許夢(mèng)蕓第五章光放大器課件

第五章光放大器許夢(mèng)蕓劉廣順陳旭東2016年5月20日目錄2光放大器的概述光放大器的作用與分類摻鉺光纖放大器（EDFA）半導(dǎo)體光放大器（SOA）光纖拉曼放大器（FRA）其他光放大器5.15.25.35.45.55.65.1

光放大器的概述

一、波分復(fù)用系統(tǒng)二、光電中繼器三、光放大器四、

光電中繼器與光放大器的比較

一、

波分復(fù)用系統(tǒng)鋪設(shè)更多的光纜成本高受器件響應(yīng)速度限制Internet數(shù)據(jù)量急劇增長(zhǎng)追求更高的傳輸容量提高傳輸速率光時(shí)分復(fù)用技術(shù)系統(tǒng)復(fù)雜波分復(fù)用采用光－電－光(O-E-O)變換方式信號(hào)失真WDM系統(tǒng)引入，復(fù)雜性和成本倍增光接收光纖光纖中繼器1N

23DWM光發(fā)送－1N

32DWM－二、光電中繼器光接收1N

23DWM光發(fā)送－1N

32DWM－重要意義:促使波分復(fù)用技術(shù)(WavelengthDivisionMultiplexing，WDM)走向?qū)嵱没龠M(jìn)了光孤子技術(shù)和全光網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展，使光纖通信技術(shù)產(chǎn)生了質(zhì)的飛躍。光放大器三、光放大器傳統(tǒng)再生中繼器:光-電-光轉(zhuǎn)換全光放大器:光-光中繼,實(shí)現(xiàn)光纖通信全光化

比較：中繼器色散分散單通路調(diào)制比特率特定光放大器色散積累多通路調(diào)制比特率通透

解決優(yōu)點(diǎn)：減少信號(hào)多次變換的失真

提高系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性7四、光電中繼器與光放大器的比較指它可以對(duì)任何比特率和格式的信號(hào)放大。5.2

光放大器的作用與分類

一、

定義二、光放大器的應(yīng)用三、光放大器工作原理四、

光放大器工作特性五、光放大器分類六、三種光放大器的比較利用某種具有增益的激活介質(zhì)對(duì)注入其中的微弱光信號(hào)進(jìn)行放大，使其獲得足夠的光增益，變?yōu)檩^強(qiáng)的光信號(hào)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)光信號(hào)的直接光放大。并且具有對(duì)光信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)、在線、寬帶、高增益、低噪聲、低功耗、以及波長(zhǎng)速率和調(diào)制方式透明的直接放大功能，是新一代DWDM系統(tǒng)中不可缺少的關(guān)鍵技術(shù)。被放大的光信號(hào)輸入光信號(hào)光放大器一、定義

在線放大器；(b)后置放大器；(c)前置放大器；(d)功率補(bǔ)償放大器

二、光放大器在干線通訊系統(tǒng)中的應(yīng)用在線放大器代替光電光混合中繼器。當(dāng)光纖色散和放大器自發(fā)輻射噪聲累積尚未使系統(tǒng)性能惡化到不能工作時(shí)，這種代替是完全可行的，特別是對(duì)多信道光波系統(tǒng)更有誘惑力，可以節(jié)約大量的設(shè)備投資后置放大器將光放大器接在光發(fā)送機(jī)后，以提高光發(fā)送機(jī)的發(fā)送功率，增加傳輸距離，這種放大器又稱為功率放大器。前置放大器將光放大器接在光接收機(jī)前，以提高接收功率和信噪比，增加通信距離。功率補(bǔ)償放大器

即將光放大器用于補(bǔ)償局域網(wǎng)中的分配損耗，以增大網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)數(shù)，還可以將光放大器用于光子交換系統(tǒng)等多種場(chǎng)合。

光放大器是基于受激輻射機(jī)理來(lái)實(shí)現(xiàn)入射光功率放大的。它利用某種具有增益的激活介質(zhì)對(duì)注入其中的微弱光信號(hào)進(jìn)行放大。三、光放大器工作原理(2)受激輻射(1)能量注入例：若激活介質(zhì)為一種摻雜光纖，它吸收了泵浦源提供的能量。使電子跳到高能級(jí)上，產(chǎn)生粒子束反轉(zhuǎn)，輸入信號(hào)光子通過(guò)受激輻射過(guò)程觸發(fā)這些已經(jīng)激活的電子，使躍遷到較低的能級(jí)，從而產(chǎn)生一個(gè)放大信號(hào)。四、光放大器工作特性1增益2增益飽和與飽和輸出功率3帶寬4噪聲特性1、增益光放大器通過(guò)受激發(fā)射對(duì)入射光信號(hào)進(jìn)行放大，其機(jī)理與激光器相同。任何有源光學(xué)媒質(zhì)，在電或光的泵浦下，達(dá)到粒子數(shù)反轉(zhuǎn)時(shí)就產(chǎn)生光增益，實(shí)現(xiàn)光放大。光增益的大小不僅與入射光頻率(波長(zhǎng))有關(guān)，而且與放大器內(nèi)部任一點(diǎn)的光強(qiáng)有關(guān)，即光增益與頻率及強(qiáng)度的關(guān)系決定于放大器增益媒質(zhì)的特性。

