光纤通信中的光放大器课件

1、 第6章 光纤通信中的光放大器本章内容、重点和难点本章内容 光放大器的工作原理、分类及应用。 半导体激光放大器（SOA）：工作原理及其性能。 掺铒光纤放大器（EDFA）：工作原理及其性能。光纤拉曼放大器（FRA）：工作原理及其性能本章重点光放大器的原理与一般特性。掺铒光纤放大器的工作原理与应用本章难点 光放大器的原理。第6章 光纤通信中的光放大器本章内容本章内容光放大器1半导体激光放大器（SOA）2掺铒光纤放大器（EDFA）3光纤拉曼放大器（FRA）4光放大器的应用5再生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；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

2、生中继器，以便保证信号的质量。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。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。其次，传输容量受到一定的限制。光-电-光转换再生中继器结构通信设备复杂，系统的稳定性和可靠性不高，传输容量受到一定的限制。影响：光放大器最重要的意义在于促使波分复用技术 (WDM) 走向实用化、促进了光接入网的实用化历史：以1989年诞生的掺铒光纤放大器 代表的全光放大技术是光纤通信技术上的一次革命动机：解决电中继器设备复杂、维护难、成本高的问题 D

3、avid Payne6.1 光放大器WDM是波分复用系统，是一种可以提高光纤频率带宽利用率的系统 就是以前一根光纤一次只用来传输一个波长的信号，而现在是通过WDM（这里指的是波分复用器）把多个波长（比如40、50个）的信号复用在一起，通过光纤来传输，再在接受端用解复用器把个波长的光分开。 波分复用系统中的光电中继光接收机光发送机滤波、去噪、恢复、整形；宽带宽的光放大器可以对多信道信号同时放大，而不需要进行解复用，光放大器的问世推动了DWDM技术的快速发展。光放大器整形能力较差，在长途干线上需与光电中继器结合使用！采用光放大器的中继方法Optical Amplifiers光放大器的重要性光放大器

4、的出现，可视为光纤通信发展史上的重要里程碑。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。光信号首先由光电二极管转变成电信号。电信号经电路整形放大后再重新驱动一个光源，实现光信号的再生。装置复杂、耗能多、不能同时放大多个波长信道光放大器（O-O）对光信号进行直接放大，多波长放大、低成本、提高可靠性、体积小。光放大器（OA）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拉曼光纤放大器（RFA）布里渊光纤放大器（FBA）光放大器的分类利用稀土掺杂的光纤放大器如：掺铒光纤放大（EDFA）如：掺镨光纤放大器（PDFA）1550nm光纤放大器131

5、0nm光纤放大器几种光放大器的比较放大器类型原理激励方式工作长度噪声特性与光纤耦合与光偏振关系稳定性掺稀土光纤放大器粒子数反转光数米到数十米好容易无好半导体光放大器粒子数反转电100m1mm差很难大差光纤(喇曼)放大器光学非线性(喇曼)效应光数千米好容易大好放大器的类型1. 半导体激光放大器 (SOA) 结构大体上与激光二极管 (Laser Diode, LD) 相同，半导体激光器芯片两端镀上增透膜。 优点：单程增益高，小型化，容易与其他半导体器件集成。 缺点：性能与光偏振方向有关；与光纤的耦合损耗大。放大器的类型2. 掺杂光纤放大器(DFA)利用掺杂离子在泵浦光作用下形成粒子数反转分布，当有

6、入射光信号通过时实现对入射光信号的放大作用。 优点：掺铒与掺镨光纤放大器具有增益高、噪声低、频带宽、输出功率高等优点，具有广泛的应用前景。掺铒光纤放大器EDFA掺杂光纤放大器利用掺入石英光纤的稀土离子作为增益介质，在泵浦光的激发下实现光信号的放大，放大器的特性主要由掺杂元素决定。工作波长为1550nm的铒(Er)掺杂光纤放大器(EDFA)工作波长为1310nm的镨(Pr)掺杂光纤放大器(PDFA)工作波长为1400nm的铥(Tm)掺杂光纤放大器(TDFA)目前，EDFA最为成熟，是光纤通信系统必备器件。光放大器的一般工作原理光放大器与激光器的唯一区别就是光放大器没有正反馈机制(2) 受激辐射(

