光纖通信課件：第6章 光放大器

第6章光放大器一般概念摻鉺光纖放大器 半導(dǎo)體光放大器 光纖拉曼放大器光放大器應(yīng)用1《光纖通信》（第3版）原榮編著再生中繼器的缺點(diǎn)任何光纖通信系統(tǒng)的傳輸距離都受光纖損耗或色散限制；因此，傳統(tǒng)的長(zhǎng)途光纖傳輸系統(tǒng)，需要每隔一定的距離，就增加一個(gè)再生中繼器，以便保證信號(hào)的質(zhì)量。這種再生中繼器的基本功能是進(jìn)行光-電-光轉(zhuǎn)換，并在光信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)時(shí)進(jìn)行再生、整形和定時(shí)處理，恢復(fù)信號(hào)形狀和幅度，然后再轉(zhuǎn)換回光信號(hào)，沿光纖線(xiàn)路繼續(xù)傳輸。這種方式有許多缺點(diǎn)。首先，通信設(shè)備復(fù)雜，系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性不高，特別是在多信道光纖通信系統(tǒng)中更為突出，因?yàn)槊總€(gè)信道均需要進(jìn)行波分解復(fù)用，然后光-電-光變換，經(jīng)波分復(fù)用后，再送回光纖信道傳輸，所需設(shè)備更復(fù)雜，費(fèi)用更昂貴。其次，傳輸容量受到一定的限制。2《光纖通信》（第3版）原榮編著WDM光-電-光轉(zhuǎn)換再生中繼器結(jié)構(gòu)通信設(shè)備復(fù)雜，系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性不高，傳輸容量受到一定的限制。3《光纖通信》（第3版）原榮編著光放大器出現(xiàn)多年來(lái)，人們一直在探索能否去掉上述光-電-光轉(zhuǎn)換過(guò)程，直接在光路上對(duì)信號(hào)進(jìn)行放大，然后再傳輸，即用一個(gè)全光傳輸中繼器代替目前的這種光-電-光再生中繼器。經(jīng)過(guò)多年的努力，科學(xué)家們已經(jīng)發(fā)明了幾種光放大器，其中摻鉺光纖放大器（EDFA）、分布光纖拉曼放大器（DRA）和半導(dǎo)體光放大器（SOA）技術(shù)已經(jīng)成熟，眾多公司已有商品出售。本章對(duì)這幾種放大器進(jìn)行簡(jiǎn)要的介紹。4《光纖通信》（第3版）原榮編著6.1一般概念6.1.1增益頻譜和帶寬6.1.2增益飽和6.1.3放大器噪聲6.1.4光放大器應(yīng)用5《光纖通信》（第3版）原榮編著6.1一般概念光放大器通過(guò)受激發(fā)射放大入射光信號(hào)，其機(jī)理與激光器的相同。的確，光放大器只是一個(gè)沒(méi)有反饋的激光器，其核心是當(dāng)放大器被光或電泵浦時(shí)，使粒子數(shù)反轉(zhuǎn)獲得光增益。該增益通常不僅與入射信號(hào)的頻率（或波長(zhǎng)）有關(guān)，而且與放大器內(nèi)任一點(diǎn)的局部光強(qiáng)有關(guān)；該頻率和光強(qiáng)與光增益的關(guān)系又取決于放大器介質(zhì)。

6《光纖通信》（第3版）原榮編著行波光放大器是一個(gè)沒(méi)有反饋的激光器。其核心是當(dāng)放大器被光或電泵浦時(shí)，使粒子數(shù)反轉(zhuǎn)獲得光增益。行波半導(dǎo)體光放大器7《光纖通信》（第3版）原榮編著圖6.1.1（b）光放大器增益分布曲線(xiàn)和相應(yīng)的放大器增益頻譜曲線(xiàn)增益系數(shù)：

該式表示當(dāng)入射光頻與原子躍遷頻率相同時(shí)增益最大。時(shí)增益的減小由洛倫茲（Lorentzian）分布曲線(xiàn)描述

放大倍數(shù)：

8《光纖通信》（第3版）原榮編著6.1.1增益頻譜和帶寬對(duì)于洛倫茲頻譜曲線(xiàn)，增益帶寬與的關(guān)系是：

放大器帶寬定義為曲線(xiàn)半最大值的全寬（FWHM），它與增益帶寬的關(guān)系是：9《光纖通信》（第3版）原榮編著圖6.1.2飽和放大器增益

與輸出功率的關(guān)系G0為不飽和放大器增益10《光纖通信》（第3版）原榮編著6.1.3放大器噪聲與電子放大器類(lèi)似，用放大器噪聲指數(shù)Fn來(lái)量度SNR下降的程度，并定義為：得出放大后信號(hào)的SNR該式表示，即使對(duì)于理想的放大器放大后信號(hào)的

