许梦芸第五章光放大器课件

第五章光放大器许梦芸刘广顺陈旭东2016年5月20日目录2光放大器的概述光放大器的作用与分类掺铒光纤放大器（EDFA）半导体光放大器（SOA）光纤拉曼放大器（FRA）其他光放大器5.15.25.35.45.55.65.1

光放大器的概述

一、波分复用系统二、光电中继器三、光放大器四、

光电中继器与光放大器的比较

一、

波分复用系统铺设更多的光缆成本高受器件响应速度限制Internet数据量急剧增长追求更高的传输容量提高传输速率光时分复用技术系统复杂波分复用采用光－电－光(O-E-O)变换方式信号失真WDM系统引入，复杂性和成本倍增光接收光纤光纤中继器1N

23DWM光发送－1N

32DWM－二、光电中继器光接收1N

23DWM光发送－1N

32DWM－重要意义:促使波分复用技术(WavelengthDivisionMultiplexing，WDM)走向实用化，促进了光孤子技术和全光网络的发展，使光纤通信技术产生了质的飞跃。光放大器三、光放大器传统再生中继器:光-电-光转换全光放大器:光-光中继,实现光纤通信全光化

比较：中继器色散分散单通路调制比特率特定光放大器色散积累多通路调制比特率通透

解决优点：减少信号多次变换的失真

提高系统的可靠性和稳定性7四、光电中继器与光放大器的比较指它可以对任何比特率和格式的信号放大。5.2

光放大器的作用与分类

一、

定义二、光放大器的应用三、光放大器工作原理四、

光放大器工作特性五、光放大器分类六、三种光放大器的比较利用某种具有增益的激活介质对注入其中的微弱光信号进行放大，使其获得足够的光增益，变为较强的光信号，从而实现对光信号的直接光放大。并且具有对光信号进行实时、在线、宽带、高增益、低噪声、低功耗、以及波长速率和调制方式透明的直接放大功能，是新一代DWDM系统中不可缺少的关键技术。被放大的光信号输入光信号光放大器一、定义

在线放大器；(b)后置放大器；(c)前置放大器；(d)功率补偿放大器

二、光放大器在干线通讯系统中的应用在线放大器代替光电光混合中继器。当光纤色散和放大器自发辐射噪声累积尚未使系统性能恶化到不能工作时，这种代替是完全可行的，特别是对多信道光波系统更有诱惑力，可以节约大量的设备投资后置放大器将光放大器接在光发送机后，以提高光发送机的发送功率，增加传输距离，这种放大器又称为功率放大器。前置放大器将光放大器接在光接收机前，以提高接收功率和信噪比，增加通信距离。功率补偿放大器

即将光放大器用于补偿局域网中的分配损耗，以增大网络节点数，还可以将光放大器用于光子交换系统等多种场合。

光放大器是基于受激辐射机理来实现入射光功率放大的。它利用某种具有增益的激活介质对注入其中的微弱光信号进行放大。三、光放大器工作原理(2)受激辐射(1)能量注入例：若激活介质为一种掺杂光纤，它吸收了泵浦源提供的能量。使电子跳到高能级上，产生粒子束反转，输入信号光子通过受激辐射过程触发这些已经激活的电子，使跃迁到较低的能级，从而产生一个放大信号。四、光放大器工作特性1增益2增益饱和与饱和输出功率3带宽4噪声特性1、增益光放大器通过受激发射对入射光信号进行放大，其机理与激光器相同。任何有源光学媒质，在电或光的泵浦下，达到粒子数反转时就产生光增益，实现光放大。光增益的大小不仅与入射光频率(波长)有关，而且与放大器内部任一点的光强有关，即光增益与频率及强度的关系决定于放大器增益媒质的特性。

增益峰值饱和功率入射光频率介质原子跃迁频率偶极子弛豫时间增益系数：1.2光放大器的增益增益G是描述光放大器对信号放大能力的参数。定义为：G与光放大器的泵浦功率、掺杂光纤的参数和输入光信号有很复杂的关系。输出信号光功率输入信号光功率

