第六章光放大技术

2/4/20231§6-1概述；§6-2EDF的结构与EDFA工作原理；§6-3EDFA的特性；§6-4EDFA在光纤通信系统中的应用以及大功率化；

本章思考题。第六章的主要内容2/4/2023§6-1概述一、O/E/O中继和光放大技术

光纤通信线路的最大中继距离受光纤的损耗和色散影响，它们都是随传输距离的增加不断累积，损耗的累积导致信号幅度（脉冲幅度）减小，<P>min影响传输质量。→系统设计：损耗、色散预算。

光放大器的出现，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。装置复杂、耗能多、不能同时放大多个波长信道，在WDM系统中复杂性和成本倍增，可实现1R、2R、3R中继。2/4/2023§6-1概述l1l2lN...光纤l1l2lN光解复用...O/EADME/O光复用l1l2lN...l1l2lN...光纤

如图所示，传统的光/电/光的放大方式必须首先解复用出单根光纤中的多个信道，然后对每一个信道进行放大，最后再复用在一起，装置复杂、成本倍增。2/4/2023§6-1概述复习课件时点击右向箭头播放下一段动画！此动画是直接光放大工作原理的动画：无需转换为电信号、通过一段特种光纤直接进行光放大、可以同时放大多个信道、装置简单（只需几个无源器件和低速电子元件）。2/4/2023§6-1概述光放大器（O-O）：→EDFA(Erbium-dopedOpticalFiberAmplifer：掺铒光纤放大器

)

多波长放大、低成本，只能实现1R中继。光纤放大器的出现，是光纤通信发展史上的重要里程碑。二、EDFA出现的时间背景二十世纪60年代开始研究掺杂光纤放大器，把稀土金属离子在光纤制作过程中掺入光纤的纤芯中，使用泵浦光信号放大，提供光增益。但是一直没有重大的技术突破。直到1987年，EDFA取得突破性进展，英国南安普顿大学和美国AT&TBell实验室报道了离子态的稀土元素铒在光纤中可提供1.55µm通信波段的光增益，随后开始提供实际应用。2/4/2023§6-1概述三、EDFA的优点工作波长在1550nm波段（1530~1565nm，约40nm）范围，与光纤最小损耗窗口一致；对EDF进行激励的泵浦功率低，仅需几十毫瓦，而光纤拉曼放大器需0.5w以上的泵浦源进行激励；增益高、噪声低、泵浦效率高、输出功率大，增益可达40dB，噪声系数可低至3~7dB，输出功率可达12~20dBm；EDFA的主体是一段EDF光纤，它与线路光纤的耦合损耗很小，可达0.1dB以下；2/4/2023增益特性与光的偏振态无关，信号放大时与光信号的传输方向也没有关系，可以实现双向放大（光纤放大器内无隔离器时）；对不同传输速率的数字体系具有完全的透明度，即与准数字体系和同步数字体系的各种速率兼容，调制方案可任意选择；EDFA的工作电流比3R（O/E/O）中继放大器的小，因此可以减小远供电流，从而降低了海缆的电阻和绝缘性能的要求；§6-1概述2/4/2023在多信道应用中可进行无串话传输；放大器中只有低速电子装置和几个无源器件，结构简单，可靠性高。四、光放大器的类型利用稀土掺杂的光纤放大器（EDFA、PDFA）；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（FRA、FBA）；光子晶体光纤放大器。§6-1概述2/4/20231.光放大器的应用现状各种光放大器中，以掺杂光纤放大器研究的居多；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的铒掺杂光纤放大器(EDFA)；工作波长为1300nm的镨掺杂光纤放大器(PDFA)；工作波长为1400nm的铥掺杂光纤放大器(TDFA)；目前，EDFA最为成熟，是光纤通信系统必备器件。§6-1概述2/4/20232.EDFA给光纤通信领域带来的革命

EDFA解决了系统容量提高的最大的限制——光损耗；补偿了光纤本身的损耗，使长距离的光纤传输成为可能；大大增加了功率预算的冗余，系统中引入各种新型光器件成为可能；支持了最有效的增加光通信容量的方式-WDM；推动了全光网络的研究开发热潮。§6-1概述2/4/2023一、EDF的结构