7、1) 能量注入光放大器的工作原理在泵浦能量作用下实现粒子数反转，然后通过受激辐射实现对入射光信号的放大。光放大器是基于受激辐射或受激散射原理实现入射光信号放大的一种器件，其机制与激光器完全相同。实际上，光放大器在结构上是一个没有反馈或反馈较小的激光器光放大器的主要指标图 光放大器增益分布曲线和相应的放大器增益频谱曲线 增益系数：增益系数与光频率和光强有关！时增益最大。 时增益的减小由洛伦兹（Lorentzian）分布曲线描述 放大器的增益或放大倍数为 在长度为L的放大器中，光信号沿长度逐步被放大，光功率随距离的变化规律: 增益/放大倍数：对于洛伦兹频谱曲线，增益带宽与的关系是： 放大器带宽定义

8、为曲线半最大值的全宽（FWHM），它与增益带宽的关系是：增益饱和 当P 增大至可与 Ps 相比拟时，g()降低，放大系数G()随信号功率增加而降低，这种现象叫增益饱和。 设输入光信号频率位于增益峰值（ ）处，光功率随距离按下述关系变化 利用初始条件： ,对上式在放大器长度限内积分，可得放大器增益为定义放大器增益降至最大信号增益一半时的输出功率为饱和输出功率)放大器噪声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)降低，噪声降低程度用噪声指数来表示 由散粒噪声限制的理想探测器 由自发辐射引入的噪声的谱密度几乎是一个常数（白噪声），可表示为噪声电流

9、的变化可表示为 放大信号的SNR为 例6.2 半导体光放大器SOAR1R2I半导体光放大器示意图SOA也是一种重要的光放大器，其结构类似于普通的半导体激光器。半导体光放大器的放大特性主要决定于激光腔的反射特性与有源层的介质特性。根据光放大器端面反射率和工作偏置条件，将半导体光放大器分为：-法布里珀罗放大器(FPSOA) -行波放大器(TWSOA)多峰值、带宽窄，不适合通信系统应用，只可用于一些信号处理。F-P半导体光放大器入射光从左端面进入，通过具有增益的有源层，到达右端面后，部分从端面反射，然后反向通过有源层至左端面，部分光从左端面出射，其余部分又从端面反射，再次通过有源层，如此反复，使入射

10、光得到放大。没有谐振腔的选择，SOA将同时输出放大的光信号和自发辐射噪声行波光放大器是一个没有反馈的激光器，在两个端面上镀有增透膜，大大降低了端面的反射系数，不会发生内反射。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。行波半导体光放大器行波半导体光放大器TWSOA与FPSOA的区别在于端面的反射率大小， TWSOA具有极低的端面反射率，通常在0.1%以下。降低端面反射方法：倾斜有源区法、窗面结构。TWSOA的增益、增益带宽和噪声特性都可以满足光纤通信的要求，但如下两个缺点限制着它在光纤通信中的实际应用：对光信号偏振态的敏感性；对光信号增益的饱和性。SOA的应用多信道放大中存在问题噪

11、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。SOA ProductSOA特性信号放大特性半导体光放大器的增益 可表示为 与 表示腔体解理面反射率， 为腔体谐振频率； 为纵模间距（也称F-P腔的自由谱宽）。 表示光波只传播一次的单程增益。 （6.10） 当入射光的频率 与F-P腔的一个谐振频率 相等时，增益达到峰值。当入射光的频率 偏离 时增益下降。当 时，可计算出峰值增益与最小增益分别为 （6.11） （6.12）放大器带宽 为了得到大的放大

