1、第06章 光放大器光放大器基本概念光放大器基本概念概述概述一、光电中继器（一、光电中继器（O-E-O）装置复杂、耗能多、不能同时放大多个波长信道，在WDM系统中复杂性和成本倍增，可实现1R、2R、3R中继二、光放大器（二、光放大器（O-O）多波长放大、低成本，只能实现多波长放大、低成本，只能实现1R中继中继三、光放大器类型三、光放大器类型：掺杂光纤放大器（EDFA、PDFA）半导体光放大器（SOA）非线性光纤放大器（FRA、FBA）光纤参量放大器（FPA）四、发展历程四、发展历程：80年代中、后期SOA的研究为主；90年代EDFA获得巨大成功，成为光纤通信系统必不可少的器件基本概念基本概念在泵
2、浦能量（电或光）的作用下，实现粒子数反转（非线性光纤放大器除外），然后通过受激辐射实现对入射光的放大。与激光器不同之处在于光放大器没有反馈机制。光放大器的增益不仅与信号光的频率有关，而且还依赖于其强度对于均匀展宽的二能级系统，增益系数为：sPPTgg222001上式可用于讨论放大器的增益带宽、放大倍数、饱和输出功率等一、光增益谱宽和放大器带宽一、光增益谱宽和放大器带宽小信号下，增益系数随的改变而按洛伦兹分布变化增益谱宽：增益系数降至最大值一半处的全宽（FWHM）21Tg放大器增益（或放大倍数）：inoutPPG LgGexp放大器带宽：放大器增益（放大倍数）降至最大放大倍数一半处的全宽度（FW
3、HM）2ln2ln0LggA光功率随距离的变化规律：gPdzdP二、增益饱和与饱和输出功率二、增益饱和与饱和输出功率起因：增益系数与功率的依从关系soutPPGGGG1exp0饱和输出功率：放大器增益降至最大小信号增益的一半时的输出功率ssoutPGGP22ln00最大输出功率三、放大器噪声三、放大器噪声起因：被放大的自发辐射（ASE）-ASE噪声ASE噪声近似为白噪声，噪声功率谱密度为：hnGSspsp1自发辐射因子（或反转因子）：122NNNnspASE噪声功率：ASEspASEBhGnP12ASE有效带宽，有效带宽，由放大器增益谱特性决定由放大器增益谱特性决定噪声指数1222inspsp
4、outSNRGFnnSNRG四、应用四、应用线路放大（In-line）：周期性补偿各段光纤损耗功率放大（Boost）：增加入纤功率，延长传输距离前置预放大（Pre-Amplifier）提高接收灵敏度五、光放大器特点五、光放大器特点1、对信号格式及码率透明、对信号格式及码率透明2、工作波段可选、工作波段可选3、宽带放大、宽带放大4、高增益、高增益5、低噪声、低噪声半导体光放大器（半导体光放大器（SOA)一、工作原理一、工作原理1、F-P半导体光放大器增益：纵模间隔G()：增益轮廓R1,R2：反射率谐振峰3dB带宽：半导体光放大器（半导体光放大器（SOA)多峰值、带宽窄，不适合系统应用，只可用于一
5、些信号处理21RR可增加带宽，减小Gmax和Gmin之差，减小行波半导体光放大器行波半导体光放大器要求放大器的残余反射满足：17.021RRG此时，放大器的增益特性，主要决定于G（）半导体光放大器（半导体光放大器（SOA)二、行波半导体放大器特性二、行波半导体放大器特性带宽由介质的增益谱决定，可达70nm0NNVgg增益系数与载流子浓度的关系载流子浓度由速率方程决定噪声指数：int02ggNNNFn降低端面反射的方法：倾斜有源区法窗面结构：限制因子g：微分增益系数V：有源区体积半导体光放大器（半导体光放大器（SOA)增益偏振相关性起因：限制因子和微分增益系数随输入光的偏振态变化而变化解决方法：