EDF在泵浦光的作用下，直接对信号光进行放大，是提供光增益的核心部件。§6-2EDF的结构与EDFA工作原理00.20.40.60.81.0010002000300040005000b/a铒离子浓度ppm铒离子浓度与b/a值的关系Er3+GeO2-Al2O3-SiO2GeO2-SiO2F-SiO22b2aEr掺铒区（浓度1100~2500ppm)掺锗区直径4~6um硅包层直径125um△+：~1.3%△-：~0.7%EDF的结构与折射率分布2/4/2023对于EDF，为了实现有效放大所要求的足够多的铒离子数反转，应该增加掺铒区泵浦光的功率密度，为此，需要减小纤芯横截面积Aeff，从而使EDF的结构最佳化；定义有效纤芯面积Aeff为同时，适当减小b/a值也是必要的，把掺铒区局限在光纤纤芯的中心，但较小的值减小了对泵浦光的吸收效率，并要求较长的EDF，或较高的铒离子浓度；掺铝是为了展宽频带宽度（带宽由掺杂剂决定）。§6-2EDF的结构与EDFA工作原理2/4/2023二、EDFA的工作原理

铒的自由离子具有不连续的能级，当Er3+被结合到硅光纤时，它们的每个能级被分裂为许多紧密相关的能级---能带。能级分裂为能带以后会有什么影响？在EDFA中能级分裂为能带是有利的：第一：使EDFA对光信号的放大不只是单个波长而是一组波长的能力，即在一段波长范围内的光波长都可以得到放大；第二：避免了细调泵浦激光波长。§6-2EDF的结构与EDFA工作原理2/4/2023

EDFA采用掺铒离子单模光纤为增益介质，在泵浦光作用下产生粒子数反转，信号光诱导实现受激辐射放大。

信号光与波长较其为短的光波(泵浦光)同沿光纤传输，泵浦光的能量被光纤中的稀土元素离子吸收而使其跃迁至更高能级，并可通过能级间的受激发射转移为信号光的能量。信号光沿光纤长度得到放大，泵浦光沿光纤长度不断衰减。§6-2EDF的结构与EDFA工作原理Inputsignal1530nm-1570nmAmplifiedoutputsignalPowerlaser(Pump)980nmor1480nmFibercontainingerbiumdopant2/4/2023

吸收带可以是520、650、800、980、1480nm；

波长短于980nm的泵浦效率低，因而通常采用980和1480nm泵浦。Er3+有三个工作能级：§6-2EDF的结构与EDFA工作原理1550nm吸收泵浦光快速非辐射跃迁光放大受激辐射产生噪声自发辐射受激吸收基态能带泵浦能带980nm1480nm亚稳态能带2/4/2023实现粒子数反转的过程：--电子吸收泵浦光跃迁

Er3+在未任何光激励的情况下，处于最低能级基态上。在980nm泵浦光的作用下，电子不断从基态能级吸收泵浦光的能量跃迁到激发态，但是电子在激发态的生存期很短，对于，平均寿命为1us，电子迅速以“非辐射方式跃迁至亚稳态，在亚稳态上电子有较长的寿命，在源源不断的泵浦下，亚稳态上的粒子数积累，从而实现粒子数反转分布；电子被1480nm的泵浦光不断地泵浦到亚稳态上，此时电子在亚稳态上生存期较长（~10ms），不断地积累实现粒子数反转分布。§6-2EDF的结构与EDFA工作原理2/4/2023此动画为实现粒子数反转分布的动画：基态的电子在泵浦光的作用下被源源不断的抽运到泵浦态，泵浦态的电子以无辐射的形式跃迁到亚稳态。§6-2EDF的结构与EDFA工作原理2/4/2023实现光放大的过程：

当WDM的信号光通过这段粒子数反转分布的EDF时，电子在WDM信号光作为感应光场的情况下，从亚稳态受激辐射到基态上，并产生与输入光子完全一样（具有相同波长、相同方向和相同相位）的光子，从而实现信号光在EDF的传播过程中被放大。因此，简单地说，EDFA放大就是把泵浦能量转换为信号光的能量，而且它的效率很高。泵浦效率等因素的影响，980nm、1480nm半导体激光器更适合于EDFA的泵浦光源，而且这两种半导体激光器已经得到很好的商用化。另外，980nm相对于1480nm而言，增益高、噪声小，是目前EDFA的首选泵浦光源。§6-2EDF的结构与EDFA工作原理2/4/2023此动画为实现光放大过程的动画：亚稳态上的反转分布粒子在信号光的感应下跃迁到基态上，释放出一模一样的大量光子，从而实现光放大。§6-2EDF的结构与EDFA工作原理2/4/2023三、EDFA的基本光路结构和泵浦方式1.基本光路结构2.泵浦方式

EDFA的光路结构按照所采用的泵浦方式可以分为三种形式：§6-2EDF的结构与EDFA工作原理2/4/2023§6-2EDF的结构与EDFA工作原理反向泵浦（后向泵浦）型：输出信号功率高。输出信号功率比单泵浦源大约高3dB，且放大特性与信号传输方向无关正向泵浦（同向泵浦）型：好的噪声性能。2/4/2023

