第十一章 光放大器

主要内容 光放大器概述 半导体光放大器结构及其增益 掺铒光纤放大器结构及其增益 放大器噪声 光放大器的系统应用

光放大器的重要性 动机：解决电中继器设备复杂、维护难、成本高的问题 历史：以1989年诞生的掺铒光纤放大器 David Payne 历史：以1989年诞生的掺铒光纤放大器 (Erbium Doped Fiber Amplifier, EDFA) 代表的全光放大技术是光纤通信技 术上的一次革命 影响：光放大器最重要的意义在于促使波分复用技术 (WDM) 走向实用化、促进了光接入网的实用化

11.1 光放大器的基本应用和类型 在线光放大：用于不需要光再生只需要简单放大的场合 前置光放大：用于提高接收机的灵敏度 11.1 光放大器的基本应用和类型 在线光放大：用于不需要光再生只需要简单放大的场合 前置光放大：用于提高接收机的灵敏度 功率放大：增加发送功率，从而增加光纤中继距离、补偿插入 损耗和功率分配损耗 (如PON中)

放大器的类型 1.半导体激光放大器 (SOA) 结构大体上与激光二极管 (Laser Diode, LD) 相同 2.掺杂光纤放大器 (DFA) 利用稀土金属离子 (铒) 作为激活工作物质的一种放大器

光放大器的工作原理 (2) 受激辐射 (1) 能量注入 光放大器与激光器的唯一区别就是光放大器没有正反馈机制 2

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11.2 半导体光放大器 (SOA) n p 外加正向偏压实现结区粒子数反转 外部光照导致受激辐射，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

SOA的分类 容易制作，但光信号增益对放大器温度及入射光频率变化都很敏感 带宽宽、饱和功率高以及偏振灵明度低，因此使用更为广泛

SOA的增益系数 点z处的增益系数： Psig(z) ↑ g(z) ↓ g0最大增益系数，Psig(z)z点信号光功率，Psat放大器饱和功率 设z点处单位时间可提供100个电子空穴对 驱动电流一定时 g0：只有1个光子入射，该光子至多可以被放大100倍 gsat：有2个光子入射，该光子至多可以被放大50倍 4 25 50 2 100 1 Psat：gsat所对应的光功率

SOA的增益 L z 长度dz内的光信号功率增量为： 等式两端移项，并沿有源区积分得：

SOA的增益 P(0)即为输入光信号，P(L)即是输出光信号，它们的比值就是 所求的增益G。此外，exp(g0L)为 SOA最大增益值，并令其值 为G0，因此，可以求得G为：

SOA增益曲线 注意：输入太小，输出信号信噪比不高

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11.3 掺铒光纤放大器 (EDFA) 原理：把泵浦光能量转化为信号光能量 工作范围：1300 ~ 1560 nm 泵浦能带 转化成机械能 亚稳态能带 hv hv 980 nm hv hv hv hv hv hv 铒离子的三能带结构 4

EDFA的结构 构成：掺铒光纤、一个或多个泵浦激光器、光隔离器、耦合器 噪声小 放大倍数高 5

EDFA的功率转换效率 EDFA的输入、输出功率可以用能量守恒原则表示： 输出能量不超过原有信号能量与注入的泵浦能量之和 功率转换效率 极限情况下泵浦光都用于放大信号光，那么此时：

EDFA的增益：随输入功率的变化 假设没有自发辐射，由能量守恒原则有： 当输入功率非常大时， ↓ 即 Ps,in >> (lp/ls)Pp,in ， 放大器增益是1，即对 信号无放大 ↓ ↑

EDFA的增益：随增益介质长度变化 当泵浦光足够强的时候，EDFA长为L时的最大增益为： 其中r为稀土元素的浓度，se是信号发射截面 吸收区 增益降低 L

EDFA的增益 因此，最大可能的放大增益为：

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11.4 放大器噪声 自发辐射噪声(ASE)：来源于放大器中介质中电子-空穴对的自发复合，它导致了与光信号一起放大的光子宽谱背景 7