增益峰值飽和功率入射光頻率介質(zhì)原子躍遷頻率偶極子弛豫時(shí)間增益系數(shù)：1.2光放大器的增益增益G是描述光放大器對(duì)信號(hào)放大能力的參數(shù)。定義為：G與光放大器的泵浦功率、摻雜光纖的參數(shù)和輸入光信號(hào)有很復(fù)雜的關(guān)系。輸出信號(hào)光功率輸入信號(hào)光功率

當(dāng)輸入光功率比較小時(shí)，增益G是一個(gè)常數(shù)，用符號(hào)G0表示，稱為光放大器的小信號(hào)增益。但當(dāng)輸入光功率增大到一定數(shù)值后，光放大器的增益開(kāi)始下降，這種現(xiàn)象稱為增益飽和；當(dāng)光放大器的增益降至小信號(hào)增益G0的一半，也就是用分貝表示為下降3dB時(shí)，所對(duì)應(yīng)的輸出功率稱為飽和輸出光功率。G0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)PS,IN增大到一定值后，光放大器的增益G開(kāi)始下降。增益飽和現(xiàn)象。飽和區(qū)域2、增益飽和與飽和輸出功率163、放大器的帶寬:

希望放大器的增益在很寬的頻帶內(nèi)與波長(zhǎng)無(wú)關(guān)，實(shí)際放大器有一定的頻率范圍。要想用一個(gè)光放大器對(duì)DWM系統(tǒng)的全部光復(fù)用通道信號(hào)進(jìn)行放大，光放大器必須具有足夠?qū)挼膸?，而且其放大特性必須非常平坦。這樣才能達(dá)到對(duì)所有復(fù)用通道信號(hào)進(jìn)行放大的目的。

放大器的帶寬：小信號(hào)增益低于峰值小信號(hào)增益N(dB)時(shí)的頻率間隔，通常N＝3dB。G/dBλ/nm4、噪聲所有光放大器在放大過(guò)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）下降，其降低程度通常用噪聲指數(shù)Fn來(lái)表示，其定義為：主要噪聲源：放大的自發(fā)輻射噪聲（ASE），它源于放大器介質(zhì)中電子空穴對(duì)的自發(fā)復(fù)合。自發(fā)復(fù)合導(dǎo)致了與光信號(hào)一起放大的光子的寬譜背景。由于自發(fā)輻射光子的相位和方向是隨機(jī)的。對(duì)于有用信號(hào)沒(méi)有貢獻(xiàn)，就形成了信號(hào)帶寬內(nèi)的噪聲，與放大信號(hào)在光纖中一起傳輸、放大，降低了信號(hào)光的信噪比。光放大前的光電流信噪比光放大后的光電流信噪比4.1ASE噪聲ASE噪聲近似為白噪聲，噪聲功率譜密度為：自發(fā)發(fā)射因子或粒子數(shù)反轉(zhuǎn)因子對(duì)于原子都處于激發(fā)態(tài)或完全粒子數(shù)反轉(zhuǎn)的光放大器，nsp=1;當(dāng)粒子數(shù)不完全反轉(zhuǎn)時(shí)，nsp>1；激發(fā)態(tài)的粒子數(shù)基態(tài)的粒子數(shù)放大器增益

經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，接收機(jī)前接入光放大器后，新增加的噪聲主要來(lái)自ASE噪聲與信號(hào)本身的差拍噪聲。噪聲指數(shù)為：表明：即使對(duì)nsp=1的完全粒子數(shù)反轉(zhuǎn)的理想放大器，被放大信號(hào)的SNR也降低了二倍（或3dB）。對(duì)大多數(shù)實(shí)際的放大器Fn均超過(guò)3dB，并可能達(dá)到6-8dB。我們是希望放大器的Fn盡可能低。光放大器半導(dǎo)體光波導(dǎo)放大器(SOA)摻鉺光纖放大器(EDFA)1550nm光纖放大器(FOA)摻稀土元素光纖放大器布里淵光纖放大器(FBA)五、

光放大器分類摻鐠光纖放大器(PDFA)1310nm拉曼光纖放大器(FRA)非線性光纖放大器諧振式：法布里-玻羅型行波式：行波光放大器

六、

三種光放大器的比較放大器類型原理激勵(lì)方式工作長(zhǎng)度噪聲特性與光纖耦合與光偏振關(guān)系穩(wěn)定性半導(dǎo)體光放大器粒子數(shù)反轉(zhuǎn)電100m~1mm差很難大差摻鉺光纖放大器粒子數(shù)反轉(zhuǎn)光數(shù)米到數(shù)十米好容易無(wú)好光纖拉曼放大器光學(xué)非線性效應(yīng)光數(shù)千米好容易大好5.3

