第6章光放大器

第6章光放大器6.1光放大器概述6.2掺铒光纤放大器

6.3光纤拉曼放大器

6.4半导体光放大器（SOA）

6.5复习思考题

6.6习题1《光纤通信》原荣杨淑雯肖石林吉建华陈名松6.1光放大器概述

6.1.1光放大器作用和种类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-电-光转换，并在光信号转换为电信号时进行整形、再生和定时（Reshaping，Regenerating，Retiming，3R）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，如图6.1.1a所示。2《光纤通信》原荣杨淑雯肖石林吉建华陈名松再生中继器的缺点首先，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，因为每个信道均需要进行波分解复用，然后光-电-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，费用更昂贵。其次，传输容量受到一定的限制。3《光纤通信》原荣杨淑雯肖石林吉建华陈名松光放大中继器的作用是在光路上对光信号进行直接放大，然后再传输，即用一个全光传输中继器代替目前的这种光-电-光再生中继器，如图6.1.1b所示。图6.1.1光-电-光中继系统和全光中继系统的比较a）光-电-光中继系统b）全光中继系统4《光纤通信》原荣杨淑雯肖石林吉建华陈名松图6.1.2中间含有光分插复用（OADM）器的光-电-光点对点波分复用（WDM）系统结构

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。5《光纤通信》原荣杨淑雯肖石林吉建华陈名松光放大器出现多年来，人们一直在探索能否去掉上述光-电-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前的这种光-电-光再生中继器。经过多年的努力，科学家们已经发明了几种光放大器，其中掺铒光纤放大器（EDFA）、分布光纤拉曼放大器（DRA）和半导体光放大器（SOA）技术已经成熟，众多公司已有商品出售。本章对这几种放大器进行简要的介绍。6《光纤通信》原荣杨淑雯肖石林吉建华陈名松用光放大器取代光-电-光中继器，作为在线放大器使用。插在光发射机之后，来增强光发射机功率，作为功率放大器，可增加传输距离（10~100）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（LAN）的分配损耗。6.1.2光放大器应用7《光纤通信》原荣杨淑雯肖石林吉建华陈名松6.1.3光放大器增益和噪声 光放大器增益G（有时也称放大倍数）为

G=Pout/Pin

（6.1.1）式中，Pin和Pout分别是正在放大的连续波（CW）信号的输入和输出功率。8《光纤通信》原荣杨淑雯肖石林吉建华陈名松光放大器噪声指数Fn

9《光纤通信》原荣杨淑雯肖石林吉建华陈名松例6.1.1光放大器噪声指数计算10《光纤通信》原荣杨淑雯肖石林吉建华陈名松6.2掺铒光纤放大器（EDFA）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(EDFA)。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，提供光增益。虽然掺杂光纤放大器早在1964年就有研究，但是直到1985年才首次研制成功掺铒光纤。1988年低损耗掺铒光纤技术已相当成熟，其性能相当优良，已可以提供实际使用。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1.55m波长区，它比其它光放大器更引人注意。11《光纤通信》原荣杨淑雯肖石林吉建华陈名松6.2.1EDFA构成12《光纤通信》原荣杨淑雯肖石林吉建华陈名松EDFA产品13《光纤通信》原荣杨淑雯肖石林吉建华陈名松EDFA产品14《光纤通信》原荣杨淑雯肖石林吉建华陈名松EDFA各部分作用(1)掺铒光纤 光纤放大器的关键部件是具有增益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。EDFA的增益与许多参数有关，如铒离子浓度、放大器长度、芯径以及泵浦光功率等。(2)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1480nm的InGaAs

多量子阱(MQW)激光器，其输出功率可达100mW，泵浦增益系数较高。随后采用980nm波长泵浦，效率高,噪声低，现已广泛使用。15《光纤通信》原荣杨淑雯肖石林吉建华陈名松980nm

泵浦LD

双光纤布拉格光栅波长稳定600mW输出功率16《光纤通信》原荣杨淑雯肖石林吉建华陈名松(3)波分复用器

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WDM器件主要有熔融拉锥形光纤耦合器和干涉滤波器。(4)光隔离器

