光放大器基本知识简介
光放大器的概术,EDFA,SOA
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。
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
小信号增益G＝30dB时，增益对输入光功率的典型 依存关系
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。G0光放大器的小信号增益。 G0 饱和输出功率：放大器增益降至小 信号增益一半时的输出功率。
3dB
Pout,sat
饱和区域
当PS,IN增大到一定值后， 光放大器的增益G开始下 降。增益饱和现象。
=1.3% =0.7%
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)
用于制作大功率EDFA 的双包层光纤结构图
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)
光放大器概述
光放大器的出现，可视为光纤通信发展史上 的重要里程碑。
光放大器出现之前，光纤通信的中继器采用 光－电－光(O-E-O)变换方式。
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
光放大器基本介绍
1-5 光放大器的應用
光放大器依據不同應用有下列三種：
光功率放大器 (Booster Amplifier, BA) 將光放大器置於光發送端之前，以提高傳送光的功率， 整個電路系的光功率得到提高。 光前置放大器 (Pre-Amplifier, PA) 在接收端的光電檢測器之後將微信號進行放大，以提高 接收能力。 光線路放大器 (Line Amplifier, LA) 接駁的距離較遠時，可起中繼放大器度(spitter)，提高光 功率。
受激態 E2 (Excited state)
光子
1
hv12 E1 E 2
1 1 加偏壓 1電子
電洞
基態 E1 (Ground state)
2-6 半導體光放大器的特性
SOA的自發放射頻譜ASE隨注入電流而提高
2-6 半導體光放大器的特性
23dB
非 線 性 線 性
飽 和
注入電流與增益的關係
3-9 EDFA的元件
分波多工器
將輸入訊號光與幫激光耦合至摻鉺光纖中。其應具低插 入損失和寬的工作頻寬來，以提高EDFA的放大頻寬。
ASE Spectrum
1.48/1.58mm 分波多工器各波長所對應之插入損失
3-10 EDFA的架構
輸入光 Isolator WDM
EDF
Isolator
2-4 半導體光放大器的分類
注入電流
入射光 輸出放大光
鏡子
Mirror
鏡子
Mirror
法布裏－泊羅放大器
2-4 半導體光放大器的分類
注入電流
入射光
輸出放大光
抗反射膜 AR
行波式光放大器(Travelling-Wave Amplifier, TWA)
光放大器基本概述
利用半导体制作的半导体光放大器（SOA） 小型化，容易与其他半导体器件集成;性能与 光偏振方向有关，器件与光纤的耦合损耗大
▪ 光纤放大器(OFA)
利用稀土掺杂的光纤放大器（EDFA、PDFA） 利用光纤非线性效应制作的非线性光纤放大 器（FRA、FBA） 性能与光偏振方向无关，器件与光纤的耦合 损耗很小
几种光放大器的比较
放大器类 型
原理
激励 方式
工作长度噪声性特
与光纤 耦合
与光偏 振关系
稳定 性
半导体光 粒子数反 放大器 转
电
100m ~1mm
差
很难
大
差
掺稀土光 粒子数反 纤放大器 转
光
数米到数 十米
好
容易
无
好
非线性效 应光纤放
大器
光学非线 性效应
光
数千米
好
容易
大
好
光放大器的应用
▪ 光发射机+功率放大器+光接收机 ▪ 光发射机+前置放大器+光接收机 ▪ 光发射机+线路放大器+光接收机 ▪ 光发射机+功率放大器+前置放大器+光接收机 ▪ 光发射机+功率放大器+线路放大器+光接收机 ▪ 光发射机+线路放大器+前置放大器+光接收机 ▪ 光发射机+功率放大器+线路放大器+前置放大器+光接
的功率上，在光电探测过程中该功率又转变成 电流的起伏。
▪ 研究结果表明，在接收机噪声中占统治地
位的是来自自发辐射与信号本身的拍频噪声， 即自发辐射与放大后的信号在光电探测器相干 混频，并产生光电流的外差成份。
光放大器
λ λ
λ
1
1
中继器 复 中继器 用 器 中继器 λ
1
λ 解 复 用 器 λ 2… λ
n
1
光接收机 1 光接收机 2
2
复 用 器
光发送机 n
λ
n
解 λ 复 用 器 λ λ
1
2
λ λ
2
…
n
n
光接收机 n
λ 2… λ
n
光接 收机