12、系数， 应该尽量接近1，此时放大器带宽只是F-P谐振腔自由光谱范围的很小一部分(典型值 100GHz)，此时 10GHz。这样小的带宽使F-P放大器不能适用于大部分光波系统。设计30dB放大系数(G=1000)的SLA，解理面的反射率应该满足： 为了得到反射率小于0.1的减反射膜，人们已经做了最大的努力。然而，用常规的方法却很难获得预想的低解理面反射率。为此，已开发出了另外几种技术。 (b)掩埋解理面（窗口解理面）结构(a)角度解理面（倾斜条）结构近似行波（TW）的半导体激光放大器结构反射率10-3反射率10 nm），有双峰结构。 纤芯掺入铝后，增益谱将进一步展宽。 组成EDFA的光器件 掺铒

13、光纤 泵浦激光器(Pump LD) 波分复用耦合器(WDM) 光隔离器(ISO) 光滤波器掺铒光纤放大器的基本结构（前向泵浦）掺铒光纤：当一定的泵浦光注入到掺铒光纤中时，Er3+从低能级被激发到高能级上，由于在高能级上的寿命很短，很快以非辐射跃迁形式到较低能级上，并在该能级和低能级间形成粒子数反转分布。半导体泵浦二极管：为信号放大提供足够的能量，使物质达到粒子数反转。波分复用耦合器：将信号光和泵浦光合路进入掺铒光纤中。光隔离器：使光传输具有单向性，保证稳定工作。光滤波器：滤除光放大器的噪声，提高系统的信噪比。输入信号光隔离器波分复用器泵浦掺铒光纤光隔离器输出信号 掺铒光纤(EDF)和高功率泵浦

14、光源是关键器件，把泵浦光与信号光耦合在一起的波分复用器和置于两端防止光反射的光隔离器也是不可缺少的。 光滤波器掺铒光纤放大器的基本结构 设计高增益掺铒光纤(EDFA)是实现光纤放大器的技术关键， EDFA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。 对泵浦光源的基本要求是大功率和长寿命。波长为1480 nm的InGaAsP多量子阱(MQW)激光器， 输出光功率高达100 mW, 泵浦光转换为信号光效率在6 dB/mW以上波长为980 nm的泵浦光转换效率更高，达10 dB/mW， 而且噪声较低，是未来发展的方向。对波分复用器的基本要求是插入损耗小

15、，熔拉双锥光纤耦合器型和干涉滤波型波分复用器最适用。光隔离器的作用是防止光反射，保证系统稳定工作和减小噪声，对它的基本要求是插入损耗小，反射损耗大。隔离器WDMEDF隔离器泵浦激光器输入信号输入信号前向泵浦 EDFA光放大器基本结构隔离器WDMEDF隔离器输入信号输入信号泵浦激光器泵浦激光器双向泵浦隔离器WDMEDF隔离器输入信号输入信号泵浦激光器后向泵浦好的噪声性能输出信号功率高输出信号功率比单泵浦源高3dB，且放大特性与信号传输方向无关EDFA的放大特性增益特性增益的定义 ： G=10lg(Psout/Psin)(dB)影响增益的因素： 泵浦光功率 掺铒光纤:Er3+浓度、光纤长度 输入光

16、功率 自发辐射噪声（ASE）引起的自饱和现象1.48m泵浦的EDFA放大特性 对给定的放大器长度L，放大器增益先随泵浦功率按指数增长，当泵浦功率超过某一值时，增长变慢了，这是由于EDF中的铒离子数目是有限的，只要泵浦功率达到某一值，就可将大部分的铒离子泵浦到高能级上。 对给定的泵浦功率，放大器增益随EDF长度变化，并存在一最佳长度，使增益最大，超过此长度后，由于泵浦功率的消耗，最佳点后的EDF不能获得足够的泵浦，而且要吸收已放大的信号能量，导致增益很快降低。 0 2 4 6 8 10 40 30 20 10 0 -10 L=5m L=15m L=20m L=10m Pp/mW GA/dB 0

