情境4-3 光放大器

1、情境情境4 4光纖通信系統(tǒng)光纖通信系統(tǒng)情境情境4-34-3光放大器光放大器v 光纖的損耗和色散限制了通信距離光纖的損耗和色散限制了通信距離v為了滿足長距離通信的需要，必須在光纖傳輸線路上每為了滿足長距離通信的需要，必須在光纖傳輸線路上每隔一定距離加入一個中繼器以補(bǔ)償光信號的衰減和對隔一定距離加入一個中繼器以補(bǔ)償光信號的衰減和對畸變信號進(jìn)行整形，然后繼續(xù)向終端傳送?；冃盘栠M(jìn)行整形，然后繼續(xù)向終端傳送。v中繼方法：中繼方法：光電光混合中繼器結(jié)構(gòu)復(fù)雜，價(jià)格昂貴，且不能用于光電光混合中繼器結(jié)構(gòu)復(fù)雜，價(jià)格昂貴，且不能用于波分復(fù)用系統(tǒng)中。波分復(fù)用系統(tǒng)中。全光中繼器對光信號進(jìn)行直接放大。全光中繼器對光信號

2、進(jìn)行直接放大。傳統(tǒng)的光中繼器采用光電光結(jié)構(gòu)，這種方式對中等速率的傳統(tǒng)的光中繼器采用光電光結(jié)構(gòu)，這種方式對中等速率的單波長光纖系統(tǒng)很適用，但對于高速并且多波長的系統(tǒng)卻相當(dāng)單波長光纖系統(tǒng)很適用，但對于高速并且多波長的系統(tǒng)卻相當(dāng)復(fù)雜，而且價(jià)格昂貴復(fù)雜，而且價(jià)格昂貴v對色散限制的系統(tǒng)，有必要對光信號進(jìn)行再生，采用光對色散限制的系統(tǒng)，有必要對光信號進(jìn)行再生，采用光電轉(zhuǎn)換的電轉(zhuǎn)換的中繼器中繼器。v對損耗限制的系統(tǒng)，只用對光信號進(jìn)行放大，采用對損耗限制的系統(tǒng)，只用對光信號進(jìn)行放大，采用光放光放大器大器。光放大器優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡單、價(jià)格便宜光放大器優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡單、價(jià)格便宜v光放大器是一種可以不經(jīng)過任何光電、電光的

3、內(nèi)部轉(zhuǎn)換而直光放大器是一種可以不經(jīng)過任何光電、電光的內(nèi)部轉(zhuǎn)換而直接放大光信號的放大器接放大光信號的放大器v光放大器不能解決重構(gòu)信號的問題，但是可以解決因?yàn)楣β使夥糯笃鞑荒芙鉀Q重構(gòu)信號的問題，但是可以解決因?yàn)楣β蕦?dǎo)致的傳輸距離限制問題導(dǎo)致的傳輸距離限制問題v光放大器的出現(xiàn)促使了波分復(fù)用技術(shù)（光放大器的出現(xiàn)促使了波分復(fù)用技術(shù)（WDM）走向?qū)嵱没┳呦驅(qū)嵱没?v光放大器的種類光放大器的種類半導(dǎo)體激光放大器半導(dǎo)體激光放大器傳輸光纖放大器傳輸光纖放大器摻雜光纖放大器摻雜光纖放大器4.3.1 4.3.1 光放大器的基本應(yīng)用與分類光放大器的基本應(yīng)用與分類4.3.2 4.3.2 半導(dǎo)體光放大器半導(dǎo)體光放大器4

4、.3.3 4.3.3 摻鉺光纖放大器摻鉺光纖放大器4.3.4 4.3.4 光纖拉曼放大器光纖拉曼放大器4.3.1 4.3.1 光放大器的基本應(yīng)用與分類光放大器的基本應(yīng)用與分類1. 1. 光纖放大器光纖放大器光纖放大器（光纖放大器（Optical Fiber AmplerOptical Fiber Ampler，簡寫，簡寫OFAOFA）是指）是指運(yùn)用于光纖通信線路中，實(shí)現(xiàn)信號放大的一種新型全光放大運(yùn)用于光纖通信線路中，實(shí)現(xiàn)信號放大的一種新型全光放大器。器。 光放大器的出現(xiàn)和發(fā)展克服了高速長距離傳輸?shù)淖畲笳瞎夥糯笃鞯某霈F(xiàn)和發(fā)展克服了高速長距離傳輸?shù)淖畲笳系K礙光功率受限，這是光通信史上的重要里程碑。

5、光功率受限，這是光通信史上的重要里程碑。光放大器是一種不需要經(jīng)過光光放大器是一種不需要經(jīng)過光電電光變換而直接對光光變換而直接對光信號進(jìn)行放大的有源器件。信號進(jìn)行放大的有源器件。2.2.光放大器的基本光放大器的基本應(yīng)用形式應(yīng)用形式根據(jù)光放大器在光根據(jù)光放大器在光纖線路中的位置和作用，纖線路中的位置和作用，一般分為一般分為中繼放大中繼放大、前前置放大置放大和和功率放大功率放大三種。三種。光纖鏈路在線放大器前置放大器長途光纖鏈路LAN功率放大器星形耦合器接收站功率放大器光發(fā)送光發(fā)送光發(fā)送光發(fā)送光接收光接收光接收（1 1）在線光放大）在線光放大v用于不需要光再生只需要簡單放大的場合用于不需要光再生只需

6、要簡單放大的場合v在單模鏈路中，光纖色散的影響較小，限制中繼距離的主要在單模鏈路中，光纖色散的影響較小，限制中繼距離的主要因素是光纖衰減，這種鏈路不一定需要信號的完全再生，簡因素是光纖衰減，這種鏈路不一定需要信號的完全再生，簡單的光信號放大就足夠了單的光信號放大就足夠了v因此，對于損耗限制鏈路，光放大器可以用來補(bǔ)償傳輸損耗因此，對于損耗限制鏈路，光放大器可以用來補(bǔ)償傳輸損耗從而增加再生中繼距離從而增加再生中繼距離 光纖鏈路在線放大器光發(fā)送光接收v在長距離傳輸系統(tǒng)中，需要應(yīng)用光放大器周期性地恢復(fù)因光在長距離傳輸系統(tǒng)中，需要應(yīng)用光放大器周期性地恢復(fù)因光纖損耗而減弱的光功率纖損耗而減弱的光功率v通常

7、在線放大器鏈中，每個通常在線放大器鏈中，每個EDFAEDFA能恰好補(bǔ)償前面使用的光纖能恰好補(bǔ)償前面使用的光纖所帶來的信號損耗，但是所帶來的信號損耗，但是EDFAEDFA中積累的自發(fā)輻射（中積累的自發(fā)輻射（ASEASE）噪）噪聲會造成信噪比的惡化聲會造成信噪比的惡化 （2 2）前置光放大）前置光放大v在光電檢測之前將微弱信號放大，可以抑制接收機(jī)中熱噪聲在光電檢測之前將微弱信號放大，可以抑制接收機(jī)中熱噪聲造成的信噪比下降造成的信噪比下降v這種采用這種采用EDFA+PINEDFA+PIN的光檢測方式相比采用雪崩光電二極管的光檢測方式相比采用雪崩光電二極管APDAPD，有較大的增益系數(shù)和較大的帶寬，有