当输入光功率比较小时，增益G是一个常数，用符号G0表示，称为光放大器的小信号增益。但当输入光功率增大到一定数值后，光放大器的增益开始下降，这种现象称为增益饱和；当光放大器的增益降至小信号增益G0的一半，也就是用分贝表示为下降3dB时，所对应的输出功率称为饱和输出光功率。G0饱和输出功率：放大器增益降至小信号增益一半时的输出功率。3dBPout,sat当PS,IN增大到一定值后，光放大器的增益G开始下降。增益饱和现象。饱和区域2、增益饱和与饱和输出功率163、放大器的带宽:

希望放大器的增益在很宽的频带内与波长无关，实际放大器有一定的频率范围。要想用一个光放大器对DWM系统的全部光复用通道信号进行放大，光放大器必须具有足够宽的带宽，而且其放大特性必须非常平坦。这样才能达到对所有复用通道信号进行放大的目的。

放大器的带宽：小信号增益低于峰值小信号增益N(dB)时的频率间隔，通常N＝3dB。G/dBλ/nm4、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）下降，其降低程度通常用噪声指数Fn来表示，其定义为：主要噪声源：放大的自发辐射噪声（ASE），它源于放大器介质中电子空穴对的自发复合。自发复合导致了与光信号一起放大的光子的宽谱背景。由于自发辐射光子的相位和方向是随机的。对于有用信号没有贡献，就形成了信号带宽内的噪声，与放大信号在光纤中一起传输、放大，降低了信号光的信噪比。光放大前的光电流信噪比光放大后的光电流信噪比4.1ASE噪声ASE噪声近似为白噪声，噪声功率谱密度为：自发发射因子或粒子数反转因子对于原子都处于激发态或完全粒子数反转的光放大器，nsp=1;当粒子数不完全反转时，nsp>1；激发态的粒子数基态的粒子数放大器增益

经研究发现，接收机前接入光放大器后，新增加的噪声主要来自ASE噪声与信号本身的差拍噪声。噪声指数为：表明：即使对nsp=1的完全粒子数反转的理想放大器，被放大信号的SNR也降低了二倍（或3dB）。对大多数实际的放大器Fn均超过3dB，并可能达到6-8dB。我们是希望放大器的Fn尽可能低。光放大器半导体光波导放大器(SOA)掺铒光纤放大器(EDFA)1550nm光纤放大器(FOA)掺稀土元素光纤放大器布里渊光纤放大器(FBA)五、

光放大器分类掺镨光纤放大器(PDFA)1310nm拉曼光纤放大器(FRA)非线性光纤放大器谐振式：法布里-玻罗型行波式：行波光放大器

六、

三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半导体光放大器粒子数反转电100m~1mm差很难大差掺铒光纤放大器粒子数反转光数米到数十米好容易无好光纤拉曼放大器光学非线性效应光数千米好容易大好5.3

