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,光放大器的本质,利用某种具有增益的激活介质对注入其中的微弱光信号进行放大，使其获得足够的光增益，变为较强的光信号，从而实现对光信号的直接光放大。

光放大器的本质,光放大器是基于受激辐射机理来实现入射光功率放大的。

放大器的增益与光频率、光强有关！

5.1光放大器概述,光放大器的重要性光放大器的本质光放大器工作性能光放大器的分类,光放大器的工作性能,1.光放大器的放大倍数（增益）,增益G是描述光放大器对信号放大能力的参数。

定义为：

G与光放大器的泵浦功率、掺杂光纤的参数和输入光信号（信号频率和强度）有很复杂的关系。

光放大器的工作性能,输入光功率较小时，G是一常数，即输出光功率PS,OUT与输入光功率PS,IN成正比例，此时增益G0为光放大器的小信号增益。

G0,2.增益饱和,表示最大输出能力,放大器的增益与光强有关！

光放大器的工作性能,3.放大器带宽,放大器的增益与光频率有关！

增益G与输入光波长的关系：

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。

光放大器的工作性能,光放大器的工作性能,4.放大器噪声,（3）噪声系数信噪比的劣化用噪声系数Fn表示，定义为输入信噪比与输出信噪比的比值。

（1）光放大器的噪声来源：

主要由于自发辐射被放大。

自发辐射光子的相位和方向是随机的。

对于有用信号没有贡献，就形成了信号带宽内的噪声，与放大信号在光纤中一起传输、放大，降低了信号光的信噪比。

（2）信噪比：

正常信号功率与噪声功率的比值。

5.1光放大器概述,光放大器的重要性光放大器的本质光放大器工作性能光放大器的分类,光放大器的分类,掺镨光纤放大器（PDFA）1310nm,光放大器家族：

光放大器的分类,几种类型光放大器的比较：

光放大器的分类,常用光放大器及其工作波段：

3、掺铒光纤放大器（EDFA）,4、掺镨光纤放大器（PDFA）,2、光纤拉曼放大器（FRA）,1、半导体放大器（SOA）,损耗,1310nm,1550nm,波长,SOA,FRA,EDFA,PDFA,第5章光放大器,5.1光放大器概述5.2半导体光放大器5.3掺铒光纤放大器5.4拉曼光纤放大器,5.2半导体光放大器SOA,半导体光放大器的工作原理半导体光放大器的工作波段半导体光放大器的优点半导体光放大器的缺点,SOAProduct,外加正向偏压实现结区粒子数反转,泵浦导致受激辐射，信号光被放大,内部的自发辐射产生自发辐射噪声（ASE），它也会被放大,没有谐振腔的选择，SOA将同时输出放大的光信号和自发辐射噪声,与半导体激光器工作原理类似。

第5章光放大器,5.1光放大器概述5.2半导体光放大器5.3掺铒光纤放大器5.4拉曼光纤放大器,5.3掺铒光纤放大器（EDFAErbium-DopedFiberAmplifier）,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（Er）掺杂光纤放大器（EDFA）工作波长为1300nm的镨（Pr）掺杂光纤放大器（PDFA）工作波长为1400nm的铥（Tm）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。

5.3掺铒光纤放大器（EDFAErbium-DopedFiberAmplifier）,掺铒光纤放大器给光纤通信领域带来的革命：

EDFA解决了系统容量提高的最大的限制光损耗补偿了光纤本身的损耗，使长距离传输成为可能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支持了最有效的增加光通信容量的方式-WDM推动了全光网络的研究开发热潮,5.3掺铒光纤放大器（EDFAErbium-DopedFiberAmplifier）,为什么要用掺铒光纤放大器：

工作频带正处于光纤损耗最低处（1525-1565nm）；

频带宽，可以对多路信号同时放大-波分复用；

对数据率/格式透明，系统升级成本低；

增益高（40dB）、输出功率大（30dBm）、噪声低（45dB）；

全光纤结构，与光纤系统兼容；

增益与信号偏振态无关，故稳定性好；

所需的泵浦功率低（数十毫瓦）。

5.3掺铒光纤放大器（EDFAErbium-DopedFiberAmplifier）,5.1掺铒光纤放大器EDFA,掺铒光纤放大器的工作原理掺铒光纤放大器的结构掺铒光纤放大器的性能指标掺铒光纤放大器的应用掺铒光纤放大器的优缺点,掺铒光纤放大器的工作原理,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。

