第六章光放大技術(shù)

2/4/20231§6-1概述；§6-2EDF的結(jié)構(gòu)與EDFA工作原理；§6-3EDFA的特性；§6-4EDFA在光纖通信系統(tǒng)中的應(yīng)用以及大功率化；

本章思考題。第六章的主要內(nèi)容2/4/2023§6-1概述一、O/E/O中繼和光放大技術(shù)

光纖通信線路的最大中繼距離受光纖的損耗和色散影響，它們都是隨傳輸距離的增加不斷累積，損耗的累積導(dǎo)致信號(hào)幅度（脈沖幅度）減小，<P>min影響傳輸質(zhì)量?！到y(tǒng)設(shè)計(jì)：損耗、色散預(yù)算。

光放大器的出現(xiàn)，可視為光纖通信發(fā)展史上的重要里程碑。光放大器出現(xiàn)之前，光纖通信的中繼器采用光－電－光(O-E-O)變換方式。裝置復(fù)雜、耗能多、不能同時(shí)放大多個(gè)波長(zhǎng)信道，在WDM系統(tǒng)中復(fù)雜性和成本倍增，可實(shí)現(xiàn)1R、2R、3R中繼。2/4/2023§6-1概述l1l2lN...光纖l1l2lN光解復(fù)用...O/EADME/O光復(fù)用l1l2lN...l1l2lN...光纖

如圖所示，傳統(tǒng)的光/電/光的放大方式必須首先解復(fù)用出單根光纖中的多個(gè)信道，然后對(duì)每一個(gè)信道進(jìn)行放大，最后再?gòu)?fù)用在一起，裝置復(fù)雜、成本倍增。2/4/2023§6-1概述復(fù)習(xí)課件時(shí)點(diǎn)擊右向箭頭播放下一段動(dòng)畫(huà)！此動(dòng)畫(huà)是直接光放大工作原理的動(dòng)畫(huà)：無(wú)需轉(zhuǎn)換為電信號(hào)、通過(guò)一段特種光纖直接進(jìn)行光放大、可以同時(shí)放大多個(gè)信道、裝置簡(jiǎn)單（只需幾個(gè)無(wú)源器件和低速電子元件）。2/4/2023§6-1概述光放大器（O-O）：→EDFA(Erbium-dopedOpticalFiberAmplifer：摻鉺光纖放大器

)

多波長(zhǎng)放大、低成本，只能實(shí)現(xiàn)1R中繼。光纖放大器的出現(xiàn)，是光纖通信發(fā)展史上的重要里程碑。二、EDFA出現(xiàn)的時(shí)間背景二十世紀(jì)60年代開(kāi)始研究摻雜光纖放大器，把稀土金屬離子在光纖制作過(guò)程中摻入光纖的纖芯中，使用泵浦光信號(hào)放大，提供光增益。但是一直沒(méi)有重大的技術(shù)突破。直到1987年，EDFA取得突破性進(jìn)展，英國(guó)南安普頓大學(xué)和美國(guó)AT&TBell實(shí)驗(yàn)室報(bào)道了離子態(tài)的稀土元素鉺在光纖中可提供1.55μm通信波段的光增益，隨后開(kāi)始提供實(shí)際應(yīng)用。2/4/2023§6-1概述三、EDFA的優(yōu)點(diǎn)工作波長(zhǎng)在1550nm波段（1530~1565nm，約40nm）范圍，與光纖最小損耗窗口一致；對(duì)EDF進(jìn)行激勵(lì)的泵浦功率低，僅需幾十毫瓦，而光纖拉曼放大器需0.5w以上的泵浦源進(jìn)行激勵(lì)；增益高、噪聲低、泵浦效率高、輸出功率大，增益可達(dá)40dB，噪聲系數(shù)可低至3~7dB，輸出功率可達(dá)12~20dBm；EDFA的主體是一段EDF光纖，它與線路光纖的耦合損耗很小，可達(dá)0.1dB以下；2/4/2023增益特性與光的偏振態(tài)無(wú)關(guān)，信號(hào)放大時(shí)與光信號(hào)的傳輸方向也沒(méi)有關(guān)系，可以實(shí)現(xiàn)雙向放大（光纖放大器內(nèi)無(wú)隔離器時(shí)）；對(duì)不同傳輸速率的數(shù)字體系具有完全的透明度，即與準(zhǔn)數(shù)字體系和同步數(shù)字體系的各種速率兼容，調(diào)制方案可任意選擇；EDFA的工作電流比3R（O/E/O）中繼放大器的小，因此可以減小遠(yuǎn)供電流，從而降低了海纜的電阻和絕緣性能的要求；§6-1概述2/4/2023在多信道應(yīng)用中可進(jìn)行無(wú)串話傳輸；放大器中只有低速電子裝置和幾個(gè)無(wú)源器件，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可靠性高。四、光放大器的類(lèi)型利用稀土摻雜的光纖放大器（EDFA、PDFA）；利用半導(dǎo)體制作的半導(dǎo)體光放大器（SOA）；利用光纖非線性效應(yīng)制作的非線性光纖放大器（FRA、FBA）；光子晶體光纖放大器?！?-1概述2/4/20231.光放大器的應(yīng)用現(xiàn)狀各種光放大器中，以摻雜光纖放大器研究的居多；摻雜光纖放大器利用摻入石英光纖的稀土離子作為增益介質(zhì)，在泵浦光的激發(fā)下實(shí)現(xiàn)光信號(hào)的放大，放大器的特性主要由摻雜元素決定；工作波長(zhǎng)為1550nm的鉺摻雜光纖放大器(EDFA)；工作波長(zhǎng)為1300nm的鐠摻雜光纖放大器(PDFA)；工作波長(zhǎng)為1400nm的銩摻雜光纖放大器(TDFA)；目前，EDFA最為成熟，是光纖通信系統(tǒng)必備器件?！?-1概述2/4/20232.EDFA給光纖通信領(lǐng)域帶來(lái)的革命