8、較大的增益系數(shù)和較大的帶寬 前置放大器光發(fā)送光接收（3 3）功率放大）功率放大v在光發(fā)送機(jī)之后設(shè)置一個光放大器，可以增加發(fā)送功率，從在光發(fā)送機(jī)之后設(shè)置一個光放大器，可以增加發(fā)送功率，從而增加光纖中繼距離而增加光纖中繼距離 v由于作為功率放大，直接放在光發(fā)射機(jī)后面，輸入的功率電由于作為功率放大，直接放在光發(fā)射機(jī)后面，輸入的功率電平一般較高，通常平一般較高，通常 -8 dBm-8 dBm，一般要求有較高的泵浦功率，一般要求有較高的泵浦功率，以獲得較高的輸出功率以獲得較高的輸出功率v為了比放在接收機(jī)前作為前置放大器有更多優(yōu)點(diǎn)，這種放大為了比放在接收機(jī)前作為前置放大器有更多優(yōu)點(diǎn)，這種放大器的增益要求大

9、于器的增益要求大于5 dB 5 dB 長途光纖鏈路功率放大器光發(fā)送光接收（4 4）功率補(bǔ)償放大器）功率補(bǔ)償放大器v在局域網(wǎng)中用做附加的放大器，用于補(bǔ)償局域網(wǎng)（在局域網(wǎng)中用做附加的放大器，用于補(bǔ)償局域網(wǎng)（LANLAN）中的插入損耗和功率分配損耗，可以有效擴(kuò)大網(wǎng)徑和用中的插入損耗和功率分配損耗，可以有效擴(kuò)大網(wǎng)徑和用戶數(shù)量戶數(shù)量LAN功率放大器星形耦合器接收站光發(fā)送3.3.光放大器的分類光放大器的分類v半導(dǎo)體激光放大器半導(dǎo)體激光放大器。其結(jié)構(gòu)大體上與激光二極管。其結(jié)構(gòu)大體上與激光二極管（LDLD）相同，是基于半導(dǎo)體激光器工作原理的。）相同，是基于半導(dǎo)體激光器工作原理的。v摻雜光纖放大器摻雜光纖放大器

10、。在光纖原材料中摻入其它元素，形成摻雜。在光纖原材料中摻入其它元素，形成摻雜光纖。摻雜光纖放大器是利用稀土金屬離子作為激光工作物光纖。摻雜光纖放大器是利用稀土金屬離子作為激光工作物質(zhì)的一種放大器質(zhì)的一種放大器v傳輸光纖放大器傳輸光纖放大器。它是根據(jù)光纖中的非線性效應(yīng)制成的光放。它是根據(jù)光纖中的非線性效應(yīng)制成的光放大器。大器。4. 4. 光放大器的原理光放大器的原理基本原理：基本原理：通過通過受激輻射受激輻射或或受激散射受激散射原理實(shí)現(xiàn)對入射光信號的原理實(shí)現(xiàn)對入射光信號的放大的，其機(jī)理與激光器完全相同，但沒有反饋機(jī)制，因而可以放放大的，其機(jī)理與激光器完全相同，但沒有反饋機(jī)制，因而可以放大信號但不

11、能產(chǎn)生相干光輸出。大信號但不能產(chǎn)生相干光輸出?；窘Y(jié)構(gòu)：基本結(jié)構(gòu)：光放大器要結(jié)構(gòu)上是一個光放大器要結(jié)構(gòu)上是一個沒有反饋或反饋較小沒有反饋或反饋較小的激的激光器。光器。光放大器與激光器的區(qū)別是正反饋機(jī)制的有無光放大器與激光器的區(qū)別是正反饋機(jī)制的有無4.3.2 4.3.2 半導(dǎo)體光放大器半導(dǎo)體光放大器1.1.半導(dǎo)體激光放大器（半導(dǎo)體激光放大器（SOASOA）半導(dǎo)體激光放大器的機(jī)理與激光器類似，都是利用受激輻半導(dǎo)體激光放大器的機(jī)理與激光器類似，都是利用受激輻射對進(jìn)入增益介質(zhì)的光信號進(jìn)行直接放大，但它沒有反饋機(jī)制。射對進(jìn)入增益介質(zhì)的光信號進(jìn)行直接放大，但它沒有反饋機(jī)制。 覆蓋了覆蓋了1300-1600

12、nm1300-1600nm波段。不僅可用于光放大器的有益選波段。不僅可用于光放大器的有益選擇方案，還可促成擇方案，還可促成1310nm1310nm窗口窗口WDMWDM系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)；動態(tài)波長轉(zhuǎn)換。系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)；動態(tài)波長轉(zhuǎn)換。2. SOA2. SOA的基本工作原理的基本工作原理（1 1）激活介質(zhì)（有源區(qū)）吸收了外部泵浦提供的能量，電）激活介質(zhì)（有源區(qū)）吸收了外部泵浦提供的能量，電子獲得了能量躍遷到較高的能級，產(chǎn)生粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。子獲得了能量躍遷到較高的能級，產(chǎn)生粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。（2 2）輸入光信號通過受激輻射過程激活這些電子，使其躍）輸入光信號通過受激輻射過程激活這些電子，使其躍遷到較低的能級，從而產(chǎn)生一個放

13、大的光信號。遷到較低的能級，從而產(chǎn)生一個放大的光信號。 耦合光設(shè)備注入電流（泵浦）有源區(qū)傳輸光纖傳輸光纖包層纖芯放大后的光信號光輸入信號半導(dǎo)體光放大器半導(dǎo)體光放大器 (SOA)(SOA)pn外加正向偏壓實(shí)現(xiàn)結(jié)區(qū)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)外加正向偏壓實(shí)現(xiàn)結(jié)區(qū)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)泵浦導(dǎo)致受激輻射，信號光被放大泵浦導(dǎo)致受激輻射，信號光被放大內(nèi)部的自發(fā)輻射產(chǎn)生自發(fā)輻射噪聲內(nèi)部的自發(fā)輻射產(chǎn)生自發(fā)輻射噪聲(ASE)(ASE)，它也會被放大，它也會被放大沒有諧振腔的選擇，沒有諧振腔的選擇，SOASOA將同時(shí)輸出將同時(shí)輸出放大的光信號和自發(fā)輻射噪聲放大的光信號和自發(fā)輻射噪聲與半導(dǎo)體激光器工作原理類似。與半導(dǎo)體激光器工作原理類似。3.

14、SOA3. SOA的分類的分類v 法布里珀羅放大器（法布里珀羅放大器（FPAFPA）v 非諧振的行波放大器（非諧振的行波放大器（TWATWA） SOASOA的分類的分類解理面構(gòu)成諧振腔，自然反解理面構(gòu)成諧振腔，自然反射率達(dá)射率達(dá)32%32%。當(dāng)反射率超過。當(dāng)反射率超過一定值后，光放大器將變?yōu)橐欢ㄖ岛?，光放大器將變?yōu)榧す馄?。容易制作，但光信激光器。容易制作，但光信號增益對放大器溫度及入射號增益對放大器溫度及入射光頻率變化都很敏感。光頻率變化都很敏感。在兩個端面上有增透膜，選在兩個端面上有增透膜，選擇適當(dāng)切面角度，不會發(fā)生擇適當(dāng)切面角度，不會發(fā)生內(nèi)反射，入射光信號只要通內(nèi)反射，入射光信號只要通過一