由于光纤对1480nm的光损耗较小，所以1480nm泵浦光常用于遥泵方式。光路结构中的器件说明：光纤耦合器：波长敏感型光纤耦合器（WDM），将泵浦光和信号光复用耦合进EDF；光隔离器：保证光信号正向传输的器件、防止反射光影响EDFA的工作稳定性；§6-2EDF的结构与EDFA工作原理RemotePumping2/4/2023EDF：长度10~100m的掺铒光纤，铒离子的浓度约100~2000ppm（partpermillion）；泵浦光源：半导体激光器，980/1480nm，泵浦功率为10~200mW；光滤波器：滤除放大器的噪声，降低噪声对系统的影响，提高系统的信噪比。

其中，主体部件是泵浦光源和EDF。一方面，EDFA的引入使系统的中继距离加大，节省设备成本，另一方面，新的问题也将产生，如非线性、噪声（前向、后向传输）积累以及增益均衡等。§6-2EDF的结构与EDFA工作原理2/4/2023一、增益（光的放大性质）增益是评价一个光放大器时的第一特性。1.定义增益G是输出光功率与输入光功率之比，即

G=Pout/Pin以分贝表示：实际上，计算增益时往往需考虑噪声功率：§6-3EDFA的特性2/4/2023§6-3EDFA的特性例：EDF的输入光功率是300W，输出功率是60mW,EDFA的增益是多少？假如放大自发辐射噪声功率是30W，EDFA的增益又是多少？解：EDFA增益是或当考虑放大自发辐射噪声功率时，EDFA增益为！！!以上结果是单个波长光的增益，不是整个EDFA带宽内的增益。2/4/20232.增益饱和（饱和输出功率）输入信号的功率越大≠增益G越大！一个高功率的输入信号，意味着每单位时间内大量的光子进入EDF，然后这些光子在单位时间内激发高能级到低能级的大量迁移，这意味着高能级会很快耗尽光子，即：输入光功率越大，高能级将会有很少的粒子数。高能级上的粒子数耗尽意味着增益的减少，这种现象称为增益饱和。

饱和输出功率：增益相对小信号增益减少3dB时的输出信号的光功率称为饱和输出功率。§6-3EDFA的特性2/4/2023

小信号增益：

EDFA工作在线性范围区域时的增益，此时在给定的信号波长和泵浦功率下，增益G基本上与输入信号光功率无关，即：输入光功率较小（小信号）时，增益是一个常数，用G0表示，输出光功率Pout与输入光功率Pin成正比例。

增益比小信号增益降低3dB时的波长间隔，称为小信号增益波长带宽，可以达到35nm以上。§6-3EDFA的特性2/4/2023§6-3EDFA的特性饱和输出功率：放大器增益降至小信号增益一半时的输出功率。3dBPout,sat当Pin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G02/4/20233.增益G是激励光纤长度的函数

EDF有一最佳长度。

EDF中泵浦租用是沿激励光纤长度提供的，对于一定的泵浦光功率，如果EDF的长度超过了一定的范围，泵浦光功率沿光纤衰减，然后消耗到阈值功率以下，信号光将会受到越来越小的增益，并且最终经受损耗，即：低能级上有比高能级上更多的电子，其能量不足以使EDF中的粒子数翻转，而且要吸收已放大的信号能量，此时，EDF对信号光开始产生吸收损耗。因此，EDF有一最佳长度，它与光纤的特性有关，如：掺杂浓度、增益带宽等。§6-3EDFA的特性2/4/2023§6-3EDFA的特性小信号增益随放大器长度而变的曲线增益的大小考虑了EDF的长度以后，还有什么因素需要考虑？2/4/20234.小信号增益随泵浦功率而变泵浦功率越大，激发到高能级上的电子数量就越多，EDFA的增益就越大，但是，并不是说高的泵浦功率会从低能级上扫除所有的电子！光放大是一个动态过程，在低能级不断堆积信号光激发从激发态能级上落下的电子。

对于给定的放大器长度（EDF长度），增益随泵浦功率在开始时按指数增加，当泵浦功率超过一定值时，增益增加变缓，并趋于一恒定值。§6-3EDFA的特性2/4/2023

