33第六章光放大技術(shù)課件

1、第六章 光放大器本章要點(diǎn) 本章主要介紹光放大器原理、類型和主要實(shí)現(xiàn)技術(shù)。光放大器是實(shí)現(xiàn)高速率大容量光纖通信系統(tǒng)重要的系統(tǒng)元件，可以部分地代替光中繼器，節(jié)約系統(tǒng)成本。 12再生中繼器的缺點(diǎn)任何光纖通信系統(tǒng)的傳輸距離都受光纖損耗或色散限制；因此，傳統(tǒng)的長途光纖傳輸系統(tǒng)，需要每隔一定的距離，就增加一個(gè)再生中繼器，以便保證信號(hào)的質(zhì)量。這種再生中繼器的基本功能是進(jìn)行光-電-光轉(zhuǎn)換，并在光信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)時(shí)進(jìn)行再生、整形和定時(shí)處理，恢復(fù)信號(hào)形狀和幅度，然后再轉(zhuǎn)換回光信號(hào)，沿光纖線路繼續(xù)傳輸。這種方式有許多缺點(diǎn)。首先，通信設(shè)備復(fù)雜，系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性不高，特別是在多信道光纖通信系統(tǒng)中更為突出，因?yàn)槊總€(gè)信道

2、均需要進(jìn)行波分解復(fù)用，然后光-電-光變換，經(jīng)波分復(fù)用后，再送回光纖信道傳輸，所需設(shè)備更復(fù)雜，費(fèi)用更昂貴。其次，傳輸容量受到一定的限制。3WDM光-電-光轉(zhuǎn)換再生中繼器結(jié)構(gòu) 如圖所示，傳統(tǒng)的光/電/光的放大方式必須首先解復(fù)用出單根光纖中的多個(gè)信道，然后對(duì)每一個(gè)信道進(jìn)行放大，最后再復(fù)用在一起，裝置復(fù)雜、成本倍增。4光放大器出現(xiàn) 多年來，人們一直在探索能否去掉上述光-電-光轉(zhuǎn)換過程，直接在光路上對(duì)信號(hào)進(jìn)行放大，然后再傳輸，即用一個(gè)全光傳輸中繼器代替目前的這種光-電-光再生中繼器。經(jīng)過多年的努力，科學(xué)家們已經(jīng)發(fā)明了幾種光放大器，其中摻鉺光纖放大器（EDFA）、分布光纖拉曼放大器（DRA）和半導(dǎo)體光放大

3、器（SOA）技術(shù)已經(jīng)成熟，眾多公司已有商品出售。本章對(duì)這幾種放大器進(jìn)行簡要的介紹。6.1 光放大器原理 光放大器是一種能在保持光信號(hào)特征不變的條件下，增加光信號(hào)功率的有源設(shè)備。 光放大器的基本工作原理是受激輻射或受激散射效應(yīng)，其工作機(jī)制和激光器的發(fā)光原理非常相似。實(shí)際上，也可以將光放大器理解為是一個(gè)沒有反饋或反饋較小的激光器。對(duì)于某種特定的光學(xué)介質(zhì)，當(dāng)采用泵浦（電能源或光能源）方法，達(dá)到粒子數(shù)反轉(zhuǎn)時(shí)就產(chǎn)生了光增益，即可實(shí)現(xiàn)光放大。該增益通常不僅與入射信號(hào)的頻率（或波長）有關(guān)，而且與放大器內(nèi)任一點(diǎn)的局部光強(qiáng)有關(guān)；該頻率和光強(qiáng)與光增益的關(guān)系又取決于放大器介質(zhì)。56.1.1 光放大器的分類及應(yīng)用現(xiàn)狀

4、6光放大器分類半導(dǎo)體光放大器(SOA)摻鉺光纖放大器(EDFA) 1550nm非線性光纖放大器摻稀土元素光纖放大器布里淵光纖放大器(FBA)拉曼光纖放大器(FRA)摻鐠光纖放大器(PDFA) 1310nm 光放大器的應(yīng)用現(xiàn)狀各種光放大器中，以摻雜光纖放大器研究的居多；摻雜光纖放大器利用摻入石英光纖的稀土離子作為增益介質(zhì)，在泵浦光的激發(fā)下實(shí)現(xiàn)光信號(hào)的放大，放大器的特性主要由摻雜元素決定；工作波長為1550nm的鉺摻雜光纖放大器(EDFA)；工作波長為1300nm的鐠摻雜光纖放大器(PDFA)；工作波長為1400nm的銩摻雜光纖放大器(TDFA)；目前，EDFA最為成熟，是光纖通信系統(tǒng)必備器件。6

5、.1.2 光放大器的主要參數(shù)泵浦和增益系數(shù)增益譜寬與放大器帶寬增益飽和和飽和輸出功率放大器噪聲81. 泵浦和增益系數(shù) 光學(xué)泵浦提供了所必須的能級(jí)間的粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，因而也就提供了光學(xué)增益，考慮一個(gè)均勻加寬的增益介質(zhì)，其增益系數(shù)可以表示為 （6-1） 由上式可以確定光放大器的增益譜寬、放大因子和飽和輸出功率等參數(shù)。9圖6-1 兩種泵浦原理示意圖10泵浦泵浦E3E1E2激光發(fā)射（a）三能級(jí)泵浦結(jié)構(gòu)（b）四能級(jí)泵浦結(jié)構(gòu)E3E1E2E02. 增益譜寬與放大器帶寬 小信號(hào)或非飽和狀態(tài)時(shí)，增益系數(shù)可以表示為 可以看出，當(dāng)0時(shí)增益最大。定義增益譜寬為增益譜g()降至最大值一半處的全寬（FWHM）。 而放大器的帶

6、寬定義為G()降至最大放大倍數(shù)一半（3dB）處的全寬度FWHM。 放大器的帶寬比介質(zhì)增益譜寬窄的多。 113. 增益飽和和飽和輸出功率 增益可以表示為 增益飽和是放大器能力的一種限制因素，通常將放大器增益降至最大小信號(hào)增益一半（3dB）時(shí)的輸出功率定義為飽和輸出功率。12圖6-2 放大器增益隨輸出功率的變化134. 放大器噪聲 所有光放大器在放大過程中都會(huì)把自發(fā)輻射（或散射）疊加到信號(hào)光上，導(dǎo)致被放大信號(hào)的信噪比（SNR）降低，其降低程度通常用噪聲指數(shù)Fn來表示，其定義為 （6-2） 式中的SNR是由光接收機(jī)測(cè)得的，因此所得Fn值也和接收機(jī)參數(shù)有關(guān)。理論分析表明，對(duì)于理想放大器而言被放大信號(hào)的