摻餌光纖放大器（EDFA）二、EDFA的結(jié)構(gòu)三、EDFA的工作原理四、EDFA的主要指標(biāo)五、EDFA的應(yīng)用六、EDFA的優(yōu)缺點(diǎn)一、EDFA簡(jiǎn)介一、EDFA簡(jiǎn)介摻鉺光纖放大器（EDFA）是80年代后期發(fā)展起來(lái)的新型光纖通信產(chǎn)品。它的研制成功，打破了光纖通信傳輸距離受光纖損耗的限制，使全光通信距離延長(zhǎng)至幾千公里，給光纖通信帶來(lái)了革命性的變化，被譽(yù)為光纖通信發(fā)展的一個(gè)“里程碑”。摻鉺光纖放大器的工作光譜波段為1530nm至1560nm，與光纖通信的1550nm這個(gè)窗口完全匹配。摻鉺光纖放大器可以對(duì)光信號(hào)進(jìn)行直接光放大，具有增益高、輸出功率大、噪聲低、響應(yīng)速度快。對(duì)信號(hào)的編碼格式?jīng)]有要求等優(yōu)點(diǎn)，因此在光纖傳輸系統(tǒng)中有廣泛的用途。二、EDFA的結(jié)構(gòu)分波器光合波器光隔離器光濾波器功率監(jiān)測(cè)光泵浦源輔助電路功率監(jiān)測(cè)輸入摻餌光纖輸出一臺(tái)實(shí)用的EDFA由摻餌光纖、光耦合器、光隔離器、光濾波器和泵浦源五大部分組成，下圖是EDFA的典型結(jié)構(gòu)：1、摻餌光纖摻餌光纖是EDFA的核心元件，其端面結(jié)構(gòu)如右圖所示：材質(zhì)：以石英光纖為基質(zhì)，并摻雜一定濃度的餌離子Er3+。制法：溶解法、熔融法、管棒法、氣相軸向法、鑄造法、載體容器法。摻雜濃度：百萬(wàn)分之幾十到百萬(wàn)分之幾百。摻餌高密度帶（100-2000ppm）摻鍺的纖芯（3-6um）SiO2包層涂覆層（250um）摻餌光纖端結(jié)構(gòu)示意圖光譜性質(zhì)：主要由鉺離子和光纖基質(zhì)決定，鉺離子起主導(dǎo)作用。為了在放大帶寬內(nèi)的增益平坦，在EDF中摻入適量的鋁元素，使鉺離子在EDF中分布更均勻，從而獲得平坦的寬帶增益譜。2、光合波器功能：將信號(hào)光和泵浦光合路進(jìn)入摻鉺光纖中，也稱光耦合器。主要有兩種形式：980nm/1550nm或1480nm/1550nm，一般為光纖熔錐型。要求：在上述波長(zhǎng)附近插入損耗都小，耦合效率高，耦合頻帶具有一定的寬度且耦合效率平坦，對(duì)偏振不敏感穩(wěn)定性好。3、光隔離器功能：在輸入端加光隔離器消除因放大的自發(fā)輻射反向傳播可能引起的干擾，輸出端保護(hù)器件免受來(lái)自下段可能的逆向反射。同時(shí)輸入和輸出端插入光隔離器也為了防止連接點(diǎn)上反射引起激光振蕩，抑制光路中的反射光返回光源側(cè)，從而既保護(hù)了光源又使系統(tǒng)工作穩(wěn)定。要求：正向傳輸光損耗極小，反向傳輸光損耗極大（>40dB），與偏振無(wú)關(guān)。4、光濾波器功能：消除被放大的自發(fā)輻射光以降低放大器的噪聲，提高系統(tǒng)的信噪比（SNR）。一般多采用多層介質(zhì)膜型帶通濾波器。要求：通帶窄，在1nm以下，目前應(yīng)用的光濾波器的帶寬為1～3nm。濾波器的中心波長(zhǎng)應(yīng)與信號(hào)光波長(zhǎng)一致；插入損耗要小，并且與光的偏振態(tài)無(wú)關(guān)；通帶對(duì)溫度變化不敏感。5、泵浦源功能：為信號(hào)放大提供足夠的能量，使工作物質(zhì)達(dá)到粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布的條件。泵浦源主要是半導(dǎo)體激光二極管，波長(zhǎng)有820nm、980nm、1480nm三種。泵浦方式：同向泵浦、反向泵浦、雙向泵浦（1）、同向泵浦其結(jié)構(gòu)如右圖所示：信號(hào)光泵浦光從同一側(cè)注入摻餌光纖；粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布強(qiáng)，增益大；容易達(dá)到增益飽和，飽和區(qū)噪聲性能差。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（2）、反向泵浦反向泵浦的結(jié)構(gòu)如下圖所示：反向泵浦(后向泵浦)型的信號(hào)光泵浦光從不同一側(cè)注入摻餌光纖；不易達(dá)到增益飽和，噪聲性能較好。光隔離器WDMEDF光隔離器輸入信號(hào)泵浦激光器光濾波器（3）、雙向泵浦反向泵浦的結(jié)構(gòu)如下圖所示：雙向泵浦型的輸出信號(hào)增益比反向泵浦源高3dB，由于兩個(gè)泵浦源分別在前向和后向進(jìn)行泵浦，使EDFA中的雜質(zhì)粒子得到了充分的激勵(lì)。這種泵浦方式結(jié)合了同向泵浦和反向泵浦的優(yōu)點(diǎn)，使泵浦光在光纖中均勻分布，從而使增益在光纖中也均勻分布。但是雙向辦泵浦耦合損耗大，成本相對(duì)較高。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為直觀起見(jiàn)，現(xiàn)將三種泵浦方式比較如圖表：輸出功率與泵浦光功率的關(guān)系噪聲特性輸出特性同向泵浦69%最小輸出功率最小反向泵浦76%最大輸出功率中等雙向泵浦77%中等輸出功率最大三、EDFA的工作原理回顧：光與物質(zhì)相互作用的三個(gè)過(guò)程E1E2E2E1E2E1hv12hv12hv12hv12（a）受激吸收（b）自發(fā)輻射（c）受激輻射Er+3外層電子具有三能級(jí)結(jié)構(gòu)：

