光放大器基本介绍
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
4-光放大器和光纤激光器课件
光放大器的发展最早可追溯到1923年A·斯梅尔卡 预示的自发喇曼散射，而后，科学家在半个世纪的时 间里做了大量研究。1987年英国南安普敦大学和美国A T&T 贝尔实验室报道了离子态的稀土元素铒在光纤中 可以提供1.55µm波长处的光增益，这标志着掺铒光纤 放大器（EDFA）的研究取得突破性进展。1989年现 安捷伦科技有限公司制成首件半导体光放大器（Semiconductor Optical Amplifier，SOA）产品。
光放大器是可将光纤线路上微弱的光信号 直接放大的器件，它的出现免去了光在放大时 必须经过的光/电/光转换，使光纤通信技术产 生了质的飞跃。
8
光放大器是基于受激辐射或受激散射的原 理来实现对微弱入射光进行放大的，其机制与 激光器类似。当光介质在泵浦电流或泵浦光作 用下产生粒子数反转时就获得了光增益。
15
目前在线路中使用的光放大技术主要是采用E DFA，EDFA 属于掺杂稀有元素的光纤放大器家 族中的一种，此外其他可能的掺杂元素还包括钕 （通常用于高功率的激光器）和镱（它们通常和 铒一起混合用）等元素。目前已经商品化并获得 大量应用的是EDFA。
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拉曼放大器（FRA）
FRA的工作原理是基于受激拉曼散射（SRS）的 非线性效应，在光纤中光功率较高时就会产生受激 拉曼散射。FRA利用强的光源对光纤进行激发，使 光纤产生非线性效应，在受激发的一段光纤的传输 过程中得到放大。它的主要缺点是需要大功率的半 导体激光器做泵浦源（约0.5-1w），因而其实用化 受到了一定的限制。
脉冲整形
电信号
光信号
电光转换
6
光/电/光中继器需要光接收机和光发送机来分 别完成光电变换和电光变换，其设备复杂，维护 不便，速度慢。随着光纤通信的速率不断提高， 这种光电光中继器的成本也随之提高，使得光纤 通信系统的成本增加，性价比下降。
简述光放大器的分类
简述光放大器的分类光放大器是一种能将输入的光信号放大的器件，常用于光通信、光传感和光储存等领域。
根据工作原理和材料特性的不同，光放大器可以分为几类。
一、掺铒光纤放大器掺铒光纤放大器（Erbium-Doped Fiber Amplifier，简称EDFA）是一种广泛应用于光通信系统的光放大器。
它是利用掺铒光纤中的铒离子实现光信号的放大。
当外界光信号通过掺铒光纤时，铒离子会吸收光信号的能量并将其转化为铒离子的激发态能级。
然后，光信号经过受激辐射的过程，产生与输入信号频率相同的放大信号。
掺铒光纤放大器具有较宽的放大带宽和较高的增益，适用于长距离、高速、大容量的光通信系统。
二、掺铒光纤拉曼放大器掺铒光纤拉曼放大器（Erbium-Doped Fiber Raman Amplifier，简称EDFRA）是一种利用拉曼散射效应实现光信号放大的器件。
它通过将输入的光信号与掺铒光纤中的光子相互作用，产生拉曼散射效应，从而实现光信号的放大。
掺铒光纤拉曼放大器具有宽波长范围和较低的噪声指数，适用于光通信系统中的波分复用和波分多址技术。
三、掺铥光纤放大器掺铥光纤放大器（Thulium-Doped Fiber Amplifier，简称TDFA）是一种利用掺铥光纤中的铥离子实现光信号放大的器件。
掺铥光纤放大器工作于1.45μm至1.6μm波长范围，适用于光通信系统的长距离传输和中远距离无线信号传输。
四、掺镱光纤放大器掺镱光纤放大器（Ytterbium-Doped Fiber Amplifier，简称YDFA）是一种利用掺镱光纤中的镱离子实现光信号放大的器件。
