光放大器和光中继器

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EDFA掺铒光纤放大器EDFA

SNR F SNR in
Байду номын сангаас
2nsp
G 1 G
2nsp
2
out
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
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
dP gP dz
•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）
A
g
ln 2 g0L ln
2
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
Ps out
G0 ln 2 G0 2
Ps
•最大输出功率
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：
二、EDFA的工作原理
•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：

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

光放大器与波分复用技术

6.1.3 光放大器的性能－增益饱和小信号增益：
当P / Ps <<1，或 P << Ps ，称为小信号增益。（ Ps 为饱和功率）
当P增大至可与Ps 相比拟时，G(ω)降低， g(ω)也降低。饱和输出功率：
定义放大器增益降至最大小信号增益一半时的输出功率为饱和输出功率。
6.1.3 光放大器的性能－增益饱和
掺稀土光纤放大器半导体光放大器光纤(喇曼)放大器
粒子数反转粒子数反转
光
数米到数十米电 100μ m~1 mm 数千米
好
容易
无
好
差
很难
大
差
光学非光线性(喇曼)效应
好
容易
大
好
6.1.3 光放大器的性能
光放大器的功能：提供光信号增益，以补偿光信号在通路中的传输衰减，增大系统的无中继传输距离。光放大器原理：在泵浦能量作用下实现粒子数反转，然后通过受激辐射实现对入射光信号的放大光放大器是基于受激辐射或受激散射原理实现入射光信号放大的一种器件，其机制与激光器完全相同。实际上，光放大器在结构上是一个没有反馈或反馈较小的激光器。
光纤喇曼放大器（FRA）泵浦光与信号光可同向或反向传输，增益带宽约为 6THz。光纤布里渊放大器（FBA）泵浦光与信号光只能反向传输，增益带宽相当窄，为30~100MHz。
6.1.2 光放大器的种类
掺杂光纤放大器
利用掺杂离子在泵浦光作用下形成粒子数反转分布，当有入射光信号通过时实现对入射光信号的放大作用。优点：掺铒与掺镨光纤放大器具有增益高、噪声低、频带宽、输出功率高等优点，具有广泛的应用前景。

光放大器原理分类及特点

1 光放大器概述
1.1定义
利用某种具有增益的激活介质对注入其中的微弱光信号进行放大，使其获得足够的光增益，变为较强的光信号，从而实现对光信号的直接光放大。
输入光信号
光放大器
被放大的光信号
1.2工作原理
光放大器是基于受激辐射机理来实现入射光功率放大的。
(2) 受激辐射 (1) 能量注入
1.3光放大器的重要指标-增益
解：入射功率0dBm，即为1mw。
功率放大器增益表达式为：
P GE 10 lg s,out
Ps,in
dB
可求出EDFA的输出光信号功率为:
GE
20
Ps,out Ps,in 10 10 1mW 1010 100mW
由
GE
PS ,out PS ,in
1 P S
PP,i,n得到泵浦输入功率应满足
LD中受激辐射产生于p-n结半导体材料中的有源区，其中粒子数反转分布是在有源区导带和价带能级之间直接实现的。所谓有源区，是指加上适当正向电压后，p-n结交界面附近具有粒子数反转分布状态的窄区域。
2.3 EDFA结构和特性-结构
掺铒光纤(EDF)和高功率泵浦光源是关键器件； EDF的增益取决于Er3+的浓度、光纤长度和直径以及泵浦光功率等多种因素，通常由实验获得最佳增益。对泵浦光源（波长通常为980 nm或1480 nm）的基本要求是大功率和长寿命。现在的研究表明波长为980 nm的泵浦效率最高，且噪声较低，是未来发展的方向。波分复用器(WDM)把泵浦光与信号光耦合；基本要求：采用插入损耗小，熔拉双锥光纤耦合器型波分复用器光。隔离器置于两端防止光反射；保证系统稳定工作和减小光噪滤声波。器是滤除放大器噪声，提高系统的信噪比。