EDFA解決了系統(tǒng)容量提高的最大的限制——光損耗；補(bǔ)償了光纖本身的損耗，使長(zhǎng)距離的光纖傳輸成為可能；大大增加了功率預(yù)算的冗余，系統(tǒng)中引入各種新型光器件成為可能；支持了最有效的增加光通信容量的方式-WDM；推動(dòng)了全光網(wǎng)絡(luò)的研究開(kāi)發(fā)熱潮。§6-1概述2/4/2023一、EDF的結(jié)構(gòu)

EDF在泵浦光的作用下，直接對(duì)信號(hào)光進(jìn)行放大，是提供光增益的核心部件?！?-2EDF的結(jié)構(gòu)與EDFA工作原理00.20.40.60.81.0010002000300040005000b/a鉺離子濃度ppm鉺離子濃度與b/a值的關(guān)系Er3+GeO2-Al2O3-SiO2GeO2-SiO2F-SiO22b2aEr摻鉺區(qū)（濃度1100~2500ppm)摻鍺區(qū)直徑4~6um硅包層直徑125um△+：~1.3%△-：~0.7%EDF的結(jié)構(gòu)與折射率分布2/4/2023對(duì)于EDF，為了實(shí)現(xiàn)有效放大所要求的足夠多的鉺離子數(shù)反轉(zhuǎn)，應(yīng)該增加摻鉺區(qū)泵浦光的功率密度，為此，需要減小纖芯橫截面積Aeff，從而使EDF的結(jié)構(gòu)最佳化；定義有效纖芯面積Aeff為同時(shí)，適當(dāng)減小b/a值也是必要的，把摻鉺區(qū)局限在光纖纖芯的中心，但較小的值減小了對(duì)泵浦光的吸收效率，并要求較長(zhǎng)的EDF，或較高的鉺離子濃度；摻鋁是為了展寬頻帶寬度（帶寬由摻雜劑決定）?！?-2EDF的結(jié)構(gòu)與EDFA工作原理2/4/2023二、EDFA的工作原理

鉺的自由離子具有不連續(xù)的能級(jí)，當(dāng)Er3+被結(jié)合到硅光纖時(shí)，它們的每個(gè)能級(jí)被分裂為許多緊密相關(guān)的能級(jí)---能帶。能級(jí)分裂為能帶以后會(huì)有什么影響？在EDFA中能級(jí)分裂為能帶是有利的：第一：使EDFA對(duì)光信號(hào)的放大不只是單個(gè)波長(zhǎng)而是一組波長(zhǎng)的能力，即在一段波長(zhǎng)范圍內(nèi)的光波長(zhǎng)都可以得到放大；第二：避免了細(xì)調(diào)泵浦激光波長(zhǎng)?！?-2EDF的結(jié)構(gòu)與EDFA工作原理2/4/2023