6、采用宽、厚可比拟的有源层设计；使用方法着手。半导体光放大器（半导体光放大器（SOA)三、脉冲放大三、脉冲放大1、增益压缩：输入光功率-载流子耗尽-增益减小光脉冲的不同部分经历的放大不同，前沿经历的增益最大，后沿最小脉冲过后增益开始恢复，恢复速度取决于载流子寿命-脉冲畸变2、相位调制：增益调制的同时，引起有源区折射率变化，导致脉冲相位的变化，脉冲各部分的相位变化不同-调频啁啾（自相位调制）放大前放大后半导体光放大器（半导体光放大器（SOA)四、应用四、应用1、多信道放大中存在的问题噪声大（Fn8dB)信道串扰（交叉增益调制XGM、四波混频FWM）增益饱和引起信号畸变2、其他应用A、光波长转换：光
7、波长转换器（光波长转换器（Wavelength Converter）是一种实现将光信号从某一波是一种实现将光信号从某一波长的光载波转换至另一波长光载波的器件，是波分复用光通信系统向长的光载波转换至另一波长光载波的器件，是波分复用光通信系统向光网络演变的一个关键性器件。光波长转换器能使网络在不同节点处光网络演变的一个关键性器件。光波长转换器能使网络在不同节点处重复使用某一个波长，这种重复使用某一个波长，这种“波长再利用波长再利用”无疑能提高波长的利用效无疑能提高波长的利用效率，有效地减少波分复用网络中所需波长的数量率，有效地减少波分复用网络中所需波长的数量机理：机理：基于基于SOA中的交叉增益调
8、制（中的交叉增益调制（XGM）基于基于SOA中的交叉相位调制（中的交叉相位调制（XPM）基于基于SOA中的四波混频效应（中的四波混频效应（FWM）半导体光放大器（半导体光放大器（SOA)B、光脉冲压缩：利用SOA自相位调制，形成啁啾脉冲，经负色散光纤传输，实现压缩C、光开关直接调制SOA的注入电流实现光的通断特点：高速、无损半导体光放大器（半导体光放大器（SOA)掺铒光纤放大器掺铒光纤放大器(EDFA)一、发展历程1964年，提出掺钕（Nd3+）光纤放大器的设想1985年，低损耗掺杂SiO2光纤研制成功目前，掺Er3+光纤放大器（EDFA）最为成熟，是光纤通信系统必备器件特点：插损小、高增益、
9、大带宽、偏振无关低噪声、低串扰、高输出功率等掺铒光纤放大器掺铒光纤放大器(EDFA)二、EDFA的工作原理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，在信号光诱导下实现受激辐射放大EDFA中的Er3+能级结构：受激辐射对应于4I13/2到4I15/2的跃迁泵浦波长可以是520、650、800、980、1480nm由于波长短于980nm的泵浦存在着较强的受激带吸收，泵浦效率低，因而通常采用980和1480nm泵浦上述两波长的泵浦效率可高达11dB/mW和5dB/mW泵浦可以同向、逆向形式泵浦由于光纤对1480nm的光损耗较小，所以1480nm泵浦光又常用于遥泵方式掺铒光
10、纤放大器掺铒光纤放大器(EDFA)基本结构：基本结构：掺铒光纤放大器掺铒光纤放大器(EDFA)应用方式：应用方式：功率放大（Boost）线路放大（In-line）前置放大(Pre-amplifier)同向泵浦反向泵浦双向泵浦三、EDFA的增益谱特性吸收截面a和发射截面e：表示Er3+在不同波长的吸收和发射几率增益展宽：石英纤芯结构的无序导致非均匀展宽；各能级的斯塔克分裂导致均匀展宽在数学上，增益系数应对粒子跃迁频率的分布求平均15441569典型的EDFA增益谱掺铒光纤放大器掺铒光纤放大器(EDFA)四、EDFA的小信号增益和饱和特性EDFA的增益与Er3+浓度与径向分布、光纤尺寸、放大器长度
11、、泵浦功率、输入信号功率等参数有关计算表明：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。当泵浦功率一定时，放大器在某一最佳长度时获得最大增益，如果放大器长度超过此值，由于泵浦的消耗，最佳点后的掺铒光纤不能受到足够泵浦，而且要吸收已放大的信号能量，导致增益很快下降。因此，在EDFA的设计中，需要在掺铒光纤结构参数的基础上，选择合适的泵浦功率和光纤长度，使放大器工作于最佳状态。掺铒光纤放大器掺铒光纤放大器(EDFA)掺铒光纤放大器掺铒光纤放大器(EDFA)EDFA的输出功率与泵浦功率和输入信号功率的关系EDFA同样具有