7、SNR也降低了2倍（3dB），對(duì)大多數(shù)實(shí)際的放大器Fn均超過3dB，并可能達(dá)到68dB。 14光放大器應(yīng)用用光放大器取代光-電-光中繼器，作為在線放大器使用。插在光發(fā)射機(jī)之后，來增強(qiáng)光發(fā)射機(jī)功率，作為功率放大器，可增加傳輸距離（10100）km。在接收機(jī)之前，插入一個(gè)光放大器，對(duì)微弱光信號(hào)進(jìn)行預(yù)放大，提高接收機(jī)靈敏度，這樣的放大器稱為前置放大器，也可以用來增加傳輸距離。補(bǔ)償局域網(wǎng)（LAN）的分配損耗。15EDFA給光纖通信領(lǐng)域帶來的革命 EDFA解決了系統(tǒng)容量提高的最大的限制光損耗； 補(bǔ)償了光纖本身的損耗，使長距離的光纖傳輸成為可能； 大大增加了功率預(yù)算的冗余，系統(tǒng)中引入各種新型光器件成為可能

8、； 支持了最有效的增加光通信容量的方式-WDM； 推動(dòng)了全光網(wǎng)絡(luò)的研究開發(fā)熱潮。6.2 摻鉺光纖放大器EDFA一、EDF的結(jié)構(gòu) EDF在泵浦光的作用下，直接對(duì)信號(hào)光進(jìn)行放大，是提供光增益的核心部件。EDF的結(jié)構(gòu)與EDFA工作原理00.20.40.60.81.0010002000300040005000b/a鉺離子濃度ppm鉺離子濃度與b/a值的關(guān)系Er3+ GeO2-Al2O3-SiO2GeO2-SiO2F-SiO22b2aEr摻鉺區(qū)（濃度11002500ppm)摻鍺區(qū)直徑46um硅包層直徑125um+：1.3%-：0.7%EDF的結(jié)構(gòu)與折射率分布 對(duì)于EDF，為了實(shí)現(xiàn)有效放大所要求的足夠多的

9、鉺離子數(shù)反轉(zhuǎn)，應(yīng)該增加摻鉺區(qū)泵浦光的功率密度，為此，需要減小纖芯橫截面積Aeff，從而使EDF的結(jié)構(gòu)最佳化；定義有效纖芯面積Aeff為 同時(shí)，適當(dāng)減小b/a值也是必要的，把摻鉺區(qū)局限在光纖纖芯的中心，但較小的值減小了對(duì)泵浦光的吸收效率，并要求較長的EDF，或較高的鉺離子濃度；摻鋁是為了展寬頻帶寬度（帶寬由摻雜劑決定）。EDF的結(jié)構(gòu)與EDFA工作原理二、EDFA的工作原理 鉺的自由離子具有不連續(xù)的能級(jí)，當(dāng)Er3+被結(jié)合到硅光纖時(shí)，它們的每個(gè)能級(jí)被分裂為許多緊密相關(guān)的能級(jí)-能帶。能級(jí)分裂為能帶以后會(huì)有什么影響？ 在EDFA中能級(jí)分裂為能帶是有利的：第一：使EDFA對(duì)光信號(hào)的放大不只是單個(gè)波長而是一

10、組波長的能力，即在一段波長范圍內(nèi)的光波長都可以得到放大；第二：避免了細(xì)調(diào)泵浦激光波長。EDF的結(jié)構(gòu)與EDFA工作原理 EDFA采用摻鉺離子單模光纖為增益介質(zhì)，在泵浦光作用下產(chǎn)生粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，信號(hào)光誘導(dǎo)實(shí)現(xiàn)受激輻射放大。 信號(hào)光與波長較其為短的光波(泵浦光)同沿光纖傳輸，泵浦光的能量被光纖中的稀土元素離子吸收而使其躍遷至更高能級(jí)，并可通過能級(jí)間的受激發(fā)射轉(zhuǎn)移為信號(hào)光的能量。信號(hào)光沿光纖長度得到放大，泵浦光沿光纖長度不斷衰減。6-2 EDF的結(jié)構(gòu)與EDFA工作原理Input signal1530nm-1570nmAmplified output signalPower laser (Pump)980

11、nm or 1480nmFiber containing erbium dopant 吸收帶可以是520、650、800、980、1480nm； 波長短于980nm的泵浦效率低，因而通常采用980和1480nm泵浦。Er3+有三個(gè)工作能級(jí)：6-2 EDF的結(jié)構(gòu)與EDFA工作原理1550nm吸收泵浦光快速非輻射躍遷光放大受激輻射產(chǎn)生噪聲自發(fā)輻射受激吸收基態(tài)能帶泵浦能帶980nm1480nm亞穩(wěn)態(tài)能帶 實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)的過程：-電子吸收泵浦光躍遷Er3+在未任何光激勵(lì)的情況下，處于最低能級(jí)基態(tài)上。 在980nm泵浦光的作用下， 電子不斷從基態(tài)能級(jí)吸收泵浦光的能量躍遷到激發(fā)態(tài)，但是電子在激發(fā)態(tài)的生存期

12、很短，對(duì)于平均壽命為1us的電子迅速以“非輻射方式躍遷至亞穩(wěn)態(tài)，在亞穩(wěn)態(tài)上電子有較長的壽命，在源源不斷的泵浦下，亞穩(wěn)態(tài)上的粒子數(shù)積累，從而實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布； 電子被1480nm的泵浦光不斷地泵浦到亞穩(wěn)態(tài)上，此時(shí)電子在亞穩(wěn)態(tài)上生存期較長（10ms），不斷地積累實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布。EDF的結(jié)構(gòu)與EDFA工作原理 此動(dòng)畫為實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布的動(dòng)畫：基態(tài)的電子在泵浦光的作用下被源源不斷的抽運(yùn)到泵浦態(tài)，泵浦態(tài)的電子以無輻射的形式躍遷到亞穩(wěn)態(tài)。EDF的結(jié)構(gòu)與EDFA工作原理實(shí)現(xiàn)光放大的過程： 當(dāng)WDM的信號(hào)光通過這段粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布的EDF時(shí)，電子在WDM信號(hào)光作為感應(yīng)光場(chǎng)的情況下，從亞穩(wěn)態(tài)受激輻射到基態(tài)

