光纤通信技术-第六章-光通信中的光放大器(1)剖析
光纤通信技术—光纤放大器
光纤通信技术—光纤放大器光导纤维通信简称光纤通信，原理是利用光导纤维传输信号，以实现信息传递的一种通信方式。
实际应用中的光纤通信系统使用的不是单根的光纤，而是许多光纤聚集在一起的组成的光缆。
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。
名称：光纤放大器关键字：光纤放大器 EDFA 半导体放大器光纤曼放大器摘要：光放大器的开发成功及其产业化是光纤通信技术中的一个非常重要的成果，它大大地促进了光复用技术、光弧子通信以及全光网络的发展。
顾名思义，光放大器就是放大光信号。
在此之前，传送信号的放大都是要实现光电变换及电光变换，即O/E/O变换。
有了光放大器后就可直接实现光信号放大。
光放大器主要有3种：光纤放大器、拉曼放大器、半导体光放大器。
光纤放大器就是在光纤中掺杂稀土离子（如铒、镨、铥等）作为激光活性物质。
每一种掺杂剂的增益带宽是不同的；掺铥光纤放大器的增益带是S波段；掺镨光纤放大器的增益带在1310nm附近。
而喇曼光放大器则是利用喇曼散射效应制作成的光放大器，即大功率的激光注入光纤后，会发生非线性效应?喇曼散射。
在不断发生散射的过程中，把能量转交给信号光，从而使信号光得到放大。
由此不难理解，喇曼放大是一个分布式的放大过程，即沿整个线路逐渐放大的。
其工作带宽可以说是很宽的，几乎不受限制。
这种光放大器已开始商品化了，不过相当昂贵。
半导体光放大器（S0A）一般是指行波光放大器，工作原理与半导体激光器相类似。
1.引言无线光通信是以激光作为信息载体，是一种不需要任何有线信道作为传输媒介的通信方式。
与微波通信相比，无线光通信所使用的激光频率高，方向性强(保密性好)，可用的频谱宽，无需申请频率使用许可；与光纤通信相比，无线光通信造价低，施工简便、迅速。
它结合了光纤通信和微波通信的优势，已成为一种新兴的宽带无线接人方式，受到了人们的广泛关注。
光纤通信技术-第六章-光通信中的光放大器(1)剖析
6.1 光放大器 6.2 半导体激光放大器（SOA） 6.3 掺铒光纤放大器 6.4 光纤喇曼放大器 6.5 放大器的应用
本章简介
光放大器是可将微弱光信号直接进行光放大的器 件，它的出现使光纤通信技术产生了质的飞跃。本章 根据光放大器的分类主要介绍了SOA放大器、掺杂光 纤放大器和拉曼光纤放大器这三种光放大器的工作原 理、组成结构、评价指标以及应用等内容。光放大器 的诞生从线路上解决了光纤通信的无电再生中继问题， 它为实现光纤通信系统的全光化奠定了坚实的基础。
放大器的饱和输出功率与增益介质的饱和功率
的关系为
G0 ln 2 P Ps 况下，
s 2 ，所以 Pout (ln 2)Ps 0.69Ps
4. 放大器噪声
光纤放大器的噪声主要来自于自发辐射。
在激光器中，自发辐射是产生激光振荡比不可 少的条件，而在放大器中，自发辐射确实噪声 的主要来源，它与被放大的信号光在光纤中一 起传输、放大到达接收端，因而降低了信号光 的信噪比(SNR)。
（2）放大器带宽
人们理想的放大器增益应在很宽的频带内 与波长无关，这样在配有放大器的系统中可放 宽单个信道上载波波长的选择容限，也可在不 降低系统性能的情况下，极大地增加WDM系 统的信道个数。
但实际中的放大器都具有一定的工作频率
范围。放大器的带宽 a 定义为放大器增益 G ( ) 的半高全宽，它与增益带宽 g 的关系为
向上，增益系数和光纤中掺杂的浓度有关，还 和该处信号光与泵浦光的功率有关，所以放大 器增益应该是沿长度的函数。
放大器增益与放大器增益系数之间的关系为
G0 () exp[ g () L]
（6.6）
L为放大器的长度。由此可看出，放大器的增 益也与信号频率有关，当 0 时，放大器增 0 ，放大器增益 益最大；当出现失谐时， 将减小。
光纤通信中的光放大器
1
光发送机 1 光发送机 2
光纤 复 用 λ
1
λ 解 复 用 器 λ λ
1
光接收机 1 光接收机 2
2
2
…
光发送机 n
λ
器
n
n
Optical Amplifiers
光接收机 n
宽带宽的光放大器可以对多信道信号同时放大，而不需 要进行解复用，光放大器的问世推动了DWDM技术的快 速发展。
光放大器整形能力较差，在长途干线上需与光电中继器 结合使用！
增益饱和
当P 增大至可与 Ps 相比拟时，g()降低，放大系数G()随信号功率增 加而降低，这种现象叫增益饱和。 设输入光信号频率位于增益峰值（ 0 ）处，光功率随距离按下 述关系变化 g P dP 0 P dz 1 Ps 利用初始条件： P(0) Pin , P( L) Pout GPin ,对上式在放大器长度限内积分，
数千米
好
容易
大
好
放大器的类型
1. 半导体激光放大器 (SOA)
结构大体上与激光二极管 (Laser Diode, LD) 相同，半导体 激光器芯片两端镀上增透膜。 优点：单程增益高，小型化，容易与其他半导体器件 集成。 缺点：性能与光偏振方向有关；与光纤的耦合损耗大。
放大器的类型
2. 掺杂光纤放大器(DFA)
…
λ 2…λ
光放大器
n
光放大器的重要性
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。
