第十一章 光 放 大 器 11.1 光放大器的基本应用和类型 11.2 半导体光放大器 11.3 掺铒光纤放大器 11.4 传输光纤放大器

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1 第十一章 光 放 大 器 11.1 光放大器的基本应用和类型 11.2 半导体光放大器 11.3 掺铒光纤放大器 11.4 传输光纤放大器
11.1 光放大器的基本应用和类型 11.2 半导体光放大器 11.3 掺铒光纤放大器 11.4 传输光纤放大器 11.5 系统应用 11.6 波长变换器

2 11.1光放大器的基本应用和类型 11.1.1 光放大器在现代光纤通信系统中的应用
光放大器在现代光纤通信系统中的应用 光纤通信中用光纤来传输光信号。光纤的中继距离受限于光纤的损耗和色散。就损耗而言，目前光纤损耗典型值在1.31μm波段为0.35dB/km左右，在1.55μm波段为0.25dB/km左右。

3 以1989年诞生的掺铒光纤放大器(Erbium Doped Fiber Amplifier，EDFA)代表的光放大器技术可以说是光纤通信技术上的一次革命。
光放大器在光纤通信系统目前最重要的应用就是促使了波分复用技术(Wavelength Division Multiplexing，WDM)走向实用化。 光放大器还将促进光孤子通信技术的实用化。光孤子通信是利用光纤的非线性来补偿光纤的色散作用的一种新型通信方式。

4 Fig. 11.1: Applications of optical amplifiers
三种主要应用 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：用于抑制接收机中热噪声造成的信噪比下降 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 Fig. 11.1: Applications of optical amplifiers

5 11.1.3 光放大器的分类 光放大器按原理不同大体上有三种类型。 (1)半导体激光放大器。其结构大体上与
光放大器的分类 光放大器按原理不同大体上有三种类型。 (1)半导体激光放大器。其结构大体上与 激光二极管(Laser Diode，LD)相同。 (2)掺杂光纤放大器，就是利用稀土金属离子作为激光工作物质的一种放大器。 (3) 传输光纤放大器，其中有受激喇曼散射(Stimulated Raman Scattering，SRS)光纤放大器、受激布里渊散射(Stimulated Brilliouin Scattering，SBS)光纤放大器和利用四波混频效应(FWM)的光放大器等。

6 11.2 半导体光放大器 (SOA) 放大器的工作原理 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 外加电(光)泵浦 SOA电泵浦
EDFA光泵浦 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

7 在解理面来回反射并得到放大 直到较高的强度在发射出去 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 入射光信号仅经过一次放大即 被输出 带宽宽、饱和功率高以及偏振 灵明度低，因此使用更为广泛

8 11.1.4 光纤放大器的重要指标 1. 光放大器的增益 (1) 增益G与增益系数g 放大器的增益定义为
光纤放大器的重要指标 1. 光放大器的增益 (1) 增益G与增益系数g 放大器的增益定义为 式中：Ps,out，Ps,in分别为放大器输出端与输入端的信号功率。 有源区单程增益 其中 为零信号增益 式中：Pamp,sat为放大器的饱和功率。g0为没有输入信号时单位长度的非饱和介质增益

9 放大器增益对输入功率的依存关系 光功率过大使增益反而下降 这是因为输入信号超过饱和 功率时，有源区中激活的载 流子数目被大量消耗。由于
没有足够的激活载流子来产 生受激辐射，因此在输入功 率过大时，再增加输入信号 也无法让输出信号增大 Pamp,sat是放大器的饱和功率，其定义为单位长度增益降至一半时的内部功率。

10 (2) 增益饱和与饱和输出功率 由于信号放大过程消耗了高能级上粒子，因而使增益系数减小，当放大器增益减小为峰值的一半时，所对应的输出功率就叫饱和输出功率，这是放大器的一个重要的参数，饱和功率用Pamp,sat表示。

11 (3) 放大器的带宽 人们希望放大器的增益在很宽的频带内与波长无关。这样在应用这些放大器的系统中，便可放宽单信道传输波长的容限，也可在不降低系统性能的情况下，极大地增加WDM系统的信道数目。

12 2. 放大器噪声 放大器本身产生噪声，放大器噪声使信号的信噪比(Signal-to-Noise Ratio，SNR)下降，造成对传输距离的限制，是光放大器的另一重要指标。 (1) 光纤放大器的噪声来源 光纤放大器的噪声主要来自它的放大自发辐射(Amplified Spontaneous Emission，ASE)。