15、次就會得到放大。帶寬過一次就會得到放大。帶寬寬、飽和功率高，因此使用寬、飽和功率高，因此使用更為廣泛。更為廣泛。4. SOA4. SOA的應(yīng)用及優(yōu)缺點(diǎn)的應(yīng)用及優(yōu)缺點(diǎn)C應(yīng)用：應(yīng)用：主要用于現(xiàn)代光纖通信系統(tǒng)中的主要用于現(xiàn)代光纖通信系統(tǒng)中的光開關(guān)、波長轉(zhuǎn)光開關(guān)、波長轉(zhuǎn)換換和和在線放大器在線放大器等方面。等方面。J優(yōu)點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)：體積小，結(jié)構(gòu)簡單，功耗低，頻帶寬，增益高等，體積小，結(jié)構(gòu)簡單，功耗低，頻帶寬，增益高等，易于同其它光器件和電路集成。易于同其它光器件和電路集成。L缺點(diǎn)：缺點(diǎn)：與光纖耦合困難，對光的偏振特性敏感，噪聲及與光纖耦合困難，對光的偏振特性敏感，噪聲及串?dāng)_大。串?dāng)_大。8080年代中、后期年

16、代中、后期SOASOA的研究為主；的研究為主；9090年代年代EDFAEDFA獲得巨大成功，成為光纖通信系統(tǒng)必不可獲得巨大成功，成為光纖通信系統(tǒng)必不可少的器件。少的器件。Erbium-doped fiber amplifierErbium-doped fiber amplifier(EDFA)(EDFA)1. 1. 摻雜光纖放大器摻雜光纖放大器利用摻雜離子在泵浦光作用下形成粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布，當(dāng)利用摻雜離子在泵浦光作用下形成粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布，當(dāng)有入射光信號通過時(shí)實(shí)現(xiàn)對入射光信號的放大作用。有入射光信號通過時(shí)實(shí)現(xiàn)對入射光信號的放大作用。典型代表典型代表: :1550nm1550nm的鉺的鉺ErEr摻雜

17、光纖放大器摻雜光纖放大器EDFAEDFA1300nm1300nm的鐠的鐠PrPr摻雜光纖放大器摻雜光纖放大器PDFAPDFA1400nm1400nm的銩的銩T T 摻雜光纖放大器摻雜光纖放大器TDFATDFA4.3.3 4.3.3 摻鉺光纖放大器摻鉺光纖放大器2. 2. 摻雜光纖放大器特點(diǎn)摻雜光纖放大器特點(diǎn)摻鉺與摻鐠光纖放大器具有增益高、噪聲低、頻帶寬、摻鉺與摻鐠光纖放大器具有增益高、噪聲低、頻帶寬、輸出功率高等優(yōu)點(diǎn)，具有廣泛的應(yīng)用前景。輸出功率高等優(yōu)點(diǎn)，具有廣泛的應(yīng)用前景。3. 3. 摻鉺光纖放大器摻鉺光纖放大器摻鉺光纖放大器（摻鉺光纖放大器（EDFAEDFA）是目前最成熟的光放大器。）是目

18、前最成熟的光放大器。EDFAEDFA具有高增益、寬帶寬、低噪聲、對偏振不敏感等具有高增益、寬帶寬、低噪聲、對偏振不敏感等一系列優(yōu)點(diǎn)。一系列優(yōu)點(diǎn)。EDFAEDFA是直接對光信號放大，增大中繼距離，實(shí)現(xiàn)超長是直接對光信號放大，增大中繼距離，實(shí)現(xiàn)超長距離傳輸（如海底光纖通信）；實(shí)現(xiàn)波分復(fù)用提高系統(tǒng)傳距離傳輸（如海底光纖通信）；實(shí)現(xiàn)波分復(fù)用提高系統(tǒng)傳輸速率；實(shí)現(xiàn)光時(shí)分復(fù)用以至光孤子傳輸；在接入網(wǎng)中應(yīng)輸速率；實(shí)現(xiàn)光時(shí)分復(fù)用以至光孤子傳輸；在接入網(wǎng)中應(yīng)用，能有效地補(bǔ)償光功率分配損耗，擴(kuò)大覆蓋范圍，降低用，能有效地補(bǔ)償光功率分配損耗，擴(kuò)大覆蓋范圍，降低成本造價(jià)。成本造價(jià)。 摻鉺光纖放大器原理圖摻鉺光纖放大器

19、原理圖輸入信號輸入信號耦合器耦合器980/1550nm WDM980/1550nm WDM泵浦光泵浦光摻鉺光纖摻鉺光纖輸出信號輸出信號光隔離器光隔離器構(gòu)造與單模光纖的構(gòu)造一樣。鉺離子位于構(gòu)造與單模光纖的構(gòu)造一樣。鉺離子位于纖芯中央地帶纖芯中央地帶，將鉺離子放在這里有利于其最大地吸收泵浦和信號能量，從將鉺離子放在這里有利于其最大地吸收泵浦和信號能量，從而產(chǎn)生好的放大效果。而產(chǎn)生好的放大效果。摻鉺高密度帶(1002000 ppm)直徑36 m摻鍺的纖芯直徑125 mSiO2包層直徑250 m涂覆層材料材料摻摻ErEr3+3+光纖光纖（1 1） 摻鉺光纖（摻鉺光纖（EDFEDF）的結(jié)構(gòu)）的結(jié)構(gòu) 折射

20、率較低的折射率較低的玻玻璃包層璃包層完善波導(dǎo)結(jié)完善波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，提供抗機(jī)械強(qiáng)構(gòu)，提供抗機(jī)械強(qiáng)度的特性。度的特性。涂覆層涂覆層將光纖總將光纖總直徑增大到直徑增大到 250m250m。（2 2） EDFAEDFA的工作原理的工作原理 摻鉺光纖摻鉺光纖Er3+的簡單能級圖和不同能級的躍遷過程的簡單能級圖和不同能級的躍遷過程基態(tài)，基態(tài)，能量最低能量最低激發(fā)態(tài)，激發(fā)態(tài)，能量最高能量最高亞穩(wěn)態(tài)，亞穩(wěn)態(tài)，中間能級中間能級當(dāng)當(dāng)泵浦泵浦(Pump, (Pump, 抽運(yùn)抽運(yùn)) )光激勵，鉺離子吸收泵浦光激勵，鉺離子吸收泵浦光，光，基態(tài)基態(tài)躍遷到躍遷到激發(fā)態(tài)激發(fā)態(tài)。激發(fā)態(tài)激發(fā)態(tài)不穩(wěn)定，不穩(wěn)定，ErEr3+3+很快返回到

21、很快返回到亞穩(wěn)態(tài)亞穩(wěn)態(tài)。亞穩(wěn)態(tài)亞穩(wěn)態(tài)粒子數(shù)積累，粒子數(shù)積累，形成形成粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布。粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布。如果輸入的信號光的如果輸入的信號光的能量等于基態(tài)和亞穩(wěn)態(tài)的能量等于基態(tài)和亞穩(wěn)態(tài)的能量差，能量差，亞穩(wěn)態(tài)亞穩(wěn)態(tài)的的ErEr3+3+將將躍遷到躍遷到基態(tài)基態(tài)，產(chǎn)生一個與，產(chǎn)生一個與信號光子完全一樣的光子，信號光子完全一樣的光子，實(shí)現(xiàn)了信號光在實(shí)現(xiàn)了信號光在摻鉺光纖摻鉺光纖中的放大中的放大。 激發(fā)態(tài)激發(fā)態(tài)亞穩(wěn)態(tài)亞穩(wěn)態(tài)基態(tài)基態(tài)（3 3）EDFAEDFA的工作過程：的工作過程：EDFA的工作過程的工作過程 980 nm 980 nm光子泵浦光子泵浦激光器使激光器使erer3+3+從從基態(tài)基態(tài)泵浦能帶泵浦能

