光纖通信課件：第6章 光放大器

第6章光放大器一般概念摻鉺光纖放大器 半導(dǎo)體光放大器 光纖拉曼放大器光放大器應(yīng)用1《光纖通信》（第3版）原榮編著再生中繼器的缺點(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，就增加一個再生中繼器，以便保證信號的質(zhì)量。這種再生中繼器的基本功能是進(jìn)行光-電-光轉(zhuǎn)換，并在光信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘枙r進(jìn)行再生、整形和定時處理，恢復(fù)信號形狀和幅度，然后再轉(zhuǎn)換回光信號，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€信道均需要進(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。2《光纖通信》（第3版）原榮編著WDM光-電-光轉(zhuǎn)換再生中繼器結(jié)構(gòu)通信設(shè)備復(fù)雜，系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性不高，傳輸容量受到一定的限制。3《光纖通信》（第3版）原榮編著光放大器出現(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，直接在光路上對信號進(jìn)行放大，然后再傳輸，即用一個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)體光放大器（SOA）技術(shù)已經(jīng)成熟，眾多公司已有商品出售。本章對這幾種放大器進(jìn)行簡要的介紹。4《光纖通信》（第3版）原榮編著6.1一般概念6.1.1增益頻譜和帶寬6.1.2增益飽和6.1.3放大器噪聲6.1.4光放大器應(yīng)用5《光纖通信》（第3版）原榮編著6.1一般概念光放大器通過受激發(fā)射放大入射光信號，其機(jī)理與激光器的相同。的確，光放大器只是一個沒有反饋的激光器，其核心是當(dāng)放大器被光或電泵浦時，使粒子數(shù)反轉(zhuǎn)獲得光增益。該增益通常不僅與入射信號的頻率（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)。

6《光纖通信》（第3版）原榮編著行波光放大器是一個沒有反饋的激光器。其核心是當(dāng)放大器被光或電泵浦時，使粒子數(shù)反轉(zhuǎn)獲得光增益。行波半導(dǎo)體光放大器7《光纖通信》（第3版）原榮編著圖6.1.1（b）光放大器增益分布曲線和相應(yīng)的放大器增益頻譜曲線增益系數(shù)：

該式表示當(dāng)入射光頻與原子躍遷頻率相同時增益最大。時增益的減小由洛倫茲（Lorentzian）分布曲線描述

放大倍數(shù)：

8《光纖通信》（第3版）原榮編著6.1.1增益頻譜和帶寬對于洛倫茲頻譜曲線，增益帶寬與的關(guān)系是：

放大器帶寬定義為曲線半最大值的全寬（FWHM），它與增益帶寬的關(guān)系是：9《光纖通信》（第3版）原榮編著圖6.1.2飽和放大器增益

與輸出功率的關(guān)系G0為不飽和放大器增益10《光纖通信》（第3版）原榮編著6.1.3放大器噪聲與電子放大器類似，用放大器噪聲指數(shù)Fn來量度SNR下降的程度，并定義為：得出放大后信號的SNR該式表示，即使對于理想的放大器放大后信號的

SNR也要比輸入信號的

SNR降低3dB。

11《光纖通信》（第3版）原榮編著用光放大器取代光-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（10~100）km。在接收機(jī)之前，插入一個光放大器，對微弱光信號進(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。6.1.3光放大器應(yīng)用12《光纖通信》（第3版）原榮編著6.2半導(dǎo)體光放大器6.2.1放大器設(shè)計(jì)6.2.2行波光放大器特性6.2.3半導(dǎo)體光放大器的應(yīng)用13《光纖通信》（第3版）原榮編著半導(dǎo)體光放大器外形14《光纖通信》（第3版）原榮編著半導(dǎo)體