17、10 20 30 40 50 40 30 20 10 0 -10 L/m GA/dB 4 3 2 Pp=1mW 5 002040608020406080转换效率92.6输入泵浦光功率 / mW输出信号光功率/ mW02001030405101520增益系数6.3 dB / mW输入泵浦光功率 / mW增益 / dB泵浦光功率与输出信号光功率关系6泵浦光功率转换为信号光功率的效率很高小信号条件下，泵浦光小于6mW时，增益线性增加。 掺铒光纤放大器增益、 噪声指数和输出光功率与输入信号光功率的关系曲线当输入信号光功率较小时，放大器增益不随输入信号光功率而变化，基本上保持不变。 当信号光功率增加到一

18、定值后，增益开始随信号光功率的增加而下降， 因此出现输出信号光功率达到饱和的现象。条件 ：泵浦光功率一定输入信号EDFA的最大输出功率常用3dB饱和输出功率来表示。EDFA作为纯光中继使用补偿功率损耗。可用作前置放大器、线路放大器和功率提升放大器、后置放大器。应用于WDM系统，同时放大多个信道，降低设备投资费用。相对于电再生器，实现光信号的再生，没有再整形和再定时功能。EDFA在线路中的应用合波器分波器功率放大器前置放大器线路放大器功率放大器主要作用是实现发送功率的推助，通过提高注入光纤的光功率（一般在10dBm以上），来延长传输距离。此时对放大器的噪声特性要求不高，主要要求线性功率放大特性。

19、前置放大器置于中继段的末尾，光接收设备之前。主要作用是对经线路衰减的小信号进行预放大，从而提高光接收机的接收灵敏度。线路放大器置于整个中继段的中间，是将EDFA直接插入到光纤传输链路中对信号进行放大的应用形式。此时要求EDFA的小信号增益高、噪声系数小EDFAPinPoutl l l l l l l l l1234567816.1540-1560nm rangel l l l l l l l l1234567816.1540-1560nm range无整形、再定时功能同时放大多个信道多信道放大中存在的其它问题：增益平坦增益钳制高的输出功率EDFA的级联特性信道间增益竞争，多级级连使用导致:“尖

20、峰效应”增益平坦度 : 增益平坦度定义为多波长信号中增益最大与最小的差值。15441569典型的EDFA增益谱固有的增益不平坦，增益差随级联放大而积累增大各信道的信噪比差别增大各信道的接收灵敏度不同增益平坦增益谱的形状随信号功率而变，在有信道上、下的动态情况下，失衡情况更加严重EDFA增益平坦技术增益曲线不平坦，会造成不同信道放大的差别较大滤波型：在EDFA中内插无源滤波器将1530nm的增益峰降低，或专门设计其透射谱与掺铒光纤增益谱相反的光滤波器将增益谱削平。 采用新型宽谱带掺杂光纤，如掺铒氟化物光纤或高铝含量的铒/铝共掺光纤、铒/铝磷共掺光纤等。其优点是无需制作和引入附加元件，但工艺复杂。

21、 本征型：增益平坦技术波长增益不掺铝掺铒光纤放大器（EDFA）15251565nm掺铒光纤放大器（EDFA）15251565nm掺铝波长增益EDFA对信道的插入、分出或信道无光故障等因素引起的输入光功率的变化（较低速变化）能产生响应-瞬态特性增益钳制瞬态特性使得剩余信道获得过大的增益，并输出过大的功率，而产生非线性，最终导致其传输性能的恶化-需进行自动增益控制对于级联EDFA系统，瞬态响应时间可短至几几十s，要求增益控制系统的响应时间相应为几几十s增益钳制技术电控：监测EDFA的输入光功率，根据其大小调整泵浦功率，从而实现增益钳制，是目前最为成熟的方法。LDPumpInOut泵浦控制均衡放大器

