許夢蕓第五章光放大器課件

第五章光放大器許夢蕓劉廣順陳旭東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)量急劇增長追求更高的傳輸容量提高傳輸速率光時分復(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：減少信號多次變換的失真

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任何比特率和格式的信號放大。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)對注入其中的微弱光信號進(jìn)行放大，使其獲得足夠的光增益，變?yōu)檩^強(qiáng)的光信號，從而實現(xiàn)對光信號的直接光放大。并且具有對光信號進(jìn)行實時、在線、寬帶、高增益、低噪聲、低功耗、以及波長速率和調(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)。被放大的光信號輸入光信號光放大器一、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，這種代替是完全可行的，特別是對多信道光波系統(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)點數(shù)，還可以將光放大器用于光子交換系統(tǒng)等多種場合。

光放大器是基于受激輻射機(jī)理來實現(xiàn)入射光功率放大的。它利用某種具有增益的激活介質(zhì)對注入其中的微弱光信號進(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。使電子跳到高能級上，產(chǎn)生粒子束反轉(zhuǎn)，輸入信號光子通過受激輻射過程觸發(fā)這些已經(jīng)激活的電子，使躍遷到較低的能級，從而產(chǎn)生一個放大信號。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、增益光放大器通過受激發(fā)射對入射光信號進(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)時就產(chǎn)生光增益，實現(xiàn)光放大。光增益的大小不僅與入射光頻率(波長)有關(guān)，而且與放大器內(nèi)部任一點的光強(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是描述光放大器對信號放大能力的參數(shù)。定義為：G與光放大器的泵浦功率、摻雜光纖的參數(shù)和輸入光信號有很復(fù)雜的關(guān)系。輸出信號光功率輸入信號光功率

當(dāng)輸入光功率比較小時，增益G是一個常數(shù)，用符號G0表示，稱為光放大器的小信號增益。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增益G0的一半，也就是用分貝表示為下降3dB時，所對應(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增益一半時的輸出功率。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)與波長無關(guān)，實際放大器有一定的頻率范圍。要想用一個光放大器對DWM系統(tǒng)的全部光復(fù)用通道信號進(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)到對所有復(fù)用通道信號進(jìn)行放大的目的。

放大器的帶寬：小信號增益低于峰值小信號增益N(dB)時的頻率間隔，通常N＝3dB。G/dBλ/nm4、噪聲所有光放大器在放大過程中都會把自發(fā)輻射（或散射）疊加到信號光上，導(dǎo)致被放大信號的信噪比（SNR）下降，其降低程度通常用噪聲指數(shù)Fn來表示，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)中電子空穴對的自發(fā)復(fù)合。自發(fā)復(fù)合導(dǎo)致了與光信號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。對于有用信號沒有貢獻(xiàn)，就形成了信號帶寬內(nèi)的噪聲，與放大信號在光纖中一起傳輸、放大，降低了信號光的信噪比。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，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自ASE噪聲與信號本身的差拍噪聲。噪聲指數(shù)為：表明：即使對nsp=1的完全粒子數(shù)反轉(zhuǎn)的理想放大器，被放大信號的SNR也降低了二倍（或3dB）。對大多數(shù)實際的放大器Fn均超過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方式工作長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)缺點一、EDFA簡介一、EDFA簡介摻鉺光纖放大器（EDFA）是80年代后期發(fā)展起來的新型光纖通信產(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至幾千公里，給光纖通信帶來了革命性的變化，被譽(yù)為光纖通信發(fā)展的一個“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這個窗口完全匹配。摻鉺光纖放大器可以對光信號進(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。對信號的編碼格式?jīng)]有要求等優(yōu)點，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)測光泵浦源輔助電路功率監(jiān)測輸入摻餌光纖輸出一臺實用的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：百萬分之幾十到百萬分之幾百。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)器件免受來自下段可能的逆向反射。同時輸入和輸出端插入光隔離器也為了防止連接點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。濾波器的中心波長應(yīng)與信號光波長一致；插入損耗要小，并且與光的偏振態(tài)無關(guān)；通帶對溫度變化不敏感。5、泵浦源功能：為信號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輸出信號光濾波器（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增益比反向泵浦源高3dB，由于兩個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。這種泵浦方式結(jié)合了同向泵浦和反向泵浦的優(yōu)點，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，成本相對較高。光隔離器WDMEDF光隔離器輸入信號輸出信號泵浦激光器泵浦激光器光濾波器WDM為直觀起見，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)相互作用的三個過程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結(jié)構(gòu)：

能級1代表基態(tài)，能量最低。能級2是亞穩(wěn)態(tài)，處于中間能級。能級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+離子的簡化能級圖和各種躍遷過程三、EDFA的工作原理