SNR也要比輸入信號(hào)的

SNR降低3dB。

11《光纖通信》（第3版）原榮編著用光放大器取代光-電-光中繼器，作為在線(xiàn)放大器使用。插在光發(fā)射機(jī)之后，來(lái)增強(qiáng)光發(fā)射機(jī)功率，作為功率放大器，可增加傳輸距離（10~100）km。在接收機(jī)之前，插入一個(gè)光放大器，對(duì)微弱光信號(hào)進(jìn)行預(yù)放大，提高接收機(jī)靈敏度，這樣的放大器稱(chēng)為前置放大器，也可以用來(lái)增加傳輸距離。補(bǔ)償局域網(wǎng)（LAN）的分配損耗。6.1.3光放大器應(yīng)用12《光纖通信》（第3版）原榮編著6.2半導(dǎo)體光放大器6.2.1放大器設(shè)計(jì)6.2.2行波光放大器特性6.2.3半導(dǎo)體光放大器的應(yīng)用13《光纖通信》（第3版）原榮編著半導(dǎo)體光放大器外形14《光纖通信》（第3版）原榮編著半導(dǎo)體

光放大器的

機(jī)理半導(dǎo)體光放大器的機(jī)理與激光器的相同，即通過(guò)受激發(fā)射放大入射光信號(hào)。光放大器只是一個(gè)沒(méi)有反饋的激光器，其核心是當(dāng)放大器被光或電泵浦時(shí)，使粒子數(shù)反轉(zhuǎn)獲得光增益。該增益通常不僅與入射信號(hào)的頻率（或波長(zhǎng)）有關(guān)，而且與放大器內(nèi)任一點(diǎn)的局部光強(qiáng)有關(guān)，該頻率和光強(qiáng)與光增益的關(guān)系又取決于放大器介質(zhì)。15《光纖通信》（第3版）原榮編著6.2半導(dǎo)體光放大器對(duì)于半導(dǎo)體光放大器(SOA)的研究，早在1962年發(fā)明半導(dǎo)體激光器不久就已開(kāi)始了。然而，只有在上世紀(jì)80年代，在認(rèn)識(shí)到它將在光波系統(tǒng)中具有廣泛應(yīng)用前景的驅(qū)使下，才對(duì)SOA進(jìn)行了廣泛的研究和開(kāi)發(fā)。16《光纖通信》（第3版）原榮編著行波光放大器是一個(gè)沒(méi)有反饋的激光器。其核心是當(dāng)放大器被光或電泵浦時(shí)，使粒子數(shù)反轉(zhuǎn)獲得光增益。行波半導(dǎo)體光放大器17《光纖通信》（第3版）原榮編著半導(dǎo)體激光器由于在解理面存在反射，當(dāng)偏流低于閾值時(shí)是放大器。減小腔體界面反射，可使激光器變?yōu)榉糯笃?。這種放大器就稱(chēng)為F-P放大器。F-PSOA的結(jié)構(gòu)和原理18《光纖通信》（第3版）原榮編著F-P諧振腔反射率R越大，SOA的增益越大。但是，當(dāng)R超過(guò)一定值后，光放大器將變?yōu)榧す馄鳌．?dāng)GsR

=1時(shí)，式（6.2.2）將變?yōu)闊o(wú)限大，此時(shí)，SOA產(chǎn)生激光發(fā)射。不同反射率時(shí)的F-PSOA的增益頻譜

19《光纖通信》（第3版）原榮編著20《光纖通信》（第3版）原榮編著21《光纖通信》（第3版）原榮編著角度解理面或有源區(qū)傾斜結(jié)構(gòu)。在解理面處的反射光束，因角度解理面的緣故已與前向光束分開(kāi)。在大多數(shù)情況下，使用抗反射膜和有源區(qū)傾斜，可以使反射率小于<0.1%）圖6.2.3減小反射率的方法22《光纖通信》（第3版）原榮編著有源區(qū)端面和解理面之間插入透明窗口區(qū)。光束在到達(dá)半導(dǎo)體和空氣界面前，在該窗口區(qū)已發(fā)散，經(jīng)界面反射的光束進(jìn)一步發(fā)散，只有極小部分光耦合進(jìn)薄的有源層。圖6.2.3減小反射率的方法23《光纖通信》（第3版）原榮編著半導(dǎo)體激光放大器（SOA）特性增益：芯片3035dB,除810dB的耦合損耗外，還有2225dB的增益。帶寬很寬，可以對(duì)窄至幾個(gè)ps