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

光收发设备概述

44
1．半导体激光器（LD）的结构和工作原理
• 半导体的能带分布。 ① 本征半导体的能带分布。 ② P型半导体和N型半导体的形成。 ③ 在重掺杂情况下，N型半导体和P型半导体的能
带分布。 ④ P-N结外加正偏压后的能带分布以及激光的产
生。
45
1．半导体激光器（LD）的结构和工作原理
• 图3-14 N型半导体和P型半导体重掺杂能带图
3．光和物质的相互作用
（2）受激吸收 • 物质在外来光子的激发下，低能级上的电子吸收了外
来光子的能量，而跃迁到高能级上，这个过程叫做受激吸收。 • 受激吸收的特点如下。 ① 这个过程必须在外来光子的激发下才会产生，因此是受激跃迁。 ② 外来光子的能量要等于电子跃迁的能级之差。 ③ 受激跃迁的过程不是放出能量，而是消耗外来光能。
52
2．半导体激光器的工作特性
• 图3-18 激光器输出特性曲线
53
2．半导体激光器的工作特性
（2）光谱特性 • 半导体激光器的光谱随着激励电流的变化而变
化。 • 激光器产生的激光有多模和单模。
54
2．半导体激光器的工作特性
• 图3-20 GaAlAs/GaAs激光器的典型输出光谱
56
2．半导体激光器的工作特性
3
3.0.1 光发送机
光发送机作用：是把从电端机送来的电信号转变成光信号，并送入光纤线路进行传输。对光发送机的要求：
（1）有合适的输出光功率光发送机的输出光功率，是指耦合进光纤的功率，
亦称入纤功率。光源应有合适的光功率输出，一般为 0.01mW～5mW。
4
（2）有较好的消光比消光比的定义为全“1”码平均发送光功率与全“0”
12
3.1 半导体光器件

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

光纤通信技术

光的全反射与光纤的导光原理
光的全反射
当光线从一种介质射入另一种介质时，如果入射角大于某一临界角，光波将在第二种介质表面发生全反射，即所有的光线都将被反射回第一种介质，而不会进入第二种介质。全反射是光纤导光的物理基础。
光纤的导光原理
光线在光纤中传播时，由于光的全反射作用，光波被限制在光纤的纤芯中传播，从而实现光的定向传输。光纤的导光原理是光纤通信中的核心技术之一。
光子集成电路与光子晶体光纤
总结词
光子集成电路和光子晶体光纤是光纤通信技术的两个重要发展方向。
详细描述
光子集成电路是一种集成了多种光器件的光子回路，具有高度集成、低能耗、高速传输等优点。而光子晶体光纤则是一种新型的光纤结构，具有高非线性、高色散等特性，为光通信带来了新的可能性。
光纤网络的可靠性、稳定性与安全性
光检测器与光接收机
光检测器
光检测器是光纤通信系统的接收端，用于将光信号转换为电信号。常用的光检测器有光电二极管和雪崩光电二极管。
光接收机
光接收机是将光信号转换为电信号的设备，它包括光检测器、信号处理电路和放大器等。
光纤与光缆
光纤
光纤是光纤通信系统的传输介质，用于传输光信号。光纤由纤芯和包层组成，纤芯负责传输光信号，包层则起到保护和折射的作用。
物联网与智能交通
实时数据传输
光纤通信技术能够为智能交通系统提供实时、可靠的数据传输服务，支持交通流量的监控和调度。
车辆安全与控制
光纤通信技术可以用于实现车辆之间的信息交互，提高车辆行驶的安全性和控制精度。
智能停车系统
光纤通信技术可以支持智能停车系统的建设，实现车位信息的实时更新和车辆快速定位。
光纤通信技术的发展历程

