光放大器的种类和比较
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
掺铒光纤放大器和拉曼光纤放大器分析和比较
掺铒光纤放大器和拉曼光纤放大器分析和比较摘要：光放大器技术是新一代光纤通信系统中一项必不可少的关键技术，目前几种主要的光放大器技术在工程应用中各有所长。
此文介绍了光放大器技术的基本原理，并对现有主要几种光放大器技术在性能、应用和发展方向上进行了比较。
关键词：掺铒光纤放大器；光纤拉曼放大器0、综述20世纪90年代以来，Internet的普及发展和各种信息(如语音、图像、数据等)业务的快速增长，人们对现代通信系统提出了更高的要求。
在市场需求的大力推动下，通信技术取得了长足的进步，其中光纤通信技术脱颖而出，以其高速优质的特点，一跃成为当今长距离、大容量传输干线的主流技术。
但由于光纤损耗和非线性的影响，无中继传输距离成为制约系统容量和速率的瓶颈，而中继放大技术成了光通信领域的关键技术之一。
传输系统中的光纤损耗使信号随传输距离呈指数衰减，极大地限制了通信传输跨距和网络的可扩展性，因此必须在通信线路上设置中继器对信号进行再生放大。
在光放大器没有出现之前，光纤传输系统普遍采用光－电－光(OEO)的混合中继器，但这种中继方式存在“电子瓶颈”现象，在很大程度上限制了传输速率的提高，而且价格昂贵、结构复杂。
20世纪80年代出现的光放大器技术具有对光信号进行实时、在线、宽带、高增益、低噪声、低功耗以及波长、速率和调制方式透明的直接放大功能，是新一代光纤通信系统中不可缺少的关键技术。
此技术既解决了衰减对光网络传输距离的限制，又开创了1550nm波段的波分复用，从而将使超高速、超大容量、超长距离的波分复用(WDM)、密集波分复用(DWDM)、全光传输、光孤子传输等成为现实，是光纤通信发展史上的一个划时代的里程碑（1）。
又由于此技术与调制形式和比特率无关，因而在光纤通信系统中得到了广泛应用。
1、光放大器分类及原理光放大器(OA)一般由增益介质、泵浦光和输入输出耦合结构组成，其作用就是对复用后的光信号进行光放大，以延长无中继系统或无再生系统的光缆传输距离。
几种常见的光放大器的比较
对几类放大器的认识在DWDM系统中，特别是超远距离的传输中，由于不可避免的存在光纤信号功率的损失和衰减，所以补偿是必要的。
现在常用的放大器有掺铒光纤放大器（EDFA）,拉曼放大器（FRA），半导体激光放大器（SOA），光纤参量放大器（OPA）。
现就这几类放大器的工作原理和特殊情况做一下说明。
1）掺铒光纤放大器（EDFA）EDFA（Erbiur Doped Fiber Amplifer）是光纤放大器中具有代表性的一种。
由于EDFA 工作波长为1550nm，与光纤的低损耗波段一致且其技术已比较成熟，所以得到广泛应用。
掺铒光纤是EDFA的核心原件，它以石英光纤作基质材料，并在其纤芯中掺入一定比例的稀土原素铒离子（Er3+）。
当一定的泵浦光注入到掺铒光纤中时，Er3+从低能级被激发到高能级，由于Er3+在高能级上寿命很短，很快以非辐射跃迁形式到较高能级上，并在该能级和低能级间形成粒子数反转分布。
由于这两个能级之间的能量差正好等于1550nm光子的能量，所以只能发生1550nm光的受激辐射，也只能放大1550nm的光信号。
EDFA的组成：工作原理图：那么，EDFA的输出公路车是如何控制的呢？一般来说,EDFA的输出功率与输入信号光强度，铒纤的长度以及泵浦光的强度。
在EDFA使用的过程中，一般要控制好EDFA的平坦增益，那么不平坦的增益和平坦增益有什么区别呢？平坦的输出增益会使EDFA放大的输出功率得到一个稳定的信号增益。
如何控制增益？增益的控制室有2种选择的，一种是掺金属元素，另外一种是GFF定制，所谓的掺金属元素是值得是掺杂金属铝元素。
有上图可以知道，掺铝的金属元素的EDFA在增益的控制上明显要比不掺铝的EDFA平坦的多。
需要注意的是：EDFA在放大信号的同时也放大了噪声，而噪声主要来自EDFA的自身受激辐射，是主要的噪声源，也是系统OSNR劣化的主要原因。