的超窄光脈沖進(jìn)行放大。可與光發(fā)射機(jī)和接收機(jī)一起單片集成在一起。24《光纖通信》（第3版）原榮編著圖6.2.3半導(dǎo)體光放大器帶寬和增益頻譜曲線(xiàn)(a)法布里-玻羅放大器(F-PA)和行波放大器(TWA)的帶寬比較(b)行波光放大器的增益與波長(zhǎng)的關(guān)系25《光纖通信》（第3版）原榮編著圖6.2.4用來(lái)減小偏振態(tài)對(duì)半導(dǎo)體光放大器增益影響的三種結(jié)構(gòu)26《光纖通信》（第3版）原榮編著圖6.2.4用來(lái)減小偏振態(tài)對(duì)半導(dǎo)體光放大器增益影響的三種結(jié)構(gòu)信號(hào)通過(guò)同一個(gè)放大器兩次，但是兩次間的極化旋轉(zhuǎn)了，使得總增益與偏振態(tài)無(wú)關(guān)27《光纖通信》（第3版）原榮編著波長(zhǎng)可調(diào)激光器+光放大

+調(diào)制器集成化器件28《光纖通信》（第3版）原榮編著6.2.3半導(dǎo)體光放大器的應(yīng)用SOA存在增益受偏振影響、信道交叉串?dāng)_以及耦合損耗較大等缺點(diǎn)，所以不能作為在線(xiàn)放大器使用。SOA可以在1.3m光纖系統(tǒng)中作為光放大使用，因?yàn)橐话愕腅DFA不能在該窗口使用。SOA芯片具有高達(dá)30~35dB的增益，除輸入和輸出端存在總共8~10dB的耦合損耗外，還有22~25dB的增益。另外行波半導(dǎo)體光放大器具有很寬的帶寬，可以對(duì)窄至幾個(gè)ps的超窄光脈沖進(jìn)行放大。在DWDM光纖通信中，可作為波長(zhǎng)路由器中的波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換和快速交換器件使用。在OTDM中，也可以用作時(shí)鐘恢復(fù)和解復(fù)用器的非線(xiàn)性器件。29《光纖通信》（第3版）原榮編著6.3光纖拉曼放大器6.3.1分布式拉曼放大器的工作原理和特性6.3.2拉曼放大器對(duì)系統(tǒng)性能的影響6.3.3拉曼放大技術(shù)應(yīng)用30《光纖通信》（第3版）原榮編著6.3光纖拉曼放大器EDFA只能工作在1530~1564nm之間的C波段；光纖拉曼放大器可用于全波光纖工作窗口。因?yàn)榉植际嚼糯笃鞯脑鲆骖l譜只由泵浦波長(zhǎng)決定，而與摻雜物的能級(jí)電平無(wú)關(guān)，所以只要泵浦波長(zhǎng)適當(dāng)，就可以在任意波長(zhǎng)獲得信號(hào)光的增益光纖拉曼放大器已成功地應(yīng)用于DWDM系統(tǒng)和無(wú)中繼海底光纜系統(tǒng)中。31《光纖通信》（第3版）原榮編著DRA工作原理增益介質(zhì)：系統(tǒng)傳輸光纖。工作原理：基于非線(xiàn)性光學(xué)效應(yīng)。如果一個(gè)弱信號(hào)光與一個(gè)強(qiáng)泵浦光同時(shí)在一根光纖中傳輸，并且弱信號(hào)光的波長(zhǎng)在泵浦光的喇曼增益帶寬內(nèi)，則強(qiáng)泵浦光的能量,通過(guò)受激喇曼散射,耦合到光纖硅材料的振蕩模中，然后又以較長(zhǎng)的波長(zhǎng)發(fā)射，該波長(zhǎng)就是信號(hào)光的波長(zhǎng)，從而使弱信號(hào)光得到放大，獲得喇曼增益。32《光纖通信》（第3版）原榮編著6.3.1分布式拉曼放大器（DRA）的工作原理和特性與EDFA利用摻鉺光纖作為它的增益介質(zhì)不同，分布式拉曼放大器（DRA）利用系統(tǒng)中的傳輸光纖作為它的增益介質(zhì)。光纖拉曼放大器（FRA）是基于非線(xiàn)性光學(xué)效應(yīng)的原理，它利用強(qiáng)泵浦光束通過(guò)光纖傳輸時(shí)產(chǎn)生受激拉曼散射，一個(gè)較高能量（較短波長(zhǎng)）的入射泵浦光子產(chǎn)生一個(gè)較低能量（較長(zhǎng)波長(zhǎng)）的光子，剩余的能量以分子振蕩的形式（光聲子）被介質(zhì)吸收。33《光纖通信》（第3版）原榮編著如果一個(gè)弱信號(hào)光與一個(gè)強(qiáng)泵浦光同時(shí)在一根光纖中傳輸，并且弱信號(hào)光的波長(zhǎng)在泵浦光的拉曼增益帶寬內(nèi)，則強(qiáng)泵浦光的能量通過(guò)受激拉曼散射耦合到光纖硅材料的振蕩模中，然后又以較長(zhǎng)的波長(zhǎng)發(fā)射，該波長(zhǎng)就是信號(hào)光的波長(zhǎng)，從而使弱信號(hào)光得到放大，獲得拉曼增益。6.3.1分布式拉曼放大器的工作原理和特性34《光纖通信》（第3版）原榮編著6.3.3喇曼放大技術(shù)應(yīng)用分布式喇曼放大器不但能夠工作在EDFA常使用到的C波段（1530~1564nm）而且也能工作在波長(zhǎng)較短的S波段（1350~1450nm）和較長(zhǎng)的L波段（1564~1620nm），完全滿(mǎn)足全波光纖對(duì)工作窗口的要求。35《光纖通信》（第3版）原榮編著受激拉曼散射