13 (2) 噪声系数 由于放大器中产生自发辐射噪声，使得放大后的信噪比下降。它定义为输入信噪比与输出信噪比之比。 (SNR)in和(SNR)out分别代表输入与输出的信噪比。它们都是在接收机端将光信号转换成光电流后的功率来计算的。

14 11.3 掺铒光纤放大器 掺铒光纤放大器是将掺铒光纤在泵浦源的作用下而形成的光纤放大器。对这种掺杂光纤放大器影响较大的工作可追溯到1963年对玻璃激光器的研究。

15 掺铒光纤放大器的工作原理 第四章已经介绍过激光器的工作原理：经泵浦源的作用，工作物质粒子由低能级跃迁到高能级(一般通过另一辅助能级)，在一定泵浦强度下，得到了粒子数反转分布而具有光放大作用。当工作频带范围内的信号光输入时便得到放大。这也就是掺铒光纤放大器的基本工作原理。

16 Wp=放大器增益(dB)/泵浦功率(mW)
只是EDFA(及其他掺杂光纤放大器)细长的纤形结构使得有源区能量密度很高，光与物质的作用区很长，有利于降低对泵浦源功率的要求。 泵浦效率Wp可以用来衡量泵浦的有效性，其表达式如下： Wp=放大器增益(dB)/泵浦功率(mW)

17 掺铒光纤放大机制 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 快速非辐 射衰变 亚稳态能带
铒原子的三能级结构 4

18 11.3.2 掺铒光纤放大器的结构 1. 同向泵浦 在同向泵浦方案中，泵浦光与信号光从同一端注入掺铒光纤。 2. 反向泵浦
掺铒光纤放大器的结构 1. 同向泵浦 在同向泵浦方案中，泵浦光与信号光从同一端注入掺铒光纤。 2. 反向泵浦 反向泵浦，泵浦光与信号光从不同的方向输入掺杂光纤，两者在掺铒光纤中反向传输。 3. 双向泵浦 为了使掺铒光纤中的铒离子能够得到充分的激励，必须提高泵浦功率。

19 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 输出功率最小，噪声性能好 同向泵浦 较高的增益，噪声最大 反向泵浦
850 nm 同向泵浦 较高的增益，噪声最大 反向泵浦 输出功率最大 双向泵浦 5

20 三种泵浦方式比较 (1) 信号输出功率 (2) 噪声特性 (3) 饱和输出特性 同向泵浦式EDFA的饱和输出光功率最小。
图11.5 噪声指数与输出功率之间的关系

21 EDFA的重要指标 1. EDFA的增益特性 增益系数g(z)与高能级和低能级的粒子数目差及泵浦功率有关，对增益系数g(z)在整个掺铒光纤长度上进行积分，就可求出光纤放大器的增益G，所以，放大器的增益应与泵浦强度及光纤的长度有关。

22 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： 输出能量不可能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

23 EDFA的增益 假设没有自发辐射，根据前面的能量守恒原则有：
极端情况下，当输入信号功率非常大时，即Ps,in>>(lp/ls)Pp,in，放大器最大增益是1，这表示放大器对信号几乎没有放大。 此外，增益还跟光纤长度有关。EDFA中长为L的三能级激光介质中最大增益为： 其中r为稀土元素的浓度，se是信号发射截面。结合上述两个式子，最大可能的放大增益为：

24 EDFA增益图 在一定的长度之后，由于泵浦 没有足够能量在放大器的后部 产生足够的粒子数反转，增益 开始下降。在非泵浦区，吸收 大于增益。
饱和增益随泵浦功率增加 而线性增加。另外，类似 于SOA，输入信号功率过 大会导致增益下降。 6

25 2. EDFA的带宽 图11.9所示是掺铒硅光纤的g-λ曲线，从图中可以看出增益系数随着波长的不同而不同。
光纤在1.55μm低损耗区具有200nm带宽，而目前使用的EDFA增益带宽仅为35nm左右。

26 图11.9 掺铒离子硅光纤的g-λ曲线

27

28 放大器噪声 放大器的主要噪声是自发辐射噪声(ASE)，来源于放大器中介质中电子-空穴对的自发复合。自发复合导致了与光信号一起放大的光子宽谱背景。因此，光信号经过放大之后都需要做一个带通滤波，抑制ASE噪声功率。 7