13、上，并產(chǎn)生與輸入光子完全一樣（具有相同波長、相同方向和相同相位）的光子，從而實(shí)現(xiàn)信號(hào)光在EDF的傳播過程中被放大。 因此，簡單地說，EDFA放大就是把泵浦能量轉(zhuǎn)換為信號(hào)光的能量，而且它的效率很高。 泵浦效率等因素的影響，980nm、1480nm半導(dǎo)體激光器更適合于EDFA的泵浦光源，而且這兩種半導(dǎo)體激光器已經(jīng)得到很好的商用化。另外，980nm相對(duì)于1480nm而言，增益高、噪聲小，是目前EDFA的首選泵浦光源，只用幾毫瓦的泵浦功率就可獲得高達(dá) 30 40 dB 的放大器增益。EDF的結(jié)構(gòu)與EDFA工作原理 此動(dòng)畫為實(shí)現(xiàn)光放大過程的動(dòng)畫：亞穩(wěn)態(tài)上的反轉(zhuǎn)分布粒子在信號(hào)光的感應(yīng)下躍遷到基態(tài)上，釋放出

14、一模一樣的大量光子，從而實(shí)現(xiàn)光放大。EDF的結(jié)構(gòu)與EDFA工作原理輸出信號(hào)功率與泵浦功率的關(guān)系右圖表示輸出信號(hào)功率與泵浦功率的關(guān)系。由圖可見，能量從泵浦光轉(zhuǎn)換成信號(hào)光的效率很高，因此EDFA很適合作功率放大器。泵浦光功率轉(zhuǎn)換為輸出信號(hào)光功率的效率為 92.6 %，60 mW功率泵浦時(shí)，吸收效率為 88 %。(信號(hào)輸出功率 信號(hào)輸入功率) / 泵浦功率266.2.1 EDFA的特點(diǎn)工作波長處于1.531.56m范圍，與光纖最小損耗波長窗口一致；對(duì)摻鉺光纖進(jìn)行激勵(lì)所需要的泵浦光功率較低，僅需數(shù)十mW；增益高、噪聲低、輸出功率高。EDFA的典型小信號(hào)增益可達(dá)40dB，噪聲系數(shù)可低至34dB，輸出功率

15、可達(dá)1420dBm；連接損耗低。EDFA是光纖型放大器，其與光纖線路間的連接較為容易，連接損耗可低至0.1dB。276.2.2 EDFA結(jié)構(gòu) 摻鉺光纖放大器（EDFA，Erbium Doped Fiber Amplifier是目前最成熟的光放大器。EDFA主要由摻鉺光纖（EDF）、泵浦光源、耦合器、隔離器等組成。 28圖6-4 EDFA的基本組成29長度為10m100m左右的摻鉺光纖，鉺離子的摻雜濃度一般為2100 2000ppm左右。半導(dǎo)體激光器，輸出功率為10200mW，工作波長為0.98m或1.48m。將信號(hào)光和泵浦光耦合在一起。保證信號(hào)單向傳輸、防止反射光影響EDFA的工作穩(wěn)定性；濾除

16、放大器噪聲，提高信噪比。EDFA各部分作用(1) 摻鉺光纖 光纖放大器的關(guān)鍵部件是具有增益放大特性的摻鉺光纖，因而使摻鉺光纖的設(shè)計(jì)最佳化是主要的技術(shù)關(guān)鍵。EDFA的增益與許多參數(shù)有關(guān)，如鉺離子濃度、放大器長度、芯徑以及泵浦光功率等。30EDFA各部分作用(2) 泵浦源 對(duì)泵浦源的基本要求是高功率和長壽命。它是保證光纖放大器性能的基本因素。幾個(gè)波長可有效激勵(lì)摻鉺光纖。最先使用1480 nm的 InGaAs 多量子阱(MQW)激光器，其輸出功率可達(dá) 100 mW，泵浦增益系數(shù)較高。 隨后采用980nm 波長泵浦，效率高, 噪聲低，現(xiàn)已廣泛使用。31EDFA各部分作用(3) 波分復(fù)用器其作用是使泵浦

17、光與信號(hào)光進(jìn)行復(fù)合。對(duì)它的要求是插入損耗低，因而適用的WDM器件主要有熔融拉錐形光纖耦合器和干涉濾波器。(4) 光隔離器在輸入、輸出端插入光隔離器是為了抑制光路中的反射，從而使系統(tǒng)工作穩(wěn)定可靠、降低噪聲。對(duì)隔離器的基本要求是插入損耗低、反向隔離度大。32EDFA各部分作用(5) 光濾波器濾除放大器噪聲，提高信噪比。33EDFA泵浦方式 EDFA的內(nèi)部按泵浦方式分，有三種基本的結(jié)構(gòu)：即同向泵浦、反向泵浦和雙向泵浦。 同向泵浦 信號(hào)光與泵浦光以同一方向從摻鉺光纖的輸入端注入的結(jié)構(gòu)，也稱為前向泵浦。輸入泵浦光較強(qiáng)，故粒子反轉(zhuǎn)激勵(lì)也強(qiáng)，其增益系數(shù)大。其優(yōu)點(diǎn)是構(gòu)成簡單，噪聲指數(shù)較?。蝗秉c(diǎn)是輸出功率較低。

18、34光隔離器WDMEDF光隔離器泵浦激光器輸入信號(hào)輸出信號(hào)光濾波器同向泵浦EDFA泵浦方式反向泵浦 信號(hào)光與泵浦光從兩個(gè)不同方向注入進(jìn)摻鉺光纖的，兩者在摻鉺光纖中反向傳輸。也稱后向泵浦。其優(yōu)點(diǎn)是：當(dāng)光信號(hào)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；缺點(diǎn)是噪聲性能差。35光隔離器WDMEDF光隔離器輸入信號(hào)泵浦激光器光濾波器反向泵浦EDFA泵浦方式 雙向泵浦 用多個(gè)泵浦源從多個(gè)方向激勵(lì)光纖。多個(gè)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。 36光隔離器WDMEDF光隔離器輸入信號(hào)輸出信號(hào)泵浦激光器泵浦激光器光濾波器WDM雙向

19、泵浦不同泵浦方式性能差異37三種方式的轉(zhuǎn)換效率分別為61%、76和77。在同樣泵浦條件下，同向泵浦式的輸出最低。信號(hào)輸出光功率與泵浦光功率的關(guān)系輸出功率加大將導(dǎo)致粒子反轉(zhuǎn)數(shù)的下降，因而在未飽和區(qū)，同向泵浦式噪聲指數(shù)最小，但在飽和區(qū)，情況將發(fā)生變化。對(duì)于不同摻鉺光纖長度，同向泵浦方式噪聲都最小。6.2.3 EDFA性能參數(shù) 功率增益 輸出功率特性 噪聲特性 381. 功率增益 定義為輸出功率與輸入功率之比。EDFA的增益大小與多種因素有關(guān)，通常為1540dB。39例：EDF的輸入光功率是300W，輸出功率是60mW, EDFA的增益是多少？假如放大自發(fā)輻射噪聲功率是30W，EDFA的增益又是多少