(SRS)本質(zhì)上

與受激光發(fā)射(SOA)不同在受激發(fā)射中，入射光子激發(fā)另一個(gè)相同的光子發(fā)射而沒(méi)有損失它自己的能量；但在SRS中，入射泵浦光子放棄了它自己的能量，產(chǎn)生了另一個(gè)較低能量（較低頻率）的光子。與SOA電泵浦不同，SRS必須光泵浦，也不要求粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。事實(shí)上，SRS是一種非諧振非線(xiàn)性現(xiàn)象，它不要求粒子數(shù)在能級(jí)間轉(zhuǎn)移。36《光纖通信》（第3版）原榮編著圖6.3.1光纖分布式拉曼放大器分布式拉曼放大器（DRA）采用強(qiáng)泵浦光對(duì)傳輸光纖進(jìn)行泵浦，可以采用前向泵浦，也可以采用后向泵浦；因后向泵浦減小了泵浦光和信號(hào)光相互作用的長(zhǎng)度，從而也就減小了泵浦噪聲對(duì)信號(hào)的影響，所以通常采用后向泵浦。37《光纖通信》（第3版）原榮編著圖6.3.3小信號(hào)光在長(zhǎng)光纖內(nèi)的喇曼增益泵浦功率為200mW時(shí)，最大增益值為7.78dB泵浦功率為100mW時(shí)，最大增益值為3.6dB。在增益峰值附近的增益帶寬約為7~8THz。38《光纖通信》（第3版）原榮編著圖6.3.2測(cè)量到的拉曼增益系數(shù)頻譜增益帶寬可以達(dá)到約8THz，光纖拉曼放大器相當(dāng)大的帶寬使它們?cè)诠饫w通信應(yīng)用中具有極大的吸引力。圖6.3.3小信號(hào)光在長(zhǎng)光纖內(nèi)的拉曼增益信號(hào)光和泵浦光的頻率差為13.2THz時(shí)，拉曼增益達(dá)到最大，該頻率差對(duì)應(yīng)于信號(hào)光比泵浦光的波長(zhǎng)要長(zhǎng)60~100nm。此外，光信號(hào)的拉曼增益還與泵浦光的功率有關(guān)