放大器产生的自发辐射噪声功率为：PASE = -58 + NF + G （dBm）其中NF为光放大器噪声系数（dB）、G为光放大器的增益（dB）除了放大功率之外，还有几个量也是EDFA中比较重要的，了解他们，有助于在EDFA 故障中的维护定位：作电流：也称作偏置电流，其决定着放大板的输出光功率。
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。
半导体光放大器(SOA)
半导体光放大器(ＳOA)SOA的放大原理与半导体激光器的工作原理相同，也是利用能级间受激跃迁而出现粒子数反转的现象进行光放大。
ＳOA有两种：一种是将通常的半导体激光器当作光放大器使用，称作F—P半导体激光放大器（FＰA);另一种是在F—Ｐ激光器的两个端面上涂有抗反射膜，消除两端的反射,以获得宽频带、高输出、低噪声。
早在半导体激光器出现时,就开始了对SOA的研究,但由于初期的半导体材料激光放大器偏振灵敏度较高，使得SOA一度沉寂。
但近几年来应变量子阱材料的研制成功，克服了偏振敏感的缺点，性能也有许多改进。
半导体光放大器的增益可以达到30ｄB以上,而且在13１0n ｍ窗口和１5５0nm窗口上都能使用。
如能使其增益在相应使用波长范围保持平坦，那么它不仅可以作为光放大的一种有益的选择方案,还可促成l31０nm窗口WDM系统的实现。
S ＯＡ的优点是：结构简单、体积小，可充分利用现有的半导体激光器技术,制作工艺成熟，成本低、寿命长、功耗小,且便于与其他光器件进行集成。
另外，其工作波段可覆盖ｌ.３～１.6/μm波段，这是EDFA或PDＦＡ所无法实现的。
但最大的弱点是与光纤的耦合损耗太大,噪声及串扰较大且易受环境温度影响，因此稳定性较差。
ＳOＡ除了可用于光放大外,还可以作为光开关和波长变换器。
ﻫ2．拉曼光纤放大器拉曼放大技术是采用受激拉曼散射(SＲS)这种非线性效应来进行放大的。
石英光纤具有很宽的受激拉曼散射增益谱，并在13ＴHz 附近有一较宽的主峰。
如果一个弱信号与一强泵浦光波同时在光纤中传输，并使弱信号波长置于泵浦光的拉曼增益带宽内,弱信号光即可得到放大,这种基于受激拉曼散射机制的光放大器即称为拉曼光纤放大器。
ﻫ(1)拉曼光纤放大器的类型拉曼光纤放大器有两种类型:一种是集总式拉曼光纤放大器;另一种是分布式拉曼放大器。
集总式拉曼光纤放大器所用的光纤增益介质比较短,一般在几km,泵浦功率要求很高,一般为几W左右，可产生40ｄB以上的高增益，可作为功率放大器，放大EDＦA所无法放大的波段。
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
各种放大器及它们的特点
各种放大器及它们的特点1.通用型集成运算放大器通用型集成运算放大器是指它的技术参数比较适中，可满足大多数情况下的使用要求。
通用型集成运算放大器又分为Ⅰ型、Ⅱ型和Ⅲ型，其中Ⅰ型属低增益运算放大器，Ⅱ型属中增益运算放大器，Ⅲ型为高增益运算放大器。
Ⅰ型和Ⅱ型基本上是早期的产品，其输入失调电压在2mV左右，开环增益一般大于80dB。
2.高精度集成运算放大器高精度集成运算放大器是指那些失调电压小，温度漂移非常小，以及增益、共模抑制比非常高的运算放大器。
这类运算放大器的噪声也比较小。
其中单片高精度集成运算放大器的失调电压可小到几微伏，温度漂移小到几十微伏每摄氏度。
3.高速型集成运算放大器高速型集成运算放大器的输出电压转换速率很大，有的可达2~3kV/μS。
4.高输入阻抗集成运算放大器高输入阻抗集成运算放大器的输入阻抗十分大，输入电流非常小。
这类运算放大器的输入级往往采用MOS管。
5.低功耗集成运算放大器低功耗集成运算放大器工作时的电流非常小，电源电压也很低，整个运算放大器的功耗仅为几十微瓦。
这类集成运算放大器多用于便携式电子产品中。
6.宽频带集成运算放大器宽频带集成运算放大器的频带很宽，其单位增益带宽可达千兆赫以上，往往用于宽频带放大电路中。