22、帶( (激發(fā)態(tài)激發(fā)態(tài)) ) 受激離子受激離子激發(fā)態(tài)激發(fā)態(tài)亞穩(wěn)帶亞穩(wěn)帶衰變得非衰變得非?？斐？? (約約1s)1s)。多。多余的能量以聲子形余的能量以聲子形式釋放。式釋放。erer3+3+從亞穩(wěn)態(tài)能帶從亞穩(wěn)態(tài)能帶 底端底端, , 時(shí)間長時(shí)間長(10 ms(10 ms左右左右) )。 若有若有1480nm1480nm泵浦激光器泵浦激光器直接把電子從直接把電子從基態(tài)基態(tài)亞穩(wěn)態(tài)亞穩(wěn)態(tài)能能級的頂部。級的頂部。電子將移到電子將移到亞穩(wěn)態(tài)亞穩(wěn)態(tài)能級的能級的較低端，較低端，這時(shí)出現(xiàn)這時(shí)出現(xiàn)粒子數(shù)反粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布轉(zhuǎn)分布。EDFA的工作過程的工作過程信號光激勵信號光激勵, ,基態(tài)基態(tài)到亞穩(wěn)態(tài)躍遷：到亞穩(wěn)態(tài)躍遷：一

23、、基態(tài)的離子一、基態(tài)的離子將吸收一小部分外部將吸收一小部分外部光光, ,將躍遷到亞穩(wěn)態(tài)將躍遷到亞穩(wěn)態(tài)-受激吸收受激吸收 。亞穩(wěn)態(tài)離子，無激亞穩(wěn)態(tài)離子，無激勵光子流時(shí)，一部分勵光子流時(shí)，一部分躍遷到基態(tài)；躍遷到基態(tài)；自發(fā)輻自發(fā)輻射放大射放大(ASE)-(ASE)-導(dǎo)致放導(dǎo)致放大器的噪聲大器的噪聲。 二、信號光子觸發(fā)激發(fā)態(tài)的離子使其下降到基態(tài)。二、信號光子觸發(fā)激發(fā)態(tài)的離子使其下降到基態(tài)。受激輻射受激輻射- -發(fā)射與輸入信號光子具有相同能量、相同波矢量以及相同偏振態(tài)的發(fā)射與輸入信號光子具有相同能量、相同波矢量以及相同偏振態(tài)的新光子，新光子，實(shí)現(xiàn)光信號放大。實(shí)現(xiàn)光信號放大。亞穩(wěn)態(tài)和基態(tài)的寬度亞穩(wěn)態(tài)和基

24、態(tài)的寬度：15301560nm超過超過1560nm1560nm時(shí)增益會穩(wěn)定下降，時(shí)增益會穩(wěn)定下降，在大約在大約1616nm1616nm處降至處降至0dB0dB。EDFAEDFA和和LDLD中都有受激輻射，兩者有何區(qū)別？中都有受激輻射，兩者有何區(qū)別？答：答：EDFAEDFA中的受激輻射產(chǎn)生于中的受激輻射產(chǎn)生于整個摻鉺光纖材料整個摻鉺光纖材料中，其中中，其中粒子數(shù)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布反轉(zhuǎn)分布是在摻鉺光纖材料的是在摻鉺光纖材料的三能級三能級結(jié)構(gòu)之間結(jié)構(gòu)之間直接直接（泵浦激光（泵浦激光1480nm1480nm時(shí)）或時(shí)）或間接間接（泵浦激光（泵浦激光980nm980nm時(shí)）實(shí)現(xiàn)的（最終在能級時(shí)）實(shí)現(xiàn)的（最終在

25、能級E2E2和和E1E1之間形成粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布）。三個能級是：低能級之間形成粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布）。三個能級是：低能級E1E1是基態(tài)能是基態(tài)能級，中間能級級，中間能級E2E2是亞穩(wěn)態(tài)能級（電子平均壽命可達(dá)是亞穩(wěn)態(tài)能級（電子平均壽命可達(dá)10ms10ms），高能），高能級級E3E3是非穩(wěn)態(tài)能級（電子的平均壽命是非穩(wěn)態(tài)能級（電子的平均壽命1s1s）。）。LDLD中受激輻射產(chǎn)生于中受激輻射產(chǎn)生于p-np-n結(jié)半導(dǎo)體材料中的結(jié)半導(dǎo)體材料中的有源區(qū)有源區(qū)，其中，其中粒子數(shù)反粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布轉(zhuǎn)分布是在是在有源區(qū)導(dǎo)帶和價(jià)帶有源區(qū)導(dǎo)帶和價(jià)帶能級之間能級之間直接直接實(shí)現(xiàn)的。所謂有源區(qū)，實(shí)現(xiàn)的。所謂有源區(qū)，是指加上適當(dāng)正向

26、電壓后，是指加上適當(dāng)正向電壓后，p-np-n結(jié)交界面附近具有粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布結(jié)交界面附近具有粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布狀態(tài)的窄區(qū)域。狀態(tài)的窄區(qū)域。 4. EDFA4. EDFA的基本結(jié)構(gòu)及功能的基本結(jié)構(gòu)及功能EDFAEDFA由摻雜光纖、一個或多個泵浦光源、光耦合器、光隔由摻雜光纖、一個或多個泵浦光源、光耦合器、光隔離器等組成。摻鉺光纖離器等組成。摻鉺光纖(EDF)(EDF)和高功率泵浦光源是關(guān)鍵器件。和高功率泵浦光源是關(guān)鍵器件。合波合波器器光濾波光濾波器器泵浦泵浦光源光源（摻鉺光纖）（摻鉺光纖）信號光信號光光隔離器光隔離器光隔離器光隔離器放大的放大的信號光信號光將輸入光信號和泵浦光將輸入光信號和泵浦光 混合

27、在一起送給混合在一起送給輸出一個較短波長的激輸出一個較短波長的激光為提供激勵光為提供激勵 防止反射光防止反射光影響光放大影響光放大器的工作穩(wěn)器的工作穩(wěn)定性。定性。 提供能產(chǎn)生粒子數(shù)提供能產(chǎn)生粒子數(shù)反轉(zhuǎn)的工作物質(zhì)，反轉(zhuǎn)的工作物質(zhì)，放大光信號。放大光信號。 清除放大器的噪聲，清除放大器的噪聲，提高系統(tǒng)的信噪比提高系統(tǒng)的信噪比5. EDFA5. EDFA的種類的種類同向泵浦結(jié)構(gòu)同向泵浦結(jié)構(gòu)反向泵浦結(jié)構(gòu)反向泵浦結(jié)構(gòu)雙向泵浦結(jié)構(gòu)雙向泵浦結(jié)構(gòu)同向泵浦結(jié)構(gòu)同向泵浦結(jié)構(gòu)EDFAEDFA泵浦光與信號光從同一端注入摻鉺光纖。輸入泵浦光較強(qiáng)，泵浦光與信號光從同一端注入摻鉺光纖。輸入泵浦光較強(qiáng)，故粒子反轉(zhuǎn)激勵也強(qiáng)，其

