1、第六章 光放大器本章要点 本章主要介绍光放大器原理、类型和主要实现技术。光放大器是实现高速率大容量光纤通信系统重要的系统元件，可以部分地代替光中继器，节约系统成本。 12再生中继器的缺点任何光纤通信系统的传输距离都受光纤损耗或色散限制；因此，传统的长途光纤传输系统，需要每隔一定的距离，就增加一个再生中继器，以便保证信号的质量。这种再生中继器的基本功能是进行光-电-光转换，并在光信号转变为电信号时进行再生、整形和定时处理，恢复信号形状和幅度，然后再转换回光信号，沿光纤线路继续传输。这种方式有许多缺点。首先，通信设备复杂，系统的稳定性和可靠性不高，特别是在多信道光纤通信系统中更为突出，因为每个信道
2、均需要进行波分解复用，然后光-电-光变换，经波分复用后，再送回光纤信道传输，所需设备更复杂，费用更昂贵。其次，传输容量受到一定的限制。3WDM光光-电电-光转换再生中继器结构光转换再生中继器结构 1 2 N.光纤光纤 1 2 N光光解解复复用用.O/EADME/O光光复复用用 1 2 N. 1 2 N.光纤光纤 如图所示，传统的光如图所示，传统的光/电电/光的放大方式必须首先解复用光的放大方式必须首先解复用出单根光纤中的多个信道，然后对每一个信道进行放大，最出单根光纤中的多个信道，然后对每一个信道进行放大，最后再复用在一起，装置复杂、成本倍增。后再复用在一起，装置复杂、成本倍增。4光放大器出现
3、光放大器出现 多年来，人们一直在探索能否去掉上述光-电-光转换过程，直接在光路上对信号进行放大，然后再传输，即用一个全光传输中继器代替目前的这种光-电-光再生中继器。经过多年的努力，科学家们已经发明了几种光放大器，其中掺铒光纤放大器（EDFA）、分布光纤拉曼放大器（DRA）和半导体光放大器（SOA）技术已经成熟，众多公司已有商品出售。本章对这几种放大器进行简要的介绍。6.1 光放大器原理 光放大器是一种能在保持光信号特征不变的条件下，增加光信号功率的有源设备。 光放大器的基本工作原理是受激辐射或受激散射效应，其工作机制和激光器的发光原理非常相似。实际上，也可以将光放大器理解为是一个没有反馈或反
4、馈较小的激光器。对于某种特定的光学介质，当采用泵浦（电能源或光能源）方法，达到粒子数反转时就产生了光增益，即可实现光放大。该增益通常不仅与入射信号的频率（或波长）有关，而且与放大器内任一点的局部光强有关；该频率和光强与光增益的关系又取决于放大器介质。56.1.1 光放大器的分类及应用现状6光放大器分类光放大器分类半导体光放大器半导体光放大器(SOA)掺铒光纤放大器掺铒光纤放大器(EDFA) 1550nm非线性非线性光纤放光纤放大器大器掺稀土元素掺稀土元素光纤放大器光纤放大器布里渊光纤放大器布里渊光纤放大器(FBA)拉曼光纤放大器拉曼光纤放大器(FRA)掺镨光纤放大器掺镨光纤放大器(PDFA)
5、1310nm 光放大器的应用现状光放大器的应用现状各种光放大器中，以掺杂光纤放大器研究的居多；掺杂光纤放大器利用掺入石英光纤的稀土离子作为增益介质，在泵浦光的激发下实现光信号的放大，放大器的特性主要由掺杂元素决定；工作波长为1550nm的铒掺杂光纤放大器(EDFA)；工作波长为1300nm的镨掺杂光纤放大器(PDFA)；工作波长为1400nm的铥掺杂光纤放大器(TDFA)；目前，EDFA最为成熟，是光纤通信系统必备器件。6.1.2 光放大器的主要参数泵浦和增益系数增益谱宽与放大器带宽增益饱和和饱和输出功率放大器噪声81. 泵浦和增益系数泵浦和增益系数 光学泵浦提供了所必须的能级间的粒子数反转，
6、因而也就提供了光学增益，考虑一个均匀加宽的增益介质，其增益系数可以表示为 （6-1） 由上式可以确定光放大器的增益谱宽、放大因子和饱和输出功率等参数。9 sPPTgg22201图图6-1 两种泵两种泵浦原理示意图浦原理示意图10泵浦泵浦E3E1E2激光发射（a）三能级泵浦结构（b）四能级泵浦结构E3E1E2E02. 增益谱宽与放大器带宽增益谱宽与放大器带宽 小信号或非饱和状态时，增益系数可以表示为 可以看出，当0时增益最大。定义增益谱宽为增益谱g()降至最大值一半处的全宽（FWHM）。 而放大器的带宽定义为G()降至最大放大倍数一半（3dB）处的全宽度FWHM。 放大器的带宽比介质增益谱宽窄的