掺饵光纤放大器（EDFA）二、EDFA的结构三、EDFA的工作原理四、EDFA的主要指标五、EDFA的应用六、EDFA的优缺点一、EDFA简介一、EDFA简介掺铒光纤放大器（EDFA）是80年代后期发展起来的新型光纤通信产品。它的研制成功，打破了光纤通信传输距离受光纤损耗的限制，使全光通信距离延长至几千公里，给光纤通信带来了革命性的变化，被誉为光纤通信发展的一个“里程碑”。掺铒光纤放大器的工作光谱波段为1530nm至1560nm，与光纤通信的1550nm这个窗口完全匹配。掺铒光纤放大器可以对光信号进行直接光放大，具有增益高、输出功率大、噪声低、响应速度快。对信号的编码格式没有要求等优点，因此在光纤传输系统中有广泛的用途。二、EDFA的结构分波器光合波器光隔离器光滤波器功率监测光泵浦源辅助电路功率监测输入掺饵光纤输出一台实用的EDFA由掺饵光纤、光耦合器、光隔离器、光滤波器和泵浦源五大部分组成，下图是EDFA的典型结构：1、掺饵光纤掺饵光纤是EDFA的核心元件，其端面结构如右图所示：材质：以石英光纤为基质，并掺杂一定浓度的饵离子Er3+。制法：溶解法、熔融法、管棒法、气相轴向法、铸造法、载体容器法。掺杂浓度：百万分之几十到百万分之几百。掺饵高密度带（100-2000ppm）掺锗的纤芯（3-6um）SiO2包层涂覆层（250um）掺饵光纤端结构示意图光谱性质：主要由铒离子和光纤基质决定，铒离子起主导作用。为了在放大带宽内的增益平坦，在EDF中掺入适量的铝元素，使铒离子在EDF中分布更均匀，从而获得平坦的宽带增益谱。2、光合波器功能：将信号光和泵浦光合路进入掺铒光纤中，也称光耦合器。主要有两种形式：980nm/1550nm或1480nm/1550nm，一般为光纤熔锥型。要求：在上述波长附近插入损耗都小，耦合效率高，耦合频带具有一定的宽度且耦合效率平坦，对偏振不敏感稳定性好。3、光隔离器功能：在输入端加光隔离器消除因放大的自发辐射反向传播可能引起的干扰，输出端保护器件免受来自下段可能的逆向反射。同时输入和输出端插入光隔离器也为了防止连接点上反射引起激光振荡，抑制光路中的反射光返回光源侧，从而既保护了光源又使系统工作稳定。要求：正向传输光损耗极小，反向传输光损耗极大（>40dB），与偏振无关。4、光滤波器功能：消除被放大的自发辐射光以降低放大器的噪声，提高系统的信噪比（SNR）。一般多采用多层介质膜型带通滤波器。要求：通带窄，在1nm以下，目前应用的光滤波器的带宽为1～3nm。滤波器的中心波长应与信号光波长一致；插入损耗要小，并且与光的偏振态无关；通带对温度变化不敏感。5、泵浦源功能：为信号放大提供足够的能量，使工作物质达到粒子数反转分布的条件。泵浦源主要是半导体激光二极管，波长有820nm、980nm、1480nm三种。泵浦方式：同向泵浦、反向泵浦、双向泵浦（1）、同向泵浦其结构如右图所示：信号光泵浦光从同一侧注入掺饵光纤；粒子数反转分布强，增益大；容易达到增益饱和，饱和区噪声性能差。光隔离器WDMEDF光隔离器泵浦激光器输入信号输出信号光滤波器（2）、反向泵浦反向泵浦的结构如下图所示：反向泵浦(后向泵浦)型的信号光泵浦光从不同一侧注入掺饵光纤；不易达到增益饱和，噪声性能较好。光隔离器WDMEDF光隔离器输入信号泵浦激光器光滤波器（3）、双向泵浦反向泵浦的结构如下图所示：双向泵浦型的输出信号增益比反向泵浦源高3dB，由于两个泵浦源分别在前向和后向进行泵浦，使EDFA中的杂质粒子得到了充分的激励。这种泵浦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，从而使增益在光纤中也均匀分布。但是双向办泵浦耦合损耗大，成本相对较高。光隔离器WDMEDF光隔离器输入信号输出信号泵浦激光器泵浦激光器光滤波器WDM为直观起见，现将三种泵浦方式比较如图表：输出功率与泵浦光功率的关系噪声特性输出特性同向泵浦69%最小输出功率最小反向泵浦76%最大输出功率中等双向泵浦77%中等输出功率最大三、EDFA的工作原理回顾：光与物质相互作用的三个过程E1E2E2E1E2E1hv12hv12hv12hv12（a）受激吸收（b）自发辐射（c）受激辐射Er+3外层电子具有三能级结构：

能级1代表基态，能量最低。能级2是亚稳态，处于中间能级。能级3代表激发态，能量最高。3、泵浦能带④衰变到低能态2、亚稳态能带②快速非辐射衰变980nm光子1480nm光子1550nm光子1550nm光子1550nm光子1550nm光子1、基态能带泵浦跃迁泵浦跃迁自发辐射受激吸收受激辐射Er3+离子的简化能级图和各种跃迁过程三、EDFA的工作原理