EDFA采用摻鉺離子單模光纖為增益介質(zhì)，在泵浦光作用下產(chǎn)生粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，信號(hào)光誘導(dǎo)實(shí)現(xiàn)受激輻射放大。

信號(hào)光與波長(zhǎng)較其為短的光波(泵浦光)同沿光纖傳輸，泵浦光的能量被光纖中的稀土元素離子吸收而使其躍遷至更高能級(jí)，并可通過(guò)能級(jí)間的受激發(fā)射轉(zhuǎn)移為信號(hào)光的能量。信號(hào)光沿光纖長(zhǎng)度得到放大，泵浦光沿光纖長(zhǎng)度不斷衰減?！?-2EDF的結(jié)構(gòu)與EDFA工作原理Inputsignal1530nm-1570nmAmplifiedoutputsignalPowerlaser(Pump)980nmor1480nmFibercontainingerbiumdopant2/4/2023

吸收帶可以是520、650、800、980、1480nm；

波長(zhǎng)短于980nm的泵浦效率低，因而通常采用980和1480nm泵浦。Er3+有三個(gè)工作能級(jí)：§6-2EDF的結(jié)構(gòu)與EDFA工作原理1550nm吸收泵浦光快速非輻射躍遷光放大受激輻射產(chǎn)生噪聲自發(fā)輻射受激吸收基態(tài)能帶泵浦能帶980nm1480nm亞穩(wěn)態(tài)能帶2/4/2023實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)的過(guò)程：--電子吸收泵浦光躍遷

Er3+在未任何光激勵(lì)的情況下，處于最低能級(jí)基態(tài)上。在980nm泵浦光的作用下，電子不斷從基態(tài)能級(jí)吸收泵浦光的能量躍遷到激發(fā)態(tài)，但是電子在激發(fā)態(tài)的生存期很短，對(duì)于，平均壽命為1us，電子迅速以“非輻射方式躍遷至亞穩(wěn)態(tài)，在亞穩(wěn)態(tài)上電子有較長(zhǎng)的壽命，在源源不斷的泵浦下，亞穩(wěn)態(tài)上的粒子數(shù)積累，從而實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布；電子被1480nm的泵浦光不斷地泵浦到亞穩(wěn)態(tài)上，此時(shí)電子在亞穩(wěn)態(tài)上生存期較長(zhǎng)（~10ms），不斷地積累實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布?！?-2EDF的結(jié)構(gòu)與EDFA工作原理2/4/2023此動(dòng)畫(huà)為實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布的動(dòng)畫(huà)：基態(tài)的電子在泵浦光的作用下被源源不斷的抽運(yùn)到泵浦態(tài)，泵浦態(tài)的電子以無(wú)輻射的形式躍遷到亞穩(wěn)態(tài)?！?-2EDF的結(jié)構(gòu)與EDFA工作原理2/4/2023實(shí)現(xiàn)光放大的過(guò)程：

當(dāng)WDM的信號(hào)光通過(guò)這段粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布的EDF時(shí)，電子在WDM信號(hào)光作為感應(yīng)光場(chǎng)的情況下，從亞穩(wěn)態(tài)受激輻射到基態(tài)上，并產(chǎn)生與輸入光子完全一樣（具有相同波長(zhǎng)、相同方向和相同相位）的光子，從而實(shí)現(xiàn)信號(hào)光在EDF的傳播過(guò)程中被放大。因此，簡(jiǎn)單地說(shuō)，EDFA放大就是把泵浦能量轉(zhuǎn)換為信號(hào)光的能量，而且它的效率很高。泵浦效率等因素的影響，980nm、1480nm半導(dǎo)體激光器更適合于EDFA的泵浦光源，而且這兩種半導(dǎo)體激光器已經(jīng)得到很好的商用化。另外，980nm相對(duì)于1480nm而言，增益高、噪聲小，是目前EDFA的首選泵浦光源。§6-2EDF的結(jié)構(gòu)與EDFA工作原理2/4/2023此動(dòng)畫(huà)為實(shí)現(xiàn)光放大過(guò)程的動(dòng)畫(huà)：亞穩(wěn)態(tài)上的反轉(zhuǎn)分布粒子在信號(hào)光的感應(yīng)下躍遷到基態(tài)上，釋放出一模一樣的大量光子，從而實(shí)現(xiàn)光放大。§6-2EDF的結(jié)構(gòu)與EDFA工作原理2/4/2023三、EDFA的基本光路結(jié)構(gòu)和泵浦方式1.基本光路結(jié)構(gòu)2.泵浦方式