光信号首先由光电二极管转变成电信号。 电信号经电路整形放大后再重新驱动一个光源，实 现光信号的再生。 装置复杂、耗能多、不能同时放大多个波长信道
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。
THANKS FOR WATCHING
感谢您的观看
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。
第六章光放大器
放大器带宽和增益带宽
vA
vg
ln 2 ( ln(G0 /
)1/ 2 2)
G0 exp( g0L)
增益饱和
1.0
归 一
0.8
化
放 0.6 大
器 增 0.4
益
G/G0 0.2
10dB
G0= 30dB
15dB
0.0
1 0- 2
10-1
100
101
归 一 化 输 出 功 率 Pout/Psat
G
G0
解：
Fn
(SNR)in (SNR)out
10103 3103
3.33或5.2dB
光放大器使输出信噪比下降了，但同时也使输出功率增 加了，所以可容忍SNR的下降。
不同反射率时的F-P SOA的增益频谱
GFPA( f ) (1 G
(1 R1)(1 R2 )Gs ( f )
R1R2 )2 4G R1R2 sin2[ ( f fm ) / fL ]
光发 射机
功率放大器 EDFA
EDFA光 纤
光接 收机
(b) 光发射机功率增强器
光发 射机
补偿损耗放大器 节 点 EDFA
光纤总线 光接 收机
(d) 在局域网中用于补偿分配损耗
半导体光放大器 （SOA：Semiconductor Optical Amplifier）
注入电流
输入 光信号
有源区
z= 0
L
输出光信号
z z =L
TW SOA
R反 射 面 有源区 光信号 输入
z=0
注入电流
R反 射 面
输出光信号
z L
z =L
F-P SOA
光纤通信第6章光放大器
光功率(dB)
光纤拉曼放大器
同向泵浦
WDM耦合器
反向泵浦
6.3.1 分布式拉曼放大器工作原理和特性
2. 拉曼增益和带宽
斯托克斯（Stokes）频差（ΩR= ωP- ωs）在SRS过程 中扮演着重要角色。由分子振动能级确定的ΩR 值决 定了SRS的频率（或波长）范围。
1530~1564nm 之间的C波段
6.3 光纤拉曼放大器FRA
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。 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。
第六章 光放大器
概述
光纤通信系统的传输距离受光纤损耗或色散 限制。
因此，传统的长途光纤传输系统，需要每隔 一定的距离，就增加一个再生中继器，以便 保证信号的质量。
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。
光放大器（O-O）
WDM系统光－电－光(O-E-O)变换方式
0
v0
1.46
增益带宽宽（约为70nm），有能力放大超窄光脉冲。
TW- SOA的特性
3. 缺点
SOA对极化态非常敏感（增益偏振相关性）。不同极 化模式，具有不同的增益G，横电模（TE）和横磁模 （TM）极化增益差可能达到5~8dB 起因：由于半导体有源层的横截面呈扁长方形，对横 向（长方形的宽边方向）和竖向（长方形的窄边方向） 的光场约束不同，光场在竖向的衍射泄漏强于横向， 因而竖向的光增益弱于横向。因此光信号的偏振方向 取横向时的增益大，取竖向时的增益小。 解决方法：采用宽、厚可比拟的有源层设计；
光放大器
光放大器摘要：光放大器是对于光信号进行直接放大的器件，即可将其看光通路的组成单元，也可看作光设备的组成单元。
光放大器可分为光纤光放大器和半导体光放大器两类，它在光通信系统和信息处理领域中有很重要的应用。
光放大器的功能是提供光信号增益，以补偿光信号的通路中的传输衰减，增大系统的无中继传输距离。
关键词：光放大器、光纤、半导体、原理、特性迄今为止的光纤通信系统，为了拓长通信距离都需在通信线路中设置一定数量的中继器，以便使衰减的光信号强度得到补充。
而中继器无一例外都是采用光—电—光的转换方式。
中继器的这种工作模式带来了不少问题，如使得成本高，系统复杂，可靠性降低等。
于是，人们设想，是否用光放大器直接进行光信号放大，以实现全光通信。
经过多年的不懈努力，各种各样的光放大器终于问世了。
在光通信技术的发展进程中，不断取得新的突破，其中尤以光放大器，特别是掺铒光纤放大器（EDFA）的发明最为激动人心。
它使光通信技术产生了革命性的变化：用相对简单价廉的光放大器，代替长距离光纤通信系统中传统使用的复杂昂贵的光—电—光混合式中继器，从而可实现比特率及调制格式的透明传输，升级换代也变得十分容易，尤其是性能十分优秀的EDFA与WDM技术的珠联璧合，奠定了高速大容量WDM光通信系统与网络大规模应用的基础。
光放大器主要有两类：光纤光放大器和半导体光放大器。
光纤放大器又分为两种，即掺稀土元素的光纤放大器和利用常规光纤的非线性效应（如受激拉曼散射，受激希里渊散射等）的光放大器。
半导体光放大器主要是行波半导体激光放大器。
1光放大器原理大部分光放大器是通过受激辐射或受激散射原理实现入射光信号放大的，其机理与激光器完全相同。