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第 6章
光放大器和光中继器
在E2上，离子除了发生受激辐射外，还有少数
离子要产生自发辐射，即在上短暂停留还没有机
会与光子相互作用，就会自发地从亚稳态跃迁到
基态并发射出1550nm波段的光子，这种光子与信
号光不同，它是随机的，它构成了EDFA的噪声，
由于这种自发辐射的光子在掺铒光纤中传输，同
样也会得到放大，因此，在EDFA的输入光功率较低时，会产生较大的噪声。
3°双向泵浦结构同时具备1°和2°的泵浦光源（如图6.3）。
从输出功率看：单泵浦的输出功率可达14 dBm，
双泵浦达17 dBm。
第 6章
光放大器和光中继器
§6-3 EDFA的工作原理在§3-2节，我们讨论了半导体激光器的工作原理，
它是在泵浦源（能使工作物质产生粒子数反转分布的
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
5. 泵浦源(P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
二、作用光耦合器：是将输入光信号和泵浦光源输出的光波混合起来，它是无源光器件，一般采用波分复用器（WDM）光隔离器：是防止反射光影响光放大器的工作稳定性，保证光信号只能正向传输的器件。掺铒光纤：是一段长度大约为10～100m的石英光纤，将稀土元素铒离子注入到纤芯中，浓度约为25mg/kg。泵浦光源：为半导体激光器，输出功率约为10～100mw（几十mw），工作波长为0.98μm。光滤波器：其作用是滤除光放大器的噪声，降低噪声对系统的影响，提高系统的信噪比。
第 6章
光放大器和光中继器
全光通信网
第六章光放大器和光中继器
第 6章
光放大器和光中继器
EDFA（掺铒光纤放大器）
EDFA是英文“Erbium-doped Optical Fiber Amplifier”的缩写,意即掺铒光纤放大器,是一种对信号光放大的一种有源光M系统中应用时必须采取特殊的技术使其增益平坦。
3) 光浪涌问题：采用EDFA可使输入光功率迅速增大，但由于EDFA的动态增益变化较慢，在输入信号能量跳变的瞬间，将产生光浪涌，即输出
光功率出现尖峰，尤其是当EDFA级联时，光浪涌现象更为明显。峰
值光功率可以达到几瓦，有可能造成O/E变换器和光连接器端面的损坏
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
第 6章
光放大器和光中继器
5) 增益特性稳定：EDFA对温度不敏感，增益与偏振相关
性小。
6)可实现透明传输：所谓透明，是指可同时传输模拟和数字信号，高、低比特率信号，系统扩容时，可改动端机面不改动线路。 7）连接损耗低，因为是光纤型放大器，所以与光纤连续
比较容易，连接损耗可低到0.1dB。
第 6章
光放大器和光中继器
3、ＥＤＦＡ的缺点
1) 增益波长范围固定：Er离子的能级之间的能级差决定了EDFA的工作波长范围是固定的，只能在1550nm窗口。这也是掺稀土离子光纤放大器的局限性，又例如，掺镨光纤放大器只能工作在1310nm窗口。 2) 2) 增益带宽不平坦：EDFA的增益带宽很宽，但EFDA本身的增益谱不
3) 能量转换效率高。掺铒光纤EDF的纤芯比传输光纤小，信号光和泵浦光
同时在掺铒光纤EDF 中传播，光能量非常集中。这使得光与增益介质
Er离子的作用非常充分，加之适当长度的掺铒光纤，因而光能量的转换效率高。激励的泵浦功率低，仅需几十mW。
4) 增益高、噪声指数较低、输出功率大，信道间串扰很低。
它的增益可达40dB。噪声可低至3～4 dB，输出功率可达14～20 dBm。
光放大器和光中继器
由前叙光纤的传输特性可知，影响光纤通信距离的两
大因素是光纤的损耗和色散。
光纤的损耗是指：光脉冲信号在光纤中传输，随着距离的增加，脉冲幅度逐渐变小。光纤的色散是指：光脉冲信号在光纤中传输，随着传输距离的增加，脉冲宽度在时间上发生展宽，产生波形的畸
变。
为了保证光纤长距离传输的性能指标，就需在线路的适
由图6.1可见，EDFA的主体部件是泵浦光源和掺铒光纤。
第 6章
光放大器和光中继器
掺铒光纤(EDF)（一）
EDF 是放大器的主体，纤芯中掺有铒元素（Er）。掺有Er3+的石英光纤具有激光增益特性，铒光纤的光谱性
质主要由铒离子和光纤基质决定，铒离子起主导作用，
掺Er3+浓度及在纤芯中的分布等对EDFA 的特性有很大影响。
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。