EDFA的光路結(jié)構(gòu)按照所采用的泵浦方式可以分為三種形式：§6-2EDF的結(jié)構(gòu)與EDFA工作原理2/4/2023§6-2EDF的結(jié)構(gòu)與EDFA工作原理反向泵浦（后向泵浦）型：輸出信號(hào)功率高。輸出信號(hào)功率比單泵浦源大約高3dB，且放大特性與信號(hào)傳輸方向無(wú)關(guān)正向泵浦（同向泵浦）型：好的噪聲性能。2/4/2023

由于光纖對(duì)1480nm的光損耗較小，所以1480nm泵浦光常用于遙泵方式。光路結(jié)構(gòu)中的器件說(shuō)明：光纖耦合器：波長(zhǎng)敏感型光纖耦合器（WDM），將泵浦光和信號(hào)光復(fù)用耦合進(jìn)EDF；光隔離器：保證光信號(hào)正向傳輸?shù)钠骷?、防止反射光影響EDFA的工作穩(wěn)定性；§6-2EDF的結(jié)構(gòu)與EDFA工作原理RemotePumping2/4/2023EDF：長(zhǎng)度10~100m的摻鉺光纖，鉺離子的濃度約100~2000ppm（partpermillion）；泵浦光源：半導(dǎo)體激光器，980/1480nm，泵浦功率為10~200mW；光濾波器：濾除放大器的噪聲，降低噪聲對(duì)系統(tǒng)的影響，提高系統(tǒng)的信噪比。

其中，主體部件是泵浦光源和EDF。一方面，EDFA的引入使系統(tǒng)的中繼距離加大，節(jié)省設(shè)備成本，另一方面，新的問(wèn)題也將產(chǎn)生，如非線性、噪聲（前向、后向傳輸）積累以及增益均衡等。§6-2EDF的結(jié)構(gòu)與EDFA工作原理2/4/2023一、增益（光的放大性質(zhì)）增益是評(píng)價(jià)一個(gè)光放大器時(shí)的第一特性。1.定義增益G是輸出光功率與輸入光功率之比，即

G=Pout/Pin以分貝表示：實(shí)際上，計(jì)算增益時(shí)往往需考慮噪聲功率：§6-3EDFA的特性2/4/2023§6-3EDFA的特性例：EDF的輸入光功率是300W，輸出功率是60mW,EDFA的增益是多少？假如放大自發(fā)輻射噪聲功率是30W，EDFA的增益又是多少？解：EDFA增益是或當(dāng)考慮放大自發(fā)輻射噪聲功率時(shí)，EDFA增益為??！!以上結(jié)果是單個(gè)波長(zhǎng)光的增益，不是整個(gè)EDFA帶寬內(nèi)的增益。2/4/20232.增益飽和（飽和輸出功率）輸入信號(hào)的功率越大≠增益G越大！一個(gè)高功率的輸入信號(hào)，意味著每單位時(shí)間內(nèi)大量的光子進(jìn)入EDF，然后這些光子在單位時(shí)間內(nèi)激發(fā)高能級(jí)到低能級(jí)的大量遷移，這意味著高能級(jí)會(huì)很快耗盡光子，即：輸入光功率越大，高能級(jí)將會(huì)有很少的粒子數(shù)。高能級(jí)上的粒子數(shù)耗盡意味著增益的減少，這種現(xiàn)象稱(chēng)為增益飽和。

飽和輸出功率：增益相對(duì)小信號(hào)增益減少3dB時(shí)的輸出信號(hào)的光功率稱(chēng)為飽和輸出功率?！?-3EDFA的特性2/4/2023

小信號(hào)增益：

EDFA工作在線性范圍區(qū)域時(shí)的增益，此時(shí)在給定的信號(hào)波長(zhǎng)和泵浦功率下，增益G基本上與輸入信號(hào)光功率無(wú)關(guān)，即：輸入光功率較小（小信號(hào)）時(shí)，增益是一個(gè)常數(shù)，用G0表示，輸出光功率Pout與輸入光功率Pin成正比例。