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。
任何放大器的主要介质，当采用电学或光学的泵浦方法，达到粒子数发转时就产生了光增益，即可实现光放大。
光增益不仅与反射光频率（或波长）有关，也与放大器内部光束强度有关。
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)。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
光放大器的结构与激光器很相似，但它没有反 馈机制，而反馈机制对于发射激光是必要的，足够大 的反馈可能引起自激振荡，即受激辐射所需的初始注 入光子可以从LD内部产生，例如内部的光噪声；而 SOA不能产生自激振荡，因而受激辐射所需的初始注 入光子必须由外部注入，即需要输入光，因此，光放 大器可以放大输入信号，但本身不产生相干的光输出， 仅就是对输入光进行放大。
来分别完成光电变换和电光变换，其设备复杂， 维护不便。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。
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，使光纤通信技术产中使用的光放大技术主要是采
用EDFA，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。
（3）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。
第六章 光纤通信中的光放大器
6.1 光放大器 6.2 半导体激光放大器（SOA） 6.3 掺铒光纤放大器 6.4 光纤喇曼放大器 6.5 放大器的应用
本章简介
光放大器是可将微弱光信号直接进行光放大的器 件，它的出现使光纤通信技术产生了质的飞跃。本章 根据光放大器的分类主要介绍了SOA放大器、掺杂光 纤放大器和拉曼光纤放大器这三种光放大器的工作原 理、组成结构、评价指标以及应用等内容。光放大器 的诞生从线路上解决了光纤通信的无电再生中继问题， 它为实现光纤通信系统的全光化奠定了坚实的基础。
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。
受激辐射和受激散射光放大器的通用结构
和基本原理如图6-1所示
图6.1 光放大器的通用结构
光放大器是不依赖比特率和调制方式的。
这样就使得系统即使在使用了放大器的情况下 也可以很容易地升级到更高的速率或者变换信 号的调制方式。此外，光放大器具有一个很宽 的增益带宽，这就保证能够一次放大整个 DWDM 的频谱，结果是极大地降低了长距离 传输中的设备需求数量。
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。
光/电/光中继器需要光接收机和光发送机
如图6.2所示，在一定的条 件下，处于激发态的电子在入 射光的作用下发生受激辐射后 又回到基态。根据能量守恒定 律，受激辐射过程所产生的光 子能量应该等于电子处于激发 态和基态时的能量之差。如果 所产生的光子能量与入射光子 能量一致，则入射光被放大， 这就是光放大器的工作原理。
6.1光放大器
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AT&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（Semi-conductor Optical Amplifier，SOA）产品。
在1999年10月举办的日内瓦电信展览会上，
朗讯公司展示了一种喇曼放大系统。2001年光 纤喇曼放大器（Fiber Raman Amplifier，FRA） 得以更广泛的应用。目前，光放大器在光纤通 信系统最重要的应用就是促使了波分复用技术 （Wavelength Division Multiplexing,WDM） 走向实用化。
6.1.2 光放大器的分类
光放大器可以分为半导体光放大器
（SOA）、有源光纤或掺杂光纤放大器（DFA） 和拉曼放大器（FRA）三种主要类型。所有的 放大器都是通过受激辐射或光功率转移过程来 实现入射光功率放大的。
（1）半导体光放大器（SOA）
SOA又称作半导体激光放大器（Semiconductor Laser Amplifier，SLA），它由半导体材料制成，和 半导体激光器（LD）一样都是基于光的受激辐射和放 大。事实上，激光器（Laser）的原意就是受激辐射 引起的光放大（Laser Amplification by Stimulated Emission of Radiation），该名称强调的是激光材料 中由于粒子数反转产生的受激辐射可以引起光放大。
6.1.3 光放大器的主要指标
光放大器工作性能的主要指标有放大器的
增益系数与增益带宽、放大器的增益与带宽， 饱和输出功率和放大器噪声。
1. 增益系数与增益带宽
（1）增益系数
在泵浦源的激励下，媒质的外层电子吸收 一定的能量后基态（能级1）跃迁到高能态 （能级3）。在高能态上的电子极不稳定，会 快速到达能量较低的激发态（能级2）。
（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。