滤波、去噪、 恢复、整形；
光发 送机
…
光放大器的重要性
2. 波分复用WDM技术的实用化需要光放大器
饱和区域
放大器的增益与光强有关！
1.0 光放大器的工作性能
3. 放大器带宽
g ( )
号
相 0.8 对 增 0.6 益 0.4 0.2
g A
G(
放大器的增益与光频率有关！
光放大器的工作性能
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 4. 放大器噪声
4I
15/2
所以EDFA的工作波长1530-1560 nm
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
掺铒光纤放大器的结构
EDFA的基本结构及功能：
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。
掺稀土元素 光纤放大器 光放大器分类
布里渊光纤放大器(FBA)
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
光通信之光放大器
02 光放大器的原理
光放大器的增益机制
受激发射放大
能量转移
光放大器利用增益介质中的粒子数反 转，通过受激发射机制将输入信号放 大。
放大过程中，高能级粒子将能量转移 至低能级，释放出光子，实现光的放 大。
粒子数反转
在光放大器中，增益介质中的粒子数 分布被调整至非平衡状态，使得介质 对特定波长的光具有放大作用。
光放大器的增益介质
01
02
03
稀土掺杂光纤
在石英光纤中掺入某些稀 土元素（如铒、镱等）， 形成增益介质。
晶体
某些晶体（如蓝宝石、硅 酸盐等）可作为光放大器 的增益介质。
气体
某些气体（如氩气、氪气 等）也可作为光放大器的 增益介质。
光放大器的增益特性
增益带宽
光放大器的增益带宽决定 了其对不同波长光的放大 能力。
EDFA技术已经相当成熟，广泛 应用于长距离、大容量的光通信
系统。
RFA在最近几年开始受到关注， 其具有低噪声、宽频带等优点， 尤其适用于超长距离、超大容量
的光通信系统。
光放大器技术的发展趋势
新型光放大器技术的研究和开 发是未来的重要方向，如硅基 光放大器、氮化镓光放大器等。
探索更高效的光放大器技术， 提高光放大器的增益、带宽和 稳定性是关键。
光通信之光放大器
目 录
• 光放大器概述 • 光放大器的原理 • 光放大器的应用 • 光放大器的技术发展 • 光放大器的市场分析
01 光放大器概述
光放大器的定义
总结词
光放大器是一种能够将微弱的光信号进行放大的设备。
详细描述
光放大器是一种能够将微弱的光信号进行放大的设备，它通过特定的机制将输 入的光信号进行能量放大，以便在光通信系统中进行长距离传输或者进行光信 号处理。
光纤通信技术光放大器
拉曼放大器（RA）
总结词
利用拉曼散射效应实现光放大的器件， 具有宽带、低噪声、高效率等优点。
详细描述
RA利用拉曼散射效应，将泵浦光的能 量转移到信号光上，实现信号光的放 大。RA具有宽带、低噪声、高效率等 优点，适用于大容量、长距离光纤通 信系统中的分布式放大。
掺铒光纤放大器（EDFA）
总结词
利用掺铒光纤作为增益介质的光放大器，具有高效率、低噪声、宽带等优点。
光放大器的分类
按照工作波长
可分为可见光放大器和不可见光放大 器，其中不可见光放大器又可分为近
红外和中红外光放大器。
按照增益介质
可分为气体、液体和固体光放大器。
按照工作原理
可分为自发辐射放大器和受激发射放 大器。
光放大器的重要性
延长传输距离
光放大器能够将微弱的光信 号放大，从而延长了光纤通 信系统的传输距离，提高了 通信容量和可靠性。
要点二
新结构
探索新型的光放大器结构和设计，以提高其稳定性和可靠 性。
光放大器与其他光子器件的集成化
集成化技术
研究光放大器与其他光子器件的集成化技术，以提高系 统的集成度和稳定性。
模块化应用
开发标准化的光放大器模块，以满足不同光纤通信系统 的应用需求。
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光计算与光处理
总结词
光放大器在光计算和光处理领域的应用 ，可以实现高速、高带宽的信息处理。
VS
详细描述
光计算和光处理利用光信号的高速传播和 并行处理能力，进行大规模数据运算和信 号处理。光放大器在光计算和光处理系统 中起到扩展传输距离和提高光信号功率的 作用，有助于提高系统运算速度和降低延 迟。
光放大器基本知识简介
Communication Interface
Consumption Dimensions
RS-232
<5W @ without TEC;15W @ with TEC 90x70x12 mm or 70x50x15 mm or Customized