增益比小信號(hào)增益降低3dB時(shí)的波長(zhǎng)間隔，稱(chēng)為小信號(hào)增益波長(zhǎng)帶寬，可以達(dá)到35nm以上?！?-3EDFA的特性2/4/2023§6-3EDFA的特性飽和輸出功率：放大器增益降至小信號(hào)增益一半時(shí)的輸出功率。3dBPout,sat當(dāng)Pin增大到一定值后，光放大器的增益G開(kāi)始下降。增益飽和現(xiàn)象。飽和區(qū)域G02/4/20233.增益G是激勵(lì)光纖長(zhǎng)度的函數(shù)

EDF有一最佳長(zhǎng)度。

EDF中泵浦租用是沿激勵(lì)光纖長(zhǎng)度提供的，對(duì)于一定的泵浦光功率，如果EDF的長(zhǎng)度超過(guò)了一定的范圍，泵浦光功率沿光纖衰減，然后消耗到閾值功率以下，信號(hào)光將會(huì)受到越來(lái)越小的增益，并且最終經(jīng)受損耗，即：低能級(jí)上有比高能級(jí)上更多的電子，其能量不足以使EDF中的粒子數(shù)翻轉(zhuǎn)，而且要吸收已放大的信號(hào)能量，此時(shí)，EDF對(duì)信號(hào)光開(kāi)始產(chǎn)生吸收損耗。因此，EDF有一最佳長(zhǎng)度，它與光纖的特性有關(guān)，如：摻雜濃度、增益帶寬等。§6-3EDFA的特性2/4/2023§6-3EDFA的特性小信號(hào)增益隨放大器長(zhǎng)度而變的曲線增益的大小考慮了EDF的長(zhǎng)度以后，還有什么因素需要考慮？2/4/20234.小信號(hào)增益隨泵浦功率而變泵浦功率越大，激發(fā)到高能級(jí)上的電子數(shù)量就越多，EDFA的增益就越大，但是，并不是說(shuō)高的泵浦功率會(huì)從低能級(jí)上掃除所有的電子！光放大是一個(gè)動(dòng)態(tài)過(guò)程，在低能級(jí)不斷堆積信號(hào)光激發(fā)從激發(fā)態(tài)能級(jí)上落下的電子。

對(duì)于給定的放大器長(zhǎng)度（EDF長(zhǎng)度），增益隨泵浦功率在開(kāi)始時(shí)按指數(shù)增加，當(dāng)泵浦功率超過(guò)一定值時(shí)，增益增加變緩，并趨于一恒定值?！?-3EDFA的特性2/4/2023

EDFA放大多信道時(shí)，泵浦功率被所有要放大的波長(zhǎng)共享，傳輸?shù)亩嗦窂?fù)用的波長(zhǎng)數(shù)越多，為滿足EDFA的泵浦功率就越大。

多信道同時(shí)被放大時(shí)，不同波長(zhǎng)的增益一樣嗎？§6-3EDFA的特性2/4/20235.增益G是輸入波長(zhǎng)的函數(shù)

增益譜G()：增益G與信號(hào)光波長(zhǎng)的關(guān)系。光放大器的增益譜不平坦?！?-3EDFA的特性2/4/2023增益平坦性：

§6-3EDFA的特性2/4/2023二、噪聲

噪聲是EDFA（事實(shí)上，任何類(lèi)型的放大器都得考慮其噪聲特性）的第二個(gè)重要特性。

EDFA中，放大信號(hào)時(shí)產(chǎn)生其自身的噪聲，把自發(fā)輻射或散射疊加到信號(hào)光上，并且占有整個(gè)放大帶寬，也不可能完全濾除，因此，光放大器改變了輸入信號(hào)和輸出信號(hào)的信噪比SNR，導(dǎo)致被放大信號(hào)的信噪比下降。

SNR降低程度用噪聲系數(shù)/噪聲指數(shù)NF表示，定義為

NF>1，即放大器降低了SNR，然而放大器也將信號(hào)功率增加到很高的程度以便我們?nèi)萑塘薙NR的降低?！?-3EDFA的特性2/4/2023§6-3EDFA的特性2/4/2023

主要噪聲源：放大的自發(fā)輻射噪聲ASE(AmplifiedSpontaneousEmission)，它源于放大器介質(zhì)中電子空穴對(duì)的自發(fā)復(fù)合。自發(fā)復(fù)合導(dǎo)致了與光信號(hào)一起放大的光子的寬譜背景。