39《光纖通信》（第3版）原榮編著圖6.3.4光纖拉曼放大器放大增益和泵浦功率的關(guān)系實(shí)驗(yàn)使用的光纖拉曼放大器長(zhǎng)1.3km，泵浦光波長(zhǎng)1.017m，信號(hào)光波長(zhǎng)1.064m。放大倍數(shù)開(kāi)始隨泵浦光指數(shù)增加，但是后來(lái)因?yàn)樵鲆骘柡停_(kāi)始偏離指數(shù)規(guī)律。由圖可見(jiàn)，1.5W的泵浦功率可以獲得30dB的增益。40《光纖通信》（第3版）原榮編著圖6.3.5拉曼增益和集中噪聲指數(shù)與波長(zhǎng)的關(guān)系表示拉曼增益和等效（集中）噪聲指數(shù)和波長(zhǎng)關(guān)系的模擬結(jié)果，模擬時(shí)所用到的參數(shù)為：信道數(shù)40個(gè)，均處于C波段（1530~1560nm），每個(gè)信道的發(fā)射功率為3dBm，用1443nm和1450nm的2個(gè)波長(zhǎng)的光泵浦，每個(gè)泵浦光的功率均為200mW。41《光纖通信》（第3版）原榮編著 可以采用前向泵浦,也可以采用后向泵浦，因后向泵浦減小了泵浦光和信號(hào)光相互作用的長(zhǎng)度，從而也就減小了泵浦噪聲對(duì)信號(hào)的影響，所以通常采用后向泵浦。光纖分布式喇曼放大器（DRA）構(gòu)成

-----后向泵浦42《光纖通信》（第3版）原榮編著6.3.2拉曼放大器對(duì)系統(tǒng)性能的影響光纖通信系統(tǒng)的性能可用Q值來(lái)衡量，Q值越大表示系統(tǒng)的信噪比越大而誤碼率越小。當(dāng)系統(tǒng)性能主要由信號(hào)和放大自發(fā)輻射（ASE）引起的自發(fā)輻射產(chǎn)生的拍頻噪聲決定時(shí)，此時(shí)Q值可用下式表示這里P是入射信號(hào)功率，F(xiàn)是放大器噪聲指數(shù)，G是放大器增益，N是光放大器數(shù)量，Be是系統(tǒng)的電帶寬，hv是常數(shù)。這里的分布式拉曼放大器，已等效為在每段傳輸光纖內(nèi)EDFA在線(xiàn)放大器之前，增加了一個(gè)分立的前置光放大器。由于EDFA+DRA系統(tǒng)的噪聲指數(shù)F比只使用EDFA的小4dB，所以EDFA+DRA系統(tǒng)的Q值要比只使用EDFA的大2dB。43《光纖通信》（第3版）原榮編著2.拉曼放大器光信噪比與噪聲指數(shù)有關(guān)的一個(gè)重要參數(shù)是光信噪比（OSNR）。用光譜分析儀對(duì)混合使用EDFA+DRA的32個(gè)波長(zhǎng)的DWDM系統(tǒng)（使用125km葉狀光纖）進(jìn)行實(shí)際測(cè)量表明，噪聲要比只用常規(guī)的EDFA的低4dB。由Q表達(dá)式可知，由于EDFA+DRA系統(tǒng)的噪聲指數(shù)F比只使用EDFA的小4dB，所以前者的Q值要比后者的大2dB。44《光纖通信》（第3版）原榮編著6.3.3拉曼放大技術(shù)應(yīng)用由于分布式拉曼放大器可利用傳輸光纖做在線(xiàn)放大，它與EDFA的組合使用，可明顯的提高長(zhǎng)距離光纖通信系統(tǒng)的增益和Q值，降低系統(tǒng)的噪聲指數(shù)，擴(kuò)大系統(tǒng)傳輸?shù)目缇?。