掺镱光纤放大器工作于1μm波长范围，具有高增益、高饱和输出功率和高效率的特点，适用于光通信系统中的光纤放大和激光器的增益模式锁定。
五、半导体光放大器半导体光放大器（Semiconductor Optical Amplifier，简称SOA）是一种利用半导体材料中的激子效应实现光信号放大的器件。
简述光放大器的原理
简述光放大器的原理光放大器是一种利用光泵浦作用使光信号得以放大的装置。
它广泛应用于光通信、光谱分析、激光器和光纤传送等领域。
光放大器的原理基于光的受激辐射效应，即在一定条件下，入射光激发光介质中的原子或分子跃迁到一个能级，使原子或分子在相同能级上达到较高的能量状态，该状态即激发态。
在激发态上，原子或分子可以吸收入射光的能量，并在短时间内再次跃迁到低能量能级，从而辐射出与入射光相同频率的辐射光子，这个过程称为受激辐射。
光放大器通过激发光介质中的原子或分子，利用受激辐射效应来放大入射光信号。
光放大器主要分为固体光放大器、液体光放大器和气体光放大器。
固体光放大器是最常见的光放大器之一，它主要由激光晶体、激光二极管光泵浦装置以及光学系统等组成。
当激光二极管通过外加电流激发时，产生的激光通过光学系统聚焦到激光晶体上，激光晶体被激发形成激发态。
入射光信号通过光学系统聚焦到激光晶体上，与激发态的原子或分子发生受激辐射作用，从而放大入射光信号。
液体光放大器通过在容器中溶解具有放大特性的物质，利用物质吸收和辐射光的特性来实现信号放大。
液体光放大器通常由光泵浦源、光纤耦合系统和光放大器介质等组成。
光泵浦源产生光，光纤耦合系统将光导入光放大器介质中。
光放大器介质中的放大物质吸收入射光的能量，在短时间内辐射出与入射光相同频率的辐射光子，从而实现入射光信号的放大。
气体光放大器是利用气体中的原子或分子进行信号放大的装置。
气体光放大器通常由氙灯、酒精浸泡的光纤、双曲杆和气体室等组成。
氙灯产生的光经过光纤耦合到气体室中，经过双曲杆的反射，使光在气体中来回传播。
光在气体中的传播过程中，气体中的原子或分子通过受激辐射效应，从而使入射光信号得以放大。
光放大器的性能参数主要包括增益、带宽和噪声系数等。
增益是指信号在光放大器中的输出功率与输入功率之比，用来衡量信号放大的程度。
带宽是指光放大器对信号频率的响应范围，表示光放大器可以对不同频率的信号进行放大。
WDM系统中光放大器的性能介绍
WDM系统中光放大器的性能介绍作者：贺伟来源：《科技资讯》 2011年第26期摘要：本文将介绍光放大器的基本性能，较仔细地介绍了三种光放大器，包括掺铒光纤放大器（EDFA）、半导体光放大器（SOA）、拉曼光纤放大器的基本原理和优缺点。
关键词：WDM系统光放大器性能中图分类号：TN919 文献标识码：A文章编号：1672-3791(2011)09(b)-0000-001 光放大器概述我们知道光纤有一定的衰耗，光信号尤其是光WDM(wavelength-division multiplex光波分复用)信号沿光纤传播将会衰减，传输距离受衰减的制约。
因此，为了使光信号特别是光WDM信号传得更远，我们必须在中途对光进行放大。
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。
随着光通信技术的发展，尤其是光WDM的进步，我们有了一种直接光放大技术－－光放大器。
1.1 光放大器的特点光放大器的工作不需要转换光信号到电信号，放大后再转回光信号，它是直接对光进行放大。
这个特性导致光放大器比再生器有两大优势。
第一，光放大器支持任何比特率和信号格式；第二，光放大器不仅支持单个信号波长放大－－像再生器，而且支持多个波长信号（光WDM）的光信号放大。
1.2 光放大器的分类现在主要有两种类型的光放大器：半导体光放大器（SOA）和光纤放大器（OFA）。