能級(jí)1代表基態(tài)，能量最低。能級(jí)2是亞穩(wěn)態(tài)，處于中間能級(jí)。能級(jí)3代表激發(fā)態(tài)，能量最高。3、泵浦能帶④衰變到低能態(tài)2、亞穩(wěn)態(tài)能帶②快速非輻射衰變980nm光子1480nm光子1550nm光子1550nm光子1550nm光子1550nm光子1、基態(tài)能帶泵浦躍遷泵浦躍遷自發(fā)輻射受激吸收受激輻射Er3+離子的簡(jiǎn)化能級(jí)圖和各種躍遷過(guò)程三、EDFA的工作原理

當(dāng)泵浦(Pump,抽運(yùn))光激勵(lì)，鉺離子吸收泵浦光，基態(tài)躍遷到激發(fā)態(tài)。

激發(fā)態(tài)不穩(wěn)定，Er3+很快返回到亞穩(wěn)態(tài)。亞穩(wěn)態(tài)粒子數(shù)積累，形成粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布。如果輸入的信號(hào)光的能量等于基態(tài)和亞穩(wěn)態(tài)的能量差，亞穩(wěn)態(tài)的Er3+將躍遷到基態(tài)，產(chǎn)生一個(gè)與信號(hào)光子完全一樣的光子，實(shí)現(xiàn)了信號(hào)光在摻鉺光纖中的放大。3、泵浦能帶④衰變到低能態(tài)2、亞穩(wěn)態(tài)能帶②快速非輻射衰變980nm光子1480nm光子1550nm光子1550nm光子1550nm光子1550nm光子1、基態(tài)能帶泵浦躍遷泵浦躍遷自發(fā)輻射受激吸收受激輻射Er3+離子的簡(jiǎn)化能級(jí)圖和各種躍遷過(guò)程三、EDFA的工作原理EDFA的工作過(guò)程：980nm泵浦源作用使er3+的電子從基態(tài)→激發(fā)態(tài)受激離子激發(fā)態(tài)→亞穩(wěn)帶（衰變得非?？?，約1μs）。多余的能量以聲子形式釋放。er3+從亞穩(wěn)態(tài)能帶→

基態(tài),時(shí)間長(zhǎng)(10ms左右)。3、泵浦能帶④衰變到低能態(tài)2、亞穩(wěn)態(tài)能帶②快速非輻射衰變980nm光子1480nm光子1550nm光子1550nm光子1550nm光子1550nm光子1、基態(tài)能帶泵浦躍遷泵浦躍遷自發(fā)輻射受激吸收受激輻射Er3+離子的簡(jiǎn)化能級(jí)圖和各種躍遷過(guò)程三、EDFA的工作原理若有1480nm泵浦源激勵(lì)，使er3+的電子從基態(tài)→亞穩(wěn)態(tài)能級(jí)的頂部；電子將頂端移到亞穩(wěn)態(tài)能級(jí)的較低端（躍遷過(guò)程④），這時(shí)出現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布；位于亞穩(wěn)態(tài)的電子在沒(méi)有外部激勵(lì)時(shí)，一部分會(huì)衰變回到基態(tài)，這種現(xiàn)象是所謂的自發(fā)輻射，自發(fā)輻射會(huì)導(dǎo)致放大器的噪聲。3、泵浦能帶④衰變到低能態(tài)2、亞穩(wěn)態(tài)能帶②快速非輻射衰變980nm光子1480nm光子1550nm光子1550nm光子1550nm光子1550nm光子1、基態(tài)能帶泵浦躍遷泵浦躍遷自發(fā)輻射受激吸收受激輻射Er3+離子的簡(jiǎn)化能級(jí)圖和各種躍遷過(guò)程三、EDFA的工作原理信號(hào)光激勵(lì)下：1、基態(tài)的離子將吸收一小部分,將躍遷到亞穩(wěn)態(tài)——受激吸收；2、信號(hào)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-發(fā)射與輸入信號(hào)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。實(shí)現(xiàn)光信號(hào)放大。3、泵浦能帶④衰變到低能態(tài)2、亞穩(wěn)態(tài)能帶②快速非輻射衰變980nm光子1480nm光子1550nm光子1550nm光子1550nm光子1550nm光子1、基態(tài)能帶泵浦躍遷泵浦躍遷自發(fā)輻射受激吸收受激輻射Er3+離子的簡(jiǎn)化能級(jí)圖和各種躍遷過(guò)程三、EDFA的工作原理四、EDFA的主要工作參數(shù)EDFA具有廣泛的應(yīng)用，不同的應(yīng)用對(duì)EDFA的工作特性有不同的要求，各種工作特性參數(shù)是EDFA性能的差異的標(biāo)準(zhǔn)。EDFA的主要參數(shù)是指功率增益、飽和輸出功率和噪聲系數(shù)。