12、增益饱和特性掺铒光纤放大器掺铒光纤放大器(EDFA)五、EDFA的噪声特性对于EDFA，同样有spspoutinnGGnSNRSNRF212122NNNnsp由于N1和N2与泵浦光功率和信号光功率相关，因此F与泵浦光和输入信号光功率以及放大器长度有关高的泵浦功率和较低的输入信号有利于获得较低的噪声指数由于980nm泵浦的EDFA为三能级系统，易于获得较高的粒子数反转（nsp，980=1.051.10；nsp，1480=1.31.8），所以980nm泵浦具有较低的噪声系数通常，EDFA的F5掺铒光纤放大器掺铒光纤放大器(EDFA)掺铒光纤放大器掺铒光纤放大器(EDFA)六、高速与多信道放大特性码
13、型效应（Pattern effect）A、脉宽s g(增益恢复时间)：无码型效应，小的波形失真B、s g：有码型效应，大的波形失真C、s g：无码型效应，无波形失真掺铒光纤放大器掺铒光纤放大器(EDFA)掺铒光纤放大器掺铒光纤放大器(EDFA)EDFA的 增益恢复时间g10ms（SOA的g=0.11ns），其增益不能响应调制信号的快速变化，不存在增益调制，四波混频效应也很小，所以在多信道放大中不引入信道间串扰（SOA则不然），是其能够用于多信道放大的关键所在EDFA对信道的插入、分出或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-增益钳制在级联
14、EDFA系统中瞬态响应速度将增加（10100s），对输入光功率的变化将更加敏感多信道放大中存在的其它问题：要求：增益平坦、增益钳制、高的输出功率1、增益平坦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掺铒光纤放大器掺铒光纤放大器(EDFA)光发射机光发射机光发射机光发射机N 123光接收机光接收机光接收机光接收机N 123EDFA光功率光功率BER接收光功率波长波长掺铒光纤放大器掺铒光纤放大器(EDFA)增益平坦增益平坦/均衡技术均衡技术滤波器均衡滤波器均衡：采用透射谱与掺杂光纤增益谱反对称的滤波器使增益平坦,如：薄
15、膜滤波、紫外写入长周期光纤光栅、周期调制的双芯光纤等。只能实现静态增益谱的平坦，在信道功率突变时增益谱仍会发生变化EDFA +均衡器 合成增益掺铒光纤放大器掺铒光纤放大器(EDFA)增益平坦增益平坦EDFA掺铒光纤放大器掺铒光纤放大器(EDFA)新型宽谱带掺杂光纤：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，掺杂工艺复杂声光滤波调节声光滤波调节：根据各信道功率，反馈控制放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，实用性受限掺铒光纤放大器掺铒光纤放大器(EDFA)2、增
16、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，要求增益控制系统的响应时间相应为几几十s掺铒光纤放大器掺铒光纤放大器(EDFA)增益钳制技术：电锁定：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，其响应时间由Er3+三能级至二能级的跃迁时间决定（1 s）掺铒光纤放大器掺铒光纤放大器(EDFA)光锁定：在放大器中对某一波长形成激射-存