EDFA放大1540波長(zhǎng)信號(hào)時(shí)產(chǎn)生的影響，ASE噪聲疊加在信號(hào)上，導(dǎo)致信噪比下降?！?-3EDFA的特性化弊為利：ASE寬帶光源2/4/2023

自發(fā)輻射噪聲ASE：一部分電子自發(fā)輻射到低能級(jí)的能帶上，這些自發(fā)輻射產(chǎn)生的光子在信號(hào)光相同頻率范圍內(nèi)，但它們?cè)谙辔缓头较蛏鲜请S機(jī)的，那些與信號(hào)同方向的自發(fā)輻射光子被活性物質(zhì)放大。這些自發(fā)輻射并經(jīng)放大的光子放大的自發(fā)輻射噪聲ASE。它們?cè)谙辔皇请S機(jī)的，對(duì)于信號(hào)光沒(méi)有貢獻(xiàn)而產(chǎn)生了信號(hào)帶寬內(nèi)的噪聲。

ASE噪聲近似為白噪聲，噪聲功率譜密度為：式中nsp自發(fā)發(fā)射因子或粒子數(shù)反轉(zhuǎn)因子，對(duì)于原子都處于激發(fā)態(tài)或完全粒子數(shù)反轉(zhuǎn)的光放大器，nsp=1；當(dāng)粒子數(shù)不完全反轉(zhuǎn)時(shí)，nsp>1?！?-3EDFA的特性2/4/2023自發(fā)輻射因子或粒子數(shù)反轉(zhuǎn)因子nsp定義為因此，N2/(N2-N1)→1時(shí)（高能級(jí)粒子數(shù)大大多于低能級(jí)上的粒子數(shù)），自發(fā)輻射因子達(dá)到最小值，此時(shí)會(huì)有一個(gè)理想的放大器，但這種情況永遠(yuǎn)不會(huì)達(dá)到，實(shí)際的nsp的范圍典型值是1.4~4?！?-3EDFA的特性激發(fā)態(tài)的粒子數(shù)基態(tài)的粒子數(shù)2/4/2023放大器自發(fā)輻射噪聲ASE的平均總功率PASE：式中，hf是光子能量，G是放大器的增益，Δf是放大器的帶寬。研究發(fā)現(xiàn)，實(shí)際信號(hào)（含噪聲）的變化來(lái)自于噪聲-噪聲拍頻噪聲和噪聲-信號(hào)拍頻噪聲。其中噪聲-噪聲的拍頻噪聲很容易用窄帶濾波器濾除（EDFA中通常包括一個(gè)ASE濾波器），由濾波器完成。真正的損害是由噪聲-信號(hào)的拍頻噪聲造成的，它在信號(hào)帶寬內(nèi)，這種噪聲不能被濾除掉，是對(duì)EDFA噪聲系數(shù)真正起作用的因素?！?-3EDFA的特性2/4/2023基于噪聲-信號(hào)拍頻的噪聲系數(shù)：所以NF的范圍為2(1.4~4)→3(NF的量子極限)~8dB.

因此，即使對(duì)nsp=1的完全粒子數(shù)反轉(zhuǎn)的理想放大器，被放大信號(hào)的SNR也降低了一倍（或3dB）。對(duì)大多數(shù)實(shí)際的放大器NF均超過(guò)3dB，并可能達(dá)到6~8dB。希望放大器的NF盡可能低。對(duì)于不同的泵浦波長(zhǎng)，NF略有差異。當(dāng)使用1480nm泵浦時(shí)，由于泵浦態(tài)和亞穩(wěn)態(tài)處于同一能帶中，該能帶中的粒子數(shù)服從波爾茲分布規(guī)律，所以始終有部分粒子保持在泵浦態(tài)上，使得基態(tài)粒子不能全部反轉(zhuǎn)，其反轉(zhuǎn)程度小于980nm泵浦。正因?yàn)槿绱耍?80nm泵浦EDFA優(yōu)于1480nm泵浦，對(duì)于980nm泵浦，其N(xiāo)F可接近量子極限，而1480nm泵浦的NF最小約4dB。§6-3EDFA的特性2/4/2023例：假如輸入信號(hào)功率為300W，在1nm帶寬內(nèi)的輸入噪聲功率是30nW，輸出信號(hào)功率是60mW，在1nm帶寬內(nèi)的輸出噪聲功率增大到20W，計(jì)算光放大器的噪聲指數(shù)。解：光放大器的輸入信噪比為輸出信噪比為所以噪聲指數(shù)為