當(dāng)泵浦(Pump,抽運(yùn))光激勵，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)生一個與信號光子完全一樣的光子，實現(xiàn)了信號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+離子的簡化能級圖和各種躍遷過程三、EDFA的工作原理EDFA的工作過程：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?？欤s1μs）。多余的能量以聲子形式釋放。er3+從亞穩(wěn)態(tài)能帶→

基態(tài),時間長(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+離子的簡化能級圖和各種躍遷過程三、EDFA的工作原理若有1480nm泵浦源激勵，使er3+的電子從基態(tài)→亞穩(wěn)態(tài)能級的頂部；電子將頂端移到亞穩(wěn)態(tài)能級的較低端（躍遷過程④），這時出現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布；位于亞穩(wěn)態(tài)的電子在沒有外部激勵時，一部分會衰變回到基態(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+離子的簡化能級圖和各種躍遷過程三、EDFA的工作原理信號光激勵下：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。實現(xiàn)光信號放大。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+離子的簡化能級圖和各種躍遷過程三、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，分別是輸出光信號和輸入光信號功率。

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)通過栗浦光提供能量，產(chǎn)生粒子數(shù)反轉(zhuǎn)而獲得信號光增益。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。放大小信號或非飽和信號的增益譜表示為增益系數(shù)g（z）為每單位長度的增益與位置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=-27.3dB·m摻鉺光纖長度=50m泵浦光波長=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，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=-27.3dB·m摻鉺光纖長度=50m泵浦光波長=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度之間的關(guān)系曲線?？梢钥闯觯_始時功率增益隨摻鉺光纖長度的增加而上升，當(dāng)光纖長度達(dá)到一定值后，功率增益反而逐漸下降。從圖中看出，當(dāng)光纖為某一長度時，可獲得最佳功率增益，這個光纖長度為最大功率增益的光纖長度。100150200250-1001020304050-200功率增益（dB）泵浦功率=90mW摻鉺光纖長度（m）泵浦光波長=1.48um摻雜濃度25mg/kg光纖長度（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輸出信號能量不能超過注入泵浦能量。四、EDFA的主要工作參數(shù)2、飽和輸出增益

增益存在一個飽和量即增益下降到小信號增益峰值的一半時(3dB)稱為增益飽和，飽和增益對應(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描述輸入信號功率與輸出信號功率之間關(guān)系的參量。如右圖所示。由圖可看出，在摻鉺光纖放大器中，輸入信號功率和輸出信號功率并不完全成正比關(guān)系，而是存在著飽和的趨勢。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輸出飽和功率來表示。如右圖所示，當(dāng)飽和增益下降3dB時所對應(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。

實驗證實：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)用的一個重要原因。

但即使噪聲這樣低，當(dāng)長距離光纖通信系統(tǒng)采用多級EDFA級聯(lián)時，噪聲影響使系統(tǒng)長度也受限。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)之后用來提升輸出功率，將通信距離延長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，沒有電中繼器的光-電-光過程。用EDFA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，使得全光通信技術(shù)得以實現(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)償由于分路帶來的損耗及其他損耗，極大地擴(kuò)大了網(wǎng)徑和用戶數(shù)量。

52五、EDFA的主要應(yīng)用優(yōu)點：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，可以對多路信號同時放大-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，噪聲系數(shù)可低至3－4dB，串話也很小。六、EDFA的優(yōu)缺點優(yōu)點：增益特性不敏感。對溫度不敏感，在100℃內(nèi)增益特性保持穩(wěn)定?？蓪崿F(xiàn)信號的透明傳輸。在波分復(fù)用系統(tǒng)中，同時傳輸模擬信號和數(shù)字信號，高速率信號和低速率信號。缺點：波長固定，只能放大1.55μm左右的光波。換用不同基質(zhì)的光纖時，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進(jìn)行增益譜補(bǔ)償。六、EDFA的優(yōu)缺點5.4

半導(dǎo)體光放大器（SOA）0、半導(dǎo)體光放大器簡介一、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)缺點五、SOA和OFA的比較0、半導(dǎo)體光放大器簡介早在1962年發(fā)明半導(dǎo)體激光器不久，人們就已開始了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)用曾相對處于低谷，直到90年代后，人們進(jìn)一步認(rèn)識到SOA可以用于實現(xiàn)波長轉(zhuǎn)換、WDM與TDM轉(zhuǎn)換等功能，才又對SOA進(jìn)行了廣泛地研究和開發(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光輸入信號

