第6章 光放大器
n 为了评价放大后信号的信噪比，应该考虑自发辐射系数 sp
的贡献。
对接收机噪声
21
自 发 辐 射 系 数 nsp N 2 N 2 N1 是 铒 离 子 反
N 转系 数 ，它 与 处 于基 态 和 激活 态 的 离子 数 1 和 N 2 有关。对于铒离子完全反转放大器(即所有 铒 离子均被泵浦光激发到激活态)，nsp 1 ；但是当
小信号增益和泵浦功率的关系
对于给定的 放大器长度 L，放大器 增益最初随 泵浦功率按 指数函数增 加，但是当 泵浦功率超 过一定值后， 增益的增加 就减小
40 增 30 益 (dB) 20 10 0 -10 0 2 6 4 泵浦功率 (mW) 8 10
17
20 15 10 L = 5m
小信号增益和光纤长度的关系
80 输 出 60 信 号 功 40 率 (mW) 20 0 0
转换效率 92.6%
20 40 60 泵浦功率 (mW)
80
10
图6.1.5 小信号增益与泵浦功率的关系
40 小 信 30 号 增 益 20 (dB) 10 0 0 5 10 15 (mW) 泵浦功率 20
11
增益系数 6.3dB/mW
掺铒区 （ 浓 度 1100 2500ppm) ~
0
0.2
0.4 0.6 b/a
0.8
1.0 径向分布场
图 7.1.1 铒离子浓度 与 b/a 值的关系
图 7.1.2 掺铒光纤结构 和折射率分布
7
6.1.2 EDFA工作 原理及其特性
Er 能 级 1.27eV 0.80eV 信号光 980nm 泵浦光 0 1550nm
EDFA泵浦功率对噪声指数的影响
该图表示泵浦功 率对放大器噪声 指数影响的模拟 结果。 数值计算表明， 强泵浦功率的高 增益放大器可以 得到接近 3 dB 的 噪声指数。实验 结果也验证了这 个结论。 噪声指数就像放 大器增益一样， 与放大器长度和 泵浦功率有关。
15 噪 声 指 数 10 Fn (dB) 5
6
6.1.1 掺铒光纤结构
Ge02-Si02 Er3+-Al203-Ge02-Si02
F-Si02
2b 2a
铒 离 4000 子 浓 度 3000 ppm-wt 2000 1000 0
5000
掺锗区 （ 直 径 3 6 m ~ 0.01~0.04
) Er
直 径 1 2 m 5 硅包层
18
EDFA 特性小结
对于给定的放大器长度L，放大器增益最初随泵浦 功率按指数函数增加，但是当泵浦功率超过一定 值后，增益的增加就减小。 对于给定的泵浦功率，放大器的最大增益对应一 个最佳光纤长度，并且当超过这个最佳值后很快 降低，其原因是铒光纤的剩余部分没有被泵浦， 反而吸收了已放大的信号。 选择适当的 L 值和 PP,，获得所需要的增益。当用 1.48m 波长的激光泵浦时，如泵浦功率 5mW，放 大器长度 30 m，则可获得 35dB 的光增益。
8
Er 能 级 1.27eV
3
. . .