四、EDFA的主要工作參數(shù)1、增益

式中，分別是輸出光信號(hào)和輸入光信號(hào)功率。

EDFA的增益通常為15~40dB。大小與鉺離子濃度、泵浦功率和摻鉺光纖長(zhǎng)度有關(guān)。EDFA的功率增益定義為四、EDFA的主要工作參數(shù)1、增益

EDFA的增益介質(zhì)通過(guò)栗浦光提供能量，產(chǎn)生粒子數(shù)反轉(zhuǎn)而獲得信號(hào)光增益。增益的大小與入射光的頻率和放大器的內(nèi)部光強(qiáng)有關(guān)，具體關(guān)系取決于放大器增益介質(zhì)的特性。放大小信號(hào)或非飽和信號(hào)的增益譜表示為增益系數(shù)g（z）為每單位長(zhǎng)度的增益與位置Z的函數(shù)。四、EDFA的主要工作參數(shù)1、增益

功率增益表示了光放大器的放大能力，增益的大小與泵浦光功率以及光纖長(zhǎng)度等諸因素有關(guān)。右圖為放大器的功率增益與泵浦功率之間的關(guān)系曲線。406080100-1001020304020-20功率增益（dB）輸出信號(hào)=-27.3dB·m摻鉺光纖長(zhǎng)度=50m泵浦光波長(zhǎng)=1.48um摻雜濃度25mg/kg泵浦光功率四、EDFA的主要工作參數(shù)1、增益

從右圖可以看出，放大器的功率增益隨泵浦功率的增加而增加，當(dāng)泵浦功率達(dá)到一定值時(shí)，放大器的功率增益出現(xiàn)飽和，即泵浦功率再增加而功率增益基本保持不變。406080100-1001020304020-20功率增益（dB）

輸出信號(hào)=-27.3dB·m摻鉺光纖長(zhǎng)度=50m泵浦光波長(zhǎng)=1.48um摻雜濃度25mg/kg泵浦光功率四、EDFA的主要工作參數(shù)1、增益

右圖所示為摻鉺光纖放大器的功率增益與光纖長(zhǎng)度之間的關(guān)系曲線?？梢钥闯?，開(kāi)始時(shí)功率增益隨摻鉺光纖長(zhǎng)度的增加而上升，當(dāng)光纖長(zhǎng)度達(dá)到一定值后，功率增益反而逐漸下降。從圖中看出，當(dāng)光纖為某一長(zhǎng)度時(shí)，可獲得最佳功率增益，這個(gè)光纖長(zhǎng)度為最大功率增益的光纖長(zhǎng)度。100150200250-1001020304050-200功率增益（dB）泵浦功率=90mW摻鉺光纖長(zhǎng)度（m）泵浦光波長(zhǎng)=1.48um摻雜濃度25mg/kg光纖長(zhǎng)度（m）四、EDFA的主要工作參數(shù)1、增益

應(yīng)用能量守恒原理，EDFA的輸入輸出功率可以表示為物理意義：EDFA輸出信號(hào)能量不能超過(guò)注入泵浦能量。四、EDFA的主要工作參數(shù)2、飽和輸出增益

增益存在一個(gè)飽和量即增益下降到小信號(hào)增益峰值的一半時(shí)(3dB)稱為增益飽和，飽和增益對(duì)應(yīng)的輸出功率稱為飽和輸出功率。即四、EDFA的主要工作參數(shù)2、飽和輸出增益

輸出飽和功率是一個(gè)描述輸入信號(hào)功率與輸出信號(hào)功率之間關(guān)系的參量。如右圖所示。由圖可看出，在摻鉺光纖放大器中，輸入信號(hào)功率和輸出信號(hào)功率并不完全成正比關(guān)系，而是存在著飽和的趨勢(shì)。1020輸出功率（dB·m）-20-100輸入功率（dB·m）四、EDFA的主要工作參數(shù)2、飽和輸出增益

摻鉺光纖放大器的最大輸出功率常用3dB輸出飽和功率來(lái)表示。如右圖所示，當(dāng)飽和增益下降3dB時(shí)所對(duì)應(yīng)的輸出功率值為3dB輸出飽和功率，它代表了摻鉺光纖放大器的最大輸出能力。增益（dB）輸出飽和功率3dB3dB3、噪聲系數(shù)