20、？解：EDFA增益是或當(dāng)考慮放大自發(fā)輻射噪聲功率時(shí)，EDFA增益為 以上結(jié)果是單個(gè)波長光的增益，不是整個(gè)EDFA帶寬內(nèi)的增益。圖6-14 增益（G）與摻鉺光纖長度的關(guān)系41對(duì)于給定的放大器長度L，放大器增益最初隨泵浦功率按指數(shù)函數(shù)增加，但是當(dāng)泵浦功率超過一定值后，增益的增加就減小2. 輸出功率對(duì)于EDFA而言，當(dāng)輸入功率增加時(shí)，受激輻射加快，以至于減少了粒子反轉(zhuǎn)數(shù)，使受激輻射光減弱，輸出功率趨于平穩(wěn)。衡量EDFA的輸出功率特性通常使用3dB飽和輸出功率，其定義為飽和增益下降3dB時(shí)所對(duì)應(yīng)的輸出功率值。42增益飽和（飽和輸出功率） 輸入信號(hào)的功率越大增益G越大！ 一個(gè)高功率的輸入信號(hào)，意味著每單

21、位時(shí)間內(nèi)大量的光子進(jìn)入EDF，然后這些光子在單位時(shí)間內(nèi)激發(fā)高能級(jí)到低能級(jí)的大量遷移，這意味著高能級(jí)會(huì)很快耗盡光子，即：輸入光功率越大，高能級(jí)將會(huì)有很少的粒子數(shù)。高能級(jí)上的粒子數(shù)耗盡意味著增益的減少，這種現(xiàn)象稱為增益飽和。 飽和輸出功率： 增益相對(duì)小信號(hào)增益減少3dB時(shí)的輸出信號(hào)的光功率稱為飽和輸出功率。 小信號(hào)增益： EDFA工作在線性范圍區(qū)域時(shí)的增益，此時(shí)在給定的信號(hào)波長和泵浦功率下，增益G基本上與輸入信號(hào)光功率無關(guān)，即：輸入光功率較?。ㄐ⌒盘?hào)）時(shí)，增益是一個(gè)常數(shù)，用G0表示，輸出光功率Pout與輸入光功率Pin成正比例。 增益比小信號(hào)增益降低3dB時(shí)的波長間隔，稱為小信號(hào)增益波長帶寬，可以

22、達(dá)到35nm以上。飽和輸出功率：放大器增益降至小信號(hào)增益一半時(shí)的輸出功率。3dBPout,sat當(dāng)Pin增大到一定值后，光放大器的增益G開始下降。增益飽和現(xiàn)象。飽和區(qū)域G0增益G是激勵(lì)光纖長度的函數(shù) EDF有一最佳長度。EDF中泵浦租用是沿激勵(lì)光纖長度提供的，對(duì)于一定的泵浦光功率，如果EDF的長度超過了一定的范圍，泵浦光功率沿光纖衰減，然后消耗到閾值功率以下，信號(hào)光將會(huì)受到越來越小的增益，并且最終經(jīng)受損耗，即：低能級(jí)上有比高能級(jí)上更多的電子，其能量不足以使EDF中的粒子數(shù)翻轉(zhuǎn)，而且要吸收已放大的信號(hào)能量，此時(shí)，EDF對(duì)信號(hào)光開始產(chǎn)生吸收損耗。 因此，EDF有一最佳長度，它與光纖的特性有關(guān)，如：

23、摻雜濃度、增益帶寬等。小信號(hào)增益隨放大器長度而變的曲線 增益的大小考慮了EDF的長度以后，還有什么因素需要考慮？小信號(hào)增益隨泵浦功率而變 泵浦功率越大，激發(fā)到高能級(jí)上的電子數(shù)量就越多，EDFA的增益就越大，但是，并不是說高的泵浦功率會(huì)從低能級(jí)上掃除所有的電子！光放大是一個(gè)動(dòng)態(tài)過程，在低能級(jí)不斷堆積信號(hào)光激發(fā)從激發(fā)態(tài)能級(jí)上落下的電子。 對(duì)于給定的放大器長度（EDF長度），增益隨泵浦功率在開始時(shí)按指數(shù)增加，當(dāng)泵浦功率超過一定值時(shí)，增益增加變緩，并趨于一恒定值。 EDFA放大多信道時(shí)，泵浦功率被所有要放大的波長共享，傳輸?shù)亩嗦窂?fù)用的波長數(shù)越多，為滿足EDFA的泵浦功率就越大。 多信道同時(shí)被放大時(shí)，不

24、同波長的增益一樣嗎？2022/7/14增益G是輸入波長的函數(shù) 增益譜G()：增益G與信號(hào)光波長的關(guān)系。光放大器的增益譜不平坦。增益平坦性： 3. 噪聲 EDFA的輸出光中，除了有信號(hào)光外，還有自發(fā)輻射光，它們一起被放大，形成了影響信號(hào)光的噪聲源，EDFA的噪聲主要有以下四種：信號(hào)光的散粒噪聲；被放大的自發(fā)輻射光的散粒噪聲；自發(fā)輻射光譜與信號(hào)光之間的差拍噪聲；自發(fā)輻射光譜間的差拍噪聲。 以上四種噪聲中，后兩種影響最大，尤其是第三種噪聲是決定EDFA性能的主要因素。 理論分析表明，EDFA的噪聲指數(shù)Fn的極限值是3dB。這表明在即使是在理想情況下，每經(jīng)過一個(gè)EDFA，信噪比也會(huì)下降一半。52例 光

25、放大器噪聲指數(shù)53EDFA 特性小結(jié)對(duì)于給定的放大器長度L，放大器增益最初隨泵浦功率按指數(shù)函數(shù)增加，但是當(dāng)泵浦功率超過一定值后，增益的增加就減小。對(duì)于給定的泵浦功率，放大器的最大增益對(duì)應(yīng)一個(gè)最佳光纖長度，并且當(dāng)超過這個(gè)最佳值后很快降低，其原因是鉺光纖的剩余部分沒有被泵浦，反而吸收了已放大的信號(hào)。選擇適當(dāng)?shù)?L 值和 PP,，獲得所需要的增益。當(dāng)用1.48m 波長的激光泵浦時(shí)，如泵浦功率 5mW，放大器長度 30 m，則可獲得 35dB 的光增益。54摻鉺光纖放大器的優(yōu)點(diǎn)55光纖通信（第3版） 原榮 編著566.2.4 EDFA在光纖通信系統(tǒng)中的應(yīng)用 在長距離、大容量、高速率光纖通信系統(tǒng)中，ED