半导体光放大器利用半导体材料固有的受激辐射放大机制，实现光放大，其原理和结构与半导体激光器相似。
光纤放大器与半导体放大器不同，光纤放大器的活性介质（或称增益介质）是一段特殊的光纤或传输光纤，并且和泵浦激光器相连，当信号光通过这一段光纤时，信号光被放大。
光纤放大器又可以分为掺稀土离子光纤放大器（Rare Earth Ion Doped Fiber Amplifier）和非线性光纤放大器。
1.3 光放大器的主要性能参数光放大器是一个模拟器件，所以它的性能参数都是模拟参数。
光放大器的原理及应用
光放大器的原理及应用引言光放大器是一种能够将输入的光信号放大的设备，在光通信系统中起到了极为重要的作用。
本文将介绍光放大器的原理、分类以及在光通信、光传感和激光器中的应用情况。
光放大器的原理光放大器的原理基于光学放大效应，即通过激光的受激辐射过程来实现对输入光信号的放大。
光放大器的核心组件是光纤或半导体材料，其具有较高的非线性光学系数和增益特性。
当输入的光信号通过光放大器时，光与激活器件中的活动粒子相互作用，从而激发更多的光子并放大输入信号。
光放大器的分类根据放大介质的不同，光放大器可分为掺铒光纤放大器、掺铒光泵浦半导体放大器和掺铒光纤光放大器等几种类型。
掺铒光纤放大器掺铒光纤放大器是其中最常见的一种类型。
它采用掺杂有铒离子的光纤作为放大介质，并通过泵浦光源激发铒离子的能级跃迁来实现光信号的放大。
掺铒光纤放大器具有宽带宽、低噪声和高增益等优点，广泛应用于光纤通信系统中。
掺铒光泵浦半导体放大器掺铒光泵浦半导体放大器是一种使用高功率半导体激光器作为泵浦源的光放大器。
它采用掺杂有铒离子的半导体材料作为放大介质，并通过泵浦光激活铒离子实现光信号的放大。
掺铒光泵浦半导体放大器具有响应速度快、低功耗和体积小等优势，被广泛应用于光纤通信、光传感和光学信息处理等领域。
掺铒光纤光放大器掺铒光纤光放大器是一种将掺铒光纤作为放大介质的光放大器。
掺铒光纤光放大器通过泵浦光源激活铒离子，实现对输入光信号的放大。
与其他类型的光放大器相比，掺铒光纤光放大器具有高增益、低噪声和宽带宽等优势。
光放大器在光通信中的应用光放大器作为光通信系统中的关键部件之一，被广泛应用于光纤通信系统中，主要用于提升光信号在光纤中的传输距离和减小光信号的衰减。
光放大器的主要应用场景包括： - 光纤通信系统：光放大器在光纤通信系统中用于放大光信号，从而提高信号质量和传输距离。
- 光纤传感系统：光放大器在光纤传感系统中用于增强光信号，提高传感器的灵敏度和测量精度。
光放大器原理和类型
6.1 光放大器原理和类型
1 光放大器原理
光放大器是一种能够在保持光信号特征不变的条件下，增加光信号功率的有源设备。
光放大器的基本工作原理是受激辐射或受激散射效应。
光学泵浦由外界泵浦提供了所必须的能级间的粒子数反转。
泵浦
泵浦
E 3
E 1
E 2
激光发射
（a ）三能级泵浦结构
（b ）四能级泵浦结构
E 3E 1E 2
E 0
1 光放大器原理
1 光放大器原理
半导体光放大器
法布里－珀罗谐振腔式光放大器（FPSOA） 注入锁定式光放大器（ILSOA）
行波式光放大器（TWSOA）。
掺杂稀土元素光放大器
EDFA和PDFA
光纤布里渊放大器
光纤拉曼放大器
2 光放大器的主要参数
①增益系数
②增益谱宽与放大器带宽
③增益饱和和饱和输出功率
④放大器噪声
s
P P T g g
2
2
2
1 0
②增益谱宽与放大器带宽
放大器的增益：
(4)带宽：放大器的增益降至最大值一半处的频谱宽度
放大器增益随输出功率的变化
③增益饱和与饱和输出功率。
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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)