22、（电控）EDFA为什么要用掺铒光纤放大器/优点工作波长正好落在光纤通信最佳波段(15001600 nm)； 其主体是一段光纤(EDF)，与传输光纤的耦合损耗很小， 可达0.1 dB。增益高，约为3040 dB; 饱和输出光功率大， 约为1015 dBm； 噪声指数小， 一般为47 dB； 用于多信道传输时， 隔离度大，无串扰，适用于波分复用系统。频带宽，在1550 nm窗口，频带宽度为2040 nm， 可进行多信道传输，有利于增加传输容量。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分最强，这使得光与物质作用很充分。全光纤结构，耦合效率

23、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。增益特性不敏感。首先是EDFA增益对温度不敏感，在100内增益特性保持稳定，另外，增益也与偏振无关。所需的泵浦功率低(数十毫瓦)对数据率/格式透明，即在波分复用系统中可同时传输模拟信号和数字信号，高速率信号和低速率信号，系统扩容时，可只改动端机而不改动线路，系统升级成本低为什么要用掺铒光纤放大器/优点如果加上1310 nm掺镨光纤放大器(PDFA)，频带可以增加一倍。 所以“波分复用+光纤放大器”被认为是充分利用光纤带宽增加传输容量最有效的方法。 1550 n

24、m EDFA在各种光纤通信系统中得到广泛应用，并取得了良好效果。为什么要用掺铒光纤放大器/优点EDFA也有固有的缺点：(1) 波长固定，只能放大1.55m左右的光波，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，可调节的波长有限，只能换用其他元素；(2) 增益带宽不平坦，在WDM系统中需要采用特殊的手段来进行增益谱补偿。掺铒光纤放大器缺点 中继放大器 （LA：Line Amplifier）在光纤线路上每隔一定的距离设置一个光纤放大器，以延长干线网的传输距离） 前置放大器 （PA：Preamplifier) 置于光接收机的前面，放大非常微弱的光信号，以改善接收灵敏度。作为前置放大器，对噪

25、声要求非常苛刻。 后置放大器 （BA： Booster Amplifier) 置于光接收机的后面，以提高发射机功率。对后置放大器噪声要求不高，而饱和输出光功率是主要参数。掺铒光纤放大器主要应用 光纤放大器的应用形式前置放大器和后置放大器 LDPD后置放大器前置放大器光纤掺铒光纤放大器主要应用LDPD光纤放大器的应用形式中继放大器6.4 光纤拉曼放大器FRA拉曼现象在1928年被发现。90年代早期，EDFA取代它成为焦点，FRA受到冷遇。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。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

26、了坚实的基础。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12701670nm整个波段内提供放大。光纤喇曼放大器 受激喇曼散射（Stimulated Raman Scattering ，SRS）是一种非常重要的非线性过程。在许多非线性介质中，自发喇曼散射将一部分入射功率由一束光转移到频率比其低的另一束光上，频率下移量由介质的振动模式决定，此过程称为喇曼效应。从量子力学角度看，它是入射光子在分子上散射后变成一个低频率的光子，同时分子从一个振动态跃迁到另一个态。入射光称为泵浦光，产生的光称为斯托克斯光。波长喇曼

27、效应光纤喇曼放大器1962年，研究人员观察到用很强的泵浦光产生的SRS，在介质中斯托克斯光迅速增长，以至大部分泵浦能量转移到斯托克斯光上。使用光纤的受激喇曼散射效应，可以实现对微弱光信号的放大，基于光纤SRS效应的光放大器称为光纤喇曼放大器（FRA）。1976年，开始研制光纤喇曼放大器，因为其在光纤通信中具有巨大的应用潜力，在20世纪80年代得到进一步发展。喇曼增益谱在连续或准连续条件下，斯托克斯光的初始增长可由下面的关系式描述 Is - 斯托克斯光强； Ip - 泵浦光强； gR - 喇曼增益系数，它与自发喇曼辐射的截面积有关。 喇曼增益谱用 gR() 表示，其中 =p- s ， 为泵浦波与

