光纤通信系统（第3版） 课件 第六章 光放大技术

光纤通信系统2本章要点本章主要介绍光放大器原理、类型和主要实现技术。光放大器是实现高速率大容量光纤通信系统重要的系统元件，可以部分地代替光中继器，节约系统成本。

本章教学课时为4学时。36.1光放大器原理

光放大器是一种能在保持光信号特征不变的条件下，增加光信号功率的有源设备。

光放大器的基本工作原理是受激辐射或受激散射效应，其工作机制和激光器的发光原理非常相似。实际上，也可以将光放大器理解为是一个没有反馈或反馈较小的激光器。对于某种特定的光学介质，当采用泵浦（电能源或光能源）方法，达到粒子数反转时就产生了光增益，即可实现光放大。46.1.1光放大器的基本原理半导体光放大器法布里－珀罗谐振腔式光放大器（FPSOA）注入锁定式光放大器（ILSOA）行波式光放大器（TWSOA）。掺杂稀土元素光放大器EDFA和PDFA光纤布里渊放大器光纤拉曼放大器56.1.2光放大器的主要参数泵浦和增益系数增益谱宽与放大器带宽增益饱和和饱和输出功率放大器噪声61.泵浦和增益系数

光学泵浦提供了所必须的能级间的粒子数反转，因而也就提供了光学增益，考虑一个均匀加宽的增益介质，其增益系数可以表示为

（6-2）由上式可以确定光放大器的增益谱宽、放大因子和饱和输出功率等参数。7图6-1两种泵浦原理示意图泵浦泵浦E3E1E2激光发射（a）三能级泵浦结构（b）四能级泵浦结构E3E1E2E082.增益谱宽与放大器带宽

小信号或非饱和状态时，增益系数可以表示为

可以看出，当ω＝ω0时增益最大。定义增益谱宽为增益谱g(ω)降至最大值一半处的全宽（FWHM）。而放大器的带宽定义为G(ω)降至最大放大倍数一半（3dB）处的全宽度FWHM。放大器的带宽比介质增益谱宽窄的多。93.增益饱和和饱和输出功率增益可以表示为

增益饱和是放大器能力的一种限制因素，通常将放大器增益降至最大小信号增益一半（3dB）时的输出功率定义为饱和输出功率。10图6-2放大器增益随输出功率的变化114.放大器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）降低，其降低程度通常用噪声指数Fn来表示，其定义为

（6-12）式中的SNR是由光接收机测得的，因此所得Fn值也和接收机参数有关。理论分析表明，对于理想放大器而言被放大信号的SNR也降低了2倍（3dB），对大多数实际的放大器Fn均超过3dB，并可能达到6～8dB。126.1.3光放大器分类136.2掺铒光纤放大器EDFA掺铒光纤能放大光信号的基本原理在于铒离子能吸收泵浦光的能量，实现粒子数反转。

当波长为1.55μm附近的信号光通过已被激活的掺铒光纤时，亚稳态上的粒子以受激辐射的方式跃迁到基态。对应于每一次跃迁，都将产生一个与激发该跃迁的光子完全一样的光子，从而实现了信号光在掺铒光纤的传播过程中不断放大。6.2.1EDFA的特点工作波长处于1.53~1.56μm范围，与光纤最小损耗波长窗口一致；对掺铒光纤进行激励所需要的泵浦光功率较低，仅需数十mW；增益高、噪声低、输出功率高。EDFA的典型小信号增益可达40dB，噪声系数可低至3~4dB，输出功率可达14~20dBm；连接损耗低。EDFA是光纤型放大器，其与光纤线路间的连接较为容易，连接损耗可低至0.1dB。14156.2.2EDFA结构及工作原理掺铒光纤放大器（EDFA，ErbiumDopedFiberAmplifier是目前最成熟的光放大器。EDFA主要由掺铒光纤（EDF）、泵浦光源、耦合器、隔离器等组成。16图6-4EDFA的基本组成长度为10m~100m左右的掺铒光纤，铒离子的掺杂浓度一般为25mg/kg左右。半导体激光器，输出功率为10~100mW，工作波长为0.98μm或1.48μm。将信号光和泵浦光耦合在一起。保证信号单向传输滤除噪声，提高信噪比。17铒离子能级分布泵浦能带快速非辐射衰变亚稳态能带图6-6铒离子吸收谱1819EDFA泵浦方式EDFA的内部按泵浦方式分，有三种基本的结构：即同向泵浦、反向泵浦和双向泵浦。同向泵浦信号光与泵浦光以同一方向从掺铒光纤的输入端注入的结构，也称为前向泵浦。