7.高压型集成运算放大器一般集成运算放大器的供电电压在15V以下，而高压型集成运算放大器的供电电压可达数十伏。
8.功率型集成运算放大器功率型集成运算放大器的输出级，可向负载提供比较大的功率输出。
9.光纤放大器光纤放大器不但可对光信号进行直接放大，同时还具有实时、高增益、宽带、在线、低噪声、低损耗的全光放大功能，是新一代光纤通信系统中必不可少的关键器件；由于这项技术不仅解决了衰减对光网络传输速率与距离的限制，更重要的是它开创了1550nm频段的波分复用，从而将使超高速、超大容量、超长距离的波分复用（WDM）、密集波分复用（DWDM）、全光传输、光孤子传输等成为现实，是光纤通信发展史上的一个划时代的里程碑。
EDFA介绍
• 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！
信 号 光 耦 合 器 光隔 离器 光隔 离器 光滤 波器 输 出 光
掺铒 光纤 泵 浦 光摘自图片掺铒光纤(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。
ＥＤＦＡ的缺点
������ 掺铒光纤放大器的主要优点 • 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) 增益带宽不平坦：EDFA的增益带宽很宽，但EFDA本身的增益谱不 平坦。在WDM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
光隔离器(ISO)（一）
• 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。
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半导体放大器 光纤放大器
非线性光放大器 EDFA
要点
２、EDFA的结构与分类
泵浦光源 掺铒光纤 光隔离器 波分复用器 光滤波器
同向泵浦结构ＥＤＦＡ 反向泵浦结构ＥＤＦＡ 双向泵浦结构ＥＤＦＡ
要点
３、EDFA的工作原理
在泵浦光的照射下，掺铒光纤处于粒子数反转 的状态，接收到光子后产生受激辐射，实现了 对光的放大。
光纤网的关键器件。
4.3 系统接收机预放
•
如果用光滤波器，EDFA的低噪声将极大改善直接检测式接收机灵敏
度，可改善约10dB，接近或超过相干光接收机的最好水平。
96亿美圆
7.5亿美圆 2亿美圆
EDFA
FRA SOA
美国CIBC worrld market公司对2004年光放大器市场预测
要点
１、光放大器的分类
1.3.1 掺铒光纤放大器原理图
泵浦光
掺铒光纤
耦合器 输入信号 980/1550nm WDM
光隔离器 输出信号
1.3.2 EDFA
• EDFA工作在波长1550nm，与光纤的低损耗波段一致，是最具吸引力的和最成 熟的光纤放大器。
• EDFA优点：
EDFA优点
• 1. • 2. • 3. • 4. • 5.
2 EDFA的结构和部件
• 一台实用的EDFA由光路和辅助电路组成。 • 光路部分：
掺铒光纤、泵浦光源、合波器、光隔离器、光滤波器等；
• 辅助电路： 电源、微处理自动控制和告警及保护电路
2.1 EDFA的泵浦源和泵浦方式
• EDFA的另一核心是泵浦源，它为信号放大提供足够的能量，使物质达到粒子 数反转分布的必要条件。
O/E
E/O
缺点：1、设备复杂。 2、稳定性可靠性不够。 3、不利于波分复用。 4、光电转换限制通信的容量。
未来全光网络（AON）的发展趋势：光复用、光交换、光 路由，所以必须在光传输上实现全光化。
光放大器：直接在光域进行放大。
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。
4.1 发射机末级光功率放大器
• 可直接接在激光二极管后，将信号放大到10dBm上，而不恶化信号。 • 图示：
4.2 系统线路放大器
• 直接接入光传输链路线路中，作为在线放大器，或光中继器取代光-电-光中 继器，实现光-光放大。