抗反射膜 AR
2-5 半導體光放大器的原理
原理與半導體雷射相同，利用能階間躍遷的受激輻射 進行光放大。為提高增益，去掉共振腔，由電流直接 激勵，可獲得增益30 dB以上且頻寬更寬廣。
幫激光源
980nm 幫激型態 轉換效率 雜訊 價錢 三能階系統 較低 低 高 1480nm 二能階系統 高 較高 較低
980nm 和1480nm幫激雷射的比較
3-6 EDFA的幫激光源
980nm 幫激雷射輸出光譜
1480nm 幫激雷射輸出光譜
3-7 EDFA的原理
鉺離子吸收幫激光源之能量躍遷至激發態，若有入射 光子進入將引起受激性輻射，產生同相的放大光子。
2
3
1
H11/ 2 4 S3 / 2
F11/ 2
4
15
4
I9/ 2
10
4
I11/ 2 I13/ 2
4
5 1500~1620nm
4
I15/ 2
吸收波長 514nm
532nm 667nm 800nm 980nm 1480nm
鉺離子在玻璃材料之能帶圖
3-6 EDFA的幫激光源
EDFA的幫激雷射有980nm 和1480nm兩種
2-1 半導體光放大器的簡介
隨半導體雷射特性的改善，發展了FP半導體光放大 器，之後開始對行波式半導體光放大器的研究。
半導體光放大器由三五族的半導體合金所製成，如 砷化鎵等 放大波段 1300~1600 nm ，涵蓋1300 nm 窗口 頻帶寬大於 40 nm 增益高於 30 dB
2-2 半導體光放大器的優點
1-6 光放大器的分類
光放大器分為三大類
半導體光放大器(Semiconductor
Optical
Amplifier, SOA)
光纖放大器 拉曼放大器
(Optical Fiber Amplifier, OPA) (Raman, OPA)
2半導體光放大器
2-1 半導體光放大器的簡介 2-2 半導體光放大器的優點 2-3 半導體光放大器的缺點 2-4 半導體光放大器的分類 2-5 半導體光放大器的原理 2-6 半導體光放大器的特性 2-7 未來發展方向
尺寸小，易製作成積體電路與積體光電路結合使用。 結構較為簡單、功耗低、壽命長、成本低。 響應(gain response)相當快速，適用於交換及信 號處理等光網路應用中。 同時具備光放大及訊號處理的能力，如開關功 能等。應用在全光波長變換、光交換中。
2-3 半導體光放大器的缺點
傳統光放大器:光－電－光
將光轉換為電訊號，經電子放大器放大訊號後再轉 為光訊號，現今已完全被 All Fiber Type 取代。
光-電-光 雜訊 系統複雜度 大 複雜 All Fiber 小 簡易
放大通道數
電子電路 輸入訊號 成本
單通道
需高速電子電路 高
多通道
僅需低速電子電路 低
特定形式與速率之訊號 任何形式與速率之訊號
3-4 摻鉺光纖EDF的結構
3-5 摻鉺光纖EDF的特性 3-6 EDFA的幫激光源
3-11 EDFA的參數
3-12 C-band EDFA的特性 3-13 L-band EDFA的特性
3-7 EDFA的原理
3-14 EDFA的貢獻
3-1 光纖放大器的簡介
使用摻稀土金屬光纖作為增益介質。如摻鉺光纖EDF、 摻鐠光纖PDF 。 1985年，英國南安普頓大學首次研製成摻餌光纖。 1987年，Bell Labs和University of Southampton同時發 展可以直接放大1.5mm的光訊號的摻鉺光纖放大器。
3-9 EDFA的元件
光隔離器
分波多工器
摻鉺光纖
幫激雷射
3-9 EDFA的元件
光隔離器
讓光只能單向通過的元件，應具低插入損失、高隔 離度特性。 輸入端的光隔離器是防止ASE及訊號光逆向傳播， 劣化發射端信號雷射的穩定度。 輸出端的光隔離器是防止逆向的光進入EDF，降低 居量反轉的程度、減低放大器的增益並提高雜訊指 數、甚至造成非預期的雷射共振現象。