因此，雖然光放大器使輸出信噪比下降了，但是同時(shí)也使輸出功率增加了，所以我們可以容忍輸出SNR的下降。

§6-3EDFA的特性2/4/2023一、EDFA在光纖通信系統(tǒng)中的應(yīng)用

EDFA在光纖通信系統(tǒng)中的主要應(yīng)用是延長(zhǎng)中繼距離，當(dāng)它與波分復(fù)用技術(shù)、光孤子技術(shù)結(jié)合時(shí)，可實(shí)現(xiàn)超大容量、超長(zhǎng)距離的傳輸，其主要應(yīng)用有以下四種形式：1.前置放大器—提高光接收機(jī)的靈敏度增益、噪聲是主要參數(shù)，要求很苛刻?！?-4EDFA在光纖通信系統(tǒng)中的應(yīng)用以及大功率化2/4/2023要求：高增益（不是功率）；低噪聲。作前置放大器時(shí)，使接收機(jī)靈敏度提高10~20dB。

用途：放大一個(gè)長(zhǎng)距離傳輸后的微弱光信號(hào)。前置放大器的另一個(gè)重要特性參數(shù)是它的靈敏度，即EDFA能處理的光輸入信號(hào)的最小功率。前置放大器能運(yùn)行在-40dBm（0.1uW）的輸入功率條件下。(相干光通信的靈敏度水平)2.功率放大器—延長(zhǎng)輸出距離§6-4EDFA在光纖通信系統(tǒng)中的應(yīng)用以及大功率化2/4/2023飽和輸出功率是主要參數(shù)。

用來(lái)提高光發(fā)射機(jī)的輸出功率，增加入纖功率，延長(zhǎng)傳輸距離。應(yīng)具有較高的飽和輸出功率。3.線路/在線放大器—補(bǔ)償線路損耗§6-4EDFA在光纖通信系統(tǒng)中的應(yīng)用以及大功率化2/4/2023要求：

與前兩種比較，應(yīng)有中等的增益；中等的噪聲；中等的飽和輸出功率。這是EDFA在光纖通信系統(tǒng)中的一種重要應(yīng)用，它可替代傳統(tǒng)的O/E/O中繼器，對(duì)線路中的光信號(hào)直接進(jìn)行放大，是實(shí)現(xiàn)全光通信的重要保障之一。4.局域網(wǎng)的功率放大器—增加網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)數(shù)§6-4EDFA在光纖通信系統(tǒng)中的應(yīng)用以及大功率化2/4/2023

局域網(wǎng)的功率放大器補(bǔ)償分配損耗，增加網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)數(shù)。5.功率、在線、前置放大器的組合光發(fā)射機(jī)+功率放大器+前置放大器+光接收機(jī)光發(fā)射機(jī)+功率放大器+線路放大器+光接收機(jī)光發(fā)射機(jī)+線路放大器+前置放大器+光接收機(jī)光發(fā)射機(jī)+功率放大器+線路放大器+前置放大器+光接收機(jī)§6-4EDFA在光纖通信系統(tǒng)中的應(yīng)用以及大功率化2/4/2023二、EDFA的大功率化

WDM系統(tǒng)要求EDFA具有足夠高的輸出功率，以保證各信道獲得足夠的光功率。方法：多級(jí)泵浦§6-4EDFA在光纖通信系統(tǒng)中的應(yīng)用以及大功率化221916輸出功率（dBm）154015702/4/2023雙包層結(jié)構(gòu)的EDF=0.7%=1.3%纖芯內(nèi)包層外包層用于制作大功率EDFA的雙包層光纖結(jié)構(gòu)圖芯層：5m內(nèi)包層：50m芯層(摻鉺)：傳播信號(hào)光內(nèi)包層：傳播泵浦光雙包層光纖是實(shí)現(xiàn)EDFA的重要技術(shù)，信號(hào)光在中心的纖芯里以單模傳播，而泵浦光則在內(nèi)包層中以多模傳輸?！?-4EDFA在光纖通信系統(tǒng)中的應(yīng)用以及大功率化2/4/2023三、EDFA的寬帶化