E 3 980nm E 2 1530nm 放大后 的信号光 1550nm E1
泵浦光是如何将 能量转移给信号的
0.80eV 信号光 980nm 泵浦光 0 1550nm
铒离子能级图
为了提高放大器的增益，应尽可能使基态铒离子激发到激发 态能级 E3。 从以上分析可知，能级 E2 和 E1 之差必须是需要放大信号光 的光子能量，而泵浦光的光子能量也必须保证使铒离子从基 态 E1 跃迁到激活态 E3。 EDFA的增益特性与泵浦方式及其光纤掺杂剂有关。 可使用多种不同波长的光来泵浦 EDFA，但是 0.98 m 和 1.48 m的半导体激光泵浦最有效。使用这两种波长的光泵 浦 EDFA 时，只用几毫瓦的泵浦功率就可获得高达 30 ~ 40 9 dB 的放大器增益。
对于给定的 泵浦功率， 放大器的最 大增益对应 一个最佳光 纤长度，并 且当超过这 个最佳值后 很快降低。 其原因是铒 光纤的剩余 部分没有被 泵浦，反而 吸收了已放 大的信号。
40 增 30 益 (dB) 20 10 9
7 8 PP = 3 mW 2 4
5
6
0 -10 0
1 10 30 20 40 (m) 铒光纤长度 50
图6.1.4 输出信号功率与泵浦功率的关系
图6.1.4表示输出信号 功率与泵浦功率的关 系。 由图可见，能量从泵 浦光转换成信号光的 效率很高，因此 EDFA很适合作功率 放大器。 泵浦光功率转换为输 出信号光功率的效率 为 92.6 %，60 mW 功率泵浦时，吸收效 率为 88 %。[(信号输 出功率 信号输入功 率) / 泵浦功率]
3
. . .
E 3 980nm E 2 1530nm 放大后 的信号光 1550nm E1
铒离子能级图
在掺铒离子的能级图中， E1是基态， E2 是中间能 级，E3代表激发态。 若泵浦光的光子能量等 于 E3 与 E1之差，铒离子 吸收泵浦光后，从E1升 至 E3。但是激活态是不 稳定的，激发到E3 的铒 离子很快返回到 E2。 若信号光的光子能量等 于 E2 和 E1 之差，则当 处于 E 2的铒离子返回E1 时则产生信号光子，这 就是受激发射，结果使 信号光得到放大。
离子数反转不完全时，总有一部分铒离子留在基 态，此时 nsp 1 。于是 EDFA 的噪声指数要比理 想值 3dB 大。放大器噪声指数 Fn 2nsp G 1 G 2nsp
(7.1.4) 在光通信系统中，光放大器应该具有尽可能低的 Fn 。放大器噪声是系统性能的最终限制因素。 22
铒光纤的输入光功率是 300W，输出功率是 60mW, EDFA 的 增 益 是 多 少 ？ 假 如 放 大 自 发 辐 射 噪 声 功 率 是 PASE 30 W，EDFA 的增益又是多少：
GdB
解：EDFA 增益是 G Pout Pin 60 103 300 200 ，或 10 log(Pout Pin ) 23dB 。 当 考 虑 放 大 自 发 辐 射 噪 声 功 率 时 ， EDFA 增 益 为 10log[(Pout PASE ) Pin ] 23dB 。
是 平均 光电 流， R q hv 是 量子 效率 为 1 的 理想 光电 探
测器的响应度（见5.1节）， s 是均方散粒噪声电流。
放大后信号的SNR
SNRout
I 2
2
n
RGP 2 in
2
sp
GP in 4S sp f
sp
(7.1.3)
将式（7.1.2）和（7.1.3）代入式（7.1.1），得到放大器噪声指数 F 2n G 1 G 2n (7.1.4)
20
SNRin SNRout
对于放大倍数为 G 的 放大器，输出功率 与输入功率的关系 是
Pout GPin 。输入信号的 SNR 由下式给出
SNR in
式中
I 2
2 s
RPin 2 2qRPin f
2
Pin 2hvf
I RPin
(7.1.2)
15
Er 能 级
3
E 2 1530nm 信号光 放大后 的信号光