26、FA有多種應(yīng)用形式，其基本作用是：（1）延長中繼距離，使無中繼傳輸達(dá)數(shù)百公里。（2）與波分復(fù)用技術(shù)結(jié)合，可迅速簡便地實(shí)現(xiàn)擴(kuò)容。（3）與光孤子技術(shù)結(jié)合，可實(shí)現(xiàn)超大容量、超長距離光纖通信。（4）與CATV等技術(shù)結(jié)合，對(duì)視頻傳播和ISDN具有積極作用。57EDFA應(yīng)用形式58功率放大（BA） 功率放大是指將EDFA設(shè)置于光發(fā)送機(jī)后，BA可以提高注入光纖的有效光功率，從而延長中繼距離。BA的引入會(huì)導(dǎo)致入纖功率的大幅提高，可能會(huì)在光纖中激發(fā)出較強(qiáng)的非線性效應(yīng)，因此在實(shí)際應(yīng)用中要對(duì)其輸出功率進(jìn)行仔細(xì)控制。應(yīng)具有較高的飽和輸出功率。EDFA應(yīng)用形式59線路放大（LA） 線路放大是指將EDFA置于光纖鏈路原有

27、中繼器的位置，對(duì)信號(hào)進(jìn)行在線放大。LA是EDFA最常見的應(yīng)用形式，廣泛應(yīng)用于長途和本地通信系統(tǒng)中，替代復(fù)雜昂貴的光中繼器。要求：應(yīng)有：中等的增益；中等的噪聲；中等的飽和輸出功率。 這是EDFA在光纖通信系統(tǒng)中的一種重要應(yīng)用，它可替代傳統(tǒng)的O/E/O中繼器，對(duì)線路中的光信號(hào)直接進(jìn)行放大，是實(shí)現(xiàn)全光通信的重要保障之一。EDFA應(yīng)用形式61前置放大（PA） 前置放大是指將EDFA置于光接收機(jī)之前。PA可以將光纖線路傳輸?shù)奈⑷豕庑盘?hào)進(jìn)行放大，從而提高光接收機(jī)的靈敏度。PA一般工作在小信號(hào)狀態(tài)，因此需要有較高的噪聲性能和增益系數(shù)，而不需要很高的輸出功率以避免造成光接收機(jī)過載。要求：高增益（不是功率）；低

28、噪聲。 作前置放大器時(shí)，使接收機(jī)靈敏度提高1020dB。 用途：放大一個(gè)長距離傳輸后的微弱光信號(hào)。 前置放大器的另一個(gè)重要特性參數(shù)是它的靈敏度，即EDFA能處理的光輸入信號(hào)的最小功率。前置放大器能運(yùn)行在-40dBm（0.1uW）的輸入功率條件下。EDFA應(yīng)用形式63局域網(wǎng)的功率放大器增加網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)數(shù) 局域網(wǎng)的功率放大器補(bǔ)償分配損耗，增加網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)數(shù)。EDFA+WDM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，極大地?cái)U(kuò)大了網(wǎng)徑和用戶數(shù)量。 EDFA應(yīng)用形式64功率、在線、前置放大器的組合光發(fā)射機(jī)+功率放大器+前置放大器+光接收機(jī)光發(fā)射機(jī)+功率放大器+線路放大器

29、+光接收機(jī)光發(fā)射機(jī)+線路放大器+前置放大器+光接收機(jī)光發(fā)射機(jī)+功率放大器+線路放大器+前置放大器+光接收機(jī)二、EDFA的大功率化 WDM系統(tǒng)要求EDFA具有足夠高的輸出功率，以保證各信道獲得足夠的光功率。方法：多級(jí)泵浦221916輸出功率（dBm）15401570雙包層結(jié)構(gòu)的EDF=0.7%=1.3%纖芯內(nèi)包層外包層用于制作大功率EDFA的雙包層光纖結(jié)構(gòu)圖芯層：5m內(nèi)包層： 50m芯層(摻鉺)：傳播信號(hào)光內(nèi)包層：傳播泵浦光雙包層光纖是實(shí)現(xiàn)EDFA的重要技術(shù)，信號(hào)光在中心的纖芯里以單模傳播，而泵浦光則在內(nèi)包層中以多模傳輸。三、EDFA的寬帶化 長波段（L-band）摻鉺光纖放大器： L波段的造價(jià)

30、高，原因是：低反轉(zhuǎn)水平，需長摻鉺光纖，強(qiáng)泵浦，此波段其它光器件價(jià)格較高。2022/7/14四、EDFA在級(jí)聯(lián)中可能出現(xiàn)的問題及解決辦法 EDFA的引入一方面使系統(tǒng)的中繼距離加大，節(jié)省設(shè)備成本；另一方面也產(chǎn)生了一些新的問題，如非線性、高的輸出功率（增益鉗制）、噪聲積累和增益均衡等，并且對(duì)高速線路系統(tǒng)構(gòu)成影響。1. 噪聲積累 第一級(jí)EDFA對(duì)信號(hào)進(jìn)行放大的同時(shí)，產(chǎn)生放大的自發(fā)輻射噪聲ASE（前向與后向），此時(shí)ASE與放大信號(hào)一同沿光纖傳輸，會(huì)被第二級(jí)、第三級(jí) EDFA放大，同時(shí)，第二級(jí)、第三級(jí) EDFA也將產(chǎn)生自己的ASE噪聲，并且不斷積累，放大累積的噪聲以兩種方法影響系統(tǒng)性能： 放大累計(jì)的ASE

31、被接收機(jī)接收，影響系統(tǒng)的性能（誤碼率、靈敏度等）；當(dāng)ASE幅度增加到一定程度時(shí)，它開始使光放大器飽和并減小信號(hào)增益。 當(dāng)K個(gè)EDFA級(jí)聯(lián)時(shí)，考慮ASE影響的有效噪聲系數(shù)：解決辦法：濾波器濾除；EDFA在光纖通信系統(tǒng)中的應(yīng)用以及大功率化 噪聲積累到一定程度后，插入一個(gè)O/E/O中繼器，使含有累積噪聲的輸出信號(hào)由相關(guān)電路（經(jīng)門限電路判決）去掉該噪聲。2. 增益均衡（增益平坦化） EDFA對(duì)不同波長光信號(hào)的放大增益不同，從而在EDFA多級(jí)串聯(lián)后，使不同波長的光增益相差很大（貧富差距拉大），這就限制了WDM系統(tǒng)中使用的信道數(shù)量。EDFA在光纖通信系統(tǒng)中的應(yīng)用以及大功率化EDFA在光纖通信系統(tǒng)中的應(yīng)用以