7、多。 11 222001Tgg3. 增益饱和和饱和输出功率增益饱和和饱和输出功率 增益可以表示为 增益饱和是放大器能力的一种限制因素，通常将放大器增益降至最大小信号增益一半（3dB）时的输出功率定义为饱和输出功率。12soutPPGGGG1exp0图图6-2 放大器增益随输放大器增益随输出功率的变化出功率的变化134. 放大器噪声放大器噪声 所有光放大器在放大过程中都会把自发辐射（或散射）叠加到信号光上，导致被放大信号的信噪比（SNR）降低，其降低程度通常用噪声指数Fn来表示，其定义为 （6-2） 式中的SNR是由光接收机测得的，因此所得Fn值也和接收机参数有关。理论分析表明，对于理想放大器而
8、言被放大信号的SNR也降低了2倍（3dB），对大多数实际的放大器Fn均超过3dB，并可能达到68dB。 14outinnSNRSNRF)()(光放大器应用光放大器应用用光放大器取代光-电-光中继器，作为在线放大器使用。插在光发射机之后，来增强光发射机功率，作为功率放大器，可增加传输距离（10100）km。在接收机之前，插入一个光放大器，对微弱光信号进行预放大，提高接收机灵敏度，这样的放大器称为前置放大器，也可以用来增加传输距离。补偿局域网（LAN）的分配损耗。光发光发射机射机EDFA光接光接收机收机EDFA光纤光纤光纤光纤(a)在线放大器在线放大器在线放大器在线放大器光发光发射机射机光接光接收
9、机收机EDFA光纤光纤(c)前置放大器前置放大器接收机前置放大器接收机前置放大器光发光发射机射机EDFA光接光接收机收机光纤光纤(b)功率放大器功率放大器光发射机功率增强器光发射机功率增强器光发光发射机射机EDFA光接光接收机收机(d)补偿损耗放大器补偿损耗放大器光纤总线光纤总线节点节点在局域网中用于补偿分配损耗在局域网中用于补偿分配损耗EDFA15EDFA给光纤通信领域带来的革命u EDFA解决了系统容量提高的最大的限制光损耗；u 补偿了光纤本身的损耗，使长距离的光纤传输成为可能；u 大大增加了功率预算的冗余，系统中引入各种新型光器件成为可能；u 支持了最有效的增加光通信容量的方式-WDM；
10、u 推动了全光网络的研究开发热潮。6.2 掺铒光纤放大器掺铒光纤放大器EDFA一、EDF的结构 EDF在泵浦光的作用下，直接对信号光进行放大，是提供光增益的核心部件。EDF的结构与EDFA工作原理00.20.40.60.81.0010002000300040005000b/a铒离子浓度ppm铒离子浓度与b/a值的关系Er3+ GeO2-Al2O3-SiO2GeO2-SiO2F-SiO22b2aErEr掺铒区（浓度11002500ppm) )掺锗区直径46um硅包层直径125um+：1.3%-：0.7%EDF的结构与折射率分布 对于EDF，为了实现有效放大所要求的足够多的铒离子数反转，应该增加掺
11、铒区泵浦光的功率密度，为此，需要减小纤芯横截面积Aeff，从而使EDF的结构最佳化；定义有效纤芯面积Aeff为 同时，适当减小b/a值也是必要的，把掺铒区局限在光纤纤芯的中心，但较小的值减小了对泵浦光的吸收效率，并要求较长的EDF，或较高的铒离子浓度；掺铝是为了展宽频带宽度（带宽由掺杂剂决定）。EDF的结构与EDFA工作原理 200 1.48um/0.98umbeffbI r drAbI r d式中，是泵浦光功率密度的径向分布， 是掺铒区的半径二、EDFA的工作原理 铒的自由离子具有不连续的能级，当Er3+被结合到硅光纤时，它们的每个能级被分裂为许多紧密相关的能级-能带。能级分裂为能带以后会有
12、什么影响？ 在EDFA中能级分裂为能带是有利的：第一：使EDFA对光信号的放大不只是单个波长而是一组波长的能力，即在一段波长范围内的光波长都可以得到放大；第二：避免了细调泵浦激光波长。EDF的结构与EDFA工作原理 EDFA采用掺铒离子单模光纤为增益介质，在泵浦光作用下产生粒子数反转，信号光诱导实现受激辐射放大。 信号光与波长较其为短的光波(泵浦光)同沿光纤传输，泵浦光的能量被光纤中的稀土元素离子吸收而使其跃迁至更高能级，并可通过能级间的受激发射转移为信号光的能量。信号光沿光纤长度得到放大，泵浦光沿光纤长度不断衰减。EDF的结构与EDFA工作原理Input signal1530nm-1570n
13、mAmplified output signalPower laser (Pump)980nm or 1480nmFiber containing erbium dopant 吸收带可以是520、650、800、980、1480nm； 波长短于980nm的泵浦效率低，因而通常采用980和1480nm泵浦。Er3+有三个工作能级：EDF的结构与EDFA工作原理吸收泵浦光快速非辐射跃迁光放大受激辐射产生噪声自发辐射受激吸收基态能带泵浦能带980nm1480nm亚稳态能带 实现粒子数反转的过程：-电子吸收泵浦光跃迁Er3+在未任何光激励的情况下，处于最低能级基态上。 在980nm泵浦光的作用下， 电