两能级模型
980nm 泵浦光 0
1550nm E1 1550nm
EDFA的增益与铒离子浓度、掺铒光纤长度、芯径 和泵浦功率有关。 处于激发态 E3 能级的离子很快返回E2 能级，产生 的辐射是自发辐射，它对信号光放大不起作用。 只有铒离子从 E2 能级返回 E1 能级时，发生的受激 发射才对信号光的放大有贡献。 因为泵浦到能级 E3 的离子快速地转移到能级 E2， 忽略自发辐射和激发态吸收时，能级 E3 几乎保持 空位，可使用一个简单两能级模型，对 EDFA 的 原理可得到更好地理解。 16
2
WDM光-电-光转换再生中继器结构
1
光纤 光 解 2 . . . 复 用 O/E
ADM E/O
1
光 光纤
2 复 N
1 2 ... N
N
. . . 用 1 2 ... N
通信设备复杂，系统的稳定性和可靠性不 高，传输容量受到一定的限制。
3
光放大器出现
多年来，人们一直在探索能否去掉上述光-电光转换过程，直接在光路上对信号进行放大， 然后再传输，即用一个全光传输中继器代替目 前的这种光-电-光再生中继器。 经过多年的努力，科学家们已经发明了几种光 放大器，其中掺铒光纤放大器（EDFA）、分 布光纤喇曼放大器（DRA）和半导体光放大器 （SOA）技术已经成熟，众多公司已有商品出 售。本章对这几种放大器进行简要的介绍。
图6.1.6 小信号增益频谱
40 小 30 信 号 增 20 益 (dB) 10 0 1.52
1.54 波 长(m
1.56 )
1.58
12
图6.1.7 大信号增益频谱
25 大 信 20 号 增 益 15 (dB) 10 0 1.52
1.56 1.54 波长( m )
1.58
13
例题6.5.1 EDFA增益
19
4. 放大器噪声
由于自发辐射噪声在信号放大期间叠加到了信号上，所以对 于所有的放大器，信号放大后的信噪比（SNR）均有所下降。与 F 电子放大器类似，用放大器噪声指数 n 来量度 SNR 下降的程度， 并定义为
Fn
(7.1.1) 式中SNR指的是由光电探测器将光信号转变成电信号的信噪比， SNR in SNRout 表示放大后 的 表示光放大前的光电流信噪比， 光电流信噪比。通常，Fn 与探测器的参数，如散粒噪声和热噪声 有关，对于性能仅受限于散粒噪声的理想探测器，人们可以获得 Fn 的简单表达式。
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光有源器件
变化将导致折射率变化，从而对输出光信号形成一 个附加的相位变化；导致其频率随时间变化，即出 现频率啁啾。
i
0
d
dt
速度低的系统；高速率的系统不适合
2 1
B L
K S W -S P S T
J1 C ON2
C7 2 2u F 2 2 0V
C5
C6
1 00 p F 1 0u F 2 5 V
R2 2 4k Ω
Y型合路器的输出产生相消和相长干涉，就得到了 “通”和“断”的信号。
设输入的调制信号为余弦变化，则输出的信号功 率为
P
1
cos
U
s Ub U
式中，Us和Ub分别为信号电压和偏置电压，U 为光功率每变化半个周期（相位为0- ）所需的 外加电压，为半波电压。
由式可见，当Us+Ub=0，P=2为最大；当Us+Ub=U /2 时 ，P=0，从而实现光调制。驱动电压5-10V
原理：电压调制信号经过电声换能器转化为超声波， 然后加到电光晶体上。
电声换能器利用某些晶体(如石英、LiNbO3等)的压电 效应， 在外加电场的作用下产生机械振动形成声波。
ΔΦ受外电压的控制从而实现相位调制。
•两个电光相位调制器组合后便可以构成一个电光强 度调制器。
• 6.3.2 M-Z型调制器
M-Z型调制器是由一个Y型分路器、两个相位调制器和Y型合 路器组成的，其结构如下图所示。
触点
光输入
相 位 调制
L iN bO3
触点
图6.6 M-Z型调制器