28、增益系數(shù)大。故粒子反轉(zhuǎn)激勵也強(qiáng)，其增益系數(shù)大。J 優(yōu)點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)：構(gòu)成簡單，噪聲指數(shù)較?。簶?gòu)成簡單，噪聲指數(shù)較小L 缺點(diǎn)缺點(diǎn)：輸出功率較低。：輸出功率較低。光隔離器光隔離器WDMEDF光隔離器光隔離器泵浦激光器泵浦激光器輸入信號輸入信號輸出信號輸出信號光濾波器光濾波器泵浦光與信號光從不同的方向輸入摻鉺光纖，兩者在摻泵浦光與信號光從不同的方向輸入摻鉺光纖，兩者在摻鉺光纖中反向傳輸。鉺光纖中反向傳輸。J 優(yōu)點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)：當(dāng)光信號放大到很強(qiáng)時(shí)，泵浦光也強(qiáng)，不易：當(dāng)光信號放大到很強(qiáng)時(shí)，泵浦光也強(qiáng)，不易達(dá)到飽和，輸出功率比同向泵浦高達(dá)到飽和，輸出功率比同向泵浦高L 缺點(diǎn)缺點(diǎn)：噪聲性能差：噪聲性能差反向泵浦結(jié)構(gòu)反向泵

29、浦結(jié)構(gòu)EDFAEDFA光隔離器光隔離器WDMEDF光隔離器光隔離器輸入信號輸入信號泵浦激光器泵浦激光器光濾波器光濾波器可用多個泵浦源從多個方向激勵光纖?？捎枚鄠€泵浦源從多個方向激勵光纖。多個泵浦源部分前向，部分后向，結(jié)合前兩種優(yōu)點(diǎn)。使多個泵浦源部分前向，部分后向，結(jié)合前兩種優(yōu)點(diǎn)。使泵浦光在光纖中均勻分布，從而使其增益在光纖中均勻分布；泵浦光在光纖中均勻分布，從而使其增益在光纖中均勻分布；典型的增益值是典型的增益值是 +35 dB +35 dB 。雙向泵浦結(jié)構(gòu)雙向泵浦結(jié)構(gòu)EDFAEDFA光隔離器光隔離器WDMEDF光隔離器光隔離器輸入信號輸入信號輸出信號輸出信號泵浦激光器泵浦激光器泵浦激光器泵浦

30、激光器光濾波器光濾波器WDM6.6.三種泵浦方式比較：三種泵浦方式比較： 信號輸出功率信號輸出功率三種方式的轉(zhuǎn)換效率分別為三種方式的轉(zhuǎn)換效率分別為61%61%、7676和和7777。在同樣泵。在同樣泵浦條件下，浦條件下，同向泵浦式同向泵浦式的輸出的輸出最低最低。信號輸出光功率與泵浦光功率的關(guān)系信號輸出光功率與泵浦光功率的關(guān)系 噪聲特性噪聲特性輸出功率加大將導(dǎo)致粒子反轉(zhuǎn)數(shù)的下降，因而在輸出功率加大將導(dǎo)致粒子反轉(zhuǎn)數(shù)的下降，因而在未飽和區(qū)未飽和區(qū)，同向泵浦式噪聲指數(shù)最小，但在同向泵浦式噪聲指數(shù)最小，但在飽和區(qū)飽和區(qū)，情況將發(fā)生變化。，情況將發(fā)生變化。對于不同摻鉺光纖長度，對于不同摻鉺光纖長度，同向泵

31、浦方式同向泵浦方式噪聲都噪聲都最小最小。放大器輸出功率與放大器輸出功率與NF的關(guān)系的關(guān)系光纖長度與光纖長度與NF的關(guān)系的關(guān)系三種泵浦方式性能差異總結(jié)：三種泵浦方式性能差異總結(jié)：同向泵浦同向泵浦: : 噪聲性能好噪聲性能好反向泵浦反向泵浦: : 輸出功率大輸出功率大雙向泵浦雙向泵浦: : 兼有上述優(yōu)點(diǎn)兼有上述優(yōu)點(diǎn), ,但成本高但成本高7. 7. 摻鉺光纖放大器的主要特性參數(shù)摻鉺光纖放大器的主要特性參數(shù)增益特性增益特性帶寬特性帶寬特性噪聲特性噪聲特性 （1 1）增益特性）增益特性v增益定義為輸出功率與輸入功率之比增益定義為輸出功率與輸入功率之比v增益表示了放大器的光放大能力，增益表示了放大器的光放

32、大能力，EDFAEDFA的增益通常為的增益通常為151540dB40dB。大小與鉺離子濃度、泵浦功率和摻鉺光纖長度。大小與鉺離子濃度、泵浦功率和摻鉺光纖長度有關(guān)。有關(guān)。輸輸入入光光功功率率輸輸出出光光功功率率lg10 GEDFAEDFA輸出信號能量不能超過注入泵浦能量輸出信號能量不能超過注入泵浦能量隨著泵浦功率的增加，放大器增益也增加，但當(dāng)泵浦功隨著泵浦功率的增加，放大器增益也增加，但當(dāng)泵浦功率達(dá)到一定值后，放大器的功率增益出現(xiàn)飽和；另外，輸入率達(dá)到一定值后，放大器的功率增益出現(xiàn)飽和；另外，輸入信號功率過大會導(dǎo)致增益下降。信號功率過大會導(dǎo)致增益下降。 放大器增益與泵浦功率的關(guān)系曲線放大器增益與

33、泵浦功率的關(guān)系曲線從泵浦功率從泵浦功率和光纖長度兩方和光纖長度兩方面綜合考慮，以面綜合考慮，以達(dá)到所要求的增達(dá)到所要求的增益標(biāo)準(zhǔn)。益標(biāo)準(zhǔn)。不同泵浦光功率下，當(dāng)光纖長度較短時(shí)，增益增加很快；不同泵浦光功率下，當(dāng)光纖長度較短時(shí)，增益增加很快；而超過某一長度，增益反而下降。而超過某一長度，增益反而下降。 原因：長度增加，纖中泵浦光功率下降，且摻鉺光纖損耗原因：長度增加，纖中泵浦光功率下降，且摻鉺光纖損耗遠(yuǎn)大于普通光纖，從而導(dǎo)致增益下降。遠(yuǎn)大于普通光纖，從而導(dǎo)致增益下降。摻鉺光纖長度與放大器增益關(guān)系曲線摻鉺光纖長度與放大器增益關(guān)系曲線對某個確對某個確定的泵浦功率定的泵浦功率存在一個最佳存在一個最佳光纖

34、長度，使光纖長度，使得增益最大。得增益最大。（2 2）帶寬特性）帶寬特性v由于受激輻射發(fā)生在由于受激輻射發(fā)生在ErEr3+3+的亞穩(wěn)態(tài)能帶和基態(tài)能帶之間，的亞穩(wěn)態(tài)能帶和基態(tài)能帶之間，決定了決定了EDFAEDFA的放大波長窗口在的放大波長窗口在1550nm1550nmv一般摻鉺光纖放大波長區(qū)域?yàn)橐话銚姐s光纖放大波長區(qū)域?yàn)?53015301560nm1560nm，約，約30nm30nm，但習(xí)慣簡稱為但習(xí)慣簡稱為1550nm 1550nm 光纖在光纖在1550nm1550nm低損耗區(qū)具有低損耗區(qū)具有200nm200nm帶寬，而目前使用的帶寬，而目前使用的EDFAEDFA增益帶寬還不能覆蓋到整個低損耗