通過(guò)選擇泵浦光波長(zhǎng)，可實(shí)現(xiàn)任意波長(zhǎng)的光放大，拉曼放大器是目前唯一能實(shí)現(xiàn)1290~1660nm光譜放大的器件。分布式拉曼放大器可使DWDM系統(tǒng)的信道間距減小，擴(kuò)大系統(tǒng)的帶寬容量。所以分布式拉曼放大器具有廣泛的應(yīng)用前景，受到人們的極大重視。45《光纖通信》（第3版）原榮編著多波長(zhǎng)泵浦增益帶寬增益波長(zhǎng)由泵浦光波長(zhǎng)決定，選擇適當(dāng)?shù)谋闷止獠ㄩL(zhǎng)，可得到任意波長(zhǎng)的信號(hào)放大分布式光纖喇曼放大器的增益頻譜是每個(gè)波長(zhǎng)的泵浦光單獨(dú)產(chǎn)生的增益頻譜疊加的結(jié)果，所以它由泵浦光波長(zhǎng)的數(shù)量和種類(lèi)決定。46《光纖通信》（第3版）原榮編著該圖表示6個(gè)泵浦波長(zhǎng)單獨(dú)泵浦時(shí)，產(chǎn)生的增益頻譜和總的增益頻譜曲線(xiàn)。由圖可見(jiàn)，當(dāng)泵浦光波長(zhǎng)逐漸向長(zhǎng)波長(zhǎng)方向移動(dòng)時(shí)，增益曲線(xiàn)峰值也逐漸向長(zhǎng)波長(zhǎng)方向移動(dòng)。多波長(zhǎng)泵浦增益頻譜47《光纖通信》（第3版）原榮編著圖6.3.7光功率在分布式拉曼放大傳輸光纖中的分布表示后向泵浦的光纖分布式拉曼放大器，32個(gè)波長(zhǎng)的DWDM信號(hào)光和2個(gè)波長(zhǎng)的泵浦光在光纖中反向傳輸時(shí)，光功率在傳輸光纖中的分布情況。由圖可見(jiàn)，在光纖的后半段，信號(hào)光功率電平已足夠低，所以不會(huì)產(chǎn)生光纖的非線(xiàn)性影響。48《光纖通信》（第3版）原榮編著6.4摻鉺光纖放大器6.4.1摻鉺光纖結(jié)構(gòu)6.4.2工作原理及其特性6.4.3摻鉺光纖放大器的優(yōu)點(diǎn)6.4.4EDFA的應(yīng)用6.4.5實(shí)用EDFA構(gòu)成49《光纖通信》（第3版）原榮編著摻鉺光纖放大器（EDFA）結(jié)構(gòu)50《光纖通信》（第3版）原榮編著6.4摻鉺光纖放大器使用鉺離子作為增益介質(zhì)的光纖放大器，稱(chēng)為摻鉺光纖放大器(EDFA)。這些離子在光纖制造過(guò)程中被摻入光纖芯中，使用泵浦光直接對(duì)光信號(hào)放大，提供光增益。雖然摻雜光纖放大器早在1964年就有研究，但是直到1985年才首次研制成功摻鉺光纖。1988年低損耗摻鉺光纖技術(shù)已相當(dāng)成熟，其性能相當(dāng)優(yōu)良，已可以提供實(shí)際使用。放大器的特性，如工作波長(zhǎng)、帶寬由摻雜劑所決定。摻鉺光纖放大器因?yàn)楣ぷ鞑ㄩL(zhǎng)在靠近光纖損耗最小的1.55m波長(zhǎng)區(qū)，它比其它光放大器更引人注意。51《光纖通信》（第3版）原榮編著6.4.1摻鉺光纖結(jié)構(gòu)52《光纖通信》（第3版）原榮編著