已 调 光输 出
输入光信号被Y型分路器分成完全相同的两部分， 两个部分之一受到相位调制，然后两部分再由Y型合 路器耦合起来。按照信号之间的相位差，两路信号在
i
0
d
dt
速度低的系统；高速率的系统不适合
2 1
B L
K S W -S P S T
J1 C ON2
C7 2 2u F 2 2 0V
C5
C6
1 00 p F 1 0u F 2 5 V
R2 2 4k Ω
Y型合路器的输出产生相消和相长干涉，就得到了 “通”和“断”的信号。
设输入的调制信号为余弦变化，则输出的信号功 率为
P
1
cos
U
s Ub U
式中，Us和Ub分别为信号电压和偏置电压，U 为光功率每变化半个周期（相位为0- ）所需的 外加电压，为半波电压。
由式可见，当Us+Ub=0，P=2为最大；当Us+Ub=U /2 时 ，P=0，从而实现光调制。驱动电压5-10V
原理：电压调制信号经过电声换能器转化为超声波， 然后加到电光晶体上。
电声换能器利用某些晶体(如石英、LiNbO3等)的压电 效应， 在外加电场的作用下产生机械振动形成声波。
ΔΦ受外电压的控制从而实现相位调制。
•两个电光相位调制器组合后便可以构成一个电光强 度调制器。
• 6.3.2 M-Z型调制器
M-Z型调制器是由一个Y型分路器、两个相位调制器和Y型合 路器组成的，其结构如下图所示。
触点
光输入
相 位 调制
L iN bO3
触点
图6.6 M-Z型调制器
已 调 光输 出
输入光信号被Y型分路器分成完全相同的两部分， 两个部分之一受到相位调制，然后两部分再由Y型合 路器耦合起来。按照信号之间的相位差，两路信号在
第六章 光放大器
一、光纤拉曼放大器
拉曼现象在1928年被发现。
90年代早期，EDFA取代它成为焦点，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。
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。
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1270～ 1670nm整个波段内提供放大。
光纤放大器分为掺稀土元素光纤放大器和非线性
光学放大器。
非线性光学放大器分为拉曼（SRA）和布里渊
（SBA）光纤放大器。
半导体光放大器SOA
SOA也是一种 重要的光放大 器，其结构类 似于普通的半 导体激光器。
R1
I
R2
半导体光放大器示意图
•半导体光放大器的放大特性主要决定于激光腔的反射特性与 有源层的介质特性。 •根据光放大器端面反射率和工作偏置条件，将半导体光放大 器分为：----法布里－珀罗放大器(FP－SOA) ----行波放大器(TW－SOA)
均衡功能：针对点对点系统的增益均衡，针对全 光网的功率均衡； 监控管理功能：在线放大器，全光网路由改变；
动态响应特性； 其它波段的光纤放大器，如Raman放大器。 6.4 光纤拉源自放大器FRA拉曼放大器的简介
利用光纤非线性效应中的SRS原理进行光放大。 无需利用掺杂的光纤作为增益介质，直接使用传输 的光纤即可获得增益。 获得增益之波长约为泵浦源波长往长波长方向移位 100 nm，只要挑选对所需之泵浦源的波長，即可 放大光纤低损耗带宽內的任意波段信号。 利用多个不同波长的泵浦源组合可以获得超宽带、 增益平坦的放大器。
第6章 光放大器和光中继器
光纖
接收器
接收器
EDFA
發射器
Pre-Amplifier
接收器
第 6章
光放大器和光中继器
§6-6光中继器 光脉冲信号从光发射机输出，经光纤传输若干距 离后，由于光纤损耗和色散影响，将使光脉冲信号 的幅度受到衰减，波形出现失真，这样，就限制了
光纤中的长距离传输，为此，需在光波经过一定距
离传输后加上一个光中继器，经放大衰减的信号， 恢复失真的波形，使光脉冲得到再生。