35、區(qū)。增益帶寬還不能覆蓋到整個低損耗區(qū)。 波長增益曲線波長增益曲線（3 3）噪聲特性）噪聲特性vEDFAEDFA的輸出光中，除了有信號光外，還有自發(fā)輻射光，它們的輸出光中，除了有信號光外，還有自發(fā)輻射光，它們一起被放大，形成了影響信號光的噪聲源一起被放大，形成了影響信號光的噪聲源vEDFAEDFA的噪聲主要有以下四種：的噪聲主要有以下四種：信號光的散粒噪聲信號光的散粒噪聲被放大的自發(fā)輻射光的散粒噪聲被放大的自發(fā)輻射光的散粒噪聲自發(fā)輻射光與信號光之間的差拍噪聲自發(fā)輻射光與信號光之間的差拍噪聲自發(fā)輻射光譜間的差拍噪聲自發(fā)輻射光譜間的差拍噪聲 v 噪聲系數(shù)噪聲系數(shù)NFNFv噪聲系數(shù)決定于自發(fā)輻射。噪聲

36、系數(shù)決定于自發(fā)輻射。v實(shí)驗(yàn)證實(shí)：在實(shí)驗(yàn)證實(shí)：在EDFAEDFA中，可得到接近中，可得到接近3dB3dB的噪聲系數(shù)，這是的噪聲系數(shù)，這是噪聲系數(shù)的極限噪聲系數(shù)的極限。vEDFAEDFA極低噪聲，成為光纖通信中的極低噪聲，成為光纖通信中的理想放大器理想放大器，是在光纖，是在光纖通信系統(tǒng)中廣泛應(yīng)用的一個重要原因。通信系統(tǒng)中廣泛應(yīng)用的一個重要原因。v但即使噪聲這樣低，當(dāng)長距離光纖通信系統(tǒng)采用多級但即使噪聲這樣低，當(dāng)長距離光纖通信系統(tǒng)采用多級EDFAEDFA級聯(lián)時(shí)，噪聲影響使級聯(lián)時(shí)，噪聲影響使系統(tǒng)長度系統(tǒng)長度也受限。也受限。outinNSNSNF)/()/(輸入信噪比輸入信噪比輸出信噪比輸出信噪比例：例

37、：若若EDFAEDFA輸入信號為輸入信號為300uW300uW，在，在1 nm1 nm帶寬內(nèi)的輸入噪聲功帶寬內(nèi)的輸入噪聲功率是率是30 nw30 nw，輸出信號功率是，輸出信號功率是60 mW60 mW，在，在1 nm1 nm帶寬內(nèi)的輸帶寬內(nèi)的輸出噪聲功率增大到出噪聲功率增大到20uW20uW，計(jì)算光放大器的噪聲指數(shù)。，計(jì)算光放大器的噪聲指數(shù)。331010301030030300 )()()()()/(nWnWnWWNSin 331032010602060 )()()()()/(WWWmWNSout 33. 3103101033outinnSNRSNRF解：光放大器的輸入信噪比為：解：光放大器

38、的輸入信噪比為：光放大器的輸出信噪比為：光放大器的輸出信噪比為： 噪聲指數(shù)為：噪聲指數(shù)為：8. EDFA8. EDFA的系統(tǒng)應(yīng)用的系統(tǒng)應(yīng)用EDFAEDFA在在DWDMDWDM系統(tǒng)中作為線路放大、功率放大、前置放大系統(tǒng)中作為線路放大、功率放大、前置放大是是EDFAEDFA的典型應(yīng)用。的典型應(yīng)用。 小信號放大小信號放大，要求低噪聲，但輸出飽和功率則不要求很高。，要求低噪聲，但輸出飽和功率則不要求很高。（1 1）EDFAEDFA用作前置放大器用作前置放大器光接收器之前光接收器之前，提高接收機(jī)靈敏度可提高，提高接收機(jī)靈敏度可提高101020dB20dB。即，在。即，在光信號進(jìn)入接收機(jī)前，得到放大，以抑

39、制接收機(jī)內(nèi)的噪聲。光信號進(jìn)入接收機(jī)前，得到放大，以抑制接收機(jī)內(nèi)的噪聲。（2 2） EDFAEDFA用作功率放大器用作功率放大器放在放在光發(fā)射機(jī)之后光發(fā)射機(jī)之后用來提升輸出功率，將通信距離延長用來提升輸出功率，將通信距離延長10-20km10-20km。通信距離由通信距離由放大器增益放大器增益及及光纖損耗光纖損耗決定，功率放決定，功率放大器除了要求大器除了要求低噪聲低噪聲外，還要求外，還要求高飽和輸出功率高飽和輸出功率。（3 3）EDFAEDFA用作線路放大器用作線路放大器用用EDFAEDFA可代替半導(dǎo)體光放大器，對線路中的光信號直可代替半導(dǎo)體光放大器，對線路中的光信號直接進(jìn)行放大，使得全光通信

40、技術(shù)得以實(shí)現(xiàn)。非常適合用在接進(jìn)行放大，使得全光通信技術(shù)得以實(shí)現(xiàn)。非常適合用在海底光纜，沒有電中繼器的光海底光纜，沒有電中繼器的光- -電電- -光過程。光過程。 （4 4）EDFAEDFA用作本地網(wǎng)放大器用作本地網(wǎng)放大器EDFA+WDMEDFA+WDM結(jié)合可在寬帶本地網(wǎng)，特別在電視分配網(wǎng)中結(jié)合可在寬帶本地網(wǎng)，特別在電視分配網(wǎng)中得到應(yīng)用。它補(bǔ)償由于分路帶來的損耗及其他損耗，極大得到應(yīng)用。它補(bǔ)償由于分路帶來的損耗及其他損耗，極大地?cái)U(kuò)大了網(wǎng)徑和用戶數(shù)量。地?cái)U(kuò)大了網(wǎng)徑和用戶數(shù)量。 579. EDFA9. EDFA的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)J 優(yōu)點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)：p工作頻帶工作頻帶正處于光纖正處于光纖損耗最低處損

41、耗最低處(1525-1565nm)(1525-1565nm)。p能量轉(zhuǎn)換效率高能量轉(zhuǎn)換效率高。激光工作物質(zhì)集中在光纖芯子的近軸部分，激光工作物質(zhì)集中在光纖芯子的近軸部分，而信號光和泵浦光也在近軸部分最強(qiáng)，則光與物質(zhì)作用很充而信號光和泵浦光也在近軸部分最強(qiáng)，則光與物質(zhì)作用很充分。分。p頻帶寬頻帶寬，可以對多路信號同時(shí)放大，可以對多路信號同時(shí)放大- -波分復(fù)用。波分復(fù)用。p增益高增益高，噪聲低噪聲低，輸出功率大輸出功率大。增益達(dá)增益達(dá)40dB40dB。輸出功率在單。輸出功率在單向泵浦向泵浦14dBm14dBm，雙向泵浦，雙向泵浦17dBm-20dBm17dBm-20dBm，充分泵浦時(shí)，噪聲，充分泵

42、浦時(shí)，噪聲系數(shù)可低至系數(shù)可低至3 34dB4dB，串話也很小。，串話也很小。p增益特性不敏感增益特性不敏感。對溫度不敏感，在。對溫度不敏感，在100100內(nèi)增益特性保持內(nèi)增益特性保持穩(wěn)定。穩(wěn)定。p可實(shí)現(xiàn)信號的透明傳輸可實(shí)現(xiàn)信號的透明傳輸。在波分復(fù)用系統(tǒng)中，同時(shí)傳輸模擬。在波分復(fù)用系統(tǒng)中，同時(shí)傳輸模擬信號和數(shù)字信號，高速率信號和低速率信號。信號和數(shù)字信號，高速率信號和低速率信號。L 缺點(diǎn)：缺點(diǎn)：p波長固定，只能放大波長固定，只能放大1.55m左右的光波。左右的光波。換用不同換用不同基質(zhì)的光纖時(shí)，鉺離子能級也只能發(fā)生很小的變化，基質(zhì)的光纖時(shí)，鉺離子能級也只能發(fā)生很小的變化，可調(diào)節(jié)的波長有限，只能換

