第10章 光放大器1

第十章光放大器

王立湖南文理学院电气工程系

光放大器的重要性影响：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

(ErbiumDopedFiberAmplifier,EDFA)

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

DavidPayne光放大器的类型及其特点(1)半导体放大器：易与其他半导体器件集成，但性能与光偏振方向有关，器件与光纤的耦合损耗大。结构大体上与激光二极管(LaserDiode,LD)相同

（2）光纤喇曼放大器（FAR）它是利用石英光纤的非线性效应而制成。在合适波长的强光作用下，石英光纤会出现受激喇曼散射（SRS）效应，当光信号沿着这受激发的一段光纤中传输时，可以使其实现光放大。FRA具有频带宽、增益高、输出功率大、响应快等优点；其缺点是需要大功率的半导体激光器作泵浦源（约数瓦）。

铒（Er）是一种稀土元素。将它注入到纤芯中，即形成了一种特殊光纤，它在泵浦光的作用下可直接对某一波长的光信号进行放大。

EDFA的主要优点有：

①工作波长处在1530～1565nm范围，与光纤最小损耗窗口一致；

②对掺铒光纤进行激励的泵浦功率低，仅需几十毫瓦；

③连接损耗低，耦合效率高。因为它是光纤型放大器，因此易于与光纤耦合连接，且连接损耗可低至0.1dB。

④增益高且特性稳定、噪声低、输出功率大。增益可达40dB，且在100℃内增益特性保持稳定，也与偏振无关。噪声系数可低至3～4dB，输出功率可达14～40dBm；

⑤对各种类型、速率与格式的信号传输透明。

（3）掺铒光纤放大器（EDFA）EDFA的缺点有：①波长固定，只能放大1550nm左右的光波，可调节的波长有限；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。光放大器的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(1)能量注入掺铒光纤放大器工作原理结构功率转换效率及增益放大器噪声系统的应用

掺铒光纤放大器的工作原理1.

掺铒光纤放大器（EDFA）的基本结构掺铒光纤放大器主要由掺铒光纤（EDF）、泵浦光源、光耦合器、光隔离器以及光滤波器等组成。如图所示。

光隔离器光耦合器光隔离器光滤波器泵浦光源掺铒光纤输入光信号输出光信号

掺铒光纤放大器结构示意图光隔离器是防止反射光影响光放大器稳定工作，保证光信号只能正向传输的器件。光滤波器的作用是滤除光放大器的噪声、降低噪声对系统的影响,提高系统的信噪比.光耦合器是将输入光信号和泵浦光源输出的光波混合起来的无源光器件，一般采用波分复用器。掺铒光纤是一段长度大约为10～100m的石英光纤，将稀土元素铒离子注入到纤芯中，浓度约为25㎎/㎏。泵浦光源为半导体激光器，输出的光功率为10～100mW，工作波长约为980nm或1480nm。按照泵浦光源的泵浦方式不同，EDFA又可有三种不同的结构方式:（1）同向泵浦结构在同向泵浦方案中，泵浦光与信号光从同一端注入掺铒光纤。其优点是构成简单，噪声指数较小;缺点是输出较低。（2）反向泵浦结构在反向泵浦方案中，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，如图所示。

光隔离器光耦合器光隔离器光滤波器泵浦光源掺铒光纤输入光信号输出光信号图

反向泵浦式掺铒光纤放大器结构（3）双向泵浦结构在双向泵浦方案中，有两个泵浦光源，其中一个泵浦光与信号光以同一方向注入掺铒光纤，另一个泵浦光从相反方向注入掺铒光纤。这种方式结合了同向泵浦和反向泵浦的优点，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，输出功率最大.如图所示。

光隔离器输入光信号掺铒光纤光耦合器光隔离器光滤波器泵浦光源输出光信号光耦合器泵浦光源

双向泵浦式掺铒光纤放大器结构泵浦光功率Fn反向泵浦双向泵浦输出光功率同向泵浦输出光功率掺铒光纤长度双向泵浦反向泵浦同向泵浦Fn反向泵浦同向泵浦双向泵浦(a)转换效率的比较

(b)噪声系数与放大器输出功率的关系

(c)噪声系数与掺铒光纤长度之间的关系不同泵浦方式下输出功率及噪声特性比较2.