噪聲系數(shù)Fn決定于自發(fā)輻射。

實(shí)驗(yàn)證實(shí)：在EDFA中，可得到接近3dB的噪聲系數(shù)，這是噪聲系數(shù)的極限。

EDFA極低噪聲，成為光纖通信中的理想放大器，是在光纖通信系統(tǒng)中廣泛應(yīng)用的一個(gè)重要原因。

但即使噪聲這樣低，當(dāng)長(zhǎng)距離光纖通信系統(tǒng)采用多級(jí)EDFA級(jí)聯(lián)時(shí)，噪聲影響使系統(tǒng)長(zhǎng)度也受限。五、EDFA的主要應(yīng)用1.EDFA用作前置放大器

光接收器之前，提高接收機(jī)靈敏度可提高10～20dB。即，在光信號(hào)進(jìn)入接收機(jī)前，得到放大，以抑制接收機(jī)內(nèi)的噪聲。小信號(hào)放大，要求低噪聲，但輸出飽和功率則不要求很高。2、EDFA用作功率放大器

放在光發(fā)射機(jī)之后用來(lái)提升輸出功率，將通信距離延長(zhǎng)10-20km。通信距離由放大器增益及光纖損耗決定，功率放大器除了要求低噪聲外，還要求高飽和輸出功率。五、EDFA的主要應(yīng)用3、EDFA用作線路放大器

非常適合用在海底光纜，沒(méi)有電中繼器的光-電-光過(guò)程。用EDFA可代替半導(dǎo)體光放大器，對(duì)線路中的光信號(hào)直接進(jìn)行放大，使得全光通信技術(shù)得以實(shí)現(xiàn)。五、EDFA的主要應(yīng)用4、EDFA用作本地網(wǎng)放大器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(lái)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。

52五、EDFA的主要應(yīng)用優(yōu)點(diǎn)：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，而信號(hào)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。工作頻帶正處于光纖損耗最低處(1525-1565nm)；頻帶寬，可以對(duì)多路信號(hào)同時(shí)放大-波分復(fù)用；增益高，噪聲低，輸出功率大。增益達(dá)40dB。輸出功率在單向泵浦14dBm，雙向泵浦17dBm-20dBm，充分泵浦時(shí)，噪聲系數(shù)可低至3－4dB，串話也很小。六、EDFA的優(yōu)缺點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)：增益特性不敏感。對(duì)溫度不敏感，在100℃內(nèi)增益特性保持穩(wěn)定?？蓪?shí)現(xiàn)信號(hào)的透明傳輸。在波分復(fù)用系統(tǒng)中，同時(shí)傳輸模擬信號(hào)和數(shù)字信號(hào)，高速率信號(hào)和低速率信號(hào)。缺點(diǎn)：波長(zhǎng)固定，只能放大1.55μm左右的光波。換用不同基質(zhì)的光纖時(shí)，鉺離子能級(jí)也只能發(fā)生很小的變化，可調(diào)節(jié)的波長(zhǎng)有限，只能換用其他元素。增益帶寬不平坦。在WDM系統(tǒng)中需要采用特殊的手段來(lái)進(jìn)行增益譜補(bǔ)償。六、EDFA的優(yōu)缺點(diǎn)5.4

半導(dǎo)體光放大器（SOA）0、半導(dǎo)體光放大器簡(jiǎn)介一、半導(dǎo)體光放大器結(jié)構(gòu)和原理二、SOA分類三、SOA的工作特性四、SOA的優(yōu)缺點(diǎn)五、SOA和OFA的比較0、半導(dǎo)體光放大器簡(jiǎn)介早在1962年發(fā)明半導(dǎo)體激光器不久，人們就已開(kāi)始了SOA的研究。由于80年代末期EDFA的出現(xiàn)并迅速成為光纖通信的主流，SOA的研發(fā)和應(yīng)用曾相對(duì)處于低谷，直到90年代后，人們進(jìn)一步認(rèn)識(shí)到SOA可以用于實(shí)現(xiàn)波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換、WDM與TDM轉(zhuǎn)換等功能，才又對(duì)SOA進(jìn)行了廣泛地研究和開(kāi)發(fā)。一、半導(dǎo)體光放大器的結(jié)構(gòu)和原理耦合光設(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(hào)光輸入信號(hào)

利用受激輻射來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)入射光功率的放大，產(chǎn)生受激輻射所需的粒子數(shù)反轉(zhuǎn)機(jī)制與半導(dǎo)體激光器中的完全相同。pn?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(hào)光被放大?內(nèi)部的自發(fā)輻射產(chǎn)生自發(fā)輻射噪聲(ASE)，它也會(huì)被放大與半導(dǎo)體激光器工作原理類似。沒(méi)有諧振腔的反饋選擇，SOA將同時(shí)輸出放大的光信號(hào)和自發(fā)輻射噪聲，不能產(chǎn)生相干的激光輸出。二、SOA的分類①法布里-玻羅腔型半導(dǎo)體激光放大器（F-PSLA）

