光纤通信系统-54-光放大器课件

光的放大何时需要进行放大？

如何放大？电光中继器光放大器光的放大何时需要进行放大？电光中继器光放大器1电光中继器探测器输入光纤接收机电路信号再生发射机驱动电路光源输出光纤光信号电信号光信号O/E/OO/E/OO/E/Ol1…lnl1…lnl1l2…lnWDMWDM电光中继器探测器输入光纤接收机电路信号再生发射机光源输出光纤2工作介质泵浦源输出信号光输入信号光光放大器工作介质泵浦源输出信号光输入信号光光放大器3光纤通信系统-54-光放大器课件4光放大器的分类1.掺稀土元素光纤放大器光放大器的分类1.掺稀土元素光纤放大器52.非线性光纤放大器3.半导体激光放大器2.非线性光纤放大器3.半导体激光放大器6光纤通信系统-54-光放大器课件720世纪80年代末期，波长为1.55μm的掺铒(Er)光纤放大器(EDFA：ErbiumDopedFiberAmplifier)研制成功并投入实用，把光纤通信技术水平推向一个新高度，成为光纤通信发展史上一个重要的里程碑。20世纪80年代末期，波长为1.558掺铒光纤放大器

(EDFA）掺铒光纤放大器

(EDFA）9工作原理重要指标（特性）结构应用工作原理10EDF在石英光纤或氟化物光纤中适量掺入三价的铒（Er）金属元素，就形成EDFA的工作介质—掺铒光纤EDFEDF在石英光纤或氟化物光纤中适量掺入三价的铒（Er）金属元11铒离子的能带结构450nm490nm520nm530nm600nm800nm980nm1480nm1530nm激发态亚稳态基态激发态铒离子的能带结构450nm490nm520nm530nm6012为了详细说明EDFA的放大原理，下图给出了Er3+离子与光放大作用有关的能级结构。铒离子能带图

为了详细说明EDFA的放大原理，下图给出了13在掺铒光纤中注入足够强的泵浦光当信号光通过掺铒光纤时（1）泵浦波长、频带的选择(1480nm,980nm)（2）EDFA的放大效应具有一定波长范围，其典型值为1530~1570nm。

铒离子能带图

在掺铒光纤中注入足够强的泵浦光铒离子能带图14工作介质泵浦源输出信号光输入信号光？与半导体激光器进行比较工作介质泵浦源输出信号光输入信号光？与半导体激光器进行比较15

自发辐射光子的噪声Er3+离子处于亚稳态时，除了发生受激辐射和受激吸收以外，还要产生自发辐射，即Er3+离子在亚稳态上短暂停留还没有机会与光子相互作用，就会自发地从亚稳态跃迁到基态并发射出1550nm波段的光子，这种光子与信号光不同，它构成EDFA的噪声。由于自发辐射光子在掺铒光纤中传输时也会得到放大，因此在EDFA的输入光功率较低时，会产生较大的噪声。

自发辐射光子的噪声Er3+离子处于亚稳态时，除了发16掺铒光纤放大器的特性增益特性带宽（增益谱）噪声特性掺铒光纤放大器的特性增益特性17增益GG=10lg(Pout/Pin)增益GG=10lg(Pout/Pin)18EDFA的增益饱和特性曲线EDFA的增益饱和特性曲线19输入功率小时，光放大器的增益为一常数Gs(Gs称为小信号增益)，随着输入光功率的增加光放大器的增益反而减小，称为光放大器的增益饱和现象。增益(Gs-3dB)称为3dB饱和增益。光放大器的最大输出功率常用3dB饱和输出功率Psat来表示。定义为3dB饱和增益所对应的输出信号光功率。

输入功率小时，光放大器的增益为一常数Gs(Gs称为小信号增益20最佳光纤长度G(dB)L(m)010203040Pp=1mw2mw3mw4mw光放大器的增益G与泵浦情况及EDF的长度有关：最佳光纤长度G(dB)L(m)010203040Pp=1mw21EDFA的带宽

有效放大的光信号的频谱范围。Dl或(Dn)商用EDFA的Dl为2~40nmEDFA的带宽有效放大的光信号的频谱范围。Dl或(Dn)22噪声指数

光放大器的噪声指数NF定义为输入信噪比(S/N)in和输出信噪比(S/N)out的商的分贝数EDFA噪声的来源？（ASE噪声）EDFA的NF较小，已接近量子极限3dB