光放大器的

機(jī)理半導(dǎo)體光放大器的機(jī)理與激光器的相同，即通過受激發(fā)射放大入射光信號。光放大器只是一個沒有反饋的激光器，其核心是當(dāng)放大器被光或電泵浦時，使粒子數(shù)反轉(zhuǎn)獲得光增益。該增益通常不僅與入射信號的頻率（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)。15《光纖通信》（第3版）原榮編著6.2半導(dǎo)體光放大器對于半導(dǎo)體光放大器(SOA)的研究，早在1962年發(fā)明半導(dǎo)體激光器不久就已開始了。然而，只有在上世紀(jì)80年代，在認(rèn)識到它將在光波系統(tǒng)中具有廣泛應(yīng)用前景的驅(qū)使下，才對SOA進(jìn)行了廣泛的研究和開發(fā)。16《光纖通信》（第3版）原榮編著行波光放大器是一個沒有反饋的激光器。其核心是當(dāng)放大器被光或電泵浦時，使粒子數(shù)反轉(zhuǎn)獲得光增益。行波半導(dǎo)體光放大器17《光纖通信》（第3版）原榮編著半導(dǎo)體激光器由于在解理面存在反射，當(dāng)偏流低于閾值時是放大器。減小腔體界面反射，可使激光器變?yōu)榉糯笃?。這種放大器就稱為F-P放大器。F-PSOA的結(jié)構(gòu)和原理18《光纖通信》（第3版）原榮編著F-P諧振腔反射率R越大，SOA的增益越大。但是，當(dāng)R超過一定值后，光放大器將變?yōu)榧す馄?。?dāng)GsR

=1時，式（6.2.2）將變?yōu)闊o限大，此時，SOA產(chǎn)生激光發(fā)射。不同反射率時的F-PSOA的增益頻譜

19《光纖通信》（第3版）原榮編著20《光纖通信》（第3版）原榮編著21《光纖通信》（第3版）原榮編著角度解理面或有源區(qū)傾斜結(jié)構(gòu)。在解理面處的反射光束，因角度解理面的緣故已與前向光束分開。在大多數(shù)情況下，使用抗反射膜和有源區(qū)傾斜，可以使反射率小于<0.1%）圖6.2.3減小反射率的方法22《光纖通信》（第3版）原榮編著有源區(qū)端面和解理面之間插入透明窗口區(qū)。光束在到達(dá)半導(dǎo)體和空氣界面前，在該窗口區(qū)已發(fā)散，經(jīng)界面反射的光束進(jìn)一步發(fā)散，只有極小部分光耦合進(jìn)薄的有源層。圖6.2.3減小反射率的方法23《光纖通信》（第3版）原榮編著半導(dǎo)體激光放大器（SOA）特性增益：芯片3035dB,除810dB的耦合損耗外，還有2225dB的增益。帶寬很寬，可以對窄至幾個ps

的超窄光脈沖進(jìn)行放大?？膳c光發(fā)射機(jī)和接收機(jī)一起單片集成在一起。24《光纖通信》（第3版）原榮編著圖6.2.3半導(dǎo)體光放大器帶寬和增益頻譜曲線(a)法布里-玻羅放大器(F-PA)和行波放大器(TWA)的帶寬比較(b)行波光放大器的增益與波長的關(guān)系25《光纖通信》（第3版）原榮編著圖6.2.4用來減小偏振態(tài)對半導(dǎo)體光放大器增益影響的三種結(jié)構(gòu)26《光纖通信》（第3版）原榮編著圖6.2.4用來減小偏振態(tài)對半導(dǎo)體光放大器增益影響的三種結(jié)構(gòu)信號通過同一個放大器兩次，但是兩次間的極化旋轉(zhuǎn)了，使得總增益與偏振態(tài)無關(guān)27《光纖通信》（第3版）原榮編著波長可調(diào)激光器+光放大