29 信噪比及噪声系数 信号光和ASE噪声一同输入到光检测器中进行平方检测，各种频率分量相互拍频：
因此，在光检测器之后，由ASE 带来的噪声包括ASE噪声项和ASE与信号的拍频项，它们可以落在检测器带宽内减低接收机的信噪比。在检测器之间放置一个光滤波器，可以大幅度降低ASE噪声的功率。 当放大器增益足够大时，系统热噪声可以忽略；另外，放大的信号功率一般远大于ASE噪声功率，因此ASE噪声项一般远小于ASE与信号拍频项。在这种条件下，假设检测器前加入光滤波器，那么输出信号的信噪比可以由下式决定： nsp粒子数反转因子，F是光放大器的噪声系数 7

30 EDFA的噪声图 反向泵浦 噪声系数 同向泵浦 噪声系数 泵浦波长 1480 nm、信号波长1558 nm 8

31 11.3.4 掺铒光纤放大器的优缺点 EDFA之所以得到迅速的发展，源于它的一系列优点。
(1) 工作波长与光纤最小损耗窗口一致，可在光纤通信中获得广泛应用。 (2) 耦合效率高。因为是光纤型放大器，易于光纤耦合连接，也可用熔接技术与传输光纤熔接在一起，损耗可降至0.1dB，这样的熔接反射损耗也很小，不易自激。

32 (3) 能量转换效率高。激光工作物质集中在光纤芯子，且集中在光纤芯子中的近轴部分，而信号光和泵浦光也是在近轴部分最强，这使得光与物质作用很充分。
(4) 增益高，噪声低。输出功率大，增益可达40dB，输出功率在单向泵浦时可达14dBm，双向泵浦时可达17dBm，甚至可达20dBm，充分泵浦时，噪声系数可低至3~4dB，串话也很小。

33 (5) 增益特性不敏感。首先是EDFA增益对温度不敏感，在100°C内增益特性保持稳定，另外，增益也与偏振无关。
(6) 可实现信号的透明传输，即在波分复用系统中可同时传输模拟信号和数字信号，高速率信号和低速率信号，系统扩容时，可只改动端机而不改动线路。

34 EDFA也有固有的缺点： (1) 波长固定，只能放大1.55μm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； (2) 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。

35 11.4 光纤喇曼放大器 光纤喇曼放大器的工作原理 受激喇曼散射主要性质包括：①在玻璃介质中参与喇曼散射的是光学声子；②在所有类型的光纤中都会发生，但喇曼增益稀疏的形状和峰值与泵浦源的波长和功率有关；③响应时间很短，为瞬态效应；

36 ④增益具有偏振依赖性，当泵浦光与信号光偏振方向平行时增益最大，垂直时增益最小，但实际上在非保偏光纤中由于模式混扰的原因而表现为增益无关；⑤增益谱很宽，但不平坦。最大增益频移为13.2THz，并且可以扩展到30THz。

37 光纤喇曼放大器的分类 光纤喇曼放大器可分为两类：分立式喇曼放大器(Raman Amplifier，RA)和分布式喇曼放大器(Distributed Raman Amplifier，DRA)。

38 11.4.3 光纤喇曼放大器的性能 1. 光纤喇曼放大器的增益 在连续波的工作条件下，并忽略泵浦光消耗，光纤喇曼放大器的增益可由下式表示：
光纤喇曼放大器的性能 1. 光纤喇曼放大器的增益 在连续波的工作条件下，并忽略泵浦光消耗，光纤喇曼放大器的增益可由下式表示： 式中：gR为喇曼增益系数；Aeff为光纤在泵浦波长处的有效面积；P0为泵浦光功率；αP为泵浦光在光纤中的衰减常数。

39 2. 喇曼放大器的带宽 增益带宽由泵浦波长决定，选择适当的泵浦光波长，就可得到任意波长的信号放大，DRA的增益频谱是每个波长的泵浦光单独产生的增益频谱叠加的结果，所以它由泵浦波长的数量和种类决定。

40 3. 噪声指数 由于喇曼放大是分布式获得增益的过程，其等效噪声比分立式放大器要小。为了比较DRA与分立式放大器的性能，定义DRA的等效集中噪声指数FR为 式中：ρASE是光纤末端放大自发辐射(ASE)密度；GR是在光纤末端信号的喇曼增益。

41 分布式喇曼放大器经常与EDFA混合使用，当作为前置放大器的DRA与作为功率放大器的常规EDFA混合使用时，其等效噪声指数为
F=FR+FE/GR 式中：GR和FR分别是DRA的增益和噪声指数；FE是EDFA的噪声指数。因为FR通常要比作为功率放大器的EDFA的噪声指数FE要小，所以由上式可知，只要增加喇曼增益GR，就可以减少总的噪声指数。