32、及大功率化EDFA級(jí)聯(lián)特性：信道間增益競(jìng)爭，多級(jí)級(jí)連使用導(dǎo)致“尖峰效應(yīng)”。15441569典型的EDFA增益譜固有的增益不平坦，增益差隨級(jí)聯(lián)放大而積累增大各信道的信噪比差別增大各信道的接收靈敏度不同! 增益譜的形狀隨信號(hào)功率而變，在有信道上、下的動(dòng)態(tài)情況下，失衡情況更加嚴(yán)重。EDFA在光纖通信系統(tǒng)中的應(yīng)用以及大功率化BER接收光功率光功率波長光功率波長光發(fā)射機(jī)光發(fā)射機(jī)光發(fā)射機(jī)光發(fā)射機(jī)N 123光接收機(jī)光接收機(jī)光接收機(jī)光接收機(jī)EDFA1N 32EDFA在光纖通信系統(tǒng)中的應(yīng)用以及大功率化光放大的增益平坦化技術(shù)：（1）插入衰減器法 使EDFA輸出的光信號(hào)經(jīng)波分復(fù)用后變成獨(dú)立波長的光信號(hào)，使增益大的波

33、長對(duì)應(yīng)大的衰減值，從而實(shí)現(xiàn)各波長的增益均衡，然后再經(jīng)波分復(fù)用器復(fù)用后送入光纖傳輸。（2）單獨(dú)放大法 對(duì)光功率不同的每個(gè)波長的光信號(hào)選用增益不同的EDF進(jìn)行放大。EDFA在光纖通信系統(tǒng)中的應(yīng)用以及大功率化（3）濾波器法 采用透射譜與摻鉺光纖增益譜反對(duì)稱的濾波器使增益平坦化，即：使增益大的波長信號(hào)對(duì)應(yīng)小的透過率值，反之對(duì)應(yīng)大的透過率值。常采用的濾波器有：薄膜濾波、長周期光纖光柵、周期調(diào)制的雙芯光纖等。EDFA在光纖通信系統(tǒng)中的應(yīng)用以及大功率化 EDFA + 均衡器 合成增益(平坦化光譜)（4）增益互補(bǔ)法 （1）（3）方案都是以犧牲放大器的部分功率為代價(jià)來獲取均衡效果，而采用增益互補(bǔ)法，把摻雜不同的

34、增益互補(bǔ)的兩段EDF連接起來，不但能實(shí)現(xiàn)均衡，而且能做到不影響放大器的工作效率。主摻雜是Er3+。（5）新型寬譜帶摻雜光纖 如摻鉺氟化物玻璃光纖（30nm平坦帶寬）、鉺/鋁共摻雜光纖（20nm）等， 靜態(tài)增益譜的平坦，摻雜工藝復(fù)雜。EDFA在光纖通信系統(tǒng)中的應(yīng)用以及大功率化（6）聲光濾波調(diào)節(jié)法 根據(jù)各信道功率，反饋控制放大器輸出端的多通道聲光帶阻濾波器，調(diào)節(jié)各信道輸出功率使之均衡，動(dòng)態(tài)均衡需要解復(fù)用、光電轉(zhuǎn)換、結(jié)構(gòu)復(fù)雜，實(shí)用性受限。（7）預(yù)失真補(bǔ)償法不靈活，傳輸鏈路變換后，輸入功率也要隨之調(diào)整EDFA在光纖通信系統(tǒng)中的應(yīng)用以及大功率化3. 增益鉗制什么是增益鉗制？ EDFA對(duì)信道的插入、分出或

35、信道無光故障等因素引起的輸入光功率的變化（較低速變化）能產(chǎn)生響應(yīng)-瞬態(tài)特性。在系統(tǒng)應(yīng)用中應(yīng)予以控制-增益鉗制。EDFA瞬態(tài)特性對(duì)通信的影響？ 瞬態(tài)特性使得剩余信道獲得過大的增益，并輸出過大的功率，而產(chǎn)生非線性，最終導(dǎo)致其傳輸性能的惡化-需進(jìn)行自動(dòng)增益控制。 對(duì)于級(jí)聯(lián)EDFA系統(tǒng)，瞬態(tài)響應(yīng)時(shí)間可短至幾幾十s，要求增益控制系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間相應(yīng)為幾幾十s。EDFA在光纖通信系統(tǒng)中的應(yīng)用以及大功率化增益鉗制技術(shù)：（1）電控 監(jiān)測(cè)EDFA的輸入光功率，根據(jù)其大小調(diào)整泵浦功率，從而實(shí)現(xiàn)增益鉗制，是目前最為成熟的方法。LDPumpInOut泵浦控制均衡放大器（電控）EDFAEDFA在光纖通信系統(tǒng)中的應(yīng)用以及大

36、功率化（2）在系統(tǒng)中附加一波長信道 根據(jù)其它信道的功率，改變附加波長的功率，而實(shí)現(xiàn)增益鉗制。注入激光EDFA在光纖通信系統(tǒng)中的應(yīng)用以及大功率化83例題 EDFA增益6.3 光纖拉曼放大器FRA 拉曼放大具有廣闊的光譜范圍。拉曼放大器FRA是唯一能在1260nm到1675nm的光譜上進(jìn)行放大的器件。拉曼放大器適合于任何類型的光纖，且成本較低。FRA可采用同向、反向或雙向泵浦，增益帶寬可達(dá)6THz。 光纖拉曼放大器（FRA）是基于非線性光學(xué)效應(yīng)的原理，它利用強(qiáng)泵浦光束通過光纖傳輸時(shí)產(chǎn)生受激拉曼散射，一個(gè)較高能量（較短波長）的入射泵浦光子產(chǎn)生一個(gè)較低能量（較長波長）的光子，剩余的能量以分子振蕩的形式

37、（光聲子）被介質(zhì)吸收。 84 RS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)生自發(fā)拉曼散射；泵浦光超過某個(gè)閾值，產(chǎn)生受激拉曼散射。大量試驗(yàn)得到石英光纖的斯托克斯頻移(拉曼增益帶寬)為13.2THZ。自發(fā)拉曼散射的強(qiáng)度一般只有入射光強(qiáng)度的百萬分之一或億萬分之一。波長光功率(dB)1550nm1450nm光纖(b)有泵激光的1550nm傳輸1450nm1550nm如果光纖中同時(shí)存在兩個(gè)光束，會(huì)發(fā)生受激拉曼散射。圖中一個(gè)弱信號(hào)和一個(gè)強(qiáng)泵浦光同時(shí)在光纖中傳輸，高頻、高能量（波長較短）為泵浦光；低頻、被放大（波長較長）為信號(hào)光。并使弱信號(hào)波長置于泵浦光的拉曼增益帶寬內(nèi)，當(dāng)泵浦功率增加到