28、斯托克斯波的频率差。 gR()是描述SRS的最重要的量。对于光纤来说，一般gR()与光纤芯的组分有关，随掺杂物质的变化而变化。 熔石英的喇曼增益谱 石英光纤的喇曼增益系数的重要特点是，gR有一个很宽的颊率范围(约40THz)，它覆盖的频率范围很宽，而且在13THZ处有一个主峰。这些性质和光纤的非晶性有关。在熔石英等非晶材料中，分子的振动频率展宽成频带，这些频带交叠并产生连续态。因此和大多数介质中在特定频率上产生喇曼增益的情况不同，光纤中的喇曼增益频谱是一个连续的宽带谱，这就是光纤可以用作宽带放大器的原因。 当一束频率为p的连续光波与一束频率为s的信号波在光纤的输入端同时入射，只要频差 =p-

29、s位于增益谱的带宽内，信号波就会由于喇曼增益而被放大。可以利用这一特点实现超宽带分布式光纤喇曼放大器。 如果光纤输入端仅有泵浦波入射，自发喇曼散射产生的信号将起到信号光的作用，并在传输过程中被不断放大。因为自发喇曼散射在整个喇曼增益谱宽内产生光子，所以所有频率分量均被放大，可是对应gR最大处的频率分量建立最快。对纯石英光纤， gR的最大值所对应的频率是由泵浦频率下移13.2THz。已证明当泵浦功率超过某一阈值时，此频率分量近似指数增长。这样，SRS将导致斯托克斯波的产生，其频率由喇曼增益峰决定，对应的频移称为喇曼频移或斯托克斯频移。 光纤拉曼放大器光纤(a)无泵激光的1550nm传输光功率(d

30、B)波长1550nm波长光功率(dB)1550nm1450nm光纤(b)有泵激光的1550nm传输1550nm经光纤传输衰减的光1450nm1550nm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。频率为p和s的泵浦光和信号光通过耦合器输入光纤，当这两束光在光纤中一起传输时，泵浦光的能量通过SRS效应转移给信号光，使信号光得到放大。反向泵浦为主，也可同向泵浦支撑技术: 14nm的大功率泵浦激光器，目前以取得实用化光纤拉曼放大器原理简介Properties of Raman Sca

31、ttering in Fibers特性： 在所有类型光纤中都会发生增益具有偏振依赖性，当泵浦光与信号光偏振方向平行时 增益最大，垂直时增益最小为零 增益谱很宽(125nm)但并不平坦光纤拉曼放大器的泵浦要求高能量输出。消偏输出和偏振混合输出。（拉曼散射增益具有偏振依赖性）泵浦波长至关重要。信号光在1300nm波段时，最佳泵浦波长约在12201240nm，而在1550nm波段时，最佳泵浦波长约在14401460nm左右处。高功率双包层拉曼光纤激光器是最佳的泵浦源。光纤喇曼放大器的特点及应用 光纤喇曼放大器具有很宽的带宽。在DWDM系统中，可以对多个信道同时放大。EDFA在1.55m波段的带宽一般

32、约35nm，而且为了利用全部35nm带宽，需要采用增益平坦技术。对于80或更多信道的DWDM系统，一般需要能在70nm80nm波长范围内提供具有均匀增益的光放大。 已有实验报道，将一个EDFA与两个光纤喇曼放大器（两个光纤喇曼放大器由三个不同波长1471nm，1795nm，1503nm同时泵浦）结合，能在1.53m1.61m范围内提供30dB的均匀增益。光纤喇曼放大器中心波长灵活，只要有合适的泵浦源，可实现任何波段的光放大，任意波长都可以获得增益。 在DWDM传输系统中应用的EDFA被称作集中放大器，在这种放大器中，增益集中在传输线的一点上。喇曼光纤放大器则称为分布式放大器，可以直接利用传输光

