作在只能工作在15001630 nm之间的之间的C 波段波段 和和L波段。波段。 光纤拉曼放大器可用于全波光纤工作窗口。光纤拉曼放大器可用于全波光纤工作窗口。 因为分布式拉曼放大器的增益频谱只由泵浦波因为分布式拉曼放大器的增益频谱只由泵浦波 长决定，而与掺杂物的能级电平无关，所以只长决定，而与掺杂物的能级电平无关，所以只 要泵浦波长适当，就可以在任意波长获得

33、信号要泵浦波长适当，就可以在任意波长获得信号 光的增益。光的增益。 光纤拉曼放大器已成功地应用于光纤拉曼放大器已成功地应用于DWDM系统系统 和海底光缆系统中。和海底光缆系统中。 48 3.4.1 分布式拉曼放大器分布式拉曼放大器（DRA） 的工作原理和特性的工作原理和特性 与与EDFA利用掺铒光纤作为它的增益介质不同，利用掺铒光纤作为它的增益介质不同， 分布式拉曼放大器（分布式拉曼放大器（DRA）利用系统中的传输）利用系统中的传输 光纤作为它的增益介质。光纤作为它的增益介质。 DRA是基于非线性光学效应的原理，它利用强是基于非线性光学效应的原理，它利用强 泵浦光束通过光纤传输时产生受激拉曼散

34、射，泵浦光束通过光纤传输时产生受激拉曼散射， 一个较高能量（较短波长）的入射泵浦光子产一个较高能量（较短波长）的入射泵浦光子产 生一个较低能量（较长波长）的光子，剩余的生一个较低能量（较长波长）的光子，剩余的 能量以分子振荡的形式（光声子）被介质吸收。能量以分子振荡的形式（光声子）被介质吸收。 49 一个弱信号光与一个强泵浦光同时在一根光纤中传一个弱信号光与一个强泵浦光同时在一根光纤中传 输，输， 弱信号光的波长在泵浦光的拉曼增益带宽内，弱信号光的波长在泵浦光的拉曼增益带宽内， 则强泵浦光的能量通过受激拉曼散射耦合到光纤硅则强泵浦光的能量通过受激拉曼散射耦合到光纤硅 材料的振荡模中，然后又以较

35、长的波长发射，该波材料的振荡模中，然后又以较长的波长发射，该波 长就是信号光的波长，从而使弱信号光得到放大，长就是信号光的波长，从而使弱信号光得到放大， 获得拉曼增益。获得拉曼增益。 振动态 基态 p s 传输光纤 信号光 泵浦光 滤波器 信号光 p s s 耦合器 WDM 光纤通信（第3版） 原荣 编著50 受激拉曼散射受激拉曼散射 (SRS)本质上本质上 与受激光发射与受激光发射(SOA)不同不同 在受激发射中，入射光子激发另一个相同的光在受激发射中，入射光子激发另一个相同的光 子发射而没有损失它自己的能量；子发射而没有损失它自己的能量； 但在但在SRS中，入射泵浦光子放弃了它自己的能中，

36、入射泵浦光子放弃了它自己的能 量，产生了另一个较低能量（较低频率）的光量，产生了另一个较低能量（较低频率）的光 子。子。 与与SOA电泵浦不同，电泵浦不同，SRS必须光泵浦，与必须光泵浦，与 EDFA不同，不同，SRS也不要求粒子数反转。也不要求粒子数反转。SRS 是一种非线性现象，它不要求粒子数在能级间是一种非线性现象，它不要求粒子数在能级间 转移。转移。 51 拉曼放大器的泵浦方式拉曼放大器的泵浦方式 分布式拉曼放大器（分布式拉曼放大器（DRA）采用强泵浦光对传输）采用强泵浦光对传输 光纤进行泵浦，可以采用光纤进行泵浦，可以采用前向泵浦前向泵浦，也可以采用，也可以采用 后向泵浦后向泵浦；

37、因后向泵浦减小了泵浦光和信号光相互作用的长因后向泵浦减小了泵浦光和信号光相互作用的长 度，从而也就减小了泵浦噪声对信号的影响，所度，从而也就减小了泵浦噪声对信号的影响，所 以通常采用后向泵浦。以通常采用后向泵浦。 振动态 基态 p s 传输光纤 信号光 泵浦光 滤波器 信号光 p s s 耦合器 WDM 52 光纤分布式喇曼放大器（光纤分布式喇曼放大器（DRA）构成）构成 -后向泵浦后向泵浦 W WD DM M 传传输输光光纤纤 信信号号光光泵泵浦浦光光 光光复复 用用器器 泵泵浦浦光光 增增益益平平坦坦 滤滤波波器器 入入1 1 入入2 2 53 多波长泵浦多波长泵浦增益带宽增益带宽 增益波

38、长由泵浦光波长决定，选择适当增益波长由泵浦光波长决定，选择适当 的泵浦光波长，可得到任意波长的信号的泵浦光波长，可得到任意波长的信号 放大。放大。 分布式光纤喇曼放大器的增益频谱是每分布式光纤喇曼放大器的增益频谱是每 个波长的泵浦光单独产生的增益频谱叠个波长的泵浦光单独产生的增益频谱叠 加的结果，所以它由泵浦光波长的数量加的结果，所以它由泵浦光波长的数量 和种类决定。和种类决定。 54 3.4.2 喇曼放大技术应用喇曼放大技术应用 分布式喇曼放大器不但能够工作在分布式喇曼放大器不但能够工作在EDFA常使常使 用到的用到的C波段和波段和L波段，而且也能工作在波长波段，而且也能工作在波长 较短的较短的S波段，完全满足全波光纤对工作窗口波段，完全满足全波光纤对工作窗口 的要求。通过选择泵浦光波长，可实现任意波的要求。通过选择泵浦光波长，可实现