38、一定值時(shí)，光纖呈現(xiàn)非線性，出現(xiàn)受激發(fā)拉曼散射，弱信號(hào)即可被放大。這種基于SRS機(jī)制的光放大器稱為光纖拉曼放大器FRA。FRA是靠非線性散射實(shí)現(xiàn)放大功能，不需要能級(jí)間粒子數(shù)反轉(zhuǎn)FRA工作原理87 光纖分布式拉曼放大器分布式拉曼放大器（DRA）采用強(qiáng)泵浦光對(duì)傳輸光纖進(jìn)行泵浦，可以采用前向泵浦，也可以采用后向泵浦；因后向泵浦減小了泵浦光和信號(hào)光相互作用的長度，從而也就減小了泵浦噪聲對(duì)信號(hào)的影響，所以通常采用后向泵浦。增益介質(zhì)：系統(tǒng)傳輸光纖。工作原理：基于非線性光學(xué)效應(yīng)。 如果一個(gè)弱信號(hào)光與一個(gè)強(qiáng)泵浦光同時(shí)在一根光纖中傳輸，并且弱信號(hào)光的波長在泵浦光的拉曼增益帶寬內(nèi)，則強(qiáng)泵浦光的能量,通過受激拉曼散射

39、,耦合到光纖硅材料的振蕩模中，然后又以較長的波長發(fā)射，該波長就是信號(hào)光的波長，從而使弱信號(hào)光得到放大，獲得拉曼增益。88因?yàn)榉植际嚼糯笃鞯脑鲆骖l譜只由泵浦波長決定，而與摻雜物的能級(jí)電平無關(guān)，所以只要泵浦波長適當(dāng)，就可以在任意波長獲得信號(hào)光的增益分布式拉曼放大器DRA工作原理89拉曼放大技術(shù)應(yīng)用分布式拉曼放大器不但能夠工作在EDFA常使用到的 C 波段（1530 1564 nm）而且也能工作在波長較短的 S 波段（1350 1450 nm）和較長的 L 波段（1564 1620 nm），完全滿足全波光纖對(duì)工作窗口的要求。分布式拉曼放大器的工作原理和特性如果一個(gè)弱信號(hào)光與一個(gè)強(qiáng)泵浦光同時(shí)在一根

40、光纖中傳輸，并且弱信號(hào)光的波長在泵浦光的拉曼增益帶寬內(nèi)，則強(qiáng)泵浦光的能量通過受激拉曼散射耦合到光纖硅材料的振蕩模中，然后又以較長的波長發(fā)射，該波長就是信號(hào)光的波長，從而使弱信號(hào)光得到放大，獲得拉曼增益。906.3.1 受激拉曼散射原理 在許多非線性介質(zhì)中，受激拉曼散射將一小部分入射功率由一光束轉(zhuǎn)移到另一頻率下移的光束，頻率下移量由介質(zhì)的振動(dòng)模式?jīng)Q定，此過程稱為受激拉曼效應(yīng)。 量子力學(xué)描述為入射光波的一個(gè)光子被一個(gè)分子散射成為另一個(gè)低頻光子，同時(shí)分子完成振動(dòng)態(tài)之間的躍遷，入射光作為泵浦光產(chǎn)生稱為斯托克斯波的頻移光。91圖6-17 受激拉曼散射的工作原理92圖6-18 泵浦波長為1m時(shí)測(cè)得的拉曼增

41、益譜936.3.2 FRA結(jié)構(gòu) 光纖拉曼放大器的基本結(jié)構(gòu)如圖6-19所示。在輸入端和輸出端各有一個(gè)隔離器，目的是使信號(hào)光單向傳輸。泵浦激光器用于提供能量。近年來，F(xiàn)RA的泵浦源共有三個(gè)方案：一是大功率半導(dǎo)體激光器（LD）及其組合，二是Raman光纖激光器（RFL）；三是半導(dǎo)體泵浦固體激光器（DPSSL）。 94圖6-19 FRA基本結(jié)構(gòu)示意圖95與EDFA結(jié)構(gòu)基本一致。傳輸光纖本身作為增益介質(zhì)?？汕跋?、后向泵浦；為減少泵浦光和信號(hào)光相互作用的長度，從而減少泵浦噪聲對(duì)信號(hào)影響，多用后向泵浦方式。多個(gè)泵浦激光器擴(kuò)展放大帶寬。光隔離器WDM光隔離器輸入信號(hào)輸出信號(hào)泵浦激光器光濾波器按放大方式分為分立

42、式和分布式：分布式：沿光纖分布的光信號(hào)進(jìn)行在線放大。主要作為傳輸光纖損耗的分布式補(bǔ)償放大，傳輸?shù)钠胀ü饫w作增益介質(zhì)，傳輸距離比較長，可達(dá)100km左右；泵浦源功率幾百毫瓦；所以光纖中各處的信號(hào)光功率都比較小，從而可降低各種光纖非線性效應(yīng)的干擾。 分立式(集總式)：集中對(duì)光信號(hào)進(jìn)行放大。 主要作為高增益、高功率放大，介質(zhì)通常是色散補(bǔ)償光纖或高非線性光纖 ，比較短，一般10km以內(nèi)；泵浦源功率幾瓦到幾十瓦。EDFA也屬于分立式。FRA不同配置97思考題：拉曼放大器與受激輻射的光放大器工作原理有何不同？ 2.拉曼放大的信號(hào)波長取決于泵浦光子頻率和石英分子的振動(dòng)頻率，而受激輻射放大的光波長與泵浦光頻率

43、無關(guān)。 1.受激輻射的光放大器需要粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布，而拉曼放大不需要粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布，因?yàn)榉肿硬晃招盘?hào)光子；6.3.3 拉曼放大技術(shù)應(yīng)用分布式拉曼放大器不但能夠工作在EDFA常使用到的 C 波段（1530 1564 nm）。而且也能工作在波長較短的 S 波段（1350 1450 nm）和較長的 L 波段（1564 1620 nm），完全滿足全波光纖對(duì)工作窗口的要求。由于分布式拉曼放大器可利用傳輸光纖做在線放大，它與EDFA的組合使用，可明顯的提高長距離光纖通信系統(tǒng)的增益和 Q 值，降低系統(tǒng)的噪聲指數(shù)，擴(kuò)大系統(tǒng)傳輸?shù)目缇唷７植际嚼糯笃骺墒笵WDM系統(tǒng)的信道間距減小，擴(kuò)大系統(tǒng)的帶寬容量。99分布