形成P-N結(jié)有源區(qū)的晶體解理面作為法布里-玻羅腔的部分反射鏡，其自然反射率達(dá)到32%。當(dāng)光信號(hào)進(jìn)入腔后，它在兩個(gè)端面來(lái)回反射并得到放大，直至以較高的功率發(fā)射出去將通常的半導(dǎo)體激光器當(dāng)做光放大器使用。帶寬約3GHz②行波型半導(dǎo)體光放大器（T-WSLA）兩個(gè)端面鍍的是增透膜，又稱作防反射膜或涂層AR。鍍防反射膜的目的是減少SOA與光纖之間的耦合損耗，因此有源區(qū)不會(huì)發(fā)生內(nèi)反射，只要注入電流在閾值以上，在腔內(nèi)仍可獲得增益，入射光信號(hào)經(jīng)過(guò)一次放大。T-WSLA頻帶寬（是F-P的三個(gè)數(shù)量級(jí)）輸出功率高對(duì)偏振的靈敏度低光進(jìn)行過(guò)程中對(duì)光放大，故稱為行波放大器產(chǎn)生粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，提高SOA的增益帶寬約10THz1、增益飽和特性三、SOA的工作特性增益飽和現(xiàn)象與注入電流和信號(hào)功率有關(guān)。注入電流①SOA的增益輸出功率電流達(dá)到一定程度注入電流②SOA的增益受載流子恢復(fù)時(shí)間的限制，增益受到抑制增益飽和2、噪聲特性用放大器噪聲指數(shù)Fn來(lái)量度SNR下降的程度，定義SOA在放大輸入信號(hào)的同時(shí)將噪聲加到放大信號(hào)上?？偟脑肼暪β市盘?hào)的散粒噪聲ASE散粒噪聲信號(hào)—ASE間的拍頻噪聲ASE—ASE間的拍頻噪聲例：假如輸入信號(hào)功率為300μW，在1nm帶寬內(nèi)的輸入噪聲功率是30nW，輸出信號(hào)功率是60mW，在1nm帶寬內(nèi)的輸出噪聲功率增大到20μW，計(jì)算光放大器的噪聲指數(shù)？解：光放大器使輸出信噪比下降了，但同時(shí)也使輸出功率增加了，所以可容忍SNR的下降。

3、偏振靈敏性起因：由于半導(dǎo)體有源層的橫截面呈扁長(zhǎng)方形，對(duì)橫向（長(zhǎng)方形的寬邊方向）和豎向（長(zhǎng)方形的窄邊方向）的光場(chǎng)約束不同，光場(chǎng)在豎向的衍射泄漏強(qiáng)于橫向，因而豎向的光增益弱于橫向。因此光信號(hào)的偏振方向取橫向時(shí)的增益大，取豎向時(shí)的增益小。解決方法：采用寬、厚可比擬的有源層設(shè)計(jì)；使用方法上解決。相同結(jié)構(gòu)SOA互相垂直并接，在輸入端采用偏振分束器將信號(hào)分成TE和TM偏振信號(hào),分別輸入至相互垂直的SOA，然后將兩只SOA放大的TE和TM偏振信號(hào)合成，得到與輸入光同偏振態(tài)的放大信號(hào)。輸入光信號(hào)往返兩次通過(guò)同一SOA，但反向通過(guò)前，采用法拉第旋轉(zhuǎn)器使返回光旋轉(zhuǎn)900第二次放大后，用耦合器取出輸出光信號(hào)。相同結(jié)構(gòu)SOA互相垂直串接，所得增益將與偏振無(wú)關(guān)與光纖耦合損耗大；噪聲指數(shù)的典型值為5-7dB；

（噪聲機(jī)理：自發(fā)輻射、有源區(qū)的吸收和散射損耗、剩余解理面的反射率）穩(wěn)定性差，因增益與偏振態(tài)、溫度等因素有關(guān)。四、SOA的優(yōu)缺點(diǎn)Disadvantages:Advantages:半導(dǎo)體光放大器具有體積小，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，功耗低，頻帶寬，增益高等特點(diǎn)，易于同其它光器件和電路集成。五、SOA和OFA的比較特點(diǎn)光纖放大器（OFA）半導(dǎo)體放大器(SOA)特點(diǎn)光纖放大器（OFA）半導(dǎo)體放大器(SOA)最大內(nèi)部增益dB30飽和輸出功率