14、子不断从基态能级吸收泵浦光的能量跃迁到激发态，但是电子在激发态的生存期很短，对于平均寿命为1us的电子迅速以“非辐射方式跃迁至亚稳态，在亚稳态上电子有较长的寿命，在源源不断的泵浦下，亚稳态上的粒子数积累，从而实现粒子数反转分布； 电子被1480nm的泵浦光不断地泵浦到亚稳态上，此时电子在亚稳态上生存期较长（10ms），不断地积累实现粒子数反转分布。EDF的结构与EDFA工作原理 此动画为实现粒子数反转分布的动画：基态的电子在泵浦光的作用下被源源不断的抽运到泵浦态，泵浦态的电子以无辐射的形式跃迁到亚稳态。EDF的结构与EDFA工作原理实现光放大的过程： 当WDM的信号光通过这段粒子数反转分布的E
15、DF时，电子在WDM信号光作为感应光场的情况下，从亚稳态受激辐射到基态上，并产生与输入光子完全一样（具有相同波长、相同方向和相同相位）的光子，从而实现信号光在EDF的传播过程中被放大。 因此，简单地说，EDFA放大就是把泵浦能量转换为信号光的能量，而且它的效率很高。 泵浦效率等因素的影响，980nm、1480nm半导体激光器更适合于EDFA的泵浦光源，而且这两种半导体激光器已经得到很好的商用化。另外，980nm相对于1480nm而言，增益高、噪声小，是目前EDFA的首选泵浦光源，只用几毫瓦的泵浦功率就可获得高达 30 40 dB 的放大器增益。EDF的结构与EDFA工作原理 此动画为实现光放大
16、过程的动画：亚稳态上的反转分布粒子在信号光的感应下跃迁到基态上，释放出一模一样的大量光子，从而实现光放大。EDF的结构与EDFA工作原理输出信号功率与泵浦功率的关系输出信号功率与泵浦功率的关系右图表示输出信号功率与泵浦功率的关系。由图可见，能量从泵浦光转换成信号光的效率很高，因此EDFA很适合作功率放大器。泵浦光功率转换为输出信号光功率的效率为 92.6 %，60 mW功率泵浦时，吸收效率为 88 %。(信号输出功率 信号输入功率) / 泵浦功率008020406020406080泵浦功率泵浦功率输输出出信信号号功功率率转换效率转换效率92.6%(mW)(mW)266.2.1 EDFA的特点u
17、工作波长处于1.531.56m范围，与光纤最小损耗波长窗口一致；u对掺铒光纤进行激励所需要的泵浦光功率较低，仅需数十mW；u增益高、噪声低、输出功率高。EDFA的典型小信号增益可达40dB，噪声系数可低至34dB，输出功率可达1420dBm；u连接损耗低。EDFA是光纤型放大器，其与光纤线路间的连接较为容易，连接损耗可低至0.1dB。276.2.2 EDFA结构 掺铒光纤放大器（EDFA，Erbium Doped Fiber Amplifier是目前最成熟的光放大器。EDFA主要由掺铒光纤（EDF）、泵浦光源、耦合器、隔离器等组成。 28图图6-4 EDFA的基本组成的基本组成29长度为10m
18、100m左右的掺铒光纤，铒离子的掺杂浓度一般为2100 2000ppm左右。半导体激光器，输出功率为10200mW，工作波长为0.98m或1.48m。将信号光和泵浦光耦合在一起。保证信号单向传输、防止反射光影响EDFA的工作稳定性；滤除放大器噪声，提高信噪比。EDFA各部分作用各部分作用(1) 掺铒光纤 光纤放大器的关键部件是具有增益放大特性的掺铒光纤，因而使掺铒光纤的设计最佳化是主要的技术关键。EDFA的增益与许多参数有关，如铒离子浓度、放大器长度、芯径以及泵浦光功率等。30EDFA各部分作用(2) 泵浦源 对泵浦源的基本要求是高功率和长寿命。它是保证光纤放大器性能的基本因素。几个波长可有效
19、激励掺铒光纤。最先使用1480 nm的 InGaAs 多量子阱(MQW)激光器，其输出功率可达 100 mW，泵浦增益系数较高。 随后采用980nm 波长泵浦，效率高, 噪声低，现已广泛使用。31EDFA各部分作用各部分作用(3) 波分复用器其作用是使泵浦光与信号光进行复合。对它的要求是插入损耗低，因而适用的WDM器件主要有熔融拉锥形光纤耦合器和干涉滤波器。(4) 光隔离器在输入、输出端插入光隔离器是为了抑制光路中的反射，从而使系统工作稳定可靠、降低噪声。对隔离器的基本要求是插入损耗低、反向隔离度大。32EDFA各部分作用各部分作用(5) 光滤波器滤除放大器噪声，提高信噪比。33EDFA泵浦方