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、降低噪声。对隔离器的基本要求是插入损耗低、反向隔离度大。EDFA各部分作用17《光纤通信》原荣杨淑雯肖石林吉建华陈名松

6.2.2EDFA工作原理及其特性在掺铒离子的能级图中，E1是基态，E2是中间能级，E3代表激发态。若泵浦光的光子能量等于E3与E1之差，铒离子吸收泵浦光后，从E1升至E3。但是激活态是不稳定的，激发到E3的铒离子很快返回到E2。若信号光的光子能量等于E2和E1之差，则当处于E

2的铒离子返回E1时则产生信号光子，这就是受激发射，结果使信号光得到放大。18《光纤通信》原荣杨淑雯肖石林吉建华陈名松泵浦光是如何将能量转移给信号的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E3。从以上分析可知，能级E2和E1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态E1跃迁到激活态E3。EDFA的增益特性与泵浦方式及其光纤掺杂剂有关。可使用多种不同波长的光来泵浦EDFA，但是0.98m和1.48m的半导体激光泵浦最有效。使用这两种波长的光泵浦EDFA时，只用几毫瓦的泵浦功率就可获得高达30~40dB的放大器增益。19《光纤通信》原荣杨淑雯肖石林吉建华陈名松图6.2.2掺铒光纤放大器的工作原理（a）硅光纤中铒离子的能级图（b）EDFA的吸收和增益频谱20《光纤通信》原荣杨淑雯肖石林吉建华陈名松图6.2.3表示输出信号功率与泵浦功率的关系。由图可见，能量从泵浦光转换成信号光的效率很高，因此EDFA很适合作功率放大器。泵浦光功率转换为输出信号光功率的效率为92.6%，60mW功率泵浦时，吸收效率为88%。[(信号输出功率信号输入功率)/泵浦功率]图6.2.3输出信号功率与泵浦功率的关系21《光纤通信》原荣杨淑雯肖石林吉建华陈名松图6.2.4小信号增益与泵浦功率的关系小信号输入，实际掺铒光纤增益和泵浦功率的关系，1.48m泵浦时的增益系数是6.3dB/mW。22《光纤通信》原荣杨淑雯肖石林吉建华陈名松图6.2.5小信号增益频谱将铝与锗同时掺入铒光纤的小信号增益频谱和大信号增益频谱特性与图6.2.2b比较，将铝与锗同时掺入铒光纤可获得比纯掺锗更平坦的增益频谱。23《光纤通信》原荣杨淑雯肖石林吉建华陈名松图6.2.6大信号增益频谱将铝与锗同时掺入铒光纤的小信号增益频谱和大信号增益频谱特性与图6.2.2b比较，将铝与锗同时掺入铒光纤可获得比纯掺锗更平坦的增益频谱。24《光纤通信》原荣杨淑雯肖石林吉建华陈名松3.EDFA小信号增益EDFA的增益与铒离子浓度、掺铒光纤长度、芯径和泵浦功率有关当处于激发态E3能级的离子很快返回到E2能级，产生的辐射是自发辐射，它对信号光放大不起作用。只有铒离子从E2能级返回E1能级时，发生的受激发射才对信号光的放大有贡献。当忽略自发辐射和激发态吸收时，使用一个简单两能级模型，对EDFA的原理可得到更好地理解。该模型假定三能级系统的激活态能级E3几乎保持空位，因为泵浦到能级E3的离子数快速地转移到能级E2。25《光纤通信》原荣杨淑雯肖石林吉建华陈名松对于给定的放大器长度L，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值后，增益的增加就减小图6.2.7a小信号增益和泵浦功率的关系26《光纤通信》原荣杨淑雯肖石林吉建华陈名松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。图6.2.7b小信号增益和光纤长度的关系27《光纤通信》原荣杨淑雯肖石林吉建华陈名松4.增益饱和（或压缩）特性在EDFA泵浦功率一定的情况下，输入功率较小时，放大器增益不随入射光信号的增加而变化，表现为恒定不变。当输入信号功率增大到一定值后（一般为20dBm左右），增益开始随信号功率的增加而下降，这是入射信号导致EDFA出现增益饱和的缘故。28《光纤通信》原荣杨淑雯肖石林吉建华陈名松4.增益饱和（或压缩）特性当泵浦功率一定时，掺铒光纤越长饱和程度越深。EDFA的这种增益饱和特性，称为增益压缩，使它具有增益自调整能力，这在EDFA的级联应用中具有重要的意义。在8.5.2节还将进一步介绍。29《光纤通信》原荣杨淑雯肖石林吉建华陈名松6.3光纤拉曼放大器EDFA只能工作在1530~1564nm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，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。30《光纤通信》原荣杨淑雯肖石林吉建华陈名松6.3.1分布式光纤拉曼放大器的工作原理增益介质：系统传输光纤；工作原理：基于非线性光学效应，利用强泵浦光通过光纤传输时产生受激拉曼散射，使组成光纤的石英晶格振动和泵浦光之间发生相互作用，产生比泵浦光波长P还长的散射光（斯托克斯光P–s