噪声指数光放大器的噪声指数NF定义为输入信噪比(S/N)i23EDFA的结构前向泵浦后向泵浦EDFA的结构前向泵浦后向泵浦24双向泵浦

双向泵浦25三种泵浦方式的放大器的比较

三种泵浦方式的放大器的比较26怎样使用EDFA

EDFA在功能应用上可以分为作远距离传输的线路放大器、用作光反射机输出的功率放大器和用作光接收机前端的前置放大器。如图所示。

怎样使用EDFA27（1）线路放大器掺铒光纤放大器作为线路放大器有许多特殊功能是电子线路放大器不可比拟的：1、中继距离长。采用“光-电-光”的中继方式一般只能传输70-80公里就要加一级中继。而光放大器作中继可超过150公里，这种特性为在条件恶劣不宜加中继的地带的通讯带来极大的方便。2、它可用作数字、模拟以及相干光通信的线路放大器，即如果采用EDFA作为线路放大器，不管传输数字信号还是模拟信号，都不必改变EDFA设备。

（1）线路放大器掺铒光纤放大器作为线路283、EDFA作为线路放大器，可在不改变原有噪声特性和误码率的前提下直接放大数字、模拟或二者混合的数据格式。特别适合光纤传输网络升级，实现语言、图象、数据同网传输时，不必改变EDFA线路设备。4、一个EDFA可同时传输若干个波长的光信号，即用光波复用扩容时，不必改变EDFA的线路设备。

5、EDFA用作线路放大器，不必经过光电转换可以直接对光信号放大，结构简单可靠。3、EDFA作为线路放大器，可在不改变原有噪声特性和误码率的29（2）前置放大器把EDFA置于光接收机PIN管光检测器的前面，来自光纤的信号经EDFA放大后再由PIN管检测。强大的光信号使电子放大器的噪声可以忽略，最根本的原因是由于EDFA的信噪比优于电子放大器。所以，用EDFA作预放的光接收机具有较好的灵敏度。

（2）前置放大器把EDFA置于光接收机PIN管光检30（3）功率放大器把EDFA置于光发射机半导体激光器之后，光信号经EDFA放大后进入光纤线路，从而使光纤传输的无中继距离增大，可达200公里以上。在CATV网络应用中，它能更有效地保证点对多点对的所谓星形结构的光功率分配。在高速Gbit/s系统中，半导体激光器直接调制会发出“啁啁”声，如果采用EDFA对输出功率进行放大后再输入到光纤线路则能获得良好的效果。EDFA的应用领域非常的广泛，它不仅在现在的通讯、CATV、数据传输方面得到广泛的应用。而且在未来的各种通信制式中如相光通信、光孤子通信、全光通信等当中都将有突出的作用。（3）功率放大器把EDFA置于光发射机半导体激光器之后，31EDFA的优点

可用做数字和模拟系统的中继器可传输不同的码速，在系统增容时，EDFA线路设备可不必改变增益频谱宽，可同时放大多信道中的光信号，适用于波分复用通信（波长透明、速率透明和调制方式透明）结构紧凑，可靠性高，价格低廉EDFA的优点可用做数字和模拟系统的中继器32EDFA的缺点波长固定增益带宽不平坦EDFA的缺点波长固定33用于WDM的光纤放大器

WDM系统中使用的光纤放大器应具有: 低噪声系数 高输出功率

足够的带宽 平坦的增益动态特性：不同波长信道的增益随输入信号光功率变化而产生的动态变化

用于WDM的光纤放大器WDM系统中使用的光纤放大器应具有:34光纤通信系统-54-光放大器课件35光纤通信系统-54-光放大器课件36由于掺铒光纤的增益谱形所限，其不同的波长的增益亦不相同。在DWDM系统中，各信道增益的差别造成增益的不平坦性。当EDFA在系统级联使用时，由于此不平坦性的积累，会使增益较低信道的光信噪比迅速恶化，从而影响系统性能。增益锁定是指EDFA在一定的输入光变化范围内提供恒定的增益，这样当一个信道的光功率发生变化时，其他信道的光功率不会受其影响。

在DWDM系统中的EDFA还要考虑增益平坦和增益锁定的问题。由于掺铒光纤的增益谱形所限，其不同的波长的增益亦不相同。在D37用于WDM的光纤放大器的改进

选用EDFA的平坦区域采用增益均衡和增益斜率补偿技术：连接一段掺钐光纤利用光滤波器抑制EDFA增益不平坦：采用与增益谱相反的滤波谱特性的光滤波器来抑制增益不平坦采用掺铝EDFA采用掺铒氟化物玻璃光纤用于WDM的光纤放大器的改进选用EDFA的平坦区域38掺铒光纤放大器的监控技术