20、式泵浦方式 EDFA的内部按泵浦方式分，有三种基本的结构：即同向泵浦、反向泵浦和双向泵浦。 同向泵浦 信号光与泵浦光以同一方向从掺铒光纤的输入端注入的结构，也称为前向泵浦。输入泵浦光较强，故粒子反转激励也强，其增益系数大。其优点是构成简单，噪声指数较小；缺点是输出功率较低。34光隔离器光隔离器WDMEDF光隔离器光隔离器泵浦激光器泵浦激光器输入信号输入信号输出信号输出信号光滤波器光滤波器同向泵浦同向泵浦EDFA泵浦方式泵浦方式反向泵浦 信号光与泵浦光从两个不同方向注入进掺铒光纤的，两者在掺铒光纤中反向传输。也称后向泵浦。其优点是：当光信号放大到很强时，泵浦光也强，不易达到饱和，输出功率比同向泵
21、浦高；缺点是噪声性能差。35光隔离器光隔离器WDMEDF光隔离器光隔离器输入信号输入信号泵浦激光器泵浦激光器光滤波器光滤波器反向泵浦反向泵浦EDFA泵浦方式泵浦方式 双向泵浦 用多个泵浦源从多个方向激励光纤。多个泵浦源部分前向，部分后向，结合前两种优点。使泵浦光在光纤中均匀分布，从而使其增益在光纤中均匀分布。 36光隔离器光隔离器WDMEDF光隔离器光隔离器输入信号输入信号输出信号输出信号泵浦激光器泵浦激光器泵浦激光器泵浦激光器光滤波器光滤波器WDM双向泵浦双向泵浦不同泵浦方式性能差异37三种方式的转换效率分别为61%、76和77。在同样泵浦条件下，同向泵浦式的输出最低。信号输出光功率与泵浦光
22、功率的关系输出功率加大将导致粒子反转数的下降，因而在未饱和区，同向泵浦式噪声指数最小，但在饱和区，情况将发生变化。对于不同掺铒光纤长度，同向泵浦方式噪声都最小。6.2.3 EDFA性能参数1. 功率增益2. 输出功率特性3. 噪声特性 381. 功率增益功率增益 定义为输出功率与输入功率之比。EDFA的增益大小与多种因素有关，通常为1540dB。39=10logdB输出光功率功率增益输入光功率例：例：EDFEDF的输入光功率是的输入光功率是300300 W W，输出功率是，输出功率是60mW, EDFA60mW, EDFA的增益是多少？假如放大自发辐射噪声功率是的增益是多少？假如放大自发辐射噪
23、声功率是3030 W W，EDFAEDFA的增益又是多少？的增益又是多少？解：EDFA增益是或当考虑放大自发辐射噪声功率时，EDFA增益为 以上结果是单个波长光的增益，不是整个EDFA带宽内的增益。20030010603inoutPPGdB23)log(10inoutdBPPGdB23)log(10inASEoutdBPPPG图6-14 增益（G）与掺铒光纤长度的关系GO掺铒光纤长度泵浦光功率上升GO掺铒光纤长度信号光输入功率增加41对于给定的放大器长度L，放大器增益最初随泵浦功率按指数函数增加，但是当泵浦功率超过一定值后，增益的增加就减小2. 输出功率输出功率对于EDFA而言，当输入功率增加
24、时，受激辐射加快，以至于减少了粒子反转数，使受激辐射光减弱，输出功率趋于平稳。衡量EDFA的输出功率特性通常使用3dB饱和输出功率，其定义为饱和增益下降3dB时所对应的输出功率值。42增益饱和（饱和输出功率） 输入信号的功率越大增益G越大！ 一个高功率的输入信号，意味着每单位时间内大量的光子进入EDF，然后这些光子在单位时间内激发高能级到低能级的大量迁移，这意味着高能级会很快耗尽光子，即：输入光功率越大，高能级将会有很少的粒子数。高能级上的粒子数耗尽意味着增益的减少，这种现象称为增益饱和。 饱和输出功率： 增益相对小信号增益减少3dB时的输出信号的光功率称为饱和输出功率。 小信号增益： EDF
25、A工作在线性范围区域时的增益，此时在给定的信号波长和泵浦功率下，增益G基本上与输入信号光功率无关，即：输入光功率较小（小信号）时，增益是一个常数，用G0表示，输出光功率Pout与输入光功率Pin成正比例。 增益比小信号增益降低3dB时的波长间隔，称为小信号增益波长带宽，可以达到35nm以上。饱和输出功率：放大器增益降至小信号增益一半时的输出功率。Pout,sat当P Pinin增大到一定值后，光放大器的增益G G开始下降。增益饱和现象。饱和区域G0增益G是激励光纤长度的函数 EDF有一最佳长度。EDF中泵浦租用是沿激励光纤长度提供的，对于一定的泵浦光功率，如果EDF的长度超过了一定的范围，泵浦