§6-4EDFA在光纖通信系統(tǒng)中的應(yīng)用以及大功率化2/4/2023§6-4EDFA在光纖通信系統(tǒng)中的應(yīng)用以及大功率化2/4/2023長(zhǎng)波段（L-band）摻鉺光纖放大器：

L波段的造價(jià)高，原因是：低反轉(zhuǎn)水平，需長(zhǎng)摻鉺光纖，強(qiáng)泵浦，此波段其它光器件價(jià)格較高?！?-4EDFA在光纖通信系統(tǒng)中的應(yīng)用以及大功率化2/4/2023四、EDFA在級(jí)聯(lián)中可能出現(xiàn)的問(wèn)題及解決辦法

EDFA的引入一方面使系統(tǒng)的中繼距離加大，節(jié)省設(shè)備成本；另一方面也產(chǎn)生了一些新的問(wèn)題，如非線性、高的輸出功率（增益鉗制）、噪聲積累和增益均衡等，并且對(duì)高速線路系統(tǒng)構(gòu)成影響。1.噪聲積累第一級(jí)EDFA對(duì)信號(hào)進(jìn)行放大的同時(shí)，產(chǎn)生放大的自發(fā)輻射噪聲ASE（前向與后向），此時(shí)ASE與放大信號(hào)一同沿光纖傳輸，會(huì)被第二級(jí)、第三級(jí)···EDFA放大，同時(shí)，第二級(jí)、第三級(jí)···EDFA也將產(chǎn)生自己的ASE噪聲，并且不斷積累，放大累積的噪聲以?xún)煞N方式影響系統(tǒng)性能：§6-4EDFA在光纖通信系統(tǒng)中的應(yīng)用以及大功率化2/4/2023放大累計(jì)的ASE被接收機(jī)接收，影響系統(tǒng)的性能（誤碼率、靈敏度等）；當(dāng)ASE幅度增加到一定程度時(shí)，它開(kāi)始使光放大器飽和并減小信號(hào)增益。當(dāng)K個(gè)EDFA級(jí)聯(lián)時(shí)，考慮ASE影響的有效噪聲系數(shù)：解決辦法：濾波器濾除；§6-4EDFA在光纖通信系統(tǒng)中的應(yīng)用以及大功率化2/4/2023噪聲積累到一定程度后，插入一個(gè)O/E/O中繼器，使含有累積噪聲的輸出信號(hào)由相關(guān)電路（經(jīng)門(mén)限電路判決）去掉該噪聲。2.增益均衡（增益平坦化）

EDFA對(duì)不同波長(zhǎng)光信號(hào)的放大增益不同，從而在EDFA多級(jí)串聯(lián)后，使不同波長(zhǎng)的光增益相差很大（貧富差距拉大），這就限制了WDM系統(tǒng)中使用的信道數(shù)量?！?-4EDFA在光纖通信系統(tǒng)中的應(yīng)用以及大功率化2/4/2023§6-4EDFA在光纖通信系統(tǒng)中的應(yīng)用以及大功率化EDFA級(jí)聯(lián)特性：信道間增益競(jìng)爭(zhēng)，多級(jí)級(jí)連使用導(dǎo)致“尖峰效應(yīng)”。2/4/202315441569典型的EDFA增益譜固有的增益不平坦，增益差隨級(jí)聯(lián)放大而積累增大各信道的信噪比差別增大各信道的接收靈敏度不同!!!增益譜的形狀隨信號(hào)功率而變，在有信道上、下的動(dòng)態(tài)情況下，失衡情況更加嚴(yán)重?！?-4EDFA在光纖通信系統(tǒng)中的應(yīng)用以及大功率化2/4/2023BER接收光功率光功率波長(zhǎng)光功率波長(zhǎng)光發(fā)射機(jī)光發(fā)射機(jī)光發(fā)射機(jī)光發(fā)射機(jī)N

123光接收機(jī)光接收機(jī)光接收機(jī)光接收機(jī)EDFA1N

32§6-4EDFA在光纖通信系統(tǒng)中的應(yīng)用以及大功率化2/4/2023光放大的增益平坦化技術(shù)：（1）插入衰減器法

使EDFA輸出的光信號(hào)經(jīng)波分復(fù)用后變成獨(dú)立波長(zhǎng)的光信號(hào)，使增益大的波長(zhǎng)對(duì)應(yīng)大的衰減值，從而實(shí)現(xiàn)各波長(zhǎng)的增益均衡