监控系统必须具备监测和控制两大功能。监测主要完成与系统性能有关的参量，包括输入输出信号光功率，泵浦电流、EDFA环境温度等的测量控制功能主要是完成备用器件的切换（如：备用EDFA模块的切换及其他备用电设备的切换等）。掺铒光纤放大器的监控技术监控系统必须具备监测和控制两大功能39告警项目分严重故障告警、一般故障告警和告警显示：无输入信号（严重故障告警）；无输出信号（严重故障告警）；EDFA输出功率超出规定范围（一般故障）；温度超出范围或失去控制---泵浦激光器故障（严重故障告警）泵浦激光器电流超出规定范围（一般故障）；告警处理单元的微处理器故障（一般故障）；光保护的插入/清除（告警显示）；通过监控信道传输FERF（告警显示）；

告警项目分严重故障告警、一般故障告警和告警显示：40基于泵浦源调制的监控技术

EDFA增益调制法：（低速时）利用监控信号对泵浦光进行调制，通过调制光放大器的增益将监控信号叠加在主信号上传输至接收端泵浦源调制+WDM法：（高速时）利用100kHz以上的调制光放大器的增益不敏感性，即泵浦光的调制对主信号传输不产生明显影响的特点，在泵浦源调制后。利用WDM技术使加有小信号调制的泵浦光和信号光同时在光纤中传输。

基于泵浦源调制的监控技术EDFA增益调制法：（低速时）利41监视和告警电路泵浦监视和控制电路泵浦LDPD探测器泵浦LD输入隔离器输入WDM输出耦合器输出隔离器输出WDM掺铒光纤热沉光输入＋5V0V－5V电源监视激光器驱动输入光输出图7.3(b)实用光纤放大器外形图及其构成方框图监视和告警电路泵浦监视和控制电路泵浦LDPD探测器泵浦LD输42光纤拉曼放大器光纤拉曼放大器43光纤拉曼放大器受激拉曼散射（SRS）是光纤中的一种非线性现象，它将一小部分入射光功率转移到频率比其低的斯托克斯波上；如果一个弱信号与一强泵浦光波同时在光纤中传输，并使弱信号波长置于泵浦光的拉曼增益带宽内，弱信号光即可以得到放大，这种基于受激拉曼散射机制的光放大器即称为光纤拉曼放大器（FRA）。光纤拉曼放大器受激拉曼散射（SRS）是光44增益增益45RA的结构RA的结构46光纤拉曼放大器的优点（1）增益介质为普通传输光纤，与光纤系统具有良好的兼容性；（2）增益波长由泵浦光波长决定，不受其它因素的限制，理论上只要泵浦源的波长适当，就可以放大任意波长的信号光；（3）增益高、串扰小、噪声指数低、频谱范围宽、温度稳定性好。可放大EDFA不能放大的波段，可在1292~1660nm范围内进行光放大，获得比EDFA宽得多的增益带宽；是EDFA的补充，而不是代替，两者结合起来可获得大于100nm增益平坦宽带光纤拉曼放大器的优点（1）增益介质为普通传输光纤，与光纤系统47精品课件！精品课件！48精品课件！精品课件！49缺点需要特大功率的泵浦激光器：几百mW到几十W对信号的偏振态有要求缺点需要特大功率的泵浦激光器：几百mW到几十W50光的放大何时需要进行放大？

如何放大？电光中继器光放大器光的放大何时需要进行放大？电光中继器光放大器51电光中继器探测器输入光纤接收机电路信号再生发射机驱动电路光源输出光纤光信号电信号光信号O/E/OO/E/OO/E/Ol1…lnl1…lnl1l2…lnWDMWDM电光中继器探测器输入光纤接收机电路信号再生发射机光源输出光纤52工作介质泵浦源输出信号光输入信号光光放大器工作介质泵浦源输出信号光输入信号光光放大器53光纤通信系统-54-光放大器课件54光放大器的分类1.掺稀土元素光纤放大器光放大器的分类1.掺稀土元素光纤放大器552.非线性光纤放大器3.半导体激光放大器2.非线性光纤放大器3.半导体激光放大器56光纤通信系统-54-光放大器课件5720世纪80年代末期，波长为1.55μm的掺铒(Er)光纤放大器(EDFA：ErbiumDopedFiberAmplifier)研制成功并投入实用，把光纤通信技术水平推向一个新高度，成为光纤通信发展史上一个重要的里程碑。20世纪80年代末期，波长为1.5558掺铒光纤放大器