26、光功率沿光纤衰减，然后消耗到阈值功率以下，信号光将会受到越来越小的增益，并且最终经受损耗，即：低能级上有比高能级上更多的电子，其能量不足以使EDF中的粒子数翻转，而且要吸收已放大的信号能量，此时，EDF对信号光开始产生吸收损耗。 因此，EDF有一最佳长度，它与光纤的特性有关，如：掺杂浓度、增益带宽等。小信号增益随放大器长度而变的曲线 增益的大小考虑了EDF的长度以后，还有什么因素需要考虑？小信号增益随泵浦功率而变小信号增益随泵浦功率而变 泵浦功率越大，激发到高能级上的电子数量就越多，EDFA的增益就越大，但是，并不是说高的泵浦功率会从低能级上扫除所有的电子！光放大是一个动态过程，在低能级不断堆
27、积信号光激发从激发态能级上落下的电子。对于给定的放大器长度（EDF长度），增益随泵浦功率在开始时按指数增加，当泵浦功率超过一定值时，增益增加变缓，并趋于一恒定值。 EDFA放大多信道时，泵浦功率被所有要放大的波长共享，传输的多路复用的波长数越多，为满足EDFA的泵浦功率就越大。 多信道同时被放大时，不同波长的增益一样吗？2022-4-22增益G是输入波长的函数 增益谱G()：增益G与信号光波长的关系。光放大器的增益谱不平坦。增益平坦性： 3. 噪声噪声 EDFA的输出光中，除了有信号光外，还有自发辐射光，它们一起被放大，形成了影响信号光的噪声源，EDFA的噪声主要有以下四种：信号光的散粒噪声；
28、被放大的自发辐射光的散粒噪声；自发辐射光谱与信号光之间的差拍噪声；自发辐射光谱间的差拍噪声。 以上四种噪声中，后两种影响最大，尤其是第三种噪声是决定EDFA性能的主要因素。 理论分析表明，EDFA的噪声指数Fn的极限值是3dB。这表明在即使是在理想情况下，每经过一个EDFA，信噪比也会下降一半。52例 光放大器噪声指数假如输入信号功率为假如输入信号功率为 300 W，在在 1 nm 带宽内的输入带宽内的输入噪声功率是噪声功率是 30 nW，输出信号功率是，输出信号功率是 60 mW，在，在 1nm 带宽带宽内的输出噪声功率增大到内的输出噪声功率增大到 20 W ，计算光放大器的噪声指，计算光放
29、大器的噪声指数。数。解：解：光放大器的输入信噪比为光放大器的输入信噪比为3in1010SNR，输出，输出信噪比为信噪比为3out103SNR，所以噪声指数为，所以噪声指数为33. 31031010SNRSNR33outinnF或或 5.2dB从该例中我们得到一个重要的概念从该例中我们得到一个重要的概念，光放大器使输出光放大器使输出信噪比下降了，但是同时也使输出功率增加了，所以我们信噪比下降了，但是同时也使输出功率增加了，所以我们可以容忍输出可以容忍输出 SNR 的下降。的下降。53EDFA 特性小结对于给定的放大器长度L，放大器增益最初随泵浦功率按指数函数增加，但是当泵浦功率超过一定值后，增益
30、的增加就减小。对于给定的泵浦功率，放大器的最大增益对应一个最佳光纤长度，并且当超过这个最佳值后很快降低，其原因是铒光纤的剩余部分没有被泵浦，反而吸收了已放大的信号。选择适当的 L 值和 PP,，获得所需要的增益。当用1.48m 波长的激光泵浦时，如泵浦功率 5mW，放大器长度 30 m，则可获得 35dB 的光增益。54掺铒光纤放大器的优点(1) 工作波长恰好落在光纤通信的最佳波长区工作波长恰好落在光纤通信的最佳波长区( 1500 nm )；(2) 因为因为 EDFA的主体也是一段光纤的主体也是一段光纤，它与线路光纤的耦合它与线路光纤的耦合损耗很小，甚至可达到损耗很小，甚至可达到 0.1 dB
31、;(3) 噪声指数低噪声指数低，一般一般 4 7 dB；(4) 增益高，约增益高，约 20 40 dB，饱和输出功率大饱和输出功率大，约约 815dBm；(5) 频带宽频带宽，在在 1 550 nm 窗口有窗口有 20 40 nm 带宽带宽，可进行多可进行多信道传输信道传输，便于扩大传输容量便于扩大传输容量，从而节省成本费用从而节省成本费用;(6) 与半导体光放大器不同与半导体光放大器不同，光纤放大器的增益特性与光纤光纤放大器的增益特性与光纤极化状态无关极化状态无关，放大特性与光信号的传输方向也无关放大特性与光信号的传输方向也无关，可以实可以实现双向放大现双向放大 ( 光纤放大器内无隔离器时光