当泵浦(Pump,抽运)光激励，铒离子吸收泵浦光，基态跃迁到激发态。

激发态不稳定，Er3+很快返回到亚稳态。亚稳态粒子数积累，形成粒子数反转分布。如果输入的信号光的能量等于基态和亚稳态的能量差，亚稳态的Er3+将跃迁到基态，产生一个与信号光子完全一样的光子，实现了信号光在掺铒光纤中的放大。3、泵浦能带④衰变到低能态2、亚稳态能带②快速非辐射衰变980nm光子1480nm光子1550nm光子1550nm光子1550nm光子1550nm光子1、基态能带泵浦跃迁泵浦跃迁自发辐射受激吸收受激辐射Er3+离子的简化能级图和各种跃迁过程三、EDFA的工作原理EDFA的工作过程：980nm泵浦源作用使er3+的电子从基态→激发态受激离子激发态→亚稳带（衰变得非常快，约1μs）。多余的能量以声子形式释放。er3+从亚稳态能带→

基态,时间长(10ms左右)。3、泵浦能带④衰变到低能态2、亚稳态能带②快速非辐射衰变980nm光子1480nm光子1550nm光子1550nm光子1550nm光子1550nm光子1、基态能带泵浦跃迁泵浦跃迁自发辐射受激吸收受激辐射Er3+离子的简化能级图和各种跃迁过程三、EDFA的工作原理若有1480nm泵浦源激励，使er3+的电子从基态→亚稳态能级的顶部；电子将顶端移到亚稳态能级的较低端（跃迁过程④），这时出现粒子数反转分布；位于亚稳态的电子在没有外部激励时，一部分会衰变回到基态，这种现象是所谓的自发辐射，自发辐射会导致放大器的噪声。3、泵浦能带④衰变到低能态2、亚稳态能带②快速非辐射衰变980nm光子1480nm光子1550nm光子1550nm光子1550nm光子1550nm光子1、基态能带泵浦跃迁泵浦跃迁自发辐射受激吸收受激辐射Er3+离子的简化能级图和各种跃迁过程三、EDFA的工作原理信号光激励下：1、基态的离子将吸收一小部分,将跃迁到亚稳态——受激吸收；2、信号光子触发激发态的离子使其下降到基态——受激辐射-发射与输入信号光子具有相同能量、相同波矢量以及相同偏振态的新光子。实现光信号放大。3、泵浦能带④衰变到低能态2、亚稳态能带②快速非辐射衰变980nm光子1480nm光子1550nm光子1550nm光子1550nm光子1550nm光子1、基态能带泵浦跃迁泵浦跃迁自发辐射受激吸收受激辐射Er3+离子的简化能级图和各种跃迁过程三、EDFA的工作原理四、EDFA的主要工作参数EDFA具有广泛的应用，不同的应用对EDFA的工作特性有不同的要求，各种工作特性参数是EDFA性能的差异的标准。EDFA的主要参数是指功率增益、饱和输出功率和噪声系数。

四、EDFA的主要工作参数1、增益

式中，分别是输出光信号和输入光信号功率。

EDFA的增益通常为15~40dB。大小与铒离子浓度、泵浦功率和掺铒光纤长度有关。EDFA的功率增益定义为四、EDFA的主要工作参数1、增益

EDFA的增益介质通过栗浦光提供能量，产生粒子数反转而获得信号光增益。增益的大小与入射光的频率和放大器的内部光强有关，具体关系取决于放大器增益介质的特性。放大小信号或非饱和信号的增益谱表示为增益系数g（z）为每单位长度的增益与位置Z的函数。四、EDFA的主要工作参数1、增益