+調(diào)制器集成化器件28《光纖通信》（第3版）原榮編著6.2.3半導(dǎo)體光放大器的應(yīng)用SOA存在增益受偏振影響、信道交叉串?dāng)_以及耦合損耗較大等缺點(diǎn)，所以不能作為在線放大器使用。SOA可以在1.3m光纖系統(tǒng)中作為光放大使用，因?yàn)橐话愕腅DFA不能在該窗口使用。SOA芯片具有高達(dá)30~35dB的增益，除輸入和輸出端存在總共8~10dB的耦合損耗外，還有22~25dB的增益。另外行波半導(dǎo)體光放大器具有很寬的帶寬，可以對窄至幾個ps的超窄光脈沖進(jìn)行放大。在DWDM光纖通信中，可作為波長路由器中的波長轉(zhuǎn)換和快速交換器件使用。在OTDM中，也可以用作時鐘恢復(fù)和解復(fù)用器的非線性器件。29《光纖通信》（第3版）原榮編著6.3光纖拉曼放大器6.3.1分布式拉曼放大器的工作原理和特性6.3.2拉曼放大器對系統(tǒng)性能的影響6.3.3拉曼放大技術(shù)應(yīng)用30《光纖通信》（第3版）原榮編著6.3光纖拉曼放大器EDFA只能工作在1530~1564nm之間的C波段；光纖拉曼放大器可用于全波光纖工作窗口。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光的增益光纖拉曼放大器已成功地應(yīng)用于DWDM系統(tǒng)和無中繼海底光纜系統(tǒng)中。31《光纖通信》（第3版）原榮編著DRA工作原理增益介質(zhì)：系統(tǒng)傳輸光纖。工作原理：基于非線性光學(xué)效應(yīng)。如果一個弱信號光與一個強(qiáng)泵浦光同時在一根光纖中傳輸，并且弱信號光的波長在泵浦光的喇曼增益帶寬內(nèi)，則強(qiáng)泵浦光的能量,通過受激喇曼散射,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，該波長就是信號光的波長，從而使弱信號光得到放大，獲得喇曼增益。32《光纖通信》（第3版）原榮編著6.3.1分布式拉曼放大器（DRA）的工作原理和特性與EDFA利用摻鉺光纖作為它的增益介質(zhì)不同，分布式拉曼放大器（DRA）利用系統(tǒng)中的傳輸光纖作為它的增益介質(zhì)。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產(chǎn)生受激拉曼散射，一個較高能量（較短波長）的入射泵浦光子產(chǎn)生一個較低能量（較長波長）的光子，剩余的能量以分子振蕩的形式（光聲子）被介質(zhì)吸收。33《光纖通信》（第3版）原榮編著如果一個弱信號光與一個強(qiáng)泵浦光同時在一根光纖中傳輸，并且弱信號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，該波長就是信號光的波長，從而使弱信號光得到放大，獲得拉曼增益。6.3.1分布式拉曼放大器的工作原理和特性34《光纖通信》（第3版）原榮編著6.3.3喇曼放大技術(shù)應(yīng)用分布式喇曼放大器不但能夠工作在EDFA常使用到的C波段（1530~1564nm）而且也能工作在波長較短的S波段（1350~1450nm）和較長的L波段（1564~1620nm），完全滿足全波光纖對工作窗口的要求。35《光纖通信》（第3版）原榮編著受激拉曼散射

(SRS)本質(zhì)上

與受激光發(fā)射(SOA)不同在受激發(fā)射中，入射光子激發(fā)另一個相同的光子發(fā)射而沒有損失它自己的能量；但在SRS中，入射泵浦光子放棄了它自己的能量，產(chǎn)生了另一個較低能量（較低頻率）的光子。與SOA電泵浦不同，SRS必須光泵浦，也不要求粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。事實(shí)上，SRS是一種非諧振非線性現(xiàn)象，它不要求粒子數(shù)在能級間轉(zhuǎn)移。36《光纖通信》（第3版）原榮編著圖6.3.1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光相互作用的長度，從而也就減小了泵浦噪聲對信號的影響，所以通常采用后向泵浦。37《光纖通信》（第3版）原榮編著圖6.3.3小信號光在長光纖內(nèi)的喇曼增益泵浦功率為200mW時，最大增益值為7.78dB泵浦功率為100mW時，最大增益值為3.6dB。在增益峰值附近的增益帶寬約為7~8THz。38《光纖通信》（第3版）原榮編著圖6.3.2測量到的拉曼增益系數(shù)頻譜增益帶寬可以達(dá)到約8THz，光纖拉曼放大器相當(dāng)大的帶寬使它們在光纖通信應(yīng)用中具有極大的吸引力。圖6.3.3小信號光在長光纖內(nèi)的拉曼增益信號光和泵浦光的頻率差為13.2THz時，拉曼增益達(dá)到最大，該頻率差對應(yīng)于信號光比泵浦光的波長要長60~100nm。此外，光信號的拉曼增益還與泵浦光的功率有關(guān)