L-Band EDFA 原理 : 使用C-Band EDFA 五倍以上的摻鉺光 纖，將ASE由C-Band轉移到L-Band，藉以放大L-Band的訊號。
Pump Light EDF L-Band ASE
1.55-µm Band ASE Generation 1.58-µm Band ASE Generation
光放大器
1 2 3 4 5 6
基本概念 半導體光放大器 掺鉺光纖放大器 拉曼放大器 光放大器的比較 未來發展方向
1 基本概念
1-1 光放大器的作用 1-2 理想光放大器之特性 1-3 光放大器的參數 1-4 光放大器之頻帶 1-5 光放大器的應用 1-6 光放大器的分類
1-1 光放大器的作用
為放大光功率、再生光訊號的機制，應用於 CWDM與 DWDM 系統及長距離傳輸中繼器。
放大器的雜訊指數，用來量化經放大器後的雜訊比劣 化指標。其主要來源為放大器本身的放大自發放射 ASE 。
輸出功率 : 指放大訊號的輸出功率
1-4 光放大器之頻帶 目前光放大器涵蓋之光譜頻帶
S+頻帶 : 1450~1480nm (Extended Short Band ) S-頻帶 : 1480~1530nm (Short Band) C 頻帶 : 1530~1570nm (Center Band) L 頻帶 : 1570~1610nm (Long Band) L+頻帶 : 1610~1650nm (Longer Band)
平坦的增益 低雜訊 低損耗 高訊雜比SNR
Noise Figure
高的飽和功率
1-3 光放大器的參數
增益 : 指訊號放大的倍率
增益平坦度 : 增益平坦度定義為多波長信號中增益最大 與最小的差值。
增益飽和 : 趨近飽和時，增益成非線性，達到飽和後， 訊號便無法再放大。
Noise Figure :
3~6um 纖核(Core) 高摻雜層 100~2000ppm erbium 125um 纖殼(Silica cladding)
250um coating (披覆)
Optical mode 幫激光源和信號發生能量交換的地方 Radial distance
3-5 摻鉺光纖EDF的特性
Energy (10 cm ) 20
輸出光
Pump Laser
激發態 (Excited state)
無與入射光子作用的激態 電子將形成ASE雜訊
1 (自發輻射) ASE
光子 鉺離子 ~2us
Байду номын сангаас次穩態
(meta-stable state) 1 1 吸收幫激雷射的能量 ≈1550nm 鉺離子 1 ~10ms 基態 1 (Ground state)
3-7 EDFA的原理
1994年開始商用化，至今製造技術已成熟為光通訊及 DWDM的關鍵原件。
3-2 光纖放大器的優點
工作波長: C or L band (1520nm~1620nm) 具高增益(＞40dB) 高輸出光功率(＞16dBm) 低雜訊指數(4～6dB) 同時放大多個波長或信號 輸出光與偏振無關 有可靠穩定的高功率半導體幫浦雷射 易與光纖耦合 應用在WDM 系統中不會產生串音(Cross talk)
與光纖的耦合損耗太大
易受極化狀態影響(極化靈敏度為0.5~2 dB)
雜訊指數高(~8 dB) 易造成串音 易受環境溫度影響，穩定性較差
2-4 半導體光放大器的分類
半導體光放大器分為兩類：
(1) 法布裏－泊羅放大器( Fabry-Perot Amplifier, FPA ) 將一般的FP半導體雷射當作光放大器使用。 (2) 行波式光放大器(Travelling-Wave Amplifier, TWA) 在Fabry-Perot雷射的兩個端面上塗上抗反射膜，以 獲得寬頻帶、高輸出、低雜訊之放大光。