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。

通信窗口和铒离子：

自然界给光通信的礼物:

铒离子的增益谱与光纤传输最低损耗窗口重合。

Gain,Absorption,掺铒光纤放大器的工作原理,铒纤吸收谱：

掺铒光纤放大器的工作原理,EDFA中的Er3+能级结构：

泵浦波长可以是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。

铒离子简化能级示意图,掺铒光纤放大器的工作原理,三能级系统v.s.二能级系统：

980nm泵浦:

三能级系统能够很好的表述;

简化为二能级模型能够更贴近现实。

1480nm泵浦:

二能级系统比较精确,掺铒光纤放大器的工作原理,所以EDFA的工作波长1530-1560nm,5.1掺铒光纤放大器EDFA,掺铒光纤放大器的工作原理掺铒光纤放大器的结构掺铒光纤放大器的性能指标掺铒光纤放大器的应用掺铒光纤放大器的优缺点,EDFA的基本结构及功能：

合波器,光滤波器,泵浦光源,（掺铒光纤）,信号光,光隔离器,光隔离器,放大的信号光,掺铒光纤放大器的结构,EDFA主要由掺铒光纤（EDF）、泵浦光源、耦合器、光隔离器及光滤波器组成，结构如图所示。

掺铒光纤放大器的结构,按泵浦方式不同的3种结构：

1.同向泵浦掺铒光纤放大器结构（前向泵浦）,具有好的噪声特性,2.反向泵浦掺铒光纤放大器结构（后向泵浦）,3.双向泵浦掺铒光纤放大器结构,具有较高的输出信号功率,具有更高的输出信号功率，性能与信号传输方向无关,掺铒光纤放大器的结构,第一级同向泵浦:

得到低的噪声指数,第二级反向泵浦:

得到高的输出功率,多级泵浦,掺铒光纤放大器的结构,三种泵浦方式比较：

1.信号输出功率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功率的关系,掺铒光纤放大器的结构,三种泵浦方式比较：

2.噪声特性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。

放大器输出功率与NF的关系,光纤长度与NF的关系,掺铒光纤放大器的结构,三种泵浦方式性能差异总结：

同向泵浦:

噪声性能好反向泵浦:

输出功率大双向泵浦:

兼有上述优点,但成本高,掺铒光纤放大器的结构,5.1掺铒光纤放大器EDFA,掺铒光纤放大器的工作原理掺铒光纤放大器的结构掺铒光纤放大器的性能指标掺铒光纤放大器的应用掺铒光纤放大器的优缺点,EDFA的重要指标-增益：

EDFA的输出功率含信号功率和噪声功率两部分，噪声功率记为PASE，则EDFA的增益为,EDFA的增益通常为1540dB。

大小与铒离子浓度、泵浦功率和掺铒光纤长度有关。

掺铒光纤放大器的性能指标,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。

小信号增益随泵浦功率而变的曲线,掺铒光纤放大器的性能指标,小信号增益随放大器长度而变的曲线,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。

掺铒光纤放大器的性能指标,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：

多级泵浦,EDFA的大功率化

（1）：

掺铒光纤放大器的性能指标,EDFA的大功率化

（2）：

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），传播信号层（SM）内包层，传播泵浦光（MM）,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。

掺铒光纤放大器的性能指标,5.1掺铒光纤放大器EDFA,掺铒光纤放大器的工作原理掺铒光纤放大器的结构掺铒光纤放大器的性能指标掺铒光纤放大器的应用掺铒光纤放大器的优缺点,局域网的功率放大器：