43、用其他元素?？烧{(diào)節(jié)的波長有限，只能換用其他元素。p增益帶寬不平坦。增益帶寬不平坦。在在WDM系統(tǒng)中需要采用特殊的手系統(tǒng)中需要采用特殊的手段來進(jìn)行增益譜補(bǔ)償。段來進(jìn)行增益譜補(bǔ)償。4.3.4 4.3.4 光纖拉曼放大器光纖拉曼放大器vEDFAEDFA 光纖的最低損耗區(qū)即光纖的最低損耗區(qū)即C C波段波段(1530-1565nm)(1530-1565nm)，適當(dāng)設(shè)計(jì)用于，適當(dāng)設(shè)計(jì)用于L L波段波段(1565-1625nm)(1565-1625nm)信號的放大。信號的放大。v光纖拉曼放大器光纖拉曼放大器(Fiber Raman Amplifer(Fiber Raman Amplifer，F(xiàn)RA)FRA)

44、 可以用于其它波段的放大可以用于其它波段的放大, ,通過適當(dāng)改變泵浦激光波長，通過適當(dāng)改變泵浦激光波長，就可以達(dá)到在任意波段進(jìn)行寬帶光放大就可以達(dá)到在任意波段進(jìn)行寬帶光放大。v拉曼光纖放大器逐漸引起人們的重視，但拉曼光纖放大器距拉曼光纖放大器逐漸引起人們的重視，但拉曼光纖放大器距離真正商用化還有一段距離。離真正商用化還有一段距離。vEDFA+EDFA+拉曼放大器，是目前的通信系統(tǒng)中比較成熟的一種方式。拉曼放大器，是目前的通信系統(tǒng)中比較成熟的一種方式。1. 1. 拉曼放大器工作原理拉曼放大器工作原理FRAFRA實(shí)現(xiàn)放大是基于光纖中的非線性效應(yīng)：實(shí)現(xiàn)放大是基于光纖中的非線性效應(yīng)：受激拉曼散受激拉曼

45、散射（射（Stimulated Raman ScatteringStimulated Raman Scattering，SRSSRS）。）。拉曼散射基本原理拉曼散射基本原理：在許多非線性光學(xué)介質(zhì)中，高能：在許多非線性光學(xué)介質(zhì)中，高能量（波長較短）的泵浦光散射，將一部分入射功率轉(zhuǎn)移給量（波長較短）的泵浦光散射，將一部分入射功率轉(zhuǎn)移給另一較低頻率的光波，這個低頻與高頻相比的偏移量由介另一較低頻率的光波，這個低頻與高頻相比的偏移量由介質(zhì)的振動模式?jīng)Q定。質(zhì)的振動模式?jīng)Q定。 RS RS的原理性結(jié)構(gòu)示意圖的原理性結(jié)構(gòu)示意圖拉曼散射與泵浦光功率有關(guān)，泵浦光較弱時(shí)，產(chǎn)生拉曼散射與泵浦光功率有關(guān)，泵浦光較弱時(shí)，

46、產(chǎn)生自發(fā)拉曼散自發(fā)拉曼散射射；泵浦光超過某個閾值，產(chǎn)生泵浦光超過某個閾值，產(chǎn)生受激拉曼散射受激拉曼散射。大量試驗(yàn)得到石英光纖的斯托克斯頻移大量試驗(yàn)得到石英光纖的斯托克斯頻移( (拉曼增益帶寬拉曼增益帶寬) )為為13.2THZ13.2THZ。自發(fā)拉曼散射的強(qiáng)度一般只有入射光強(qiáng)度的百萬分之一。自發(fā)拉曼散射的強(qiáng)度一般只有入射光強(qiáng)度的百萬分之一或億萬分之一?；騼|萬分之一。如果光纖中同時(shí)存在兩個光如果光纖中同時(shí)存在兩個光束，會發(fā)生受激拉曼散射。束，會發(fā)生受激拉曼散射。圖中一個弱信號和一個強(qiáng)泵圖中一個弱信號和一個強(qiáng)泵浦光同時(shí)在光纖中傳輸，浦光同時(shí)在光纖中傳輸，高高頻、高能量（波長較短）為頻、高能量（波長

47、較短）為泵浦光；低頻、被放大（波泵浦光；低頻、被放大（波長較長）為信號光。長較長）為信號光。并使弱信號波長置于泵浦光并使弱信號波長置于泵浦光的拉曼增益帶寬內(nèi)，的拉曼增益帶寬內(nèi)，當(dāng)泵浦當(dāng)泵浦功率增加到一定值時(shí)，光纖功率增加到一定值時(shí)，光纖呈現(xiàn)非線性，出現(xiàn)受激發(fā)拉呈現(xiàn)非線性，出現(xiàn)受激發(fā)拉曼散射，曼散射，弱信號即可被放大。弱信號即可被放大。這種基于這種基于SRSSRS機(jī)制的光放大機(jī)制的光放大器稱為光纖拉曼放大器器稱為光纖拉曼放大器FRAFRA。FRAFRA工作原理工作原理泵浦光為信號光提供放大的能泵浦光為信號光提供放大的能量，泵浦光將分子提升到激發(fā)態(tài)，量，泵浦光將分子提升到激發(fā)態(tài)，信號光激勵處于激發(fā)

48、態(tài)的分子，使信號光激勵處于激發(fā)態(tài)的分子，使之發(fā)射與信號同頻率、同相位的光之發(fā)射與信號同頻率、同相位的光子，由此信號光得到放大。子，由此信號光得到放大。 思考題：思考題：拉曼放大器與受激輻射的拉曼放大器與受激輻射的光放大器工作原理有何不同？光放大器工作原理有何不同？2.2.拉曼放大的信號波長取決于泵浦光子頻率和石英分子拉曼放大的信號波長取決于泵浦光子頻率和石英分子的振動頻率，而受激輻射放大的光波長與泵浦光頻率無關(guān)。的振動頻率，而受激輻射放大的光波長與泵浦光頻率無關(guān)。 1.1.受激輻射的光放大器需要粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布，而拉曼放受激輻射的光放大器需要粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布，而拉曼放大不需要粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布，因?yàn)榉?/p>

49、子不吸收信號光子。大不需要粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布，因?yàn)榉肿硬晃招盘柟庾印?. FRA2. FRA的結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)與與EDFAEDFA結(jié)構(gòu)基本一致。傳輸光纖本身作為增益介質(zhì)。結(jié)構(gòu)基本一致。傳輸光纖本身作為增益介質(zhì)。可前向、后向泵浦；為減少泵浦光和信號光相互作用的可前向、后向泵浦；為減少泵浦光和信號光相互作用的長度，從而減少泵浦噪聲對信號影響，多用長度，從而減少泵浦噪聲對信號影響，多用后向泵浦方式后向泵浦方式。多個泵浦激光器擴(kuò)展放大帶寬。多個泵浦激光器擴(kuò)展放大帶寬。光隔離器光隔離器WDM光隔離器光隔離器輸入信號輸入信號輸出信號輸出信號泵浦激光器泵浦激光器光濾波器光濾波器3. 3. 光纖拉曼放大器類型光纖拉曼