17、储载流子（蓄水池原理），优点：只须对第一级放大器进行增益钳制，即可实现对整个传输链路的钳制；确定；瞬态特性不如电锁定；激射波长产生的非线性效应应设法避免。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，而实现增益钳制掺铒光纤放大器掺铒光纤放大器(EDFA)EDFA输出功率输出功率WDM系统要求EDFA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方法：多级泵浦221916输出功率（dBm）15401570掺铒光纤放大器掺铒光纤放大器(EDFA)七、EDFA的设计1、掺杂光纤参数设计：掺杂种类、浓度、分布、光纤芯径、数值孔径等2、根据实际要求（增益、输出功率），由掺杂光纤
18、参数和理论计算，并结合泵浦功率和泵浦方式，确定光纤长度3、泵浦波长可选用980和1480nm，980nm常用于获得高增益和低噪声，而由于1480nm的激光器可以有更高的输出功率，常用来获得EDFA的高输出功率4、EDFA中需要加入光隔离器以防止反射光引起信号光或泵浦光的波动掺铒光纤放大器掺铒光纤放大器(EDFA)5、多级设计：第一级设计以提供高增益、低噪声为目的；第二级设计以提供高输出功率为目的。此外，两极之间可接入损耗元件的EDFA被色散补偿系统及光网络中所需求，设计要求：损耗元件的接入对噪声指数影响尽可能小掺铒光纤放大器掺铒光纤放大器(EDFA)FRA原理简介：原理简介：物理机制：物理机制
19、：A.A.光纤拉曼散射效应（光纤拉曼散射效应（SRS)SRS)一个入射光子（一个入射光子（pump)pump)的湮的湮灭，产生一个下移灭，产生一个下移stokesstokes频率的光子和另一个具有频率的光子和另一个具有相当能量和动量的光学声相当能量和动量的光学声子子B.B.与pumppump光子相差光子相差stokesstokes频率的信号光子，经受受频率的信号光子，经受受激散射过程，被放大激散射过程，被放大光纤拉曼放大器光纤拉曼放大器原理简介原理简介光纤拉曼放大器（光纤拉曼放大器（FRA)拉曼增益特性：取决于光学拉曼增益特性：取决于光学声子的振动能带声子的振动能带峰值增益频移：峰值增益频移：
20、13.213.2THzTHz反向泵浦为主，也可同向泵反向泵浦为主，也可同向泵浦浦支撑技术支撑技术:14nm的大功率的大功率泵浦激光器，目前以取得实用泵浦激光器，目前以取得实用化化光纤拉曼放大器光纤拉曼放大器原理简介原理简介光纤拉曼放大器（光纤拉曼放大器（FRA)FRAFRA以传输光纤作为放大介质以传输光纤作为放大介质分布式放大，分布式放大，从而实现一种“无损耗”传输（可降低入纤光功率，避免非线性效应）光纤拉曼放大器光纤拉曼放大器超低噪声放大超低噪声放大原理原理光纤拉曼放大器（光纤拉曼放大器（FRA)机制：拉曼增益与泵浦波长相关机制：拉曼增益与泵浦波长相关方法：多波长泵浦方法：多波长泵浦增益：各
21、个泵浦波长拉曼增益谱增益：各个泵浦波长拉曼增益谱的加权和（以的加权和（以dBdB为单位）为单位）光纤拉曼放大器光纤拉曼放大器宽带放大原理宽带放大原理光纤拉曼放大器（光纤拉曼放大器（FRA)损耗限制与光放大损耗限制与光放大光放大器仅对光信号进行简单放大，不能再生信号光放大器对信号进行放大的同时引入ASE噪声光放大器的ASE噪声积累导致的OSNR下降，在不考虑色散的情况下（损耗限制系统），成为限制系统传输距离的主要因素系统的自调整：EDFA的增益饱和可使系统工作于一种自调整状态，即EDFA的输入信号功率发生变化时，放大器增益作相应改变，输出功率保持恒定，保证系统稳定工作级联EDFA系统设计的主要任
22、务：设计放大器间隔使系统在满足传输要求的情况下，具有最设计放大器间隔使系统在满足传输要求的情况下，具有最小的成本小的成本损耗限制与光放大损耗限制与光放大级联级联EDFA系统系统放大器增益（忽略放大器产生的ASE引起的自饱和）：GGPPGPPGGPPGGGGinssinsout000ln11exp1exp放大器的输入输出功率满足：21inspASEoutP GnGh BP对于自调整系统满足：LoutinePP考虑系统中的某一信道以及相邻两级放大器的情况，放大器考虑系统中的某一信道以及相邻两级放大器的情况，放大器的增益和输出功率可由下式确定：的增益和输出功率可由下式确定：损耗限制与光放大损耗限制与