44、式拉曼放大器（DRA）采用強(qiáng)泵浦光對(duì)傳輸光纖進(jìn)行泵浦，可以采用前向泵浦，也可以采用后向泵浦；因后向泵浦減小了泵浦光和信號(hào)光相互作用的長度，從而也就減小了泵浦噪聲對(duì)信號(hào)的影響，所以通常采用后向泵浦。100光功率在分布式拉曼放大傳輸光纖中的分布表示后向泵浦的光纖分布式拉曼放大器，32個(gè)波長的DWDM 信號(hào)光和2個(gè)波長的泵浦光在光纖中反向傳輸時(shí)，光功率在傳輸光纖中的分布情況。由圖可見，在光纖的后半段，信號(hào)光功率電平已足夠低，所以不會(huì)產(chǎn)生光纖的非線性影響 。1011.分立式拉曼放大器的應(yīng)用 與EDFA一樣集中放大，通常用于EDFA無法放大的波段分立式拉曼放大器的應(yīng)用DCF-色散補(bǔ)償型光纖；C-EDFA

45、-C波段EDFA拉曼泵浦(50W)2.分布式拉曼放大器（DRA）的應(yīng)用在WDM系統(tǒng)的每個(gè)傳輸單元中，在輸入端 注入反向拉曼泵浦，信號(hào)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。 DRA具有噪聲低、增益帶寬與泵浦波長和功率相關(guān)特點(diǎn)。EDFA具有高增益、低成本的特點(diǎn)。采用DRA+EDFA的典型WDM系統(tǒng)混合拉曼/摻鉺光纖放大器 拉曼放大器和摻鉺光纖放大器各有其獨(dú)特的特點(diǎn)，將FRA和EDFA結(jié)合起來構(gòu)成混合拉曼/摻鉺光纖放大器（HFA），也是提高拉曼放大器性能的一種重要方法。使用混合拉曼/EDFA放大器，可以獲得更加平坦的增益譜，從而提高系統(tǒng)的帶寬，改善光信噪比（OSNR）。 設(shè)

46、計(jì)HFA的基本思想就是將摻鉺光纖放大器和拉曼放大器級(jí)聯(lián)，組成混合放大器，獲得的總增益為兩個(gè)放大器增益的疊加。 104混合EDFA/FRA結(jié)構(gòu)105信號(hào)輸入信號(hào)輸出泵浦LDWDM傳輸光纖鉺摻雜光纖光隔離器6.3.4 FRA的性能1.增益與信號(hào)光和泵浦光的頻率差有關(guān);頻差小,增益大，與泵浦光的功率有關(guān)。功率大,增益大。典型的拉曼放大器增益曲線FRA的性能2.帶寬EDFA的增益帶寬只有80nm。FRA使用多個(gè)泵浦源，增益帶寬可達(dá)132nm，通過選擇泵浦光波長可實(shí)現(xiàn)任意波長的光放大。3.噪聲特性 分布式拉曼放大器經(jīng)常與EDFA混合使用，其等效總噪聲指數(shù)為F=FR+FE/GR式中：GR和FR分別是DRA

47、的增益和噪聲指數(shù)； FE是EDFA的噪聲指數(shù)。 因?yàn)镕R通常要比作為功率放大器的EDFA的噪聲指數(shù)FE要小，所以由上式可知，只要增加拉曼增益GR，就可以減少總的噪聲指數(shù) 光纖拉曼放大器中主要有三種噪聲，一是放大器自發(fā)輻射（ASE）噪聲，二是串話噪聲，三是瑞利散射噪聲。另外，拉曼放大器還會(huì)受非線性和受激布里淵散射造成的噪聲影響。拉曼放大器對(duì)系統(tǒng)性能的影響光纖通信系統(tǒng)的性能可用Q值來衡量，Q值越大表示系統(tǒng)的信噪比越大而誤碼率越小。當(dāng)系統(tǒng)性能主要由信號(hào)和放大自發(fā)輻射（ASE）引起的自發(fā)輻射產(chǎn)生的拍頻噪聲決定時(shí)，此時(shí)Q值可用下式表示 這里P是入射信號(hào)功率，F(xiàn)是放大器噪聲指數(shù)，G是放大器增益，N是光放大

48、器數(shù)量，Be是系統(tǒng)的電帶寬，hv是常數(shù)。這里的分布式拉曼放大器，已等效為在每段傳輸光纖內(nèi)EDFA在線放大器之前，增加了一個(gè)分立的前置光放大器。由于EDFA+DRA系統(tǒng)的噪聲指數(shù)F比只使用EDFA的小4 dB，所以EDFA+DRA系統(tǒng)的Q值要比只使用EDFA的大2 dB。1096.3.5 FRA的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)FRA具有以下優(yōu)點(diǎn)：(1) 更寬的頻段提供放大，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信號(hào)放大，為波分復(fù)用進(jìn)一步增加容量拓寬了空間。(2) 增益介質(zhì)可以為傳輸光纖本身，與EDFA相比，即使甭浦源失效，也不會(huì)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

49、的信號(hào)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。(3) 噪聲指數(shù)低，可提升原系統(tǒng)的信噪比。(4) 拉曼增益譜比較寬，如果采用多個(gè)泵浦源，則可容易地實(shí)現(xiàn)寬帶放大。(5) FRA的飽和功率比較高，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)。(6) 拉曼放大的作用時(shí)間短，為飛秒(10-15s)級(jí)，可實(shí)現(xiàn)超短脈沖的放大。(7) SRS效應(yīng)可在任意光纖中發(fā)生，即使在普通單模光纖中，也可獲得一定增益，因此利用拉曼放大器可在原有光纖基礎(chǔ)上直接擴(kuò)容，可以減少投資；FRA具有以下缺點(diǎn)：(1)拉曼光纖放大器所需要的泵浦光功率高。分立式幾瓦到幾十瓦，分布式幾百毫瓦；EDFA只有幾十毫瓦。(2)作用距離太長，增益系數(shù)偏低。(3)對(duì)偏振敏感。表6-1 FRA與EDFA比較EDFA拉曼放大器放大帶寬20nm48nm增 益20dB可達(dá)30dB飽和功率取決于發(fā)射功率和介質(zhì)材料取決于泵浦光的功率放大頻帶決定于媒介決定于泵浦