第 6章
光放大器和光中继器
由图6.4可见，铒离子有三个工作能级。 E1：最低，称为基态 E2：亚稳定 E3：最高，称为激发态在未受任何光的情况下，处在最低能级E1上，当用泵浦光源的激光不断地激发掺铒光纤时，处于基态的离子获得了能量，就会向高能级跃迁。
当距离设立中继站，一种是光/电/光转换形式,另一种是直接
对光进行放大的光放大器.
第 6章
光放大器和光中继器
光放大器意义
我们知道光纤有一定的衰耗，光信号沿光纤传播将会
衰减，传输距离受衰减的制约。因此，为了使信号传得更远，我们必须增强光信号。传统的增强光信号的方法是使用再生器。但是，这种方法存在许多缺点，首先，再生器只能工作在确定的信号比特率和信号格式下，不同的比特率和信号格式需要不同的再生器；其次，每一个信道需要一个再生器，网络的成本很高。随着光通信技术的发展，现在人们已经有了一种不采用再生器也可以增强光中继器
有了光放大器后就可直接实现光信号放大
，而不要像以前一样进行Ｏ/Ｅ/Ｏ转换。光放大
器的开发成功及其产业化是光纤通信技术中
的光放大器一个非常重要的成果，它大大地促
进了光复用技术、光孤子通信以及全光网络的
发展。
第 6章
光放大器和光中继器
§6-1光放大器的分类
光放大器主要有2种：
第 6章
光放大器和光中继器
光隔离器(ISO)
光隔离器是一种单向光传输器件，对EDFA 工作稳定性至关重要。通常光反射会干扰器件的正常输出，产生诸如强度涨落、频率漂移和噪声增加等不利影响。提高EDFA 稳定性的最有效的方法是进行
光隔离。在输入端加光隔离器消除因放大的自发辐射反向传播可能
引起的干扰，输出端保护器件免受来自下段可能的逆向反射。同时输入和输出端插入光隔离器也为了防止连接点上反射引起激光振荡，抑制光路中的反射光返回光源侧，从而既保护了光源又使系统工作稳定。要求隔离度在40dB 以上，插入损耗低，与偏振无关。
图片《 EDFA 原理及特性专题》
第 6章
光放大器和光中继器
泵浦源(PumPing Supply) 11*
泵浦源为信号放大提供能量，即实现粒子数反转分布。根据掺铒光纤(EDF)的吸收光谱特性，可以采用不同波长的激光器作为泵源，如：Ar2+激光器（514nm）、倍频YAG（532 nm）、染
料激光（665nm）及半导体激光器（807nm、980nm、1480nm）。但由于在807 nm 及小于807 nm 波长处存在强烈的激发态吸收（ ESA），泵浦效率较低。若用665nm、514nm 的染料和Ar+激光器泵浦得到25dB以上的增益，需要的入纤泵浦功率大于100mw，且 Ar+激光器体积大难以实用化。目前980 nm 和1480 nm 的LD 已商品化，不存在激发态吸收，泵浦效率较高，所以一般采用980nm 和1480nm 的半导体激光器作泵源。
为了在放大带宽内的增益平坦，在EDF 中掺入适量
的铝元素，使铒离子在EDF 中分布更均匀，从而获得平坦的宽带增益谱。
第 6章
光放大器和光中继器
掺铒光纤(EDF)（二）
三能级系统：
激发态亚稳态
泵浦光： 980 nm
信号光 1550 nm
受激放大光 1550 nm
基态
基态
第 6章
光放大器和光中继器
光耦合器(WDM)
光耦合器有合波信号光与泵浦光的作用，也称光合
波器和波分复用器。是EDFA必不可少的组成部分，它将
绝大多数的信号光与泵浦光合路于EDF 中。主要有两种形式：980nm/1550nm 或1480nm/1550nm，一般为光纤熔
锥型。要求在上述波长附近插入损耗都小，耦合效率高
，耦合频带具有一定的宽度且耦合效率平坦，对偏振不敏感稳定性好！
第 6章
光放大器和光中继器
能量 E3 980 nm 非輻射衰減 E2
1460 nm 1540 nm
激發態受激吸收
(sp1s)
自發輻射
受激輻射
亞穩態 (sp10ms)
激勵光 E1
e-
輸出放大光 (1530-1570 nm) 基態
第 6章
光放大器和光中继器
如果由E1跃迁E3到。由于粒子在E3这个高能级上是不稳定，它将迅速以无辐射过程落到亚稳态上E2，在该能级上，粒子相对来讲有较长的存活寿命，由于泵浦光源不断地激发，则E2能级上的粒子就不断地增加，而E1上的粒子数就少，这样，在这段掺铒光纤中，就实现了离子数反转分布，就存在了实现光放大的条件。当输入光信号的光子能量E＝hf，正好等于（E2 － E1）能级差时，则亚稳态E2上的粒子将以受激辐射的形式跃迁到基态E1上，并辐射出和输入光信号中的光子一样的全同光子。从而大大增加了光子数量，使得输入信号光在掺铒光纤（EDF）中变为一个强的输出光信号，实现了光的直接放大。