39《光纖通信》（第3版）原榮編著圖6.3.4光纖拉曼放大器放大增益和泵浦功率的關(guān)系實(shí)驗(yàn)使用的光纖拉曼放大器長1.3km，泵浦光波長1.017m，信號光波長1.064m。放大倍數(shù)開始隨泵浦光指數(shù)增加，但是后來因?yàn)樵鲆骘柡停_始偏離指數(shù)規(guī)律。由圖可見，1.5W的泵浦功率可以獲得30dB的增益。40《光纖通信》（第3版）原榮編著圖6.3.5拉曼增益和集中噪聲指數(shù)與波長的關(guān)系表示拉曼增益和等效（集中）噪聲指數(shù)和波長關(guān)系的模擬結(jié)果，模擬時所用到的參數(shù)為：信道數(shù)40個，均處于C波段（1530~1560nm），每個信道的發(fā)射功率為3dBm，用1443nm和1450nm的2個波長的光泵浦，每個泵浦光的功率均為200mW。41《光纖通信》（第3版）原榮編著 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光相互作用的長度，從而也就減小了泵浦噪聲對信號的影響，所以通常采用后向泵浦。光纖分布式喇曼放大器（DRA）構(gòu)成

-----后向泵浦42《光纖通信》（第3版）原榮編著6.3.2拉曼放大器對系統(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，此時Q值可用下式表示這里P是入射信號功率，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4dB，所以EDFA+DRA系統(tǒng)的Q值要比只使用EDFA的大2dB。43《光纖通信》（第3版）原榮編著2.拉曼放大器光信噪比與噪聲指數(shù)有關(guān)的一個重要參數(shù)是光信噪比（OSNR）。用光譜分析儀對混合使用EDFA+DRA的32個波長的DWDM系統(tǒng)（使用125km葉狀光纖）進(jìn)行實(shí)際測量表明，噪聲要比只用常規(guī)的EDFA的低4dB。由Q表達(dá)式可知，由于EDFA+DRA系統(tǒng)的噪聲指數(shù)F比只使用EDFA的小4dB，所以前者的Q值要比后者的大2dB。44《光纖通信》（第3版）原榮編著6.3.3拉曼放大技術(shù)應(yīng)用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?。通過選擇泵浦光波長，可實(shí)現(xiàn)任意波長的光放大，拉曼放大器是目前唯一能實(shí)現(xiàn)1290~1660nm光譜放大的器件。分布式拉曼放大器可使DWDM系統(tǒng)的信道間距減小，擴(kuò)大系統(tǒng)的帶寬容量。所以分布式拉曼放大器具有廣泛的應(yīng)用前景，受到人們的極大重視。45《光纖通信》（第3版）原榮編著多波長泵浦增益帶寬增益波長由泵浦光波長決定，選擇適當(dāng)?shù)谋闷止獠ㄩL，可得到任意波長的信號放大分布式光纖喇曼放大器的增益頻譜是每個波長的泵浦光單獨(dú)產(chǎn)生的增益頻譜疊加的結(jié)果，所以它由泵浦光波長的數(shù)量和種類決定。46《光纖通信》（第3版）原榮編著該圖表示6個泵浦波長單獨(dú)泵浦時，產(chǎn)生的增益頻譜和總的增益頻譜曲線。由圖可見，當(dāng)泵浦光波長逐漸向長波長方向移動時，增益曲線峰值也逐漸向長波長方向移動。多波長泵浦增益頻譜47《光纖通信》（第3版）原榮編著圖6.3.7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個波長的DWDM信號光和2個波長的泵浦光在光纖中反向傳輸時，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，信號光功率電平已足夠低，所以不會產(chǎn)生光纖的非線性影響。48《光纖通信》（第3版）原榮編著6.4摻鉺光纖放大器6.4.1摻鉺光纖結(jié)構(gòu)6.4.2工作原理及其特性6.4.3摻鉺光纖放大器的優(yōu)點(diǎn)6.4.4EDFA的應(yīng)用6.4.5實(shí)用EDFA構(gòu)成49《光纖通信》（第3版）原榮編著摻鉺光纖放大器（EDFA）結(jié)構(gòu)50《光纖通信》（第3版）原榮編著6.4摻鉺光纖放大器使用鉺離子作為增益介質(zhì)的光纖放大器，稱為摻鉺光纖放大器(EDFA)。這些離子在光纖制造過程中被摻入光纖芯中，使用泵浦光直接對光信號放大，提供光增益。雖然摻雜光纖放大器早在1964年就有研究，但是直到1985年才首次研制成功摻鉺光纖。1988年低損耗摻鉺光纖技術(shù)已相當(dāng)成熟，其性能相當(dāng)優(yōu)良，已可以提供實(shí)際使用。放大器的特性，如工作波長、帶寬由摻雜劑所決定。摻鉺光纖放大器因?yàn)楣ぷ鞑ㄩL在靠近光纖損耗最小的1.55m波長區(qū)，它比其它光放大器更引人注意。51《光纖通信》（第3版）原榮編著6.4.1摻鉺光纖結(jié)構(gòu)52《光纖通信》（第3版）原榮編著