EDFA放大多信道时，泵浦功率被所有要放大的波长共享，传输的多路复用的波长数越多，为满足EDFA的泵浦功率就越大。

多信道同时被放大时，不同波长的增益一样吗？§6-3EDFA的特性2/4/20235.增益G是输入波长的函数

增益谱G()：增益G与信号光波长的关系。光放大器的增益谱不平坦。§6-3EDFA的特性2/4/2023增益平坦性：

§6-3EDFA的特性2/4/2023二、噪声

噪声是EDFA（事实上，任何类型的放大器都得考虑其噪声特性）的第二个重要特性。

EDFA中，放大信号时产生其自身的噪声，把自发辐射或散射叠加到信号光上，并且占有整个放大带宽，也不可能完全滤除，因此，光放大器改变了输入信号和输出信号的信噪比SNR，导致被放大信号的信噪比下降。

SNR降低程度用噪声系数/噪声指数NF表示，定义为

NF>1，即放大器降低了SNR，然而放大器也将信号功率增加到很高的程度以便我们容忍了SNR的降低。§6-3EDFA的特性2/4/2023§6-3EDFA的特性2/4/2023

主要噪声源：放大的自发辐射噪声ASE(AmplifiedSpontaneousEmission)，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。

EDFA放大1540波长信号时产生的影响，ASE噪声叠加在信号上，导致信噪比下降。§6-3EDFA的特性化弊为利：ASE宽带光源2/4/2023

自发辐射噪声ASE：一部分电子自发辐射到低能级的能带上，这些自发辐射产生的光子在信号光相同频率范围内，但它们在相位和方向上是随机的，那些与信号同方向的自发辐射光子被活性物质放大。这些自发辐射并经放大的光子放大的自发辐射噪声ASE。它们在相位是随机的，对于信号光没有贡献而产生了信号带宽内的噪声。

ASE噪声近似为白噪声，噪声功率谱密度为：式中nsp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。§6-3EDFA的特性2/4/2023自发辐射因子或粒子数反转因子nsp定义为因此，N2/(N2-N1)→1时（高能级粒子数大大多于低能级上的粒子数），自发辐射因子达到最小值，此时会有一个理想的放大器，但这种情况永远不会达到，实际的nsp的范围典型值是1.4~4。§6-3EDFA的特性激发态的粒子数基态的粒子数2/4/2023放大器自发辐射噪声ASE的平均总功率PASE：式中，hf是光子能量，G是放大器的增益，Δf是放大器的带宽。研究发现，实际信号（含噪声）的变化来自于噪声-噪声拍频噪声和噪声-信号拍频噪声。其中噪声-噪声的拍频噪声很容易用窄带滤波器滤除（EDFA中通常包括一个ASE滤波器），由滤波器完成。真正的损害是由噪声-信号的拍频噪声造成的，它在信号带宽内，这种噪声不能被滤除掉，是对EDFA噪声系数真正起作用的因素。§6-3EDFA的特性2/4/2023基于噪声-信号拍频的噪声系数：所以NF的范围为2(1.4~4)→3(NF的量子极限)~8dB.

因此，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也降低了一倍（或3dB）。对大多数实际的放大器NF均超过3dB，并可能达到6~8dB。希望放大器的NF尽可能低。对于不同的泵浦波长，NF略有差异。当使用1480nm泵浦时，由于泵浦态和亚稳态处于同一能带中，该能带中的粒子数服从波尔兹分布规律，所以始终有部分粒子保持在泵浦态上，使得基态粒子不能全部反转，其反转程度小于980nm泵浦。正因为如此，980nm泵浦EDFA优于1480nm泵浦，对于980nm泵浦，其NF可接近量子极限，而1480nm泵浦的NF最小约4dB。§6-3EDFA的特性2/4/2023例：假如输入信号功率为300W，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20W，计算光放大器的噪声指数。解：光放大器的输入信噪比为输出信噪比为所以噪声指数为

因此，虽然光放大器使输出信噪比下降了，但是同时也使输出功率增加了，所以我们可以容忍输出SNR的下降。

§6-3EDFA的特性2/4/2023一、EDFA在光纤通信系统中的应用

EDFA在光纤通信系统中的主要应用是延长中继距离，当它与波分复用技术、光孤子技术结合时，可实现超大容量、超长距离的传输，其主要应用有以下四种形式：1.前置放大器—提高光接收机的灵敏度增益、噪声是主要参数，要求很苛刻。§6-4EDFA在光纤通信系统中的应用以及大功率化2/4/2023要求：高增益（不是功率）；低噪声。作前置放大器时，使接收机灵敏度提高10~20dB。

用途：放大一个长距离传输后的微弱光信号。前置放大器的另一个重要特性参数是它的灵敏度，即EDFA能处理的光输入信号的最小功率。前置放大器能运行在-40dBm（0.1uW）的输入功率条件下。(相干光通信的灵敏度水平)2.功率放大器—延长输出距离§6-4EDFA在光纤通信系统中的应用以及大功率化2/4/2023饱和输出功率是主要参数。