dB插入損耗dB本征噪聲系數(shù)dB3dB增益帶寬Nm30光子集成電路兼容無(wú)可以泵浦源光電偏振敏感無(wú)弱5.5

光纖拉曼放大器（FRA）0、光纖拉曼放大器FRA簡(jiǎn)介一、受激拉曼散射二、光纖拉曼放大器原理三、光纖拉曼放大器結(jié)構(gòu)四、FRA的工作特性五、FRA的優(yōu)缺點(diǎn)六、幾種放大器的比較0、光纖拉曼放大器FRA簡(jiǎn)介拉曼現(xiàn)象在1928年被發(fā)現(xiàn)。90年代早期，EDFA取代它成為焦點(diǎn)，F(xiàn)RA受到冷遇。隨著光纖通信網(wǎng)容量的增加，對(duì)放大器提出新的要求，傳統(tǒng)的EDFA已很難滿足，F(xiàn)RA再次成為研究的熱點(diǎn)。特別是高功率二極管泵浦激光器的迅猛發(fā)展，又為FRA的實(shí)現(xiàn)奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。人們對(duì)FRA的興趣來(lái)源于這種放大器可以提供整個(gè)波長(zhǎng)波段的放大。通過(guò)適當(dāng)改變泵浦激光波長(zhǎng)，就可以達(dá)到在任意波段進(jìn)行寬帶光放大，甚至可在1270～1670nm整個(gè)波段內(nèi)提供放大。?喇曼散射：是由光學(xué)聲子參與引起的光子散射。聲子是指晶體或分子的振動(dòng)。?喇曼散射的基本原理：不同的振動(dòng)頻率對(duì)應(yīng)于不同的分子能量，當(dāng)外界光照射時(shí)，外來(lái)光子能與振動(dòng)分子發(fā)生能量交換，產(chǎn)生不同于入射光頻率譜線。光纖的通信窗口11001700120013001400150016000.20.10.30.40.50.6140THz短距離應(yīng)用長(zhǎng)距離應(yīng)用EDFA“C””L”波長(zhǎng)/um損耗/dB·km-1WDM技術(shù)成功的重要因素是EDFA的應(yīng)用。EDFA不能適應(yīng)寬帶放大的需求。光纖拉曼放大器光功率(dB)波長(zhǎng)1550nm1550nm經(jīng)光纖傳輸衰減的光波長(zhǎng)光功率(dB)1550nm1450nm光纖(b)有泵激光的1550nm傳輸1450nm1550nm如果一個(gè)弱信號(hào)和一個(gè)強(qiáng)泵浦光同時(shí)在光纖中傳輸，并使弱信號(hào)波長(zhǎng)置于泵浦光的拉曼增益帶寬內(nèi)，則弱信號(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。一、受激拉曼散射（StimulatedRamanScattering，SRS）拉曼散射基本原理：在許多非線性光學(xué)介質(zhì)中，高能量（波長(zhǎng)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(gè)低頻與高頻相比的偏移量由介質(zhì)的振動(dòng)模式?jīng)Q定?！窕诜蔷€性光學(xué)效應(yīng)，利用強(qiáng)泵浦光通過(guò)光纖傳輸時(shí)產(chǎn)生受激拉曼散射，使組成光纖的石英晶格振動(dòng)和泵浦光之間發(fā)生相互作用，產(chǎn)生比泵浦光波長(zhǎng)P還長(zhǎng)的散射光（斯托克斯光P–s

）。●該散射光與波長(zhǎng)相同的信號(hào)光(P–s)重疊，從而使弱信號(hào)光放大，獲得拉曼增益。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(guò)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Ω(拉曼增益帶寬)為13.2THz。拉曼放大器VS受激輻射的光放大器

2.拉曼放大的信號(hào)波長(zhǎng)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(zhǎng)與泵浦光頻率無(wú)關(guān)，與禁帶寬度有關(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，受激拉曼散射，stocks頻移；工作原理FRA原理簡(jiǎn)介：物理機(jī)制：A.光纖拉曼散射效應(yīng)（SRS)一個(gè)入射光子（pump)的湮滅，產(chǎn)生一個(gè)下移stokes頻率的光子和另一個(gè)具有相當(dāng)能量和動(dòng)量的光學(xué)支聲子B.與pump光子相差stokes頻率的信號(hào)光子，經(jīng)受激散射過(guò)程被放大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)二、光纖拉曼放大器原理(1)頻率為p和s的泵浦光和信號(hào)光通過(guò)耦合器輸入光纖，當(dāng)這兩束光在光纖中一起傳輸時(shí)，泵浦光的能量通過(guò)SRS效應(yīng)轉(zhuǎn)移給信號(hào)光，使信號(hào)光得到放大。峰值增益頻移：～13.2THz

(60-100nm)支撐技術(shù):大功率泵浦激光器，目前以取得實(shí)用化光纖拉曼放大器原理(2)增益帶寬（FWHM）可以達(dá)到約8THz石英光纖拉曼增益系數(shù)頻譜曲線三、光纖拉曼放大器結(jié)構(gòu)光隔離器WDM光隔離器輸入信號(hào)輸出信號(hào)泵浦激光器傳輸光纖實(shí)現(xiàn)信號(hào)單向傳輸實(shí)現(xiàn)信號(hào)單向傳輸提供能量耦合器：將輸入光信號(hào)和泵浦光耦合進(jìn)光纖中

通過(guò)受激拉曼散射作用把泵浦光能量轉(zhuǎn)移到輸入信號(hào)光中，實(shí)現(xiàn)信號(hào)光的放大。光隔離器WDM光隔離器輸入信號(hào)輸出信號(hào)泵浦激光器傳輸光纖與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(zhǎng)度，從而減少泵浦噪聲對(duì)信號(hào)影響，多用后向。多個(gè)泵浦激光器