6.4.2EDFA工作原理及其特性在摻鉺離子的能級(jí)圖中，E1是基態(tài)，E2是中間能級(jí)，E3代表激發(fā)態(tài)。若泵浦光的光子能量等于E3與E1之差，鉺離子吸收泵浦光后，從E1升至E3。但是激活態(tài)是不穩(wěn)定的，激發(fā)到E3的鉺離子很快返回到E2。若信號(hào)光的光子能量等于E2和E1之差，則當(dāng)處于E2的鉺離子返回E1時(shí)則產(chǎn)生信號(hào)光子，這就是受激發(fā)射，結(jié)果使信號(hào)光得到放大。53《光纖通信》（第3版）原榮編著泵浦光是如何將

能量轉(zhuǎn)移給信號(hào)的為了提高放大器的增益，應(yīng)盡可能使基態(tài)鉺離子激發(fā)到激發(fā)態(tài)能級(jí)E3。從以上分析可知，能級(jí)E2和E1之差必須是需要放大信號(hào)光的光子能量，而泵浦光的光子能量也必須保證使鉺離子從基態(tài)E1躍遷到激活態(tài)E3。EDFA的增益特性與泵浦方式及其光纖摻雜劑有關(guān)?？墒褂枚喾N不同波長(zhǎng)的光來(lái)泵浦EDFA，但是0.98m和1.48m的半導(dǎo)體激光泵浦最有效。使用這兩種波長(zhǎng)的光泵浦EDFA時(shí)，只用幾毫瓦的泵浦功率就可獲得高達(dá)30~40dB的放大器增益。54《光纖通信》（第3版）原榮編著圖6.4.3摻鉺光纖放大器的工作原理（a）硅光纖中鉺離子的能級(jí)圖（b）EDFA的吸收和增益頻譜55《光纖通信》（第3版）原榮編著圖6.1.4表示輸出信號(hào)功率與泵浦功率的關(guān)系。由圖可見(jiàn)，能量從泵浦光轉(zhuǎn)換成信號(hào)光的效率很高，因此EDFA很適合作功率放大器。泵浦光功率轉(zhuǎn)換為輸出信號(hào)光功率的效率為92.6%，60mW功率泵浦時(shí)，吸收效率為88%。[(信號(hào)輸出功率信號(hào)輸入功率)/泵浦功率]圖6.4.4輸出信號(hào)功率與泵浦功率的關(guān)系56《光纖通信》（第3版）原榮編著圖6.4.5小信號(hào)增益與泵浦功率的關(guān)系57《光纖通信》（第3版）原榮編著圖6.4.6小信號(hào)增益頻譜58《光纖通信》（第3版）原榮編著圖6.4.7大信號(hào)增益頻譜59《光纖通信》（第3版）原榮編著例題6.5.1EDFA增益60《光纖通信》（第3版）原榮編著3.EDFA小信號(hào)增益EDFA的增益與鉺離子濃度、摻鉺光纖長(zhǎng)度、芯徑和泵浦功率有關(guān)當(dāng)處于激發(fā)態(tài)E3能級(jí)的離子很快返回到E2能級(jí)，產(chǎn)生的輻射是自發(fā)輻射，它對(duì)信號(hào)光放大不起作用。只有鉺離子從E2能級(jí)返回E1能級(jí)時(shí)，發(fā)生的受激發(fā)射才對(duì)信號(hào)光的放大有貢獻(xiàn)。當(dāng)忽略自發(fā)輻射和激發(fā)態(tài)吸收時(shí)，使用一個(gè)簡(jiǎn)單兩能級(jí)模型，對(duì)EDFA的原理可得到更好地理解。該模型假定三能級(jí)系統(tǒng)的激活態(tài)能級(jí)E3幾乎保持空位，因?yàn)楸闷值侥芗?jí)E3的離子數(shù)快速地轉(zhuǎn)移到能級(jí)E2。61《光纖通信》（第3版）原榮編著兩能級(jí)模型EDFA的增益與鉺離子濃度、摻鉺光纖長(zhǎng)度、芯徑和泵浦功率有關(guān)。處于激發(fā)態(tài)E3能級(jí)的離子很快返回E2能級(jí)，產(chǎn)生的輻射是自發(fā)輻射，它對(duì)信號(hào)光放大不起作用。只有鉺離子從E2能級(jí)返回E1能級(jí)時(shí)，發(fā)生的受激發(fā)射才對(duì)信號(hào)光的放大有貢獻(xiàn)。因?yàn)楸闷值侥芗?jí)E3的離子快速地轉(zhuǎn)移到能級(jí)E2，忽略自發(fā)輻射和激發(fā)態(tài)吸收時(shí)，能級(jí)E3幾乎保持空位，可使用一個(gè)簡(jiǎn)單兩能級(jí)模型，對(duì)EDFA的原理可得到更好地理解。62《光纖通信》（第3版）原榮編著對(duì)于給定的泵浦功率，放大器的最大增益對(duì)應(yīng)一個(gè)最佳光纖長(zhǎng)度，并且當(dāng)超過(guò)這個(gè)最佳值后很快降低。其原因是鉺光纖的剩余部分沒(méi)有被泵浦，反而吸收了已放大的信號(hào)。小信號(hào)增益和光纖長(zhǎng)度的關(guān)系63《光纖通信》（第3版）原榮編著