33、纤作为增益介质，在沿传输线的很长距离上保持了光信号的功率水平。信号在传输过程中在泵浦光作用下逐渐得到放大，能有效减少光纤非线性和噪声对传输性能的影响。 光纤拉曼放大器特性Advantages:理论上可以得到任意波长的增益，前提是需要合适的泵浦源；分布或分立放大均能实现；使用光纤作为放大介质意味着在线放大的可能，可以减少噪声的积累。Disadvantages:泵浦功率高（500mW）6.4 光纤拉曼放大器EDFA只能工作在15301 564 nm之间的C 波段；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，

34、就可以在任意波长获得信号光的增益光纤拉曼放大器已成功地应用于DWDM系统和无中继海底光缆系统中。DRA工作原理增益介质：系统传输光纤。工作原理：基于非线性光学效应。 如果一个弱信号光与一个强泵浦光同时在一根光纤中传输，并且弱信号光的波长在泵浦光的喇曼增益带宽内，则强泵浦光的能量,通过受激喇曼散射,耦合到光纤硅材料的振荡模中，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，获得喇曼增益。6.4.2 分布式拉曼放大器（DRA）的工作原理和特性与EDFA利用掺铒光纤作为它的增益介质不同，分布式拉曼放大器（DRA）利用系统中的传输光纤作为它的增益介质。 光纤拉曼放大器（FRA）

35、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射，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，剩余的能量以分子振荡的形式（光声子）被介质吸收。 如果一个弱信号光与一个强泵浦光同时在一根光纤中传输，并且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，获得拉曼增益。分布式拉曼放大器的工作原理和特性喇曼放大技术应用分布式喇曼放大器不但能够工作在EDFA常使用到的 C 波段（1530 1565 nm）而且也能工作在波长较短的

36、 S 波段（1350 1450 nm）和较长的 L 波段（1565 1620 nm），完全满足全波光纤对工作窗口的要求。受激拉曼散射 (SRS)本质上与受激光发射(SOA)不同在受激发射中，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；但在SRS中，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）的光子。与SOA电泵浦不同，SRS必须光泵浦，也不要求粒子数反转。事实上，SRS是一种非谐振非线性现象，它不要求粒子数在能级间转移。光纤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光纤进行泵浦，可以采用前向泵浦，也可以采用后向泵浦；因后向泵浦减小了泵浦光和信号

37、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，所以通常采用后向泵浦。小信号光在长光纤内的喇曼增益泵浦功率为200mW时，最大增益值为7.78 dB泵浦功率为100 mW时，最大增益值为3.6 dB。在增益峰值附近的增益带宽约为78THz。 图 测量到的拉曼增益系数频谱 增益带宽可以达到约8 THz，光纤拉曼放大器相当大的带宽使它们在光纤通信应用中具有极大的吸引力。图 小信号光在长光纤内的拉曼增益信号光和泵浦光的频率差为13.2 THz时，拉曼增益达到最大，该频率差对应于信号光比泵浦光的波长要长60100 nm。此外，光信号的拉曼增益还与泵浦光的功率有关 光纤拉曼放大器放大增益和泵浦功率的关系实验使用的光纤拉曼放大器长1.3 km，泵浦光波长1.017m，信号光波长1.064m。放大倍数开始随泵浦光指数增加，但是后来因为增益饱和，开始偏离指数规律。由图可见，1.5 W的泵浦功率可以获得30 dB的增益。拉曼增益和集中噪声指数与波长的关系表示拉曼增益和等效（集中）噪声指数和波长关系的模拟结果，模拟时所用到的参数为：信道数40个，均处于C波段（1 5301 560 nm），每个信道的