外界激励源）的作用下，使工作物质的粒子处于反转 分布状态，具有了光放大作用，对于EDFA，其基本原
理相同。
简言之，在泵浦源的作用下，在掺铒光纤中出现 了粒子数反转分布，产生了受激辐射，从而使光信号 得到放大，由于EDFA具有细长的纤形结构，使得有源 区的能量密度很高，光与物质的作用区很长，这样， 可以降低对泵浦源功率的要求。
动端机面不改动线路。
第 6章
光放大器和光中继器
§6-2 EDFA的结构 一、构成
EDFA主要由掺铒光纤（EDF），泵浦光源，光
耦合器，光隔离器以及光波滤波器组成（如图6.1）。
第 6章
光放大器和光中继器
WDM 光纖耦合器 輸入光
摻鉺光纖
輸出光
1480或980 nm 激勵光源
光隔離器 光帶通 濾波器
第 6章
光放大器和光中继器
由于E2和E1有一定的宽度，使EDFA的放大效应具 有一定的波长范围，E＝hf（h：普朗克常数），其典
型值为1530～1570nm，在这个范围内，EDFA都能提
供有用的增益和相对平坦特性，表明它们能对波分多 路（WDM）信号的每一路都提供放大作用，而相对平
坦增益带宽意味着，WDM各路光纤信号需采用特殊手
光纤通信原理与技术课程教学大纲
《光纤通信原理与技术》课程教学大纲英文名称:Fiber Communication Principle and its Application学时:51 学分：3开课学期：第7学期一、课程性质与任务通过讲授光纤通信技术的基础知识,使学生了解掌握光纤通信的基本特点，学习光纤通信系统的三个重要组成部分：光源（光发射机）、光纤（光缆）和光检测器（光接收机)。
通过本课程的学习，学生将掌握光纤通信的基本原理、光纤通信系统的组成和系统设计的基本方法,了解光纤通信的未来与发展，为今后的工程应用和研究生阶段的学习打下基础。
二、课程教学的基本要求要求通过课堂认真听讲和实验课,以及课下自学，基本掌握光纤通信的基础理论知识和应用概况，熟悉光纤通信在电信、通信中的应用，为今后的工作打下坚实的理论基础。
三、课程内容第一章光通信发展史及其优点（1学时）第二章光纤的传输特性（2学时）第三章影响光纤传输特性的一些物理因素（5学时）第四章光纤通信系统和网络中的光无源器件(9学时）第五章光纤通信技术中的光有源器件（3学时)第六章光纤通信技术中使用的光放大器（4学时）第七章光纤传输系统（4学时)第八章光纤网络介绍（6学时）第九章光纤通信原理与技术实验(17课时)四、教学重点、难点本课程的教学重点是光电信息技术物理基础、电光信息转换、光电信息转换，光电信息技术应用,光电新产品开发举例。
本课程的教学难点是光电信息技术物理基础。
五、教学时数分配教学时数51学时，其中理论讲授34学时，实践教学17学时。
（教学时数具体见附表1和实践教学具体安排见附表2）六、教学方式理论授课以多媒体和模型教学为主，必要时开展演示性实验。
七、本课程与其它课程的关系1。
本课程必要的先修课程《光学》、《电动力学》、《量子力学》等课程2。
本课程的后续课程《激光技术》和《光纤通信原理实验》以及就业实习。
八、考核方式考核方式：考查具体有三种。
根据大多数学生学习情况和学生兴趣而定其中一种.第一种是采用期末考试与平时成绩相结合的方式进行综合评定.对于理论和常识部分采用闭卷考试，期末考试成绩占总成绩的55％，实验成绩占总成绩的30%，作业成绩及平时考勤占总成绩的15％；第二种是采用课程设计（含市场调查报告)和平时成绩相结合的方式，课程设计占总成绩的55%,实验成绩占总成绩的30％,作业成绩及平时考勤占总成绩的15％。
《光纤通信》原荣 第三版 第6章 复习思考题参考答案
第6章复习思考题参考答案6-1 EDFA的工作原理是什么？有哪些应用方式答：现在我们具体说明泵浦光是如何将能量转移给信号的。
若掺铒离子的能级图用三能级表示，如图6.3.2（a）所示，其中能级E1代表基态，能量最低，能级E2代表中间能级，能级E3代表激发态，能量最高。