功率增益表示了光放大器的放大能力，增益的大小与泵浦光功率以及光纤长度等诸因素有关。右图为放大器的功率增益与泵浦功率之间的关系曲线。406080100-1001020304020-20功率增益（dB）输出信号=-27.3dB·m掺铒光纤长度=50m泵浦光波长=1.48um掺杂浓度25mg/kg泵浦光功率四、EDFA的主要工作参数1、增益

从右图可以看出，放大器的功率增益随泵浦功率的增加而增加，当泵浦功率达到一定值时，放大器的功率增益出现饱和，即泵浦功率再增加而功率增益基本保持不变。406080100-1001020304020-20功率增益（dB）

输出信号=-27.3dB·m掺铒光纤长度=50m泵浦光波长=1.48um掺杂浓度25mg/kg泵浦光功率四、EDFA的主要工作参数1、增益

右图所示为掺铒光纤放大器的功率增益与光纤长度之间的关系曲线。可以看出，开始时功率增益随掺铒光纤长度的增加而上升，当光纤长度达到一定值后，功率增益反而逐渐下降。从图中看出，当光纤为某一长度时，可获得最佳功率增益，这个光纤长度为最大功率增益的光纤长度。100150200250-1001020304050-200功率增益（dB）泵浦功率=90mW掺铒光纤长度（m）泵浦光波长=1.48um掺杂浓度25mg/kg光纤长度（m）四、EDFA的主要工作参数1、增益

应用能量守恒原理，EDFA的输入输出功率可以表示为物理意义：EDFA输出信号能量不能超过注入泵浦能量。四、EDFA的主要工作参数2、饱和输出增益

增益存在一个饱和量即增益下降到小信号增益峰值的一半时(3dB)称为增益饱和，饱和增益对应的输出功率称为饱和输出功率。即四、EDFA的主要工作参数2、饱和输出增益

输出饱和功率是一个描述输入信号功率与输出信号功率之间关系的参量。如右图所示。由图可看出，在掺铒光纤放大器中，输入信号功率和输出信号功率并不完全成正比关系，而是存在着饱和的趋势。1020输出功率（dB·m）-20-100输入功率（dB·m）四、EDFA的主要工作参数2、饱和输出增益

掺铒光纤放大器的最大输出功率常用3dB输出饱和功率来表示。如右图所示，当饱和增益下降3dB时所对应的输出功率值为3dB输出饱和功率，它代表了掺铒光纤放大器的最大输出能力。增益（dB）输出饱和功率3dB3dB3、噪声系数

噪声系数Fn决定于自发辐射。

实验证实：在EDFA中，可得到接近3dB的噪声系数，这是噪声系数的极限。

EDFA极低噪声，成为光纤通信中的理想放大器，是在光纤通信系统中广泛应用的一个重要原因。

但即使噪声这样低，当长距离光纤通信系统采用多级EDFA级联时，噪声影响使系统长度也受限。五、EDFA的主要应用1.EDFA用作前置放大器

光接收器之前，提高接收机灵敏度可提高10～20dB。即，在光信号进入接收机前，得到放大，以抑制接收机内的噪声。小信号放大，要求低噪声，但输出饱和功率则不要求很高。2、EDFA用作功率放大器

放在光发射机之后用来提升输出功率，将通信距离延长10-20km。通信距离由放大器增益及光纤损耗决定，功率放大器除了要求低噪声外，还要求高饱和输出功率。五、EDFA的主要应用3、EDFA用作线路放大器

非常适合用在海底光缆，没有电中继器的光-电-光过程。用EDFA可代替半导体光放大器，对线路中的光信号直接进行放大，使得全光通信技术得以实现。五、EDFA的主要应用4、EDFA用作本地网放大器EDFA+WDM结合可在宽带本地网，特别在电视分配网中得到应用。它补偿由于分路带来的损耗及其他损耗，极大地扩大了网径和用户数量。