补偿分配损耗，增大网络节点数,掺铒光纤放大器的应用,Inlineamplifier线路放大器（LA）：

在光纤线路中每隔一段距离设置一个光纤放大器，以延长干线网的传输距离。

Boosteramplifier功率放大器（BA）：

放在光发射机后，以提高发射光功率，对其噪声要求不高，饱和输出功率是主要参数。

Pre-amplifier前置放大器（PA）：

放在光接收机之前，放大微弱的光信号，以改善光接收灵敏度，对噪声要求苛刻。

1.EDFA用作前置放大器,光接收器之前，提高接收机灵敏度可提高1020dB。

即，在光信号进入接收机前，得到放大，以抑制接收机内的噪声。

小信号放大，要求低噪声，但输出饱和功率则不要求很高。

掺铒光纤放大器的应用,2.EDFA用作功率放大器,放在光发射机之后用来提升输出功率，将通信距离延长10-20km。

通信距离由放大器增益及光纤损耗决定，功率放大器除了要求低噪声外，还要求高饱和输出功率。

掺铒光纤放大器的应用,3.EDFA用作线路放大器,非常适合用在海底光缆，没有电中继器的光-电-光过程。

用EDFA可代替半导体光放大器，对线路中的光信号直接进行放大，使得全光通信技术得以实现。

掺铒光纤放大器的应用,4.EDFA用作本地网放大器,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。

58,掺铒光纤放大器的应用,掺铒光纤放大器的应用,5.1掺铒光纤放大器EDFA,掺铒光纤放大器的工作原理掺铒光纤放大器的结构掺铒光纤放大器的性能指标掺铒光纤放大器的应用掺铒光纤放大器的优缺点,的优点,掺铒光纤放大器的主要优点1）工作波长与单模光纤的最小衰减窗口一致。

2）耦合效率高。

由于是光纤放大器，易与传输光纤耦合连接。

3）能量转换效率高。

掺铒光纤EDF的纤芯比传输光纤小，信号光和泵浦光同时在掺铒光纤EDF中传播，光能量非常集中。

这使得光与增益介质Er离子的作用非常充分，加之适当长度的掺铒光纤，因而光能量的转换效率高。

4）增益高、噪声指数较低、输出功率大，信道间串扰很低。

5）增益特性稳定：

EDFA对温度不敏感，增益与偏振相关性小。

6）增益特性与系统比特率和数据格式无关。

的缺点,掺铒光纤放大器的主要缺点1）增益波长范围固定：

Er离子的能级之间的能级差决定了EDFA的工作波长范围是固定的，只能在1550nm窗口。

这也是掺稀土离子光纤放大器的局限性，又例如，掺镨光纤放大器只能工作在1310nm窗口。

2）增益带宽不平坦：

EDFA的增益带宽很宽，但EFDA本身的增益谱不平坦。

在WDM系统中应用时必须采取特殊的技术使其增益平坦。

3）光浪涌问题：

采用EDFA可使输入光功率迅速增大，但由于EDFA的动态增益变化较慢，在输入信号能量跳变的瞬间，将产生光浪涌，即输出光功率出现尖峰，尤其是当EDFA级联时，光浪涌现象更为明显。

峰值光功率可以达到几瓦，有可能造成O/E变换器和光连接器端面的损坏,EDFA的优点和缺点（另一版本，可课下参考）,优点：

能量转换效率高。

激光工作物质集中在光纤芯子的近轴部分，而信号光和泵浦光也在近轴部分最强，则光与物质作用很充分。

增益高，噪声低，输出功率大。

增益达40dB。

输出功率在单向泵浦14dBm，双向泵浦17dBm-20dBm，充分泵浦时，噪声系数可低至34dB，串话也很小。

2.6EDFA的优点和缺点,优点：

增益特性不敏感。

对温度不敏感，在100内增益特性保持稳定。

可实现信号的透明传输。

在波分复用系统中，同时传输模拟信号和数字信号，高速率信号和低速率信号。

缺点：

波长固定，只能放大1.55m左右的光波。

换用不同基质的光纤时，铒离子能级也只能发生很小的变化，可调节的波长有限，只能换用其他元素。

增益带宽不平坦。

在WDM系统中需要采用特殊的手段来进行增益谱补偿。

第5章光放大器,5.1光放大器概述5.2半导体光放大器5.3掺铒光纤放大器5.4拉曼光纤放大器,5.4拉曼光纤放大器RFA,拉曼光纤放大器的发展历史拉曼光纤放大器的工作原理拉曼光纤放大器的优缺点,光纤拉曼放大器FRA的发展历史,拉曼（Raman）现象在1928年被发现，拉曼放大技术从1984年开始研究并应用。

