第06章 光放大器.

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1 第06章 光放大器

2 概述 光放大器基本概念 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（O-O） 多波长放大、低成本，只能实现1R中继 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： 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

3 基本概念 在泵浦能量（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： 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

4 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） 放大器增益（或放大倍数）： 光功率随距离的变化规律： 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（FWHM）

5 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 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 最大输出功率

6 起因：被放大的自发辐射（ASE）--ASE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： 自发辐射因子（或反转因子）： ASE有效带宽， 由放大器增益谱特性决定 ASE噪声功率： 噪声指数

7 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

8 五、光放大器特点 1、对信号格式及码率透明 2、工作波段可选 3、宽带放大 4、高增益 5、低噪声

9 半导体光放大器（SOA) 谐振峰3dB带宽： 一、工作原理 1、F-P半导体光放大器 增益 半导体光放大器（SOA) ：纵模间隔
G()：增益轮廓 R1,R2：反射率 谐振峰3dB带宽：

10 多峰值、带宽窄，不适合系统应用，只可用于一些信号处理
半导体光放大器（SOA) 多峰值、带宽窄，不适合系统应用，只可用于一些信号处理 减小 可增加带宽，减小Gmax和Gmin之差， 行波半导体光放大器要求放大器的残余反射满足： 此时，放大器的增益特性，主要决定于G（）

11 降低端面反射的方法： 倾斜有源区法 窗面结构 二、行波半导体放大器特性 带宽由介质的增益谱决定，可达70nm 增益系数与载流子浓度的关系
半导体光放大器（SOA) 降低端面反射的方法： 倾斜有源区法 窗面结构 二、行波半导体放大器特性 带宽由介质的增益谱决定，可达70nm 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 ：限制因子 g：微分增益系数 V：有源区体积 噪声指数：

12 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：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（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：采用宽、厚可比拟的有源层设计；使用方法着手。

13 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，
半导体光放大器（SOA) 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 放大前 放大后 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）

14 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
半导体光放大器（SOA) 四、应用 1、多信道放大中存在的问题 噪声大（Fn~8dB) 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： 光波长转换器（Wavelength Converter）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“波长再利用”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 机理： 基于SOA中的交叉增益调制（XGM） 基于SOA中的交叉相位调制（XPM） 基于SOA中的四波混频效应（FWM）

15 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
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

16 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、大带宽、偏振无关 低噪声、低串扰、高输出功率等

17 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

18 基本结构： 应用方式： 功率放大 同向泵浦 （Boost） 线路放大 （In-line） 前置放大 (Pre-amplifier) 反向泵浦
掺铒光纤放大器(EDFA) 基本结构： 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

19 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
掺铒光纤放大器(EDFA) 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 1544 1569 典型的EDFA增益谱

20 EDFA的增益与Er3+浓度与径向分布、光纤尺寸、放大器长度、泵浦功率、输入信号功率等参数有关 计算表明：
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。

21 掺铒光纤放大器(EDFA)

22 EDFA的输出功率与泵浦功率和输入信号功率的关系 EDFA同样具有增益饱和特性

23 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
掺铒光纤放大器(EDFA) 五、EDFA的噪声特性 对于EDFA，同样有 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=1.05~1.10； nsp，1480=1.3~1.8） ，所以980nm泵浦具有较低的噪声系数 通常，EDFA的F~5

24 掺铒光纤放大器(EDFA)

25 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
掺铒光纤放大器(EDFA) 六、高速与多信道放大特性 码型效应（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

26 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
EDFA的 增益恢复时间g~10ms（ SOA的g=0.1~1ns），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EDFA系统中瞬态响应速度将增加（10~100s），对输入光功率的变化将更加敏感

27 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 掺铒光纤放大器(EDFA) 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 1544 1569 典型的EDFA增益谱 各信道的接收灵敏度不同

28 掺铒光纤放大器(EDFA) 光发射机 N 1 2 3 光接收机 EDFA 光功率 BER 光功率 波长 接收光功率 波长

29 掺铒光纤放大器(EDFA) 增益平坦/均衡技术 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

30 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
掺铒光纤放大器(EDFA) 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： 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

31 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 22 输出功率（dBm） 19 16 1540 1570

32 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
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

33 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

34 光纤拉曼放大器－原理简介 FRA原理简介： 物理机制： A.光纤拉曼散射效应（SRS)
一个入射光子（pump)的湮灭，产生一个下移stokes频率的光子和另一个具有相当能量和动量的光学声子 B.与pump光子相差stokes频率的信号光子，经受受激散射过程，被放大

35 光纤拉曼放大器－原理简介 拉曼增益特性：取决于光学声子的振动能带 峰值增益频移：～13.2THz 反向泵浦为主，也可同向泵浦
光纤拉曼放大器（FRA) 光纤拉曼放大器－原理简介 拉曼增益特性：取决于光学声子的振动能带 峰值增益频移：～13.2THz 反向泵浦为主，也可同向泵浦 支撑技术: 14nm的大功率泵浦激光器，目前以取得实用化

36 光纤拉曼放大器－超低噪声放大原理 FRA以传输光纤作为放大介质－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）

37 光纤拉曼放大器－宽带放大原理 机制：拉曼增益与泵浦波长相关 方法：多波长泵浦 增益：各个泵浦波长拉曼增益谱的加权和（以dB为单位）
光纤拉曼放大器（FRA) 光纤拉曼放大器－宽带放大原理 机制：拉曼增益与泵浦波长相关 方法：多波长泵浦 增益：各个泵浦波长拉曼增益谱的加权和（以dB为单位）

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