6.4.2EDFA工作原理及其特性在摻鉺離子的能級圖中，E1是基態(tài)，E2是中間能級，E3代表激發(fā)態(tài)。若泵浦光的光子能量等于E3與E1之差，鉺離子吸收泵浦光后，從E1升至E3。但是激活態(tài)是不穩(wěn)定的，激發(fā)到E3的鉺離子很快返回到E2。若信號光的光子能量等于E2和E1之差，則當(dāng)處于E2的鉺離子返回E1時則產(chǎn)生信號光子，這就是受激發(fā)射，結(jié)果使信號光得到放大。53《光纖通信》（第3版）原榮編著泵浦光是如何將

能量轉(zhuǎn)移給信號的為了提高放大器的增益，應(yīng)盡可能使基態(tài)鉺離子激發(fā)到激發(fā)態(tài)能級E3。從以上分析可知，能級E2和E1之差必須是需要放大信號光的光子能量，而泵浦光的光子能量也必須保證使鉺離子從基態(tài)E1躍遷到激活態(tài)E3。EDFA的增益特性與泵浦方式及其光纖摻雜劑有關(guān)?？墒褂枚喾N不同波長的光來泵浦EDFA，但是0.98m和1.48m的半導(dǎo)體激光泵浦最有效。使用這兩種波長的光泵浦EDFA時，只用幾毫瓦的泵浦功率就可獲得高達(dá)30~40dB的放大器增益。54《光纖通信》（第3版）原榮編著圖6.4.3摻鉺光纖放大器的工作原理（a）硅光纖中鉺離子的能級圖（b）EDFA的吸收和增益頻譜55《光纖通信》（第3版）原榮編著圖6.1.4表示輸出信號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)換為輸出信號光功率的效率為92.6%，60mW功率泵浦時，吸收效率為88%。[(信號輸出功率信號輸入功率)/泵浦功率]圖6.4.4輸出信號功率與泵浦功率的關(guān)系56《光纖通信》（第3版）原榮編著圖6.4.5小信號增益與泵浦功率的關(guān)系57《光纖通信》（第3版）原榮編著圖6.4.6小信號增益頻譜58《光纖通信》（第3版）原榮編著圖6.4.7大信號增益頻譜59《光纖通信》（第3版）原榮編著例題6.5.1EDFA增益60《光纖通信》（第3版）原榮編著3.EDFA小信號增益EDFA的增益與鉺離子濃度、摻鉺光纖長度、芯徑和泵浦功率有關(guān)當(dāng)處于激發(fā)態(tài)E3能級的離子很快返回到E2能級，產(chǎn)生的輻射是自發(fā)輻射，它對信號光放大不起作用。只有鉺離子從E2能級返回E1能級時，發(fā)生的受激發(fā)射才對信號光的放大有貢獻(xiàn)。當(dāng)忽略自發(fā)輻射和激發(fā)態(tài)吸收時，使用一個簡單兩能級模型，對EDFA的原理可得到更好地理解。該模型假定三能級系統(tǒng)的激活態(tài)能級E3幾乎保持空位，因?yàn)楸闷值侥芗塃3的離子數(shù)快速地轉(zhuǎn)移到能級E2。61《光纖通信》（第3版）原榮編著兩能級模型EDFA的增益與鉺離子濃度、摻鉺光纖長度、芯徑和泵浦功率有關(guān)。處于激發(fā)態(tài)E3能級的離子很快返回E2能級，產(chǎn)生的輻射是自發(fā)輻射，它對信號光放大不起作用。只有鉺離子從E2能級返回E1能級時，發(fā)生的受激發(fā)射才對信號光的放大有貢獻(xiàn)。因?yàn)楸闷值侥芗塃3的離子快速地轉(zhuǎn)移到能級E2，忽略自發(fā)輻射和激發(fā)態(tài)吸收時，能級E3幾乎保持空位，可使用一個簡單兩能級模型，對EDFA的原理可得到更好地理解。62《光纖通信》（第3版）原榮編著對于給定的泵浦功率，放大器的最大增益對應(yīng)一個最佳光纖長度，并且當(dāng)超過這個最佳值后很快降低。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。小信號增益和光纖長度的關(guān)系63《光纖通信》（第3版）原榮編著