反向泵浦信号光与泵浦光从两个不同方向注入进掺铒光纤的结构，也称后向泵浦。双向泵浦同向泵浦和反向泵浦同时泵浦的结构。20三种不同泵浦方式EDFA结构不同泵浦方式性能差异21226.2.3EDFA性能参数功率增益输出功率特性噪声特性231.功率增益定义为输出功率与输入功率之比。EDFA的增益大小与多种因素有关，通常为15～40dB。24图6-14增益（G）与掺铒光纤长度的关系252.输出功率对于EDFA而言，当输入功率增加时，受激辐射加快，以至于减少了粒子反转数，使受激辐射光减弱，输出功率趋于平稳。衡量EDFA的输出功率特性通常使用3dB饱和输出功率，其定义为饱和增益下降3dB时所对应的输出功率值。263.噪声EDFA的输出光中，除了有信号光外，还有自发辐射光，它们一起被放大，形成了影响信号光的噪声源，EDFA的噪声主要有以下四种：①信号光的散粒噪声；②被放大的自发辐射光的散粒噪声；③自发辐射光谱与信号光之间的差拍噪声；④自发辐射光谱间的差拍噪声。以上四种噪声中，后两种影响最大，尤其是第三种噪声是决定EDFA性能的主要因素。

理论分析表明，EDFA的噪声指数Fn的极限值是3dB。这表明在即使是在理想情况下，每经过一个EDFA，信噪比也会下降一半。276.2.4EDFA的应用在长距离、大容量、高速率光纤通信系统中，EDFA有多种应用形式，其基本作用是：（1）延长中继距离，使无中继传输达数百公里。（2）与波分复用技术结合，可迅速简便地实现扩容。（3）与光孤子技术结合，可实现超大容量、超长距离光纤通信。（4）与CATV等技术结合，对视频传播和ISDN具有积极作用。28EDFA应用形式296.3光纤拉曼放大器FRA拉曼放大具有广阔的光谱范围。拉曼放大器FRA是唯一能在1260nm到1675nm的光谱上进行放大的器件。拉曼放大器适合于任何类型的光纤，且成本较低。FRA可采用同向、反向或双向泵浦，增益带宽可达6THz。分布式受激拉曼散射放大器能增加放大器之间的距离，因而可以在速率高达40Gbit/s的高速光网络中发挥重要作用。306.3.1受激拉曼散射原理在许多非线性介质中，受激拉曼散射将一小部分入射功率由一光束转移到另一频率下移的光束，频率下移量由介质的振动模式决定，此过程称为受激拉曼效应。

量子力学描述为入射光波的一个光子被一个分子散射成为另一个低频光子，同时分子完成振动态之间的跃迁，入射光作为泵浦光产生称为斯托克斯波的频移光。31图6-17受激拉曼散射的工作原理32图6-18泵浦波长为1μm时测得的拉曼增益谱336.3.2FRA结构光纤拉曼放大器的基本结构如图6-19所示。在输入端和输出端各有一个隔离器，目的是使信号光单向传输。泵浦激光器用于提供能量。近年来，FRA的泵浦源共有三个方案：一是大功率半导体激光器（LD）及其组合，二是Raman光纤激光器（RFL）；三是半导体泵浦固体激光器（DPSSL）。34图6-19FRA基本结构示意图35FRA不同配置FRA特点带宽较宽。拉曼放大器的增益谱宽可达40THz，其可用平坦增益范围有30nm，因此拉曼放大器可作为宽带放大器，同时对多个不同波长进行放大；SRS效应可在任意光纤中发生，即使在普通单模光纤中，也可获得一定增益，因此利用拉曼放大器可在原有光纤基础上直接扩容，可以减少投资；低噪声。光纤拉曼放大器具有优良的噪声特性，其自发辐射噪声优于EDFA，附加噪声也很小；可以通过灵活排列泵浦光的频率来对信号进行放大。3637表6-1FRA与EDFA比较EDFA拉曼放大器放大带宽20nm48nm增益20dB可达30dB饱和功率取决于发射功率和介质材料取决于泵浦光的功率放大频带决定于媒介决定于泵浦波长设计复杂简单泵浦源980nm或1480nm比信号峰值低100nm的任何波长386.3.4拉曼放大器的噪声特性光纤拉曼放大器中主要有三种噪声，一是放大器自发辐射（ASE）噪声，二是串话噪声，三是瑞利散射噪声。另外，拉曼放大器还会受非线性和受激布里渊散射造成的噪声影响。396.3.5混合拉曼/掺铒光纤放大器拉曼放大器和掺铒光纤放大器各有其独特的特点，将FRA和EDFA结合起来构成混合拉曼/掺铒光纤放大器（HFA），也是提高拉曼放大器性能的一种重要方法。使用混合拉曼/EDFA放大器，可以获得更加平坦的增益谱，从而提高系统的带宽，改善光信噪比（OSNR）。设计HFA的基本思想就是将掺铒光纤放大器和拉曼放大器级联，组成混合放大器，获得的总增益为两个放大器增益的叠加。40信号输入信号输出泵浦LDWDM传输光纤铒掺杂光纤光隔离器混合EDFA/FRA结构6.4新型光纤放大器

光放大器的出现极大地提升了光纤通信系统应用的灵活性，也有力地推动了大容量、长距离、多信道的光纤通信系统的迅速普及。例如，为了确保多信道光纤通信系统的传输质量，要求使用的光放大器具有足够的