42 11.4.4 光纤喇曼放大器的系统应用 1. 分立式喇曼放大器的应用
光纤喇曼放大器的系统应用 1. 分立式喇曼放大器的应用 分立式喇曼放大器所用的光纤增益介质比较短，泵浦功率要求很高，一般在几瓦到几十瓦，可产生40dB以上的高增益，像EDFA一样可用来对光信号进行集中放大，因此主要用于EDFA无法放大的波段。

43 2. DRA传输系统典型结构 采用DRA技术的传输系统典型结构如图7.14所示，在WDM系统的每个传输单元内，在EDFA的输入端注入反向的喇曼泵浦，信号将会沿光纤实现分布式喇曼放大，由于DRA具有噪声低、增益带宽与泵浦波长和功率相关的特点，EDFA又具有高增益、低成本的特点，所以这种混合放大结构可以同时发挥两种光纤放大器的优势。

44 11.4.5 光纤喇曼放大器的优缺点 FRA具有以下优点。
(1) 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，这样的FRA就可扩展到EDFA不能使用的波段，为波分复用进一步增加容量拓宽了空间。

45 (2) 增益介质可以为传输光纤本身，如此实现的FRA称为分布式放大，因为放大是沿光纤集中作用而不是集中作用，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。

46 (4) 喇曼增益谱比较宽，在普通DSF上单波长泵浦可实现40nm范围的有效增益；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) 喇曼放大的作用时间为飞秒(10-15s)级，可实现超短脉冲的放大。

47 FRA主要有以下缺点。 ① 喇曼光纤放大器所需要的泵浦光功率高。 ② 作用距离太长，增益系数偏低。 ③ 对偏振敏感。

48 11.4.6光纤布里渊放大器 物体内部会持续产生微弱的声波，这种声波的频率很高(一般在109Hz左右)，人耳是听不见的，它对通过物质的光波会产生作用。根据光波的多普勒效应，推导出布里渊散射公式：

49 式中：v0、vs、vp分别代表入射光、散射光和超声波的频率；v代表超声波的速度；c是光波的传播速度；n是物质的折射率；θ为散射光传播方向和入射光传播方向之间的夹角。
在光纤通信领域，SBS未来最有可能的用途就是受激布里渊放大器。

50 11.5 系统应用 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。这种放大器的增益要求大于5 dB。 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 波长处获得10 dBm的输出，泵浦功率至少应为： 8

51 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。通常每个 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)。但是补偿过程中积累的ASE噪声会造成信噪比的恶化。这种恶化一般可以通过定义损伤因子来衡量： 通常在线放大器输入功率信号一般在-26 ~ -9 dBm之间，增益一般超过15 dB。

52 例 9

53 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：

54 在线放大器增益控制 在使用光放大器的长距离光纤传输系统中，输入功率会发 生波动。这种波动可以由光缆中损耗的变化或者前置光放大器
功能减弱引起。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。 12

55 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 为没有前置放大器时要求达到给定误码率时所需要的最小所需的电信号功率，S*min 为配备前置放大器时要求达到给定误码率时所需要的最小所需的电信号功率，二者的比值定义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。

56 多信道应用 SOA和EDFA有一个共同的特点，在多信道信号带宽小于放大器带宽时，能够同时放大多个信道。但是SOA中的非线性效应严重，容易产生多信道间的干扰。因此，在这方面的应用EDFA较SOA有明显优势。EDFA的增益在 nm内与波长相关。为避免不同的增益带来的信道间信噪比的差异，需要进行平坦补偿。下图为两种商用的EDFA。 补偿的手段如采用增益补偿光栅 N个信道的信号功率为： 为第i个信道的信号功率。 10

57 11.6 波长变换器 优点： 可以使寻路和波长分配算法得到简化 提高网络利用效率？ 缺点： 导致数据传输中的时延增大 连接建立的开销增加
波长连续性限制 优点： 可以使寻路和波长分配算法得到简化 提高网络利用效率？ 缺点： 导致数据传输中的时延增大 连接建立的开销增加 网络建设和维护的成本升高 13

58 Fig. 11.14: Wavelength conversion
波长变换器 Fig : Wavelength conversion 13

59 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

60 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

61 基于四波混频的波长变换 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

62 作业： 11.4, 11.14