ASE噪声 信号光和ASE噪声一同输入到光检测器中进行检测，各种频率分量相互拍频： 因此，在PD之后，ASE 带来的噪声包括： 它们落在检测器带宽内降低接收机的信噪比 nsp粒子数反转因子，F是光放大器的噪声系数 解决办法：通过一个带通滤波器 抑制ASE噪声功率 7

EDFA的ASE噪声谱

信噪比及噪声系数 放大器增益足够大 -> 量子噪声 >> 电路热噪声 滤波：光信号 >> ASE噪声 -> ASE-信号拍频项 >> ASE噪声项 此时，输出信号的信噪比可以由下式决定： 第6章 nsp粒子数反转因子，F是光放大器的噪声系数 噪声系数 粒子数反转因子 7

EDFA的噪声图 结论：输入信号不宜太大 8

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11.5 系统应用：EDFA的应用 功率放大器直接放在光发射机后面，输入一般在-8 dBm左右，一般要求有较高的泵浦功率，以获得较高的输出功率 例：考虑一个用作功放的EDFA，增益为10 dB，假设从发射机获得的输入为0 dBm，泵浦波长为980 nm，那么为了在1540 nm 处获得10 dBm的输出，泵浦功率至少应为： SOA有较强的非线性，会导致信号的啁啾和畸变 8

在线放大器 在线放大器主要用在长距离传输系统中周期性地恢复因光纤损耗而减弱的光功率。每个 EDFA 能恰好补偿前面通过长为 L 的光纤中的功率损耗，即G = exp(-aL)。 但补偿过程中积累的ASE噪声会造成信噪比的恶化，它可以通过损伤因子衡量：

例 考虑一个包括N个级联的光放大器的光传输路径，每个放大器 增益为30 dB。如果光纤损耗为0.2 dB/km，那么在没有其它系 伤因子为： 如果将光放大器的增益降为20 dB，那么两个放大器之间的距 离缩减为100 km，于是我们需要8个放大器才能实现900 km的 传输。在这种情况下，噪声损伤因子为： EDFA的G越大带来的噪声损伤越显著

级联EDFA系统的OSNR BO为EDFA之后的光滤波器带宽 9

在线放大器增益控制 在长距离光纤传输系统中，光缆中损耗的变化或者前置光 放大器功能减弱会引起链路功率发生波动。此时，保持在线放 大的输出功率不变是非常必要的。 自动补偿这种变化的一 个办法就是使放大器工作在 增益饱和区。当输入功率减 小时，增益变大；当输入功 率增加时，增益变小；由此 来保持输出的功率不变。 功率变化不加控制会被逐级放大终致接收机烧毁 12

前置放大器 前置放大器用来提高由于热噪声限制的直接检测接收机的灵敏度。定义 Smin和 S*min分别为没有和有前置放大器时所要求的最小光功率，二者的比值即为检测灵敏度的改善量： 其中N为接收机噪声电功率，N*为光前置放大器中由ASE引入的噪声

多信道应用 SOA中的非线性效应严重，易产生信道间干扰，不宜使用 EDFA的优势：经过补偿和处理，EDFA可在1530 – 1600 nm波长范围提供平坦增益，使各个信道保持相近的信噪比 补偿的手段如采用增益补偿光栅 10

11.6 波长变换器：SOA的应用 13

基于SOA交叉增益调制的波长变换 优点：可以对40 Gb/s的信号进行波长转变换 对信号的偏振不敏感 缺点：转换后的信号消光比不高 转换后的信号与转换前的信号反相 由于载流子的自发辐射造成S/N的恶化 转换后信号的相位信息由于频率的啁啾而丢失 13

基于SOA交叉相位调制的波长变换 信号光为0时，CW 光上下臂的相位差 为0，CW光由上臂 输出。 信号光为1时，CW 光上下臂的相位差 为p，CW光由下臂 输出。 优点：可以对80 Gb/s的信号进行波长转变换 对信号的偏振不敏感 缺点：只能对单一波长进行波长转换 13

基于四波混频的波长变换 f1: signal 2f1-f2: signal f2: CW 2f2-f1: signal E2f1-f2  Ef1Ef2 2f1-f2 E2f2-f1  Ef1Ef2 2f2-f1 优点：真正的全光波长转换 缺点：随着转换波长范围的扩 大，转换效率迅速降低 13

作业 11.14