）。该散射光与波长相同的信号光(P–s

)重叠，从而使弱信号光放大，获得拉曼增益。就石英玻璃而言，泵浦光波长与待放大信号光波长之间的频率差大约为13THz，在1.5m波段，由附录G可知，它相当于约100nm的波长差，即有100nm的增益带宽。

31《光纤通信》原荣杨淑雯肖石林吉建华陈名松分布式拉曼放大器（DRA）的

工作原理采用拉曼放大时，放大波段只依赖于泵浦光的波长，没有像EDFA那样的放大波段的限制。从原理上讲，只要采用合适的泵浦光波长，就完全可以对任意输入光进行放大。分布式光纤拉曼放大器（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。图6.3.1为采用前向泵浦的分布式光纤拉曼放大器的构成和能级图。32《光纤通信》原荣杨淑雯肖石林吉建华陈名松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，产生比泵浦光波长还长的散射光（斯托克斯光）。该散射光与波长相同的信号光重叠，从而使弱信号光放大，获得拉曼增益。

图6.3.1分布式拉曼放大器的工作原理33《光纤通信》原荣杨淑雯肖石林吉建华陈名松受激拉曼散射

(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（较长波长）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。34《光纤通信》原荣杨淑雯肖石林吉建华陈名松6.3.2拉曼增益和带宽图6.3.2测量到的拉曼增益系数频谱增益带宽可以达到约8THz。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。35《光纤通信》原荣杨淑雯肖石林吉建华陈名松图6.3.3小信号光在长光纤内的拉曼增益由图可见，又一次实验证明，信号光和泵浦光的频率差为13.2THz时，拉曼增益达到最大36《光纤通信》原荣杨淑雯肖石林吉建华陈名松多波长泵浦增益带宽增益波长由泵浦光波长决定，选择适当的泵浦光波长，可得到任意波长的光信号放大。分布式光纤拉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加的结果，所以它是由泵浦光波长的数量和种类决定的。37《光纤通信》原荣杨淑雯肖石林吉建华陈名松该图表示6个泵浦波长单独泵浦时，产生的增益频谱和总的增益频谱曲线。由图可见，当泵浦光波长逐渐向长波长方向移动时，增益曲线峰值也逐渐向长波长方向移动。图6.3.4多波长泵浦增益频谱38《光纤通信》原荣杨淑雯肖石林吉建华陈名松 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。光纤分布式喇曼放大器（DRA）构成

-----后向泵浦39《光纤通信》原荣杨淑雯肖石林吉建华陈名松6.4半导体光放大器（SOA）40《光纤通信》原荣杨淑雯肖石林吉建华陈名松半导体

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，其核心是当放大器被光或电泵浦时，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）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介质。41《光纤通信》原荣杨淑雯肖石林吉建华陈名松行波光放大器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，使粒子数反转获得光增益。