若泵浦光的光子能量等于能级E3与E1之差，掺杂离子吸收泵浦光后，从基态E1升至激活态E3。
但是激活态是不稳定的，激发到激活态能级E3的铒离子很快返回到能级E2。
若信号光的光子能量等于能级E2和E1之差，则当处于能级E2的铒离子返回基态E1时就产生信号光子，这就是受激发射，使信号光放大获得增益。
图6.3.2（b）表示EDFA的吸收和增益光谱。
为了提高放大器的增益，应尽可能使基态铒离子激发到能级E3。
从以上分析可知，能级E2和E1之差必须是相当于需要放大信号光的光子能量，而泵浦光的光子能量也必须保证使铒离子从基态E1跃迁到激活态E3。
图6.3.2 掺铒光纤放大器的工作原理EDFA可作为光发射机功率增强放大器、接收机前置放大器，或者取代光-电-光中继器作为在线光中继器使用。
在光纤系统中可延长中继距离，特别适用于长途越洋通信。
在公用电话网和CA TV分配网中，使用EDFA补偿分配损耗，可做到信号无损耗的分配。
另外，EDFA可在多信道系统中应用，因为EDFA的带宽与半导体光放大器（SOA）的一样都很宽（1~5 THz），使用光放大器可同时放大多个信道，只要多信道复合信号带宽比放大器带宽小就行。
EDFA具有相当大的带宽（∆λ = 20~40 nm，或∆f = 2.66~5.32 THz），这就意味着可用来放大短至皮秒级的光脉冲而无畸变。
从光波系统的应用观点出发，EDFA的潜在应用在于它们可放大ps级的脉冲而不发生畸变的能力。
6-2 EDFA有几种泵浦方式？哪种方式转换效率高？哪种噪声系数小答：使用0.98 μm和1.48 μm的半导体激光泵浦最有效。
光纤通信技术第六章光通信中的光放大器 (1)
6.1.1 光放大器的概念
光纤的损耗和色散限制了光纤的传输距离, 延长通信距离的方法是采用中继器, 中继器的 放大过程较为复杂, 它是将输入的光信号转换 为电信号, 在电信号上进行放大、再生、再定 时等处理后, 再将经处理后的电信号转换为光 信号经光纤传送出去, 这种中继方式称为光/电/ 光中继方式。
（2）有源光纤或掺杂光纤放大（DFA）
有源光纤放大器的有源媒体是稀土族元 素（如Er、Pr、Tm、Nd 等）, 它掺杂在光纤 的玻璃基体中, 所以也称作掺杂光纤放大器 （DFA）。DFA是利用光纤中掺杂稀土元素引 起的增益机制实现光放大的。
光纤通信系统最适合的掺杂光纤放大器是 工作波长为1550nm掺铒光纤放大器（EDFA） 和工作波长为1310nm的掺镨光纤放大器 （PDFA）。用于1310nm窗口的PDFA, 因受 氟化物光纤制作困难和氟化物光纤特性的限制, 机械强度较差, 与常规光纤的熔接较为困难, 究 进展比较缓慢, 尚未获得广泛应用。
光增益不仅与入射光频率（或波长）有关, 也与放大器内部光束强度有关。光增益与频率 和强度的具体关系取决于放大器增益介质的特 性。
由激光原理可知, 对于均匀展宽二能级系 统模型, 其增益系数为
g(
) 1(
g0 0)2T 22P /P s
（6.1）
当放大器的输出功率远远小于饱和功率时, 即放大 器工作在小信号状态时, 式（6.1）中的 P /项Ps可忽 略, 增益系数简化为
Fn
(SNR)in (SNR)out
（6.9）
即使是理想的放大器, 输入信号的 (SNR)也in
被降低一倍（3db）, 实际放大器的
F
都超过
n
3db, 有些放大器的 F n 达到6-8db。从光纤应用
edfa
6.1.4 掺铒光纤放大器的优点
(1) 可取消电中继器； (2)能使海底光缆传输距离得以延伸，建设成 本下降； (3)在波分复用系统中，可以实现同波段内所 有波长的信号同时放大； (4)可以补偿波分复用器和解复用器的插入损 耗，可以补偿线路的损耗； (5) 使FTTH的实现成为可能。
6.1.4 掺铒光纤放大器的应用 延长传输距离
第6章 光纤通信新技术
6.1 光纤放大器 6.2 光波分复用技术
