光纤通信（第四版）光放大器

光放大器本章内容5.1引言5.2掺铒光纤放大器EDFA5.3受激拉曼放大器SRA5.4受激布里渊放大器SBA5.5其他光纤放大器5.6半导体光放大器SOA5.7光放大器应用5.8光纤激光器5.9光波长变换器5.1光放大器一、为什么要放大二、为什么要光放大三、光放大原理与类型四、光放大器的应用从光纤传输特性可知，影响线路最大传输距离的主要因素是光纤的损耗和色散。

损耗是指光脉冲信号在光纤中传输，随着传输距离的增加，脉冲幅度逐渐减小。为保证长距离传输，需设立中继站放大。一、为什么要放大一、为什么要放大光电光中继：首先将光纤中送来的光信号转换为电信号，然后对电信号进行放大，最后再将放大了的电信号转换为光信号送到光纤中去。

三种类型：只有放大和均衡功能的1R中继器（用于模拟信号的传输）、2R中继器，在1R的基础上加上数字信号处理如整形(Reshaping)功能和3R中继器，在2R的基础上再增加重新定时与判决功能（Retiming）。二、为什么要光放大光域光信号光信号光电光中继：单模光纤中的单个波长传输系统，对于多波长系统需多个光电光中继、电放大导致带宽受限、与输入信号有关不是透明放大。

光放大器：数量只需一个、透明放大与输入信号无关、带宽不受限。三、光放大原理与类型光放大器通过受激辐射过程来实现入射光功率放大泵浦源提供的能量，在激活介质中为电子提供能量，使之抽运到较高的能级，产生粒子数反转输入信号光子通过受激辐射过程触发已激活的电子，使其跃迁到较低的能级，从而产生和输入信号光子同频率的光信号，实现输入光信号的直接放大。三、光放大原理与类型半导体光放大器SOA光纤放大器掺杂光纤放大器DFAEDFAPDFA非线性光纤放大器受激拉曼散射光纤放大器SRA受激布里渊散射光纤放大器SBA

基本原理铒能级：三能级系统吸收能带E3、亚稳态能带E2和基态能带E1。E3上粒子寿命很短，而E2上粒子寿命较长，因而易聚集粒子。泵浦光源：发光波长位于铒的吸收带，当泵浦源足够强时，从基态跃迁到E3上的电子了，很快便在E2上聚集，从而在E2与E1之间形成粒子数反转分布，使对信号光具有放大作用。输入光信号：输入位于铒辐射带内的光信号，其光子能量等于E2和E1的能级差时，则亚稳态E2上的粒子以受激辐射的形式跃迁到基态E1上，并辐射出和输入信号光子一样的全同光子。5.2掺铒光纤放大器EDFA

基本结构5.2掺铒光纤放大器EDFA掺铒光纤半导体泵浦二极管

合波器（WDM耦合器）光隔离器

三种常用结构5.2掺铒光纤放大器EDFA

同向泵浦5.2掺铒光纤放大器EDFA泵浦光与信号光从同一端注入掺杂光纤。在掺铒光纤的输入端，泵浦光较强，故粒子反转激励也强，其增益系数大，信号一进入光纤就得到较强的放大。但由于光纤的吸收，泵浦光将沿着光纤长度衰减，这一因素使在一定的光纤长度上达到增益饱和而使噪声增加。

反向泵浦5.2掺铒光纤放大器EDFA泵浦光与信号光从不同的反向输入掺杂光纤，两者在光纤中反向传输。优点：当光信号放大到很强时，泵浦光也强，不易达到饱和，因而噪声性能较好。

双向/多泵浦两个或多个泵浦源激励光纤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，从而使其增益也在光纤中均匀分布。

EDFA的优点工作波长与光纤最小损耗窗口一致，可在光纤通信中获得应用耦合效率高：因为是光纤型放大器，易与光纤耦合连接，连接损耗低至0.1dB能量转换效率高：光与物质的作用充分，作用长度较长，转换效率很高增益高、噪声低、输出功率大：增益可达40dB，输出功率可达14～20dBm，噪声系数可低至3～4dB增益特性稳定：对温度不敏感，适应各种环境5.2掺铒光纤放大器EDFA