32、纤放大器内无隔离器时 );55光纤通信（第3版） 原荣 编著56(7) 所需泵浦功率较低所需泵浦功率较低(数十毫瓦数十毫瓦)，泵浦效率却相当高，泵浦效率却相当高，用用 980nm 光源泵浦时光源泵浦时，增益效率为增益效率为 10dB/mW，用用 1480nm 光光源泵浦时为源泵浦时为 5.1dB/mW；泵浦功率转换为输出信号功率的效率泵浦功率转换为输出信号功率的效率为为 92.6%(见图见图 7.1.4)，吸收效率为吸收效率为 88%；(8) 在多信道应用中可进行无串话传输在多信道应用中可进行无串话传输；(9) 放大器中只有低速电子装置和几个无源器件放大器中只有低速电子装置和几个无源器件，结构
33、简结构简单单，可靠性高可靠性高，体积小体积小；(10) 对不同传输速率的数字体系具有完全的透明度对不同传输速率的数字体系具有完全的透明度，即即与准同步数字体系与准同步数字体系(PDH)和同步数字体系和同步数字体系(SDH)的各种速率兼的各种速率兼容容，调制方案可任意选择调制方案可任意选择；(11) EDFA 需要的工作电流比光需要的工作电流比光-电电-光再生器的小光再生器的小，因此因此可大大减小远供电流可大大减小远供电流，从而降低了对海缆的电阻和绝缘性能从而降低了对海缆的电阻和绝缘性能的要求。的要求。6.2.4 EDFA在光纤通信系统中的应用 在长距离、大容量、高速率光纤通信系统中，EDFA有
34、多种应用形式，其基本作用是：（1）延长中继距离，使无中继传输达数百公里。（2）与波分复用技术结合，可迅速简便地实现扩容。（3）与光孤子技术结合，可实现超大容量、超长距离光纤通信。（4）与CATV等技术结合，对视频传播和ISDN具有积极作用。57EDFAEDFA应用形式应用形式58光发送机光接收机功率放大器Booster Amplifier光纤功率放大（BA） 功率放大是指将EDFA设置于光发送机后，BA可以提高注入光纤的有效光功率，从而延长中继距离。BA的引入会导致入纤功率的大幅提高，可能会在光纤中激发出较强的非线性效应，因此在实际应用中要对其输出功率进行仔细控制。应具有较高的饱和输出功率。E
35、DFAEDFA应用形式应用形式59光发送机光接收机线路放大器Line Amplifier光纤光纤线路放大（LA） 线路放大是指将EDFA置于光纤链路原有中继器的位置，对信号进行在线放大。LA是EDFA最常见的应用形式，广泛应用于长途和本地通信系统中，替代复杂昂贵的光中继器。要求：要求：应有：应有：中等的增益；中等的增益；中等的噪声；中等的噪声；中等的饱和输出功率。中等的饱和输出功率。 这是这是EDFAEDFA在光纤通信系统中的一种在光纤通信系统中的一种重要应用重要应用，它，它可替代传统的可替代传统的O/E/OO/E/O中继器，对线路中的光信号直接进中继器，对线路中的光信号直接进行放大，是实现全
36、光通信的重要保障之一。行放大，是实现全光通信的重要保障之一。EDFAEDFA应用形式应用形式61光发送机光接收机前置放大器Pre Amplifier光纤前置放大（PA） 前置放大是指将EDFA置于光接收机之前。PA可以将光纤线路传输的微弱光信号进行放大，从而提高光接收机的灵敏度。PA一般工作在小信号状态，因此需要有较高的噪声性能和增益系数，而不需要很高的输出功率以避免造成光接收机过载。要求：高增益（不是功率）；低噪声。 作前置放大器时，使接收机灵敏度提高1020dB。 用途：放大一个长距离传输后的微弱光信号。 前置放大器的另一个重要特性参数是它的灵敏度，即EDFA能处理的光输入信号的最小功率。
37、前置放大器能运行在-40dBm（0.1uW）的输入功率条件下。EDFAEDFA应用形式应用形式63局域网的功率放大器增加网络节点数 局域网的功率放大器补偿分配损耗，增加网络节点数。EDFA+WDM结合可在宽带本地网，特别在电视分配网中得到应用。它补偿由于分路带来的损耗及其他损耗，极大地扩大了网径和用户数量。 EDFAEDFA应用形式应用形式64功率、在线、前置放大器的组合光发射机+功率放大器+前置放大器+光接收机光发射机+功率放大器+线路放大器+光接收机光发射机+线路放大器+前置放大器+光接收机光发射机+功率放大器+线路放大器+前置放大器+光接收机二、EDFA的大功率化 WDM系统要求EDFA
38、具有足够高的输出功率，以保证各信道获得足够的光功率。方法：多级泵浦双包层结构的双包层结构的EDF =0.7% =1.3%纤芯内包层外包层用于制作大功率EDFA的双包层光纤结构图芯层：5m内包层： 50m芯层(掺铒)：传播信号光内包层：传播泵浦光双包层光纤是实现EDFA的重要技术，信号光在中心的纤芯里以单模传播，而泵浦光则在内包层中以多模传输。三、EDFA的宽带化 Water peak13701420148015301560157516201650Wavelength(nm)S+bandS bandC bandL bandL+bandEDFATDFAGS-TDFAEDTFAGS-EDFARFA长