利用受激輻射來實現(xiàn)對入射光功率的放大，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?內(nèi)部的自發(fā)輻射產(chǎn)生自發(fā)輻射噪聲(ASE)，它也會被放大與半導(dǎo)體激光器工作原理類似。沒有諧振腔的反饋選擇，SOA將同時輸出放大的光信號和自發(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)光信號進(jìn)入腔后，它在兩個端面來回反射并得到放大，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，入射光信號經(jīng)過一次放大。T-WSLA頻帶寬（是F-P的三個數(shù)量級）輸出功率高對偏振的靈敏度低光進(jìn)行過程中對光放大，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來量度SNR下降的程度，定義SOA在放大輸入信號的同時將噪聲加到放大信號上?？偟脑肼暪β市盘柕纳⒘Ｔ肼旳SE散粒噪聲信號—ASE間的拍頻噪聲ASE—ASE間的拍頻噪聲例：假如輸入信號功率為300μW，在1nm帶寬內(nèi)的輸入噪聲功率是30nW，輸出信號功率是60mW，在1nm帶寬內(nèi)的輸出噪聲功率增大到20μW，計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方形，對橫向（長方形的寬邊方向）和豎向（長方形的窄邊方向）的光場約束不同，光場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。因此光信號的偏振方向取橫向時的增益大，取豎向時的增益小。解決方法：采用寬、厚可比擬的有源層設(shè)計；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分成TE和TM偏振信號,分別輸入至相互垂直的SOA，然后將兩只SOA放大的TE和TM偏振信號合成，得到與輸入光同偏振態(tài)的放大信號。輸入光信號往返兩次通過同一SOA，但反向通過前，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。相同結(jié)構(gòu)SOA互相垂直串接，所得增益將與偏振無關(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Disadvantages:Advantages:半導(dǎo)體光放大器具有體積小，結(jié)構(gòu)簡單，功耗低，頻帶寬，增益高等特點，易于同其它光器件和電路集成。五、SOA和OFA的比較特點光纖放大器（OFA）半導(dǎo)體放大器(SOA)特點光纖放大器（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可以泵浦源光電偏振敏感無弱5.5

光纖拉曼放大器（FRA）0、光纖拉曼放大器FRA簡介一、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)缺點六、幾種放大器的比較0、光纖拉曼放大器FRA簡介拉曼現(xiàn)象在1928年被發(fā)現(xiàn)。90年代早期，EDFA取代它成為焦點，F(xiàn)RA受到冷遇。隨著光纖通信網(wǎng)容量的增加，對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。特別是高功率二極管泵浦激光器的迅猛發(fā)展，又為FRA的實現(xiàn)奠定了堅實的基礎(chǔ)。人們對FRA的興趣來源于這種放大器可以提供整個波長波段的放大。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，甚至可在1270～1670nm整個波段內(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。?喇曼散射的基本原理：不同的振動頻率對應(yīng)于不同的分子能量，當(dāng)外界光照射時，外來光子能與振動分子發(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)用長距離應(yīng)用EDFA“C””L”波長/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1550nm1550nm經(jīng)光纖傳輸衰減的光波長光功率(dB)1550nm1450nm光纖(b)有泵激光的1550nm傳輸1450nm1550nm如果一個弱信號和一個強(qiáng)泵浦光同時在光纖中傳輸，并使弱信號波長置于泵浦光的拉曼增益帶寬內(nèi)，則弱信號即可被放大。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質(zhì)的振動模式?jīng)Q定?！窕诜蔷€性光學(xué)效應(yīng)，利用強(qiáng)泵浦光通過光纖傳輸時產(chǎn)生受激拉曼散射，使組成光纖的石英晶格振動和泵浦光之間發(fā)生相互作用，產(chǎn)生比泵浦光波長P還長的散射光（斯托克斯光P–s

）?！裨撋⑸涔馀c波長相同的信號光(P–s)重疊，從而使弱信號光放大，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，產(chǎn)生自發(fā)拉曼散射；泵浦光超過某個閾值，產(chǎn)生受激拉曼散射。大量試驗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)，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原理簡介：物理機(jī)制：A.光纖拉曼散射效應(yīng)（SRS)一個入射光子（pump)的湮滅，產(chǎn)生一個下移stokes頻率的光子和另一個具有相當(dāng)能量和動量的光學(xué)支聲子B.與pump光子相差stokes頻率的信號光子，經(jīng)受激散射過程被放大FRA是靠非線性散射實現(xiàn)放大功能，不需要能級間粒子數(shù)反轉(zhuǎn)二、光纖拉曼放大器原理(1)頻率為p和s的泵浦光和信號光通過耦合器輸入光纖，當(dāng)這兩束光在光纖中一起傳輸時，泵浦光的能量通過SRS效應(yīng)轉(zhuǎn)移給信號光，使信號光得到放大。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光隔離器輸入信號輸出信號泵浦激光器傳輸光纖實現(xiàn)信號單向傳輸實現(xiàn)信號單向傳輸提供能量耦合器：將輸入光信號和泵浦光耦合進(jìn)光纖中

通過受激拉曼散射作用把泵浦光能量轉(zhuǎn)移到輸入信號光中，實現(xiàn)信號光的放大。光隔離器WDM光隔離器輸入信號輸出信號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)?？汕跋颉⒑笙虮闷?；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，多用后向。多個泵浦激光器