29 2014-10-31
生产能力
现基本上有两条光路生产线，一条电路 生产线，一条测试线，老化箱一台。 正常情况下，最大生产能力为每天3~4 台EDFA。
27 2014-10-31
Conditions
Value C-Band or L-Band -35~5 <22 15~35 <5.5
4、城域网用EDFA
分纯光模块、带电模块 带致冷、无带致冷 单信道和多信道 一般是Booster EDFA
28 2014-10-31
主要参数指标：
Parameter Wavelength Total Input Power Total Output Power Gain Gain Flatness NF Unit nm dBm dBm dB dB dB @Pin=6dBm Conditions Value 1529~1561 -20~5 <15 15~35 <2 <5.5
P=power
3dBm=0.5mW
3 2014-10-31
dB和dBm转换举例：
Relative dB % loss 1 21 2 37 3 50 4 60 5 68 10 90 15 96.8 20 99 Absolute dBm mW 30 1000 20 100 10 10 3 2 0 1 -3 0.5 -10 0.1 -20 0.01
光放大器基本介绍
光放大器基本介绍光放大器是一种能够将光信号放大的设备，它主要由光纤、泵浦光源、控制电路和放大段组成。
光放大器的原理是利用了稀土离子的能级结构，通过泵浦光源的能量输入，使光与稀土离子发生相互作用，从而实现光信号的放大。
光放大器具有许多优点，如高增益、宽带宽、低噪声、高饱和输出功率等，因此被广泛应用于光通信、激光雷达、光纤传感等领域。
光放大器主要有掺铒光纤放大器（EDFA）和掺铥光纤放大器（TDFA）两种。
其中，EDFA是目前应用最广泛的光放大器，它能够在通信波段实现高增益和低噪声的放大，适用于光纤传输和光放大器的级联应用。
而TDFA则适用于特定的波段，如光通信中的波分复用系统和光纤传感系统。
在光放大器的工作中，泵浦光源是十分重要的部分，它可以提供能量来激发稀土离子的激发态。
常用的泵浦光源包括半导体激光二极管、激光二极管阵列和泵浦激光器等。
这些泵浦光源能够提供连续的激发光，使稀土离子能够保持在激发态，从而实现对光信号的放大。
光放大器的放大段是其中最关键的部分，它由掺杂了稀土离子的光纤组成。
掺铱光纤放大器使用掺铥光纤，而掺铒光纤放大器则使用掺铒光纤。
这些稀土离子能够在光纤中与入射的光信号发生相互作用，从而实现对光信号的放大。
放大段的长度和掺杂浓度是影响光放大器性能的重要参数，通过调节这些参数可以实现不同的放大效果。
控制电路是光放大器中的一个重要组成部分，它可以控制光放大器的工作状态和性能。
通过控制电路，可以实现对光放大器的增益、输出功率和频率响应等参数的调节。
除此之外，控制电路还可以监测光放大器的工作状态，如温度、光功率和功率波动等，从而提高光放大器的稳定性和可靠性。
光放大器在光通信领域有重要的应用。
由于光放大器具有高增益和宽带宽的特点，它可以在光纤传输中实现长距离的信号传输，有效地解决光纤传输中的衰减问题。
此外，光放大器还可以实现波分复用系统中的波长转换和波长选择，从而提高光通信系统的传输能力和灵活性。
光放大器
第六章光放大器6.1 光放大器简介6.2 半导体光放大器6.3 掺铒光纤放大器(EDFA)任何光纤通信系统的传输距离都受到光纤损耗或色散的限制，因此，在长距离传输系统中，每隔一定距离就需设置一个中继器以保证信号的质量。
中继器是将传输中衰减的光信号转变为电信号，并放大、整形和定时处理，恢复信号的形状和幅度，然后再变换为光信号(光－电－光过程)，再继续由光纤传输。
这种方式的中继器结构复杂，价格昂贵，尤其对DWDM 系统，若采用光－电－光混合中继方式，则首先要对光信号进行解复用，然后对每一信道信号进行中继再生，再将各信道信号复用到光纤中进行传输，这样将需要大量中继设备，成本很高。
宽带宽的的各放大器可以对多信道信号同时放大而不需进行解复用，光放大器的问世推动了DWDM技术的快速发展。
•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 ）⎟⎟⎠⎞⎜⎜⎝⎛−∆=∆2ln 2ln 0L g g A νν0ωω=()ωG ()ωg 当 时， 和均达到最大值。
由图可知，放大器带宽比介质带宽窄得多。
右图为归一化增益和 随归一化失谐变化的曲线。
R τωω)(0−()ωG ()ωg Rτωω)(0−0G G 0g g 其实，只考虑了单纵模的情形。
(见下文后，回头再来理解。