39、波段（长波段（L-bandL-band）掺铒光纤放大器掺铒光纤放大器： L L波段的造价高波段的造价高，原因是：，原因是：低反转水平，需长掺铒低反转水平，需长掺铒光纤，强泵浦，此波段其它光器件价格较高。光纤，强泵浦，此波段其它光器件价格较高。2022-4-22四、EDFA在级联中可能出现的问题及解决办法 EDFA的引入一方面使系统的中继距离加大，节省设备成本；另一方面也产生了一些新的问题，如非线性、高的输出功率（增益钳制）、噪声积累和增益均衡等，并且对高速线路系统构成影响。1. 噪声积累 第一级EDFA对信号进行放大的同时，产生放大的自发辐射噪声ASE（前向与后向），此时ASE与放大信号一同沿
40、光纤传输，会被第二级、第三级 EDFA放大，同时，第二级、第三级 EDFA也将产生自己的ASE噪声，并且不断积累，放大累积的噪声以两种方法影响系统性能： 放大累计的ASE被接收机接收，影响系统的性能（误码率、灵敏度等）；当ASE幅度增加到一定程度时，它开始使光放大器饱和并减小信号增益。 当K个EDFA级联时，考虑ASE影响的有效噪声系数：解决办法：滤波器滤除；EDFA在光纤通信系统中的应用以及大功率化32111212keffkNFNFNFNFNFGGGGGG 噪声积累到一定程度后，插入一个O/E/O中继器，使含有累积噪声的输出信号由相关电路（经门限电路判决）去掉该噪声。2. 增益均衡（增益平坦
41、化） EDFA对不同波长光信号的放大增益不同，从而在EDFA多级串联后，使不同波长的光增益相差很大（贫富差距拉大），这就限制了WDM系统中使用的信道数量。EDFA在光纤通信系统中的应用以及大功率化EDFA在光纤通信系统中的应用以及大功率化EDFA级联特性：信道间增益竞争，信道间增益竞争，多级级连使用导致多级级连使用导致“尖峰效应尖峰效应”。15441569典型的EDFA增益谱固有的增益不平坦，增益差随级联放大而积累增大各信道的信噪比差别增大各信道的接收灵敏度不同! 增益谱的形状随信号功率而变，在有信道上、下的动态情况下，失衡情况更加严重。EDFA在光纤通信系统中的应用以及大功率化BER接收光功
42、率光功率波长光功率波长光发射机光发射机光发射机光发射机 N 1 2 3光接收机光接收机光接收机光接收机EDFA 1 N 3 2EDFA在光纤通信系统中的应用以及大功率化光放大的增益平坦化技术：（1）插入衰减器法 使EDFA输出的光信号经波分复用后变成独立波长的光信号，使增益大的波长对应大的衰减值，从而实现各波长的增益均衡，然后再经波分复用器复用后送入光纤传输。（2）单独放大法 对光功率不同的每个波长的光信号选用增益不同的EDF进行放大。EDFA在光纤通信系统中的应用以及大功率化（3）滤波器法 采用透射谱与掺铒光纤增益谱反对称的滤波器使增益平坦化，即：使增益大的波长信号对应小的透过率值，反之对应
43、大的透过率值。常采用的滤波器有：薄膜滤波、长周期光纤光栅、周期调制的双芯光纤等。EDFA在光纤通信系统中的应用以及大功率化 EDFA + 均衡器 合成增益(平坦化光谱)（4）增益互补法 （1）（3）方案都是以牺牲放大器的部分功率为代价来获取均衡效果，而采用增益互补法，把掺杂不同的增益互补的两段EDF连接起来，不但能实现均衡，而且能做到不影响放大器的工作效率。主掺杂是Er3+。（5）新型宽谱带掺杂光纤如掺铒氟化物玻璃光纤（30nm平坦带宽）、铒/铝共掺杂光纤（20nm）等， 静态增益谱的平坦，掺杂工艺复杂。EDFA在光纤通信系统中的应用以及大功率化（6）声光滤波调节法 根据各信道功率，反馈控制放
44、大器输出端的多通道声光带阻滤波器，调节各信道输出功率使之均衡，动态均衡需要解复用、光电转换、结构复杂，实用性受限。（7）预失真补偿法不灵活，传输链路变换后，输入功率也要随之调整EDFA在光纤通信系统中的应用以及大功率化3. 增益钳制什么是增益钳制？ EDFA对信道的插入、分出或信道无光故障等因素引起的输入光功率的变化（较低速变化）能产生响应-瞬态特性。在系统应用中应予以控制-增益钳制。EDFA瞬态特性对通信的影响？ 瞬态特性使得剩余信道获得过大的增益，并输出过大的功率，而产生非线性，最终导致其传输性能的恶化-需进行自动增益控制。 对于级联EDFA系统，瞬态响应时间可短至几几十s，要求增益控制系