52五、EDFA的主要应用优点：能量转换效率高。激光工作物质集中在光纤芯子的近轴部分，而信号光和泵浦光也在近轴部分最强，则光与物质作用很充分。工作频带正处于光纤损耗最低处(1525-1565nm)；频带宽，可以对多路信号同时放大-波分复用；增益高，噪声低，输出功率大。增益达40dB。输出功率在单向泵浦14dBm，双向泵浦17dBm-20dBm，充分泵浦时，噪声系数可低至3－4dB，串话也很小。六、EDFA的优缺点优点：增益特性不敏感。对温度不敏感，在100℃内增益特性保持稳定。可实现信号的透明传输。在波分复用系统中，同时传输模拟信号和数字信号，高速率信号和低速率信号。缺点：波长固定，只能放大1.55μm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。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。六、EDFA的优缺点5.4

半导体光放大器（SOA）0、半导体光放大器简介一、半导体光放大器结构和原理二、SOA分类三、SOA的工作特性四、SOA的优缺点五、SOA和OFA的比较0、半导体光放大器简介早在1962年发明半导体激光器不久，人们就已开始了SOA的研究。由于80年代末期EDFA的出现并迅速成为光纤通信的主流，SOA的研发和应用曾相对处于低谷，直到90年代后，人们进一步认识到SOA可以用于实现波长转换、WDM与TDM转换等功能，才又对SOA进行了广泛地研究和开发。一、半导体光放大器的结构和原理耦合光设备注入电流（泵浦）有源区传输光纤传输光纤包层纤芯放大后的光信号光输入信号

利用受激辐射来实现对入射光功率的放大，产生受激辐射所需的粒子数反转机制与半导体激光器中的完全相同。pn♦外加正向偏压，实现结区粒子数反转♦泵浦导致受激辐射，信号光被放大♦内部的自发辐射产生自发辐射噪声(ASE)，它也会被放大与半导体激光器工作原理类似。没有谐振腔的反馈选择，SOA将同时输出放大的光信号和自发辐射噪声，不能产生相干的激光输出。二、SOA的分类①法布里-玻罗腔型半导体激光放大器（F-PSLA）

形成P-N结有源区的晶体解理面作为法布里-玻罗腔的部分反射镜，其自然反射率达到32%。当光信号进入腔后，它在两个端面来回反射并得到放大，直至以较高的功率发射出去将通常的半导体激光器当做光放大器使用。带宽约3GHz②行波型半导体光放大器（T-WSLA）两个端面镀的是增透膜，又称作防反射膜或涂层AR。镀防反射膜的目的是减少SOA与光纤之间的耦合损耗，因此有源区不会发生内反射，只要注入电流在阈值以上，在腔内仍可获得增益，入射光信号经过一次放大。T-WSLA频带宽（是F-P的三个数量级）输出功率高对偏振的灵敏度低光进行过程中对光放大，故称为行波放大器产生粒子数反转，提高SOA的增益带宽约10THz1、增益饱和特性三、SOA的工作特性增益饱和现象与注入电流和信号功率有关。注入电流①SOA的增益输出功率电流达到一定程度注入电流②SOA的增益受载流子恢复时间的限制，增益受到抑制增益饱和2、噪声特性用放大器噪声指数Fn来量度SNR下降的程度，定义SOA在放大输入信号的同时将噪声加到放大信号上。总的噪声功率信号的散粒噪声ASE散粒噪声信号—ASE间的拍频噪声ASE—ASE间的拍频噪声例：假如输入信号功率为300μW，在1nm带宽内的输入噪声功率是30nW，输出信号功率是60mW，在1nm带宽内的输出噪声功率增大到20μW，计算光放大器的噪声指数？解：光放大器使输出信噪比下降了，但同时也使输出功率增加了，所以可容忍SNR的下降。