)2. 增益饱和与饱和输出功率增益饱和是对放大器放大能力的一种限制。
由上式知，放大系数 在接近 时显著减小。
s P 当增大至可与 相比拟时，放大系数 随信号功率增加而降低，这种现象称为增益饱和。
P )(ωG 在前述讨论的基础上，设输入光信号频率位于增益峰值( )处，可推得(见马军山《光纤通信原理与技术》)：0ωω=⎟⎟⎠⎞⎜⎜⎝⎛⋅−−=s out P P G G G G 1exp 0s P out P G 饱和输出功率：放大器增益降至最大小信号增益值一半时的输出功率。
20G G =令 得到饱和输出功率为：s s out P G G P 22ln 00−=例 G 0>>2(如：增益为30dB, G 0=1000), P s out ≈0.69Ps, 表明放大器的饱和输出功率比增益介质的饱和功率低约3030%.%.三. 光放大器的类型光放大器主要有三类：（1）半导体光放大器(SOA, Semiconductor Optical Amplifier)注：有文献也把半导体光放大器写为SLA(Semiconductor Laser Amplifier)（2）掺稀土元素(铒Er、铥Tm、镨Pr、钕Nd等)的光纤光放大器，主要是掺铒光纤放大器(EDFA,Erbium-Doped Fiber Amplifier)。
光纤放大器的原理
光纤放大器的原理光纤放大器（OpticalFiberAmplifier，OFA）是一种利用光纤作为传输介质的光学器件，具有放大光信号的功能，是光通信中不可或缺的技术之一。
光纤放大器的出现，极大地提高了光通信的传输距离和传输质量，成为现代通信领域的重要组成部分。
本文将介绍光纤放大器的原理、分类、工作方式及其应用领域。
一、光纤放大器的原理光纤放大器是利用光纤中的掺杂物，将泵浦光能量传递给掺杂物，使其激发并放出光子，从而放大光信号的器件。
光纤放大器的核心部分是掺杂有掺杂物的光纤。
掺杂物一般是稀土元素，如铒、钪、铽等。
这些元素在光纤中的掺杂浓度很小，一般为几百分之一到几千分之一。
当泵浦光照射到掺杂光纤中时，光子的能量被传递给掺杂物。
掺杂物的电子被激发，从低能级跃迁到高能级，释放出一定能量的光子，即受激辐射。
这些光子与原来的光子发生叠加，使得光信号得以放大。
放大的光信号沿着光纤传输，直到到达接收器。
二、光纤放大器的分类根据掺杂光纤的类型，光纤放大器可以分为掺铒光纤放大器、掺钪光纤放大器、掺铽光纤放大器等。
其中，掺铒光纤放大器应用最为广泛。
掺铒光纤放大器的掺杂光纤中掺入铒元素，泵浦光源一般是980nm或1480nm的半导体激光器。
掺铒光纤放大器可以放大1300nm和1550nm波长范围内的光信号。
根据工作方式，光纤放大器可以分为受激辐射放大器（Erbium-Doped Fiber Amplifier，EDFA）、拉曼放大器（Raman Amplifier）、半导体光放大器（Semiconductor Optical Amplifier，SOA）等。
其中，EDFA应用最为广泛。
EDFA是一种受激辐射放大器，具有高增益、低噪声、宽带宽等优点。
三、光纤放大器的工作方式光纤放大器的工作方式与半导体激光器类似，都是通过泵浦光源将能量传递给掺杂物，使其激发并放出光子。
但是，光纤放大器的泵浦光源功率要比半导体激光器功率低得多，一般在几十毫瓦到几瓦之间。
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P=power
3dBm=0.5mW
3 2019/4/2
dB和dBm转换举例：
Relative dB % loss 1 21 2 37 3 50 4 60 5 68 10 90 15 96.8 20 99 Absolute dBm mW 30 1000 20 100 10 10 3 2 0 1 -3 0.5 -10 0.1 -20 0.01
6 2019/4/2
Repeaters: 执行 光-电-光的转换，重新生成光信号
优点：光信号经过3R（regeneration,retiming,reshaping）， 信号质量高。 缺点：结构复杂，成本高。
Amplifiers:放大过程不需要进行光电转换，在光域 内完成
优点：对不同的码率和格式透明，成本相对低廉，结构相对 简单 缺点：会劣化信号，500～800km后仍需要repeaters来重生。
噪声特性
EDFA的噪声系数极限 为3dB。 一般为4.0~6.0dB
EDFA的噪声系数和 泵浦功率、铒纤长度有 密切关系 在输入功率不变的情况 下，铒纤越长，噪声越大 泵浦功率越小，噪声越大
16 2019/4/2
EDFA增益谱
40
Average of Pin=-16dBm&pIN=-20dBm Gain at 36dB,EDF=14.5m+12m