掺铒光纤放大器的工作原理掺铒光纤放大器的工作原理与半导体激光器的工作原理相同，它之所以能放大光信号，简单地说，是在泵浦源的作用下，在掺铒光纤中出现了粒子数反转分布，产生了受激辐射，从而使光信号得到放大。由于EDFA具有细长的纤形结构,使得有源区的能量密度很高,光和物质的作用区很长,这样可以降低对泵浦源功率的要求。掺铒光纤放大器的工作原理

EDFA：EribiumDopedOptical-FiberAmplifier

在掺铒光纤（EDF）中，铒离子有三个能级：基态E1、亚稳态E2和激发态E3。当泵浦光的光子能级等于E3和E1的能量差时，铒离子吸收泵浦光的光能从基态跃迁到激发态，但激发态不稳定，电子很快返回到E2，若输入的信号光的光子能量等于E2和E1之间能量差，则电子从E2跃迁到E1，产生受激辐射光，故光信号被放大。

在掺铒光纤中如何形成离子数翻转

EDFA模块元件40/32/16通道DWDM用C-BandEDFA实物图980nm泵浦激光器组件

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掺铒光纤放大器的特性1)．

功率增益功率增益反映掺铒光纤放大器的放大能力，定义为输出信号光功率Pout与输入信号光功率Pin之比，一般以分贝（dB）来表示。

EDFA的功率转换效率输出能量不超过原有信号能量与注入的泵浦能量之和功率转换效率极限情况下泵浦光都用于放大信号光，那么此时：EDFA的输入、输出功率可以用能量守恒原则表示：EDFA的增益：随输入功率的变化假设没有自发辐射，由能量守恒原则有：当输入功率非常大时，即Ps,in

>>(lp/ls)Pp,in

，放大器增益是1，即对信号无放大↑↓EDFA的增益：随增益介质长度变化当泵浦光足够强时，长为L的EDFA最大增益为：其中r为稀土元素的浓度，se是信号发射截面0L吸收区增益降低同向泵浦2)．

噪声特性掺铒光纤放大器的噪声主要来自它的自发辐射。在激光器中，自发辐射是产生激光振荡所不可缺少的，而在放大器中它却成了有害噪声的来源。

它与被放大的信号在光纤中一起传播、放大、在检测器中检测时便得到下列几种形式的噪声：①自发辐射的散弹噪声；②自发辐射的不同频率光波间的差拍噪声；③信号光与自发辐射光间的差拍噪声；④信号光的散弹噪声。由于本身产生的噪声，使放大后信号的信噪比下降，造成对传输距离的限制，因而是放大器的一项重要指标。衡量掺铒光纤放大器噪声特性可用噪声系数F来表示，它定义为放大器的输入信噪比与输出信噪比之比。

(SNR)in和(SNR)out分别代表输入和输出信噪比，一般噪声系数越小越好。光放大器的基本应用和类型在线光放大：用于不需要光再生只需要简单放大的场合前置光放大：用于提高接收机的灵敏度功率放大：增加发送功率，从而增加光纤中继距离、补偿插入损耗和功率分配损耗(如PON中)系统应用：EDFA的应用功率放大器直接放在光发射机后面，输入一般在-8dBm左右，输出功率根据系统需求而定例：考虑一个用作功放的EDFA，增益为10dB，假设从发射机获得的输入为0dBm，泵浦波长为980nm，那么为了在1540nm处获得10dBm的输出，泵浦功率至少应为：在线放大器在线放大器主要用在长距离传输系统中周期性地恢复因光纤损耗而减弱的光功率。每个EDFA能恰好补偿前面通过长为L的光纤中的功率损耗，即G=exp(-aL)。但补偿过程中积累的ASE噪声会造成信噪比的恶化，它可以通过损伤因子衡量：级联EDFA系统的OSNR在线放大器增益控制长距离传输系统中光缆损耗的变化或者前置光放大器功能减弱会引起链路功率发生波动。此时，保持在线放大的输出功率不变是非常必要的。自动补偿这种变化的一个办法就是使放大器工作在增益饱和区：输入功率减小时增益变大，输入功率增加时增益变小。前置放大器前置放大器用来提高由于热噪声限制的直接检测接收机的灵敏度。定义Smin和S*min分别为没有和有前置放大器时所要求的最小光功率，二者的比值即为检测灵敏度的改善量：其中N为接收机噪声电功率，N*为光前置放大器中由ASE引入的噪声多信道应用SOA中的非线性效应严重，易产生信道间干扰，不宜使用EDFA的优势：经过补偿和处理，EDFA可在1530–1600nm波长范围提供平坦增益，使各个信道保持相近的信噪比10.3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1270～1670nm整个波段内提供放大。光纤拉曼放大器光纤(a)无泵激光的1550nm传输光功率(dB)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。FRA原理简介：物理机制：A.光纤拉曼散射效应（SRS)一个入射光子（pump)的湮灭，产生一个下移stokes频率的光子和另一个具有相当能量和动量的光学光子B.与pump光子相差stokes频率的信号光子，经受激散射过程被放大FRA是靠非线性散射实现放大功能，不需要能级间粒子数反转光纤拉曼放大器原理简介(1)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。峰值增益频移：～13.2THz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(2)FRA以传输光纤作为放大介质－分布式放大，从而实现一种“无损耗”传输（可降低入纤光功率，避免非线性效应）光纤拉曼放大器－超低噪声放大原理脉冲幅度z集中放大NonlinearEffectsNoiseHigh分布放大缺点：泵浦功率大(W),对光纤损害.光纤拉曼放大器的泵浦要求高能量输出。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1220～1240nm，