50、放大器類型分立式拉曼放大器分立式拉曼放大器（RARA，Raman AmplifierRaman Amplifier），也稱），也稱為集總式：為集總式：集中對光信號進(jìn)行放大集中對光信號進(jìn)行放大分布式拉曼放大器分布式拉曼放大器（DRADRA，Distributed Raman Distributed Raman AmplifierAmplifier）：）：沿光纖分布的光信號進(jìn)行在線放大沿光纖分布的光信號進(jìn)行在線放大 光隔離器光隔離器WDM光隔離器光隔離器輸入信號輸入信號輸出信號輸出信號泵浦激光器泵浦激光器光濾波器光濾波器分布式拉曼放大器分布式拉曼放大器：主要作為傳輸光纖損耗的分布式補(bǔ)償放大，主要作

51、為傳輸光纖損耗的分布式補(bǔ)償放大，傳輸?shù)膫鬏數(shù)钠胀ü饫w普通光纖作增益介質(zhì)，傳輸距離比較作增益介質(zhì)，傳輸距離比較長長，可達(dá)，可達(dá)100km100km左左右；右；泵浦源功率泵浦源功率幾百毫瓦；所以光纖中各處的信號光功率都比幾百毫瓦；所以光纖中各處的信號光功率都比較小，從而可降低各種光纖較小，從而可降低各種光纖非線性效應(yīng)非線性效應(yīng)的干擾。的干擾。 分立式分立式( (集總式集總式) )拉曼放大器拉曼放大器：主要作為高增益、高功率放大，主要作為高增益、高功率放大，介質(zhì)通常是介質(zhì)通常是色散補(bǔ)償光纖或高非線性光纖色散補(bǔ)償光纖或高非線性光纖 ，比較，比較短短，一般，一般10km10km以內(nèi)；以內(nèi)；泵浦源功率泵浦

52、源功率幾瓦到幾十瓦。幾瓦到幾十瓦。EDFAEDFA也屬于分立式也屬于分立式。DCF-DCF-色散補(bǔ)償型光纖色散補(bǔ)償型光纖C-EDFA-CC-EDFA-C波段波段EDFAEDFA拉曼泵浦拉曼泵浦(50W)(50W)4. FRA4. FRA的系統(tǒng)應(yīng)用的系統(tǒng)應(yīng)用（1 1）分立式拉曼放大器的應(yīng)用）分立式拉曼放大器的應(yīng)用 與與EDFAEDFA一樣集中放大，通常用于一樣集中放大，通常用于EDFAEDFA無法放大的波段無法放大的波段（2 2）分布）分布式拉曼放大器（式拉曼放大器（DRADRA）的應(yīng)用）的應(yīng)用在在WDMWDM系統(tǒng)的每個傳輸單元中，在輸入端注入反向拉曼泵浦，系統(tǒng)的每個傳輸單元中，在輸入端注入反向

53、拉曼泵浦，信號將沿光纖實(shí)現(xiàn)分布式拉曼放大，可以降低入射功率并保持一信號將沿光纖實(shí)現(xiàn)分布式拉曼放大，可以降低入射功率并保持一定的信噪比。定的信噪比。DRADRA具有噪聲低、增益帶寬與泵浦波長和功率相關(guān)特點(diǎn)。具有噪聲低、增益帶寬與泵浦波長和功率相關(guān)特點(diǎn)。EDFAEDFA具有高增益、低成本的特點(diǎn)。具有高增益、低成本的特點(diǎn)。采用采用DRA+EDFADRA+EDFA的典型的典型WDMWDM系統(tǒng)系統(tǒng)5. FRA5. FRA的性能的性能（1 1）增益增益與信號光和泵浦光的與信號光和泵浦光的頻率差頻率差有關(guān)，有關(guān)，頻差小頻差小, ,增益大增益大；與泵浦；與泵浦光的光的功率功率有關(guān)，有關(guān)，功率大功率大, ,增益

54、大增益大。典型的拉曼放大器增益曲線典型的拉曼放大器增益曲線（2 2）帶寬）帶寬EDFAEDFA的增益帶寬只有的增益帶寬只有80nm80nm。FRAFRA使用多個泵浦源，增使用多個泵浦源，增益帶寬可達(dá)益帶寬可達(dá)132nm132nm，通過選擇泵浦光波長可實(shí)現(xiàn)任意波長，通過選擇泵浦光波長可實(shí)現(xiàn)任意波長的光放大。的光放大。（3 3）噪聲指數(shù)）噪聲指數(shù)分布式拉曼放大器經(jīng)常與分布式拉曼放大器經(jīng)常與EDFAEDFA混合使用，其等效總噪聲混合使用，其等效總噪聲指數(shù)為：指數(shù)為：式中：式中：G GR R和和F FR R分別是分別是DRADRA的增益和噪聲指數(shù)的增益和噪聲指數(shù) F FE E是是EDFAEDFA的噪聲

55、指數(shù)的噪聲指數(shù)因?yàn)橐驗(yàn)镕 FR R通常要比作為功率放大器的通常要比作為功率放大器的EDFAEDFA的噪聲指數(shù)的噪聲指數(shù)F FE E要小，要小，所以由上式可知，只要增加拉曼增益所以由上式可知，只要增加拉曼增益G GR R，就可以減少總的噪，就可以減少總的噪聲指數(shù)。聲指數(shù)。6. FRA6. FRA的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)J 優(yōu)點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)：p更寬的頻段提供放大更寬的頻段提供放大，增益波長由泵浦光波長決定，增益波長由泵浦光波長決定，只要泵浦源的波長適當(dāng)，理論上可以得到任意波長的只要泵浦源的波長適當(dāng)，理論上可以得到任意波長的信號放大，為波分復(fù)用進(jìn)一步增加容量拓寬了空間。信號放大，為波分復(fù)用進(jìn)一步增加容量拓

56、寬了空間。p增益介質(zhì)可以為傳輸光纖本身增益介質(zhì)可以為傳輸光纖本身，與，與EDFAEDFA相比，即使甭相比，即使甭浦源失效，也不會增加額外的損失。特別是當(dāng)采用分浦源失效，也不會增加額外的損失。特別是當(dāng)采用分布式拉曼放大，光纖中各處的信號光功率都比較小，布式拉曼放大，光纖中各處的信號光功率都比較小，從而可降低各種光纖非線性效應(yīng)的影響。從而可降低各種光纖非線性效應(yīng)的影響。p噪聲指數(shù)低噪聲指數(shù)低，可提升原系統(tǒng)的信噪比。，可提升原系統(tǒng)的信噪比。J 優(yōu)點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)：p拉曼增益譜比較寬拉曼增益譜比較寬，如果采用多個泵浦源，則可容易，如果采用多個泵浦源，則可容易地實(shí)現(xiàn)寬帶放大。地實(shí)現(xiàn)寬帶放大。pFRAFRA的飽和功率比較高的飽和功率比較高，增益譜調(diào)節(jié)方式可通過優(yōu)化，增益譜調(diào)節(jié)方式可通過優(yōu)化配置泵浦光波長和強(qiáng)度來實(shí)現(xiàn)。配置泵浦光波長和強(qiáng)度來實(shí)現(xiàn)。p拉曼放大的作用時(shí)間短拉曼放大的作用時(shí)間短，為飛秒，為飛秒(10(10-15