损耗和色散限制了通信距离
为了满足长距离通信的需要，必须在光 纤传输线路上每隔一定距离加入一个中 继器。以补偿光信号的衰减和对畸变信 号进行整形，然后继续向终端传送。
中继方法
光电光混合中继器 结构复杂，价格昂贵，不能用于波分复 用系统中。 全光中继器 对光信号进行直接放大 传统的光通信系统采用的光电转换的中 继器
6.1.3 掺铒光纤放大器的增益特性
增益G是描述光放大器对信号放大能力的参数。 定义为： Pout
G(dB) 10 lg
Pin
G与光放大器的泵浦功率、掺杂光纤的参 数和输入光信号有很复杂的关系。
小信号增益随泵浦 功率而变的曲线 对于给定的放大器长度 （EDF长度），增益先 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。
n
1′
光接收机 …
光发射机 …
1′
n′
光接收机
l1… n l
ln 光发射机
n′
单纤双向WDM传输
1 光发射机
…
l1
光接收机
…
1
n
光发射机
ln
复用/解复用器
l1… n l
光纤 放大器 复用/解复用器
第6章 级联放大电路
12/28
二、多级放大电路的动态分析(续） 多级放大电路的动态分析(
(1)输入电阻法：在求单级放大电路的放大倍数时必须将后 输入电阻法： 输入电阻法 一级的输入电阻作为前一级的负载考虑， 一级的输入电阻作为前一级的负载考虑，即将第二级的输入 电阻与第一级集电极负载电阻并联。 电阻与第一级集电极负载电阻并联。
+Vcc RB1 RC1 RB2 RC2 RB2 RC2 +Vcc
VT1 RS + us + ui -
+ uo1 ro1
VT2 RE2
+ uo -
VT2
+ uo -
ro1
+ uo1 b)
a)
15/28
RB1 RC1 RB2 RC2
+Vcc RB2 RC2
+Vcc
VT1 RS + us + ui -
第一级输出电阻 R o1 ≈ R c1 第二级电压增益
R o1
R2 i
hfe Rc2 Ri2 AUs2 = − × Ro1 + Ri2 hie2 2.8 100× 4.3 =− × = −54.3 5.1 + 2.8 2.8
总电压增益
AU = AU1 AU2 = −54.3×(−164.5) = 8932
+Vcc RB1 RC1 RB2 RC2 RB1 RC1 +Vcc
VT1 Rs + us + ui -
+ uo1 -
VT2 RE2
+ uo Rs + us -
VT1
+ uo1 -
ri2
ri1
a)
ri2
光放大器1
1 2
2
g
ln 2 g0L ln
2
1
2
光纤放大器的洛仑兹谱和相应的放大器增益谱
二、增益饱和与饱和输出功率
•增益饱和：增益系数与光信号的功率有关，在P<<Ps时，为小 信号增益，这时可不计P对g(ω)的影响；当P增大至可与Ps比拟 时， g(ω)随P的增大而下降，放大器增益G(ω)也下降，这种现 象称为增益饱和。
L+ Band
1,450nm
1,490nm
1,530nm 1,550nm 1,570nm 1,580nm 1,610nm
1,650nm
40 nm
Fujitsu Proprietary
6.2 光放大器基本概念
6.2.1 光放大器一般工作特性
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。
输出 信号光
(a) 半导体光放大器
输入 信号光
耦合器 掺杂光纤
耦合器
泵浦光
输出 信号光
(b)掺杂光纤放大器
输入 信号光
泵浦光
纯石英 光纤-----------------输--出 -----------信号光
泵浦光
(c)非线性光纤放大器
光放大器基本结构示意图
光放大器的类型和各自优缺点
放大器 类型
工作原 理
二、光放大器类型：掺杂光纤放大器（EDFA、PDFA、TDFA） 半导体光放大器（SOA） 非线性光纤放大器（FRA、FBA、FPA）