對(duì)于給定的放大器長(zhǎng)度L，放大器增益最初隨泵浦功率按指數(shù)函數(shù)增加，但是當(dāng)泵浦功率超過(guò)一定值后，增益的增加就減小小信號(hào)增益和泵浦功率的關(guān)系64《光纖通信》（第3版）原榮編著EDFA特性小結(jié)對(duì)于給定的放大器長(zhǎng)度L，放大器增益最初隨泵浦功率按指數(shù)函數(shù)增加，但是當(dāng)泵浦功率超過(guò)一定值后，增益的增加就減小。對(duì)于給定的泵浦功率，放大器的最大增益對(duì)應(yīng)一個(gè)最佳光纖長(zhǎng)度，并且當(dāng)超過(guò)這個(gè)最佳值后很快降低，其原因是鉺光纖的剩余部分沒(méi)有被泵浦，反而吸收了已放大的信號(hào)。選擇適當(dāng)?shù)腖值和PP,，獲得所需要的增益。當(dāng)用1.48m波長(zhǎng)的激光泵浦時(shí)，如泵浦功率5mW，放大器長(zhǎng)度30m，則可獲得35dB的光增益。65《光纖通信》（第3版）原榮編著4.放大器噪聲66《光纖通信》（第3版）原榮編著67《光纖通信》（第3版）原榮編著68《光纖通信》（第3版）原榮編著EDFA泵浦功率對(duì)噪聲指數(shù)的影響該圖表示泵浦功率對(duì)放大器噪聲指數(shù)影響的模擬結(jié)果。數(shù)值計(jì)算表明，強(qiáng)泵浦功率的高增益放大器可以得到接近3dB的噪聲指數(shù)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果也驗(yàn)證了這個(gè)結(jié)論。噪聲指數(shù)就像放大器增益一樣，與放大器長(zhǎng)度和泵浦功率有關(guān)。69《光纖通信》（第3版）原榮編著EDFA泵浦功率對(duì)放大器增益的影響 由圖可見(jiàn)，泵浦功率越大，放大器增益越大，允許鉺光纖也越長(zhǎng)。70《光纖通信》（第3版）原榮編著例6.4.2光放大器噪聲指數(shù)71《光纖通信》（第3版）原榮編著6.4.3摻鉺光纖放大器的優(yōu)點(diǎn)72《光纖通信》（第3版）原榮編著73《光纖通信》（第3版）原榮編著6.4.4實(shí)用EDFA構(gòu)成74《光纖通信》（第3版）原榮編著EDFA各部分作用(1)摻鉺光纖 光纖放大器的關(guān)鍵部件是具有增益放大特性的摻鉺光纖，因而使摻鉺光纖的設(shè)計(jì)最佳化是主要的技術(shù)關(guān)鍵。EDFA的增益與許多參數(shù)有關(guān)，如鉺離子濃度、放大器長(zhǎng)度、芯徑以及泵浦光功率等。(2)泵浦源 對(duì)泵浦源的基本要求是高功率和長(zhǎng)壽命。它是保證光纖放大器性能的基本因素。幾個(gè)波長(zhǎng)可有效激勵(lì)摻鉺光纖。最先使用1480nm的InGaAs

多量子阱(MQW)激光器，其輸出功率可達(dá)100mW，泵浦增益系數(shù)較高。隨后采用980nm波長(zhǎng)泵浦，效率高,噪聲低，現(xiàn)已廣泛使用。75《光纖通信》（第3版）原榮編著(3)波分復(fù)用器

其作用是使泵浦光與信號(hào)光進(jìn)行復(fù)合。對(duì)它的要求是插入損耗低，因而適用的WDM器件主要有熔融拉錐形光纖耦合器和干涉濾波器。(4)光隔離器

在輸入、輸出端插入光隔離器是為了抑制光路中的反射，從而使系統(tǒng)工作穩(wěn)定可靠、降低噪聲。對(duì)隔離器的基本要求是插入損耗低、反向隔離度大。EDFA各部分作用76《光纖通信》（第3版）原榮編著圖6.4.9放大器增益和噪聲指數(shù)

與輸入功率的關(guān)系（a）數(shù)值模擬結(jié)果增益飽和（或壓縮）特性

（b）商用產(chǎn)品的典型特性曲線(xiàn)77《光纖通信》（第3版）原榮編著6.5.2EDFA放大器級(jí)聯(lián)光放大器級(jí)聯(lián)可克服長(zhǎng)距離通信系統(tǒng)（如海底光纜系統(tǒng)）的光纖損耗，從而可省去光信號(hào)的周期性光-電-光再生。設(shè)計(jì)一個(gè)級(jí)聯(lián)在線(xiàn)放大器光波系統(tǒng)，要求考慮許多因素。最重要的是放大器噪聲、光纖色散以及光纖非線(xiàn)性。本節(jié)簡(jiǎn)要地考慮這些設(shè)計(jì)問(wèn)題。78《光纖通信》（第3版）原榮編著1.EDFA放大