90年代早期，掺铒光纤放大器取代它成为焦点，光纤拉曼放大器（FRA）受到冷遇。

随着光纤通信网容量的增加，对放大器提出新的要求，传统的EDFA已很难满足，FRA再次成为研究的热点。

泵浦功率大转换效率低,只能工作在15301564nm之间的C波段,人们对FRA的兴趣来源于这种放大器可以提供整个波长波段的放大。

通过适当改变泵浦激光波长，就可以达到在任意波段进行宽带光放大，甚至可在12701670nm整个波段内提供放大。

特别是高功率二极管泵浦激光器的迅猛发展，又为FRA的实现奠定了坚实的基础。

拉曼光纤放大器逐渐引起人们的重视，但拉曼光纤放大器距离真正商用化还有一段距离。

EDFA+拉曼放大器，是目前的通信系统中比较成熟的一种方式。

光纤拉曼放大器FRA的发展历史,5.4拉曼光纤放大器RFA,拉曼光纤放大器的发展历史拉曼光纤放大器的工作原理拉曼光纤放大器的优缺点,光纤拉曼放大器FRA的工作原理,拉曼散射基本原理：

在许多非线性光学介质中，高能量（波长较短）的泵浦光散射，将一部分入射功率转移给另一较低频率的光波，这个低频与高频相比的偏移量由介质的振动模式决定。

FRA实现放大是基于光纤中的非线性效应：

受激拉曼散射（StimulatedRamanScattering，SRS）。

如果光纤中同时存在两个光束，会发生受激拉曼散射。

图中一个弱信号和一个强泵浦光同时在光纤中传输，高频、高能量（波长较短）为泵浦光；

低频、被放大（波长较长）为信号光。

并使弱信号波长置于泵浦光的拉曼增益带宽内，当泵浦功率增加到一定值时，光纤呈现非线性，出现受激发拉曼散射，弱信号即可被放大。

这种基于SRS机制的光放大器称为光纤拉曼放大器FRA。

FRA是靠非线性散射实现放大功能，不需要能级间粒子数反转,光纤拉曼放大器FRA的工作原理,思考题：

拉曼放大器与受激辐射的光放大器工作原理有何不同？

2.拉曼放大的信号波长取决于泵浦光子频率和石英分子的振动频率，而受激辐射放大的光波长与泵浦光频率无关。

1.受激辐射的光放大器需要粒子数反转分布，而拉曼放大不需要粒子数反转分布，因为分子不吸收信号光子；

光纤拉曼放大器FRA的工作原理,5.4拉曼光纤放大器RFA,拉曼光纤放大器的发展历史拉曼光纤放大器的工作原理拉曼光纤放大器的优缺点,FRA具有以下优点：

（1）更宽的频段提供放大，增益波长由泵浦光波长决定，只要泵浦源的波长适当，理论上可以得到任意波长的信号放大，为波分复用进一步增加容量拓宽了空间。

（2）增益介质可以为传输光纤本身，与EDFA相比，即使甭浦源失效，也不会增加额外的损失。

特别是当采用分布式拉曼放大，光纤中各处的信号光功率都比较小，从而可降低各种光纤非线性效应的影响。

（3）噪声指数低，可提升原系统的信噪比。

光纤拉曼放大器FRA的优缺点,（4）拉曼增益谱比较宽，如果采用多个泵浦源，则可容易地实现宽带放大。

（5）FRA的饱和功率比较高，增益谱调节方式可通过优化配置泵浦光波长和强度来实现。

（6）拉曼放大的作用时间短，为飞秒（10-15s）级，可实现超短脉冲的放大。

FRA具有以下缺点：

（1）拉曼光纤放大器所需要的泵浦光功率高。

分立式几瓦到几十瓦，分布式几百毫瓦；

EDFA只有几十毫瓦。

（2）作用距离太长，增益系数偏低。

（3）对偏振敏感。

（4）光纤长度过长。

光纤拉曼放大器FRA的优缺点,