三、发展历程： 上世纪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；2001年 FRA得到更广泛应用。
光放大器的测试
(5)将所得的数据代入公式，即可计算出信号的ASE功率、放大器 增益和噪声指数
掺铒光纤放大器
Amplitude (dBm)
20
放大信号
0
原始信号
ASE+ (Gain x SSE) -20
Gain
Noise Figure -40
Source Spontaneous Emission 增益波长点的增益 之差，单位dB。在WDM系统中GF越小越好。
▪ 增益变化：指光放大器增益在光放大器工作波段
内（多通路）的变化，最大和最小增益变化的数 值与通路数无关。
测试参数的定义
动态增益斜率(DGT)表示不同波长信道的增益随输入光功率变化 而产生的动态变化的差异
DGT G' () G() G' (0 ) G(0 )
是参考波长， 0是定义的 波长，G是标称增益，G/是 不同输入光功率下的增益。
掺铒光纤放大器
测量EDFA增益的基本装置
OSA得到的输入信号光放大前后谱
掺铒光纤放大器
偏振消光法测量噪声指数的装置图
▪ ASE功率
PASE (dBm)=(PR PL )/2 (Pin P1) 3
▪ 放大器增益 G(dB) P2 (dB) P1(dB) ▪ 噪声指数 NF (dB) 10 log10 (PASE / h B0G 1/ G)
掺铒光纤放大器
具体测量噪声指数步骤如下：
(1) 使用光功率计测量输入光功率Pin； (2) 在未接入EDFA时，调整偏振控制器使光波只通过偏振分束器 的其中一条路径有最大的输出，用光谱分析仪测量此时信号的峰 值功率P1； (3)接入EDFA，调整偏振控制器使光谱仪测量到最大的信号峰值功 率P2； (4) 调整偏振控制器使信号峰值达到最小，只剩下ASE功率电平。 采用线性插值方法，即在信号波长左右约0.2nm间隔处测量ASE电 平PL、 PR，然后求和取平均值，我们认为这个平均值就是信号波 长的ASE电平；
掺铒光纤放大器
Amplitude (dBm)
20
放大信号
0
原始信号
ASE+ (Gain x SSE) -20
Gain
Noise Figure -40
Source Spontaneous Emission 增益波长点的增益 之差，单位dB。在WDM系统中GF越小越好。
▪ 增益变化：指光放大器增益在光放大器工作波段
内（多通路）的变化，最大和最小增益变化的数 值与通路数无关。
测试参数的定义
动态增益斜率(DGT)表示不同波长信道的增益随输入光功率变化 而产生的动态变化的差异
DGT G' () G() G' (0 ) G(0 )
是参考波长， 0是定义的 波长，G是标称增益，G/是 不同输入光功率下的增益。
掺铒光纤放大器
测量EDFA增益的基本装置
OSA得到的输入信号光放大前后谱
掺铒光纤放大器
偏振消光法测量噪声指数的装置图
▪ ASE功率
PASE (dBm)=(PR PL )/2 (Pin P1) 3
▪ 放大器增益 G(dB) P2 (dB) P1(dB) ▪ 噪声指数 NF (dB) 10 log10 (PASE / h B0G 1/ G)
掺铒光纤放大器
具体测量噪声指数步骤如下：
(1) 使用光功率计测量输入光功率Pin； (2) 在未接入EDFA时，调整偏振控制器使光波只通过偏振分束器 的其中一条路径有最大的输出，用光谱分析仪测量此时信号的峰 值功率P1； (3)接入EDFA，调整偏振控制器使光谱仪测量到最大的信号峰值功 率P2； (4) 调整偏振控制器使信号峰值达到最小，只剩下ASE功率电平。 采用线性插值方法，即在信号波长左右约0.2nm间隔处测量ASE电 平PL、 PR，然后求和取平均值，我们认为这个平均值就是信号波 长的ASE电平；