• 结构如图示 • 这种线路放大器是全光通信系统和全光网络的关键器件，也是长距离和CATV
Erbium-doped fiber amplifier (EDFA)
0.2 放大器的形式
• 利用光纤非线性效应制作的常规光纤放大器，如：喇曼放大器； • 利用半导体制作的半导体放大器； • 利用稀土掺杂的光纤放大器
0.3 几种类型放大器的比较
0.4
常用光放大器及其工作波段
1、半导体放大器（SOA） 2、光纤拉曼放大器（FRA） 3、掺铒光纤放大器（EDFA） 4、掺镨光纤放大器（PDFA）
损耗
1310nm
1550nm
波长
PDFA
EDFA
SOA
FRA
1.1 常规光纤放大器
• 所谓常规光纤放大器：用传输光纤制作的放大器，这种光纤放大器是利用光 纤的非线性光学效应产生增益机制从而对光信号放大。
• 特点：传输线路和放大线路同为一体 (都是光纤）
不足：单位长度的增益系数很低，需要很高的泵浦功率，不利于在高速大容 量光纤通信系统中使用。
EDFA的三种结构方式3、双向泵源自方式合波器光隔离器
泵浦光源
光隔离器
光滤 波器
泵浦光源
3 EDFA工作原理
• 在泵浦光的照射下，掺铒光纤处于粒子数反转的状态，接收到光子后产生受 激辐射，实现了对光的放大。
4 EDFA在光纤通信中的应用形式
• EDFA主要有三种应用方式： • 发射机末级光功率放大； • 线路（在线）放大器； • 接收机预放。
第八讲
光放大器
2004.10.26
λ１
光发送
λ
O 光发送２ M
U
λX
光发送Ν
后置放大
DWDM工作原理
λ１，λλ２……λΝ
２
OA
λ２
λ１
光接收
O λ２
D
光接收
M
U X
λΝ
光接收
DWDM光纤传输系统
前置放大
内容提要
• １、光放大器的形式（分类） • ２、EDFA的结构与部件 • ３、EDFA的工作原理 • ４、EDFA在光纤通信中的应用形式
0.1 序
• 光放大器的出现，可视为光纤通信发展史上的重要的里程碑。 • 在光纤放大器出现之前，光纤通信的中继器无一例外的采用光/电/光变换的
方式，导致通信系统的复杂化，进而系统效率降低 • 因此人们一直致力于全光型中继器的研制，出现了很多种光放大器。
0.1 传统放大技术的缺陷
放大 整形 判决再生
四、缺点： 1、与光纤耦合困难。 2、对光的偏振特性敏感。 3、 噪声及串扰大。
1.3 稀土掺杂光纤放大器
• 利用光纤中稀土掺杂物质引起的增益机制实现光放大。
• 典型代表:
• 工作波长为：
•
1550nm的铒[Er]掺杂光纤放大器EDFA
•
1300nm的镨[Pr]掺杂光纤放大器PDFA
•
1400nm的铥[ T ]掺杂光纤放大器TDFA
• 1.已经商用化的是EDFA，其大量用于通信系统；
• 2.PDFA的放大波段在1300nm与G-652光纤的零点色散相吻合，在已建立的 1.3um通信系统中有着巨大的应用市场；但因掺镨光纤的机械强度和与普通 光纤熔接困难等因素，目前尚未获得广泛商业应用。
• 3.工作在1.4um的掺铥光纤放大器（TDFA）为传输开辟了新的波长段资源， 它和EDFA组合可以实现超宽带合波传输。
• 泵浦源直接决定EDFA的性能，所以要求泵浦工作必须稳定可靠、寿命长；
2.2 EDFA的三种结构方式
１、 同向泵浦方式
合波器
光隔离器
泵浦光源
优点：噪声小 缺点： 输出光功率不大
光隔离器
滤波器
EDFA的三种结构方式
２、反向泵浦方式
合波器
光隔离器
优点：输出光功率大 缺点：噪声大
光隔离器
光滤波 器
泵浦光源
常规光纤放大器原理图
耦合 器件
光输入 信号
激活物质
泵浦 源
耦合 器件
放大光 信号
1.2 半导体光放大器
一、工作原理：
在电泵浦源的作用下，半导体材料发生粒子数反转，当遇到 外来光子激励时，产生受激辐射，对光的能量进行放大 。
二、放大波段：
1300nm-1600nm
三、 优点： 1、 覆盖1310nm和1550nm 的窗口范围。 2、充分利用激光器技术，工艺成熟，便于集成。