第5讲光放大器

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2 非线性OFA
非线性OFA是利用光纤的非线性效应实现 对信号光放大的一种激光放大器。
当光纤中光功率密度达到一定阈值时，将 产生受激拉曼散射（SRS）或受激布里渊散射 （SBS），形成对信号光的相干放大。
非线性OFA可相应分为拉曼光纤放大器（ SRA）和布里渊光纤放大器（BRA）。目前研 制出的SRA尚未商用化。
第五讲
光放大器
主要内容
一、引言 二、光纤放大器的分类 ☆ 三、掺铒光纤放大器 ☆ 四、拉曼光纤放大器简介
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一、引言
目前研制的光放大器分为: 光纤放大器（OFA）和半导体光放大器
（SOA）两大类。 SOA早期因受噪声、偏振相关性等因素
的影响，性能达不到实用要求，但SOA结构简 单、适于批量生产、成本低、寿命长、功耗小， 还能与其它部件一块集成以及使用波长范围可 望覆盖EDFA和PDFA的应用窗口。因此，SOA是 进一步研究的重要器件之一。
由于掺铒光纤放大器的出现，使无中继 的光纤传输距离大大延长，使密集波分复用成 为可能，使复杂的光纤网络的构造成为可行， 也使光弧子技术 等先进光纤通信技术取得突 破性进展。
注： 铒(Er)是一种稀土元素(属于镧系元素),原 子序数是68，原子量是167.3 。 EDFA在 980nm泵浦时，是一个典型的三级能级系统， 在1480nm泵浦时，是一个准二级能级系统。
特点b使拉曼光纤放大器可以对光信号进行在线 放大，构成分布式放大，实现长距离的无中继传输和远 程泵浦，尤其适用于海底光缆通信等不方便设立中继器 的场合。而且因为放大是沿光纤分布而不是集中作用， 光纤中各处的信号光功率都比较小，从而可降低非线性 效应尤其是四波混频（FWM）效应的干扰。
特点c使其与常规EDFA混合使用时可大大降低 系统的噪声指数，增加传输跨距。
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传统再生中继器:光-电-光转换 全光放大器:光-光中继,实现光纤通信全光化
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传统再生中继器:光-电-光转换 全光放大器:光-光中继,实现光纤通信全光化 比较： 再生器 色散总清 单通路 调制比特率特定 光放大器 色散积累 多通路 调制比特率通透
优点：减少信号多次变换的失真 提高系统的可靠性和稳定性
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EDFA放大原理
E3
E2 E1
电 子
无辐射跃迁
吸 收 泵
跃 迁
浦
光
弱光
泵浦光
受 激 辐 射 跃 迁
强光
激发态 亚稳态
基态
简单讲，是由于在掺铒光纤中铒离子的外层电 子在泵浦光作用下呈现出粒子数反转分布状态，当 受到入射光照时，受激辐射，从而使光信号得到增 强。（注意无辐射跃迁的时间1us-10ms）
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三、掺铒光纤放大器—谱图
可见这种放大是由于泵浦光的能量转换为信号光的结 果。为提高放大器增益，应提高对泵浦光的吸收，使基态 Er3+尽可能跃迁到激发态，下图示出EDFA增益和吸收频 谱。
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三、掺铒光纤放大器—谱图
下图示出输出信号光功率和输入泵浦光功率 的关系，由图可见，泵浦光功率转换为信号光功 率的效率很高，达到 92.6％。当泵浦光功率为
由于EDFA尚存在诸多不足之处：首先是对于所利用 单模光纤低损耗区的巨大带宽资源而言，明显存在着工 作波段和带宽的局限性。其次是自发辐射噪声的影响， 尤其是当系统级联时，自发辐射噪声的影响会大大降低 系统接收机端的信噪比。
因此，拉曼光纤放大器逐渐引起人们的重视，但拉 曼光纤放大器距离真正商用化还有一段距离。
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ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ曼光纤放大器的类型：
拉曼光纤放大器有两种类型：
一种为集总式拉曼放大器：所用的光纤增益介质比 较短，一般在几公里，泵浦功率要求很高，一般在几到 十几瓦特，可产生40dB以上的高增益，象EDFA一样用 来对信号光进行集中放大，主要作为高增益、高功率放 大，可放大EDFA所无法放大的波段。
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反向泵浦21
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双向泵浦22
EDFA应用
光中继：
Transmitter
EDFA
光接收机前置放大器：
Transmitter
光发射机后置放大器：
Transmitter EDFA
EDFA
receiver
EDFA receiver receiver
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另一种为分步式拉曼放大器。所用的光纤比
较长，一般为几十公里，泵源功率可降低到几 百毫瓦，主要辅助EDFA用于DWDM通信系统 性能的提高，抑制非线性效应，提高信噪比。