3、偏振灵敏性起因：由于半导体有源层的横截面呈扁长方形，对横向（长方形的宽边方向）和竖向（长方形的窄边方向）的光场约束不同，光场在竖向的衍射泄漏强于横向，因而竖向的光增益弱于横向。因此光信号的偏振方向取横向时的增益大，取竖向时的增益小。解决方法：采用宽、厚可比拟的有源层设计；使用方法上解决。相同结构SOA互相垂直并接，在输入端采用偏振分束器将信号分成TE和TM偏振信号,分别输入至相互垂直的SOA，然后将两只SOA放大的TE和TM偏振信号合成，得到与输入光同偏振态的放大信号。输入光信号往返两次通过同一SOA，但反向通过前，采用法拉第旋转器使返回光旋转900第二次放大后，用耦合器取出输出光信号。相同结构SOA互相垂直串接，所得增益将与偏振无关与光纤耦合损耗大；噪声指数的典型值为5-7dB；

（噪声机理：自发辐射、有源区的吸收和散射损耗、剩余解理面的反射率）稳定性差，因增益与偏振态、温度等因素有关。四、SOA的优缺点Disadvantages:Advantages:半导体光放大器具有体积小，结构简单，功耗低，频带宽，增益高等特点，易于同其它光器件和电路集成。五、SOA和OFA的比较特点光纤放大器（OFA）半导体放大器(SOA)特点光纤放大器（OFA）半导体放大器(SOA)最大内部增益dB30饱和输出功率

dB插入损耗dB本征噪声系数dB3dB增益带宽Nm30光子集成电路兼容无可以泵浦源光电偏振敏感无弱5.5

光纤拉曼放大器（FRA）0、光纤拉曼放大器FRA简介一、受激拉曼散射二、光纤拉曼放大器原理三、光纤拉曼放大器结构四、FRA的工作特性五、FRA的优缺点六、几种放大器的比较0、光纤拉曼放大器FRA简介拉曼现象在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。♦喇曼散射：是由光学声子参与引起的光子散射。声子是指晶体或分子的振动。♦喇曼散射的基本原理：不同的振动频率对应于不同的分子能量，当外界光照射时，外来光子能与振动分子发生能量交换，产生不同于入射光频率谱线。光纤的通信窗口11001700120013001400150016000.20.10.30.40.50.6140THz短距离应用长距离应用EDFA“C””L”波长/um损耗/dB·km-1WDM技术成功的重要因素是EDFA的应用。EDFA不能适应宽带放大的需求。光纤拉曼放大器光功率(dB)波长1550nm1550nm经光纤传输衰减的光波长光功率(dB)1550nm1450nm光纤(b)有泵激光的1550nm传输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。一、受激拉曼散射（StimulatedRamanScattering，SRS）拉曼散射基本原理：在许多非线性光学介质中，高能量（波长较短）的泵浦光散射，将一部分入射功率转移给另一较低频率的光波，这个低频与高频相比的偏移量由介质的振动模式决定。●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。拉曼散射与泵浦光功率有关，泵浦光较弱时，产生自发拉曼散射；泵浦光超过某个阈值，产生受激拉曼散射。大量试验得到石英光纤的斯托克斯频移Ω(拉曼增益带宽)为13.2THz。拉曼放大器VS受激辐射的光放大器

2.拉曼放大的信号波长取决于泵浦光子频率和石英分子的振动频率，而受激辐射放大的光波长与泵浦光频率无关，与禁带宽度有关。

1.受激辐射的光放大器需要粒子数反转分布，而拉曼放大不需要粒子数反转分布，受激拉曼散射，stocks频移；工作原理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支声子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二、光纤拉曼放大器原理(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

(60-100nm)支撑技术: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(2)增益带宽（FWHM）可以达到约8THz石英光纤拉曼增益系数频谱曲线三、光纤拉曼放大器结构光隔离器WDM光隔离器输入信号输出信号泵浦激光器传输光纤实现信号单向传输实现信号单向传输提供能量耦合器：将输入光信号和泵浦光耦合进光纤中

通过受激拉曼散射作用把泵浦光能量转移到输入信号光中，实现信号光的放大。光隔离器WDM光隔离器输入信号输出信号泵浦激光器传输光纤与EDFA结构基本一致。传输光纤本身作为增益介质。可前向、后向泵浦；为减少泵浦光和信号光相互作用的长度，从而减少泵浦噪声对信号影响，多用后向。多个泵浦激光器