性能参数5.2掺铒光纤放大器EDFA功率增益：定义为输出信号功率与输入信号功率之比。

输出饱和功率：定义为小信号增益下降3dB时的输出功率。增益带宽：平坦增益对应的波长范围带宽。噪声系数：定义为输入信噪比与输出信噪比之比。

EDFA噪声5.2掺铒光纤放大器EDFA光散粒噪声、放大的自发辐射(ASE)噪声、ASE光谱与信号光之间的差拍噪声（是指信号和ASE经光电检测器输出的光生电流表达式中的交叉项）、ASE光谱间的差拍噪声（是指ASE的二次项）。ASE噪声：激活介质所产生的噪声。绝大多数受激载流子因受激辐射而被迫落到较低的能带上，但它们中一部分是自发辐射落到较低能带，自发地辐射出光子，这些光子落在与信号光相同的频率范围内，放大后虽落也在带宽内但对信号光没有贡献，是放大的自发辐射(ASE)噪声。基本原理5.3受激拉曼放大器SRA受激拉曼散射(SRS)过程可以看成是物质分子对光子的散射过程，激光进入介质以后，光子被介质吸收，使介质分子由基能级E1激发到高能级E3，但高能级是一个不稳定状态，它将很快跃迁到一个较低的亚稳态能级E2并发射一个散射光子，称为斯托克斯(Stokes)光子，然后驰豫回到基态，并产生一个光学声子，这个非弹性散射过程前后总的能量是守恒。实际上还可能存在另一个散射过程，如果少数分子在吸收光子能量以前已处在激发态E2，则它吸收光子能量以后将被激发到一个更高的能级E3上，这个分子从E3跃迁直接回到基能级E1，将发射一个所谓反斯托克斯(Anti-Stokes)光子。特点5.3受激拉曼放大器SRA石英光纤具有很宽的受激拉曼散射（SRS）增益谱，并在13THz附近有一较宽的主峰。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，弱信号光即可得到放大。FRA具有频带宽、增益高、输出功率大、响应快与系统连接方便等优点。但它的泵浦效率低，需要很大的泵浦光功率，限制了它的应用。5.4受激布里渊放大器SBA基本原理SBS是一个入射光波、散射光波与声波的三波参数作用过程。前向的pump光把部分能量交给了后向的Stokes光（前向为零），使Stokes光得到加强，称SBS增益。Stokes光的频率低于pump光的频率，两者的差异就是声子的频率，称为布里渊频移。布里渊频移约11GHz，散射光谱窄。其它波段的掺杂光纤放大器除了工作于1.55um的EDFA外，还有很多工作于其它波段的掺杂光纤放大器。工作物质也是镧系元素，一般不用石英光纤作，而是用氟化物光纤。0.81um波段掺铥光纤放大器0.85um波段掺铒光纤放大器1.3um波段掺镨光纤放大器PDFA1.3um波段的掺钕光纤放大器2.7um波段掺铒光纤放大器5.5其他光纤放大器基本原理5.6半导体光放大器SOA半导体光放大器SOA的激活介质是正向偏置的PN结。与半导体激光器的机制类似，产生SOA增益机制所需的粒子数反转的泵浦方法是采用外部电流注入。SOA按照端面反射系数的大小分为谐振式的法布里－珀罗放大器FPA，存在光反射，R为0.01～0.3非谐振的行波放大器TWA，这种放大器反射受到抑制R1=R2=0应用5.6半导体光放大器SOASOA的应用主要集中在以下几个方面。一、光放大器实用化的EDFA其工作波长为1.55µm，而工作波长为1.30µm的EDFA目前尚未达到实用化的水平，所以SOA还是需要。二、光电集成器件半导体放大器可与光纤放大器相抗衡的优点是体积小、成本低以及可与其它光电子器件集成。三、光开关因为半导体在有泵浦时可以产生放大，而在没有泵浦时发生吸收，实现光信号的通断。值得注意的是只有半导体放大器才能够完成高速开关。四、全光波长变换器AOWCSOA中发生的交叉增益调制、交叉相位调制和四波混频效应可实现波长转换。线路（在线）光放大器：在线放大器代替光电光混合中继器前置放大器：

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（后置）放大器：

在光发送机后以提高光发送机的发送功率，增加传输距离，这种放大器称为功率放大器功率补偿器：将光放大器用于补偿光纤的分配损耗，以增大网络节点数5.7光纤放大器的应用掺铒光纤激光器5.8光纤激光器EDF提供光放大；环形谐振腔有选择性地为输出波长的激光提供反馈增益来克服腔内的光损耗；光隔离器和滤波器保证光的单向传输；二个泵浦激光通过WDM耦合器对铒光纤泵浦。光纤光栅激光器5.8光纤激光器EDF提供光放大；光纤光栅代替平面反射镜构成的谐振腔选择性地为输出波长的激光提供反馈增益来克服腔内的光损耗；光隔离器和滤波器保证光的单向传输；二个泵浦激光通过WDM耦合器对铒光纤泵浦。5.9光波长变换器光波长变换器：

把输入波长上载运的信息转移到新的输出波长上的技术5.9光波长变换器二种光波长变换器：

小结为克服光纤损耗和色散的影响，需要使用中继器来延长传输距离。传统的中继器使用光电光中继形式，光放大器的出现和应用使得光直接放大成为可能。光放大器包括半导体光放大器和光纤放大器，其中光纤放大器又包括非线性光纤放大器和掺杂光纤放大器。掺杂光纤放大器中应用最广泛的掺铒光纤放大器对光纤通信的发展有着