(EDFA）掺铒光纤放大器

(EDFA）59工作原理重要指标（特性）结构应用工作原理60EDF在石英光纤或氟化物光纤中适量掺入三价的铒（Er）金属元素，就形成EDFA的工作介质—掺铒光纤EDFEDF在石英光纤或氟化物光纤中适量掺入三价的铒（Er）金属元61铒离子的能带结构450nm490nm520nm530nm600nm800nm980nm1480nm1530nm激发态亚稳态基态激发态铒离子的能带结构450nm490nm520nm530nm6062为了详细说明EDFA的放大原理，下图给出了Er3+离子与光放大作用有关的能级结构。铒离子能带图

为了详细说明EDFA的放大原理，下图给出了63在掺铒光纤中注入足够强的泵浦光当信号光通过掺铒光纤时（1）泵浦波长、频带的选择(1480nm,980nm)（2）EDFA的放大效应具有一定波长范围，其典型值为1530~1570nm。

铒离子能带图

在掺铒光纤中注入足够强的泵浦光铒离子能带图64工作介质泵浦源输出信号光输入信号光？与半导体激光器进行比较工作介质泵浦源输出信号光输入信号光？与半导体激光器进行比较65

自发辐射光子的噪声Er3+离子处于亚稳态时，除了发生受激辐射和受激吸收以外，还要产生自发辐射，即Er3+离子在亚稳态上短暂停留还没有机会与光子相互作用，就会自发地从亚稳态跃迁到基态并发射出1550nm波段的光子，这种光子与信号光不同，它构成EDFA的噪声。由于自发辐射光子在掺铒光纤中传输时也会得到放大，因此在EDFA的输入光功率较低时，会产生较大的噪声。

自发辐射光子的噪声Er3+离子处于亚稳态时，除了发66掺铒光纤放大器的特性增益特性带宽（增益谱）噪声特性掺铒光纤放大器的特性增益特性67增益GG=10lg(Pout/Pin)增益GG=10lg(Pout/Pin)68EDFA的增益饱和特性曲线EDFA的增益饱和特性曲线69输入功率小时，光放大器的增益为一常数Gs(Gs称为小信号增益)，随着输入光功率的增加光放大器的增益反而减小，称为光放大器的增益饱和现象。增益(Gs-3dB)称为3dB饱和增益。光放大器的最大输出功率常用3dB饱和输出功率Psat来表示。定义为3dB饱和增益所对应的输出信号光功率。

输入功率小时，光放大器的增益为一常数Gs(Gs称为小信号增益70最佳光纤长度G(dB)L(m)010203040Pp=1mw2mw3mw4mw光放大器的增益G与泵浦情况及EDF的长度有关：最佳光纤长度G(dB)L(m)010203040Pp=1mw71EDFA的带宽

有效放大的光信号的频谱范围。Dl或(Dn)商用EDFA的Dl为2~40nmEDFA的带宽有效放大的光信号的频谱范围。Dl或(Dn)72噪声指数

光放大器的噪声指数NF定义为输入信噪比(S/N)in和输出信噪比(S/N)out的商的分贝数EDFA噪声的来源？（ASE噪声）EDFA的NF较小，已接近量子极限3dB

噪声指数光放大器的噪声指数NF定义为输入信噪比(S/N)i73EDFA的结构前向泵浦后向泵浦EDFA的结构前向泵浦后向泵浦74双向泵浦

双向泵浦75三种泵浦方式的放大器的比较

三种泵浦方式的放大器的比较76怎样使用EDFA

EDFA在功能应用上可以分为作远距离传输的线路放大器、用作光反射机输出的功率放大器和用作光接收机前端的前置放大器。如图所示。

怎样使用EDFA77（1）线路放大器掺铒光纤放大器作为线路放大器有许多特殊功能是电子线路放大器不可比拟的：1、中继距离长。采用“光-电-光”的中继方式一般只能传输70-80公里就要加一级中继。而光放大器作中继可超过150公里，这种特性为在条件恶劣不宜加中继的地带的通讯带来极大的方便。2、它可用作数字、模拟以及相干光通信的线路放大器，即如果采用EDFA作为线路放大器，不管传输数字信号还是模拟信号，都不必改变EDFA设备。