用来提高光发射机的输出功率，增加入纤功率，延长传输距离。应具有较高的饱和输出功率。3.线路/在线放大器—补偿线路损耗§6-4EDFA在光纤通信系统中的应用以及大功率化2/4/2023要求：

与前两种比较，应有中等的增益；中等的噪声；中等的饱和输出功率。这是EDFA在光纤通信系统中的一种重要应用，它可替代传统的O/E/O中继器，对线路中的光信号直接进行放大，是实现全光通信的重要保障之一。4.局域网的功率放大器—增加网络节点数§6-4EDFA在光纤通信系统中的应用以及大功率化2/4/2023

局域网的功率放大器补偿分配损耗，增加网络节点数。5.功率、在线、前置放大器的组合光发射机+功率放大器+前置放大器+光接收机光发射机+功率放大器+线路放大器+光接收机光发射机+线路放大器+前置放大器+光接收机光发射机+功率放大器+线路放大器+前置放大器+光接收机§6-4EDFA在光纤通信系统中的应用以及大功率化2/4/2023二、EDFA的大功率化

WDM系统要求EDFA具有足够高的输出功率，以保证各信道获得足够的光功率。方法：多级泵浦§6-4EDFA在光纤通信系统中的应用以及大功率化221916输出功率（dBm）154015702/4/2023双包层结构的EDF=0.7%=1.3%纤芯内包层外包层用于制作大功率EDFA的双包层光纤结构图芯层：5m内包层：50m芯层(掺铒)：传播信号光内包层：传播泵浦光双包层光纤是实现EDFA的重要技术，信号光在中心的纤芯里以单模传播，而泵浦光则在内包层中以多模传输。§6-4EDFA在光纤通信系统中的应用以及大功率化2/4/2023三、EDFA的宽带化

§6-4EDFA在光纤通信系统中的应用以及大功率化2/4/2023§6-4EDFA在光纤通信系统中的应用以及大功率化2/4/2023长波段（L-band）掺铒光纤放大器：

L波段的造价高，原因是：低反转水平，需长掺铒光纤，强泵浦，此波段其它光器件价格较高。§6-4EDFA在光纤通信系统中的应用以及大功率化2/4/2023四、EDFA在级联中可能出现的问题及解决办法

EDFA的引入一方面使系统的中继距离加大，节省设备成本；另一方面也产生了一些新的问题，如非线性、高的输出功率（增益钳制）、噪声积累和增益均衡等，并且对高速线路系统构成影响。1.噪声积累第一级EDFA对信号进行放大的同时，产生放大的自发辐射噪声ASE（前向与后向），此时ASE与放大信号一同沿光纤传输，会被第二级、第三级···EDFA放大，同时，第二级、第三级···EDFA也将产生自己的ASE噪声，并且不断积累，放大累积的噪声以两种方式影响系统性能：§6-4EDFA在光纤通信系统中的应用以及大功率化2/4/2023放大累计的ASE被接收机接收，影响系统的性能（误码率、灵敏度等）；当ASE幅度增加到一定程度时，它开始使光放大器饱和并减小信号增益。当K个EDFA级联时，考虑ASE影响的有效噪声系数：解决办法：滤波器滤除；§6-4EDFA在光纤通信系统中的应用以及大功率化2/4/2023噪声积累到一定程度后，插入一个O/E/O中继器，使含有累积噪声的输出信号由相关电路（经门限电路判决）去掉该噪声。2.增益均衡（增益平坦化）

EDFA对不同波长光信号的放大增益不同，从而在EDFA多级串联后，使不同波长的光增益相差很大（贫富差距拉大），这就限制了WDM系统中使用的信道数量。§6-4EDFA在光纤通信系统中的应用以及大功率化2/4/2023§6-4EDFA在光纤通信系统中的应用以及大功率化EDFA级联特性：信道间增益竞争，多级级连使用导致“尖峰效应”。2/4/202315441569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。§6-4EDFA在光纤通信系统中的应用以及大功率化2/4/2023BER接收光功率光功率波长光功率波长光发射机光发射机光发射机光发射机N

123光接收机光接收机光接收机光接收机EDFA1N

32§6-4EDFA在光纤通信系统中的应用以及大功率化2/4/2023光放大的增益平坦化技术：（1）插入衰减器法

使EDFA输出的光信号经波分复用后变成独立波长的光信号，使增益大的波长对应大的衰减值，从而实现各波长的增益均衡