23、光放大因此，在自调整系统中，有：outASEspLoutPBhGnGeP12放大器的增益以及输出功率可通过求解上述方程组得出。由于在每级附加ASE噪声的存在 ，在ASE较小的情况下，可以假定 则N级级联EDFA的输出总ASE噪声为：1 LGe1 LGe2121LASEspASEspASEPnGh BNneh BN上式表明：在系统输出端的ASE噪声功率正比于EDFA的增益和级数的积在系统总损耗（等于各级的增益和级数的积）一定的情况下，显然小增益、多级数比大增益、少级数的系统的输出信噪比要高，由此推理，将传输光纤作为放大介质的分布式放大器（如喇曼光纤放大器）具有最优的信噪比特性。损耗限制与光放大损
24、耗限制与光放大1、系统信噪比的确定、系统信噪比的确定无中继系统的信噪比无中继系统的信噪比TxRxL功放预放求解步骤：A、根据光发射机功率及功放参数求解功放增益GBB、功放的信号输出功率：BinBsGPP,C、功放附加的ASE噪声功率ASEBspBASEBhGnP12,D、预放的输入功率LASEBspBinLBASEBspreineBhGnGPePPP12,E、根据预放的输入功率及其参数求解预放的增益Gpre损耗限制与光放大损耗限制与光放大F、系统总的ASE噪声功率preASEpreLBASEtotalASEPGePP,G、系统输出的信号功率LpreBoutseGGPPin,H、求出系统的OSN
25、R由由N个光纤段（个光纤段（N+1级级联级级联EDFA）组成的系统的组成的系统的OSNR通常假定1 LGeASE噪声为：11112NBhGFNBhGnPOnOspASE11,NBhGFPPPOSNROnoutsASEouts用dB表示：1lg10lg10,NBhGFPOSNROdBdBndBmoutsdB损耗限制与光放大损耗限制与光放大根据上式和前述的系统对OSNR的要求，可以得出系统在不同码率B和不同的中继距离配置下相应的最大传输距离反之，也可以根据系统的要求以及允许的成本，设计系统的中继距离以及对EDFA的要求通常，对于一个饱和功率为Ptotal的EDFA，在不考虑ASE噪声影响的情况下，
26、认为：当EDFA用作单波长信道放大时，输出信号功率Ps就是Ptotal；当用于WDM系统中时，每信道的输出功率Ps=Ptotal/M（M为信道数）在工程上，1550nm波段的WDM系统中，中继距离通常取80km、100km、120km（相应的光纤链路损耗分别按22dB、30dB、33dB计算）B(Gb/s)2.510OSNR(dB)1824G(dB)22332233N625252总 传 输 距 离(km)49606002000240表：Bo=0.1nm、Q=20、Fn=6dB、Ps=8dBm损耗限制与光放大损耗限制与光放大2、结论、结论为保证系统的误码特性，光接收机入端的光信噪比应高于某一值，
27、为此必须适当选择中继距离以满足系统要求。另一方面，若能降低对OSNR的要求，则可有效地增加系统的中继距离降低系统的成本。为此，除了采用提高发射机消光比外，另一种有效的方法是采用前向纠错码（FEC）技术（可减低OSNR要求35dB）ASE噪声随放大器级数线性增长，而随放大器级间损耗（增益）指数增长，当系统总长度一定时，低增益、多级数比高增益少级数有高得多的OSNR，进而推广，分布式放大器有最优的效果提高EDFA的输出功率是改善OSNR及增加中继距离有效的方法，但应以不产生非线性效应为限。为此，选择低非线性系数的光纤（如大有效面积光纤）有利于增加系统的传输距离及容量损耗限制与光放大损耗限制与光放大距离信号幅度ASE噪声)(,dBinsPTxRxEDFAFRA损耗限制与光放大损耗限制与光放大