（1）线路放大器掺铒光纤放大器作为线路783、EDFA作为线路放大器，可在不改变原有噪声特性和误码率的前提下直接放大数字、模拟或二者混合的数据格式。特别适合光纤传输网络升级，实现语言、图象、数据同网传输时，不必改变EDFA线路设备。4、一个EDFA可同时传输若干个波长的光信号，即用光波复用扩容时，不必改变EDFA的线路设备。

5、EDFA用作线路放大器，不必经过光电转换可以直接对光信号放大，结构简单可靠。3、EDFA作为线路放大器，可在不改变原有噪声特性和误码率的79（2）前置放大器把EDFA置于光接收机PIN管光检测器的前面，来自光纤的信号经EDFA放大后再由PIN管检测。强大的光信号使电子放大器的噪声可以忽略，最根本的原因是由于EDFA的信噪比优于电子放大器。所以，用EDFA作预放的光接收机具有较好的灵敏度。

（2）前置放大器把EDFA置于光接收机PIN管光检80（3）功率放大器把EDFA置于光发射机半导体激光器之后，光信号经EDFA放大后进入光纤线路，从而使光纤传输的无中继距离增大，可达200公里以上。在CATV网络应用中，它能更有效地保证点对多点对的所谓星形结构的光功率分配。在高速Gbit/s系统中，半导体激光器直接调制会发出“啁啁”声，如果采用EDFA对输出功率进行放大后再输入到光纤线路则能获得良好的效果。EDFA的应用领域非常的广泛，它不仅在现在的通讯、CATV、数据传输方面得到广泛的应用。而且在未来的各种通信制式中如相光通信、光孤子通信、全光通信等当中都将有突出的作用。（3）功率放大器把EDFA置于光发射机半导体激光器之后，81EDFA的优点

可用做数字和模拟系统的中继器可传输不同的码速，在系统增容时，EDFA线路设备可不必改变增益频谱宽，可同时放大多信道中的光信号，适用于波分复用通信（波长透明、速率透明和调制方式透明）结构紧凑，可靠性高，价格低廉EDFA的优点可用做数字和模拟系统的中继器82EDFA的缺点波长固定增益带宽不平坦EDFA的缺点波长固定83用于WDM的光纤放大器

WDM系统中使用的光纤放大器应具有: 低噪声系数 高输出功率

足够的带宽 平坦的增益动态特性：不同波长信道的增益随输入信号光功率变化而产生的动态变化

用于WDM的光纤放大器WDM系统中使用的光纤放大器应具有:84光纤通信系统-54-光放大器课件85光纤通信系统-54-光放大器课件86由于掺铒光纤的增益谱形所限，其不同的波长的增益亦不相同。在DWDM系统中，各信道增益的差别造成增益的不平坦性。当EDFA在系统级联使用时，由于此不平坦性的积累，会使增益较低信道的光信噪比迅速恶化，从而影响系统性能。增益锁定是指EDFA在一定的输入光变化范围内提供恒定的增益，这样当一个信道的光功率发生变化时，其他信道的光功率不会受其影响。

在DWDM系统中的EDFA还要考虑增益平坦和增益锁定的问题。由于掺铒光纤的增益谱形所限，其不同的波长的增益亦不相同。在D87用于WDM的光纤放大器的改进

选用EDFA的平坦区域采用增益均衡和增益斜率补偿技术：连接一段掺钐光纤利用光滤波器抑制EDFA增益不平坦：采用与增益谱相反的滤波谱特性的光滤波器来抑制增益不平坦采用掺铝EDFA采用掺铒氟化物玻璃光纤用于WDM的光纤放大器的改进选用EDFA的平坦区域88掺铒光纤放大器的监控技术

监控系统必须具备监测和控制两大功能。监测主要完成与系统性能有关的参量，包括输入输出信号光功率，泵浦电流、EDFA环境温度等的测量控制功能主要是完成备用器件的切换（如：备用EDFA模块的切换及其他备用电设备的切换等）。掺铒光纤放大器的监控技术监控系统必须具备监测和控制两大功能89告警项目分严重故障告警、一般故障告警和告警显示：无输入信号（严重故障告警）；无输出信号（严重故障告警）；EDFA输出功率超出规定范围（一般故障）；温度超出范围或失去控制---泵浦激光器故障（严重故障告警）泵浦激光器电流超出规定范围（一般故