對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，增益的增加就減小小信號增益和泵浦功率的關(guān)系64《光纖通信》（第3版）原榮編著EDFA特性小結(jié)對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。對于給定的泵浦功率，放大器的最大增益對應(yīng)一個最佳光纖長度，并且當(dāng)超過這個最佳值后很快降低，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。選擇適當(dāng)?shù)腖值和PP,，獲得所需要的增益。當(dāng)用1.48m波長的激光泵浦時，如泵浦功率5mW，放大器長度30m，則可獲得35dB的光增益。65《光纖通信》（第3版）原榮編著4.放大器噪聲66《光纖通信》（第3版）原榮編著67《光纖通信》（第3版）原榮編著68《光纖通信》（第3版）原榮編著EDFA泵浦功率對噪聲指數(shù)的影響該圖表示泵浦功率對放大器噪聲指數(shù)影響的模擬結(jié)果。數(shù)值計(jì)算表明，強(qiáng)泵浦功率的高增益放大器可以得到接近3dB的噪聲指數(shù)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果也驗(yàn)證了這個結(jié)論。噪聲指數(shù)就像放大器增益一樣，與放大器長度和泵浦功率有關(guān)。69《光纖通信》（第3版）原榮編著EDFA泵浦功率對放大器增益的影響 由圖可見，泵浦功率越大，放大器增益越大，允許鉺光纖也越長。70《光纖通信》（第3版）原榮編著例6.4.2光放大器噪聲指數(shù)71《光纖通信》（第3版）原榮編著6.4.3摻鉺光纖放大器的優(yōu)點(diǎn)72《光纖通信》（第3版）原榮編著73《光纖通信》（第3版）原榮編著6.4.4實(shí)用EDFA構(gòu)成74《光纖通信》（第3版）原榮編著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。(2)泵浦源 對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。幾個波長可有效激勵摻鉺光纖。最先使用1480nm的InGaAs

多量子阱(MQW)激光器，其輸出功率可達(dá)100mW，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。75《光纖通信》（第3版）原榮編著(3)波分復(fù)用器

其作用是使泵浦光與信號光進(jìn)行復(fù)合。對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。對隔離器的基本要求是插入損耗低、反向隔離度大。EDFA各部分作用76《光纖通信》（第3版）原榮編著圖6.4.9放大器增益和噪聲指數(shù)

與輸入功率的關(guān)系（a）數(shù)值模擬結(jié)果增益飽和（或壓縮）特性

（b）商用產(chǎn)品的典型特性曲線77《光纖通信》（第3版）原榮編著6.5.2EDFA放大器級聯(lián)光放大器級聯(lián)可克服長距離通信系統(tǒng)（如海底光纜系統(tǒng)）的光纖損耗，從而可省去光信號的周期性光-電-光再生。設(shè)計(jì)一個級聯(lián)在線放大器光波系統(tǒng)，要求考慮許多因素。最重要的是放大器噪聲、光纖色散以及光纖非線性。本節(jié)簡要地考慮這些設(shè)計(jì)問題。78《光纖通信》（第3版）原榮編著1.EDFA放大