在DWDM系统中，传输容量，尤其复用 波长数目的增加，使光纤中传输的光功率越来 越大，引起的非线性效应也越来越强，容易产 生信道串扰，使信号失真。采用分布式拉曼光 纤放大辅助传输可大大降低信号的入射功率， 同时保持适当的光信号信噪比（OSNR）。这 种分布式拉曼放大技术由于系统传输容量提升 的需要而得到快速的发展。
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拉曼光纤放大器的基本原理、特点和应用
拉曼光纤放大器的原理是基于光纤中的非线性效应： 受激拉曼散射（SRS）。拉曼现象早在1928年就被 Chandrasekhara Raman爵士所发现。目前对SRS效应 的研究已形成一套比较完整的理论体系。
在许多非线性光学介质中，高能量（波长较短）的 泵浦光散射，将一小部分入射功率转移到另一频率下移的 光束，频率下移量由介质的振动模式决定，此过程称为拉 曼效应。
拉曼光纤放大器有三个突出的特点： a、其增益波长由泵浦光波长决定，只要泵浦源的
波长适当，理论上可得到任意波长的信号放大； b、其增益介质为传输光纤本身； c、噪声系数低。
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特点a使拉曼光纤放大器可以放大EDFA所不能放大 的波段，使用多个泵浦源还可得到比EDFA宽得多的增 益带宽（后者由于能级跃迁机制所限，增益带宽只有 80nm），因此，对于开发光纤的整个低损耗区 1270nm-1670nm具有无可替代的作用。
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光纤放大器（Optical Fiber Ampler，简写OFA） 是指运用于光纤通信线路中，实现信号放大的一种 新型全光放大器。
根据它在光纤线路中的位置和作用，一般分为: 中继放大、前置放大和功率放大三种。
同传统的半导体激光放大器（SOA）相比较， OFA不需要经过光电-电光转换和信号再生等复杂 过程，可直接对信号进行全光放大，具有很好的“ 透明性”，特别适用于长途光通信的中继放大。可 以说，OFA为实现全光通信奠定了一项技术基础
60 mw时，吸收效率 [(信号输出光功率－信号
输入光功率)／泵浦光功率]为88％。
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三、掺铒光纤放大器—谱图
下图示出小信号条件下增益和泵浦光功率的关系 ，当泵浦光功率小于 6 mw时，增益线性增加，增 益系数为 6.3 dB／mw。
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正向泵浦 20
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三、掺铒光纤放大器—基本结构
EDFA: Erbium Doped Fiber Amplifier 基本结构：
泵浦
掺铒光纤
输入信号
输出信号
光隔离器
波分复用器
光隔离器
EDFA是由掺铒光纤、泵浦光源、波分复用器构成。
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三、掺铒光纤放大器
掺铒(Er3+)光纤中的电子能级 铒离子的电子能级如图： 由图可以看出，一些具有重要 意义的跃迁过程主要是： 铒离子的吸收和发射分别发生 在下列能级之间： 吸收过程：从基态4I15/2→
→ 4I9/2(对应 800nm波长) → 4I11/2(对应 980nm波长) → 4I13/2(对应 1480nm波长) 发射过程：从激发态4I13/2→ → 4I15/2(对应 1536nm波长)
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三、掺铒光纤放大器
掺铒(Er3+)光纤中的电子能级(续)
从右图可以看到， 在掺铒光纤(EDF)中， 铒离子(Er3+)有三个能级,其中 能级1代表基态，能量最低； 能级2是亚稳态，处于中间能级； 能级3代表激发态，能量最高。
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三、掺铒光纤放大器 —概况
掺铒光纤放大器（EDFA）是80年代后期发展起来的 新型光纤通信产品。它的研制成功，打破了光纤通信传输 距离受光纤损耗的限制，使全光通信距离延长至几千公里 ，给光纤通信带来了革命性的变化，被誉为光纤通信发展 的一个“里程碑”。
掺铒光纤放大器的工作光谱波段为1530nm至 1560nm，与光纤通信的1550nm这个窗口完全匹配。
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EDFA的优点
（4）频带宽，在 1550 nm窗口，频带宽度为 20～40 nm，可进行多信道传输，有利于增加传输容量。
所以“波分复用+光纤放大器”被认为是充分利 用光纤带宽增加传输容量最有效的方法。
1550 nm EDFA在各种光纤通信系统中得到广 泛应用，并取得了良好效果。
EDFA的优点
EDFA的主要优点有：
（1）工作波长正好落在光纤通信最佳波段（1500 ～1600 um）；其主体是一段光纤（EDF），与传 输光纤的耦合损耗很小，可达0.1dB。
（2）增益高，约为 30～40 dB；饱和输出光功率 大，约为 10～15 dBm；增益特性与光偏振状态无 关。
（3）噪声指数小，一般为4～7 dB(极限约为3dB) ；用于多信道传输时，隔离度大，无串扰，适用 于波分复用系统。