45、统的响应时间相应为几几十s。EDFA在光纤通信系统中的应用以及大功率化增益钳制技术：（1）电控 监测EDFA的输入光功率，根据其大小调整泵浦功率，从而实现增益钳制，是目前最为成熟的方法。LD PumpInOut泵浦控制均衡放大器（电控）EDFAEDFA在光纤通信系统中的应用以及大功率化（2）在系统中附加一波长信道 根据其它信道的功率，改变附加波长的功率，而实现增益钳制。注入激光EDFA在光纤通信系统中的应用以及大功率化83例题例题 EDFA增益增益铒光纤的输入光功率是铒光纤的输入光功率是 300 W，输出功率是，输出功率是 60mW,EDFA 的增益是多少？假如放大自发辐射噪声功率是的增益是多
46、少？假如放大自发辐射噪声功率是30ASEP W，EDFA的增益又是多少：的增益又是多少：解：解：EDFA 增益是增益是20030010603inoutPPG，或，或dB23)log(10inoutdBPPG。当考虑放大自发辐射噪声功率时，当考虑放大自发辐射噪声功率时，EDFA 增益为增益为dB23)log(10inASEoutdBPPPG。请注意，以上结果是单个波长光的增益，不是整个请注意，以上结果是单个波长光的增益，不是整个EDFA带宽内的增益。带宽内的增益。6.3 光纤拉曼放大器FRA 拉曼放大具有广阔的光谱范围。拉曼放大器FRA是唯一能在1260nm到1675nm的光谱上进行放大的器件。
47、拉曼放大器适合于任何类型的光纤，且成本较低。FRA可采用同向、反向或双向泵浦，增益带宽可达6THz。 光纤拉曼放大器（FRA）是基于非线性光学效应的原理，它利用强泵浦光束通过光纤传输时产生受激拉曼散射，一个较高能量（较短波长）的入射泵浦光子产生一个较低能量（较长波长）的光子，剩余的能量以分子振荡的形式（光声子）被介质吸收。 84 RS的原理性结构示意图的原理性结构示意图拉曼散射与泵浦光功率有关，泵浦光较弱时，产生自发拉曼散射；泵浦光超过某个阈值，产生受激拉曼散射。大量试验得到石英光纤的斯托克斯频移(拉曼增益带宽)为13.2THZ。自发拉曼散射的强度一般只有入射光强度的百万分之一或亿万分之一。8
48、7 光纤分布式拉曼放大器光纤分布式拉曼放大器分布式拉曼放大器（分布式拉曼放大器（DRADRA）采用强泵浦光对传输光纤进行泵浦，可）采用强泵浦光对传输光纤进行泵浦，可以采用前向泵浦，也可以采用后向泵浦；以采用前向泵浦，也可以采用后向泵浦；因后向泵浦减小了泵浦光和信号光相互作用的长度，从而也就减小因后向泵浦减小了泵浦光和信号光相互作用的长度，从而也就减小了泵浦噪声对信号的影响，所以通常采用后向泵浦。了泵浦噪声对信号的影响，所以通常采用后向泵浦。传输光纤待放大信号光泵浦光已放大信号光ps耦合器WDM滤波器s信号光强度信号光频率psSiOpspsp泵浦光斯托克斯光反斯托克斯光石英晶体的晶格振动增益介质
49、：系统传输光纤。工作原理：基于非线性光学效应。 如果一个弱信号光与一个强泵浦光同时在一根光纤中传输，并且弱信号光的波长在泵浦光的拉曼增益带宽内，则强泵浦光的能量,通过受激拉曼散射,耦合到光纤硅材料的振荡模中，然后又以较长的波长发射，该波长就是信号光的波长，从而使弱信号光得到放大，获得拉曼增益。88因为分布式拉曼放大器的增益频谱只由泵浦波长决定，而与掺杂物的能级电平无关，所以只要泵浦波长适当，就可以在任意波长获得信号光的增益分布式拉曼放大器DRA工作原理89拉曼放大技术应用拉曼放大技术应用分布式拉曼放大器不但能够工作在EDFA常使用到的 C 波段（1530 1564 nm）而且也能工作在波长较短
50、的 S 波段（1350 1450 nm）和较长的 L 波段（1564 1620 nm），完全满足全波光纤对工作窗口的要求。分布式拉曼放大器的工作原理和特性如果一个弱信号光与一个强泵浦光同时在一根光纤中传如果一个弱信号光与一个强泵浦光同时在一根光纤中传输，并且弱信号光的波长在泵浦光的拉曼增益带宽内，输，并且弱信号光的波长在泵浦光的拉曼增益带宽内，则强泵浦光的能量通过受激拉曼散射耦合到光纤硅材料则强泵浦光的能量通过受激拉曼散射耦合到光纤硅材料的振荡模中，然后又以较长的波长发射，该波长就是信的振荡模中，然后又以较长的波长发射，该波长就是信号光的波长，从而使弱信号光得到放大，获得拉曼增益。号光的波长，