4 2019/4/2
S/C/L-Band
S-band: short-band,1430~1510nm C-band:conventional-band,1528~1562nm L-band:long-band:1570~1605nm
EDFA: erbium-doped fiber amplifier SOA：semiconductor optical amplifier Metro/long-haul system
9 2019/4/2
光放大器为光通信系统提供了一种好用、 可靠、便宜的光传输的放大、中继方式， 降低了系统的成本，提高了系统的性能， 极大推动了光通信的发展
10 2019/4/2
EDFA的基本概念和基本理论和基本特性
光放大器最重要的两个参数：增益、噪声、平坦度 （多信道） 增益 Pout (m W) Gain(dB) Pout (dBm) Pin (dBm) Gain
Wavelength(nm)
5.0 4.8 4.6 4.4 4.2 4.0 3.8 3.6 3.4 3.2 3.0
一些通用的定义
dB，dBm
工程上，很多数值的变化范围都和很大，从几十倍到 几十万倍都有。采用分贝单位的计数方法简化了计算 和记录。 RdB=10 log10 Rabsolute R=Ratio 3dB=0.5 引申的功率单位的对数表示如下：
P dBm
P mW 10 log10 ( ) 1m W
Metro system 一般指城域网 Long-haul system 一般指干线网
DWDM：dense wavelength division multiplexing 密集波分复用
5 2019/4/2
光放大器的价值和应用
在光通信系统的物理层，可归纳成： 发射－传输－接收 在长距离传输（几百公里以上）的阶段，必 须进行信号的放大和再生，才能保证接收端 的误码率的要求 这时，需要两种东西：Repeaters 和Amplifiers。
12 2019ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ4/2
EDFA的基本结构
所用关键器件：980nm or 1480nm半导体激光器、掺 铒光纤 通过掺铒光纤，把980nm or 1480nm的泵浦激光转换 成和输入信号的波长、振幅都相同的信号光。 EDFA设计的关键，就是搭配好铒纤和泵浦光的参 数，使其达到我们需要的性能指标
光放大器基本知识交流
研发六部
1 2019/4/2
议题
一些通用的概念 光放大器的价值应用分类 EDFA相关基本概念和基本特性和发展历程 Raman 放大器基本概念和基本特性 我们公司的现有EDFA产品 生产能力 光放产品之市场情况 光放产品之器件电路 总结 推荐阅读
2 2019/4/2
35
Gain
30 25 1530 1535 1540 1545 1550 1555 1560
Wavelength
对于多信道DWDM的应用，以上的平坦度约 5dB，不符合要求
17 2019/4/2
Gain Profile
30 28 26
Gain(dB)
Noise Figure
24 22 20 18 16 1530 1535 1540 1545 1550 1555 1560
13 2019/4/2
增益特性
1.要想有正增益，泵浦光功率需大于一个值 2.不同长度的铒纤，在相同泵浦光下，达到的 增益值不同
14 2019/4/2
1.相同泵浦功率下，不同的铒纤长度，最大增益 有个峰值 2.可据此通过调整泵浦功率和铒纤长度来调整 EDFA到我们需要的工作点
15 2019/4/2
7 2019/4/2
光放的简单应用
功率放大器 Booster/power amplification
中继 In-line amplification
预放（也叫前放）Pre-amplification
8 2019/4/2
光放的简单分类
按使用位置：功率放大器, 中继（在线）放大器, 前置放大器 按放大介质：掺铒光纤放大器, 喇曼放大器, 布里渊放大器， 半导体光放大器, 线性光放大器 因为掺铒光纤放大器使用最广，一般我们提到的光放多半是 指掺铒光纤放大器
Pin (m W)
比如：输入功率0.1mW，输出功率50mW，增益为500倍， 用对数表示为输入功率－10dBm，输出功率17dBm， 增益27dB
11 2019/4/2
噪声~~
一般用噪声系数（Noise figure）来表示：
PASE NF (Gain 1) hvB
一般来讲，噪声系数定义为 NF＝SNRin/SNRout 平坦度（Gain flatness）：多信道应用中最大增 益波长的增益和最小增益波长的增益的差 Gain flatness＝Gainmax－Gainmin