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5.1 掺铒光纤放大器5.2 喇曼光纤放大器,第 5 章 光通信中的光放大器,返回主目录,光放大器分类： 光放大器有半导体光放大器和光纤放大器两种类型 • 半导体光放大器：放大媒质为半导体晶体材料构成的正向偏压的PN结优点：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，器件与光纤的耦合损耗大•光纤放大器：放大媒质为光纤或掺稀土元素的光纤光纤放大器的性能与光偏振方向无关，器件与光纤的耦合损耗很小， 因而得到广泛应用 根据放大机制不同光纤放大器分为两类：掺铒光纤放大器(EDFA：Erbium Doped Fiber Amplifier)喇曼光纤放大器（ RFA ：Raman Fiber Amplifier),光纤放大器的实质是： 把工作物质制作成光纤形状的固体激光器，所以也称为光纤激光器 20世纪80年代末期，波长为1.55 μm的掺铒(Er)光纤放大器(EDFA： Erbium Doped Fiber Amplifier)研制成功并投入实用，把光纤通信技术水平推向一个新高度，成为光纤通信发展史上一个重要的里程碑。

5.1.1 掺铒光纤放大器工作原理 图7.1示出掺铒光纤放大器(EDFA)的工作原理，说明了光信号放大的原因 从图7.1(a)可以看到，在掺铒光纤(EDF)中，铒离子(Er3+)有三个能级： • 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,当泵浦(Pump, 抽运)光的光子能量等于能级3和能级1的能量差时，铒离子吸收0.98μm波长泵浦光子能量从基态跃迁到激发态(1→3) 但是激发态是不稳定的，Er3+很快通过非辐射跃迁返回到能级2亚稳态上的粒子数积累，从而在亚稳态和基态之间形成粒子数反转分布 输入的1.55 μm波段信号光的光子能量等于能级2和能级1的能量差，则处于能级2的Er3+将跃迁到基态(2→1)，产生受激辐射光，因而信号光得到放大由此可见，这种放大是由于泵浦光的能量转换为信号光的结果EDFA中的泵浦光源为信号光的放大提供了足够的能量，它使处于低能级的Er3+被提高到高能级上，使掺铒光纤达到粒子数反转分布。

图 7.1掺铒光纤放大器的工作原理 (a) 硅光纤中铒离子的能级图； (b) EDFA的吸收和增益频谱,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，图7.1(b)示出EDFA增益和吸收频谱图7.2(a)示出输出信号光功率和输入泵浦光功率的关系， 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60 mW时，吸收效率［(信号输入光功率-信号输出光功率)/泵浦光功率］为88%图7.2(b)是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6mW时，增益系数为6.3dB/mW图7.2掺铒光纤放大器的特性(a) 输出信号光功率与泵浦光功率的关系； (b) 小信号增益与泵浦光功率的关系,5.1.2 掺铒光纤放大器的构成 图7.3(a)为光纤放大器构成原理图，图7.3(b)为实用光纤放大器构成方框图图7.3(a) 光纤放大器构成原理图,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,输入信号,光隔离器,波分复用器,,,,泵浦,掺铒光纤,光隔离器,输出信号,图7.3(a),,,,,掺铒光纤放大器的构成和各部分作用1.掺铒光纤：提供放大。

设计高增益掺铒光纤(EDF)是实现光纤放大器的技术关键， EDF的增益取决于Er3+的浓度、光纤长度和直径以及泵浦光功率等多种因素，通常由实验获得最佳增益2.泵浦光源：提供足够强的泵浦功率基本要求是大功率和长寿命波长为1480 μm的InGaAsP多量子阱(MQW)激光器， 输出光功率高达100 mW, 泵浦光转换为信号光效率在6 dB/mW以上3.波分复用器：将泵浦光与信号光耦合在一起输入到掺铒光纤中基本要求是插入损耗小熔拉双锥光纤耦合器型和干涉滤波型波分复用器最适用4.光隔离器：保证光单向传输，以防 由于光反射 形成光振荡以及反馈光信号引起激光器工作状态的紊乱 基本要求：插入损耗小，反射损耗大掺铒光纤(EDF)和高功率泵浦光源是关键器件波长为980 nm的泵浦光转换效率更高，达10 dB/mW， 而且噪声较低，是未来发展的方向5.1.3 EDFA的基本性能 EDFA在增益、输出功率和噪声这三方面特性1、增益特性 增益特性表示了光放大器的放大能力，定义为输出功率与输入功率之比，EDFA的增益大小与多种因素有关，一般为15dB~40dB1）小信号输入时的增益大于大信号输入时的增益。

2）增益与掺铒光纤长度的关系 开始时增益随掺铒光纤长度的增加而上升但光纤超过一定长度后，增益反而逐渐下降 因此存在一个获得最佳增益的掺铒光纤长度，这一长度只能是最大增益长度，而不是最佳长度，最佳长度还涉及噪声特性等一般最佳长度在几十米到一二百米3）信号增益与泵浦光功率Pp 的关系 人们还关心掺铒光纤放大器的增益是以多大的泵浦光功率换来的，衡量这方面特性的参数是增益效率，最大增益效率是放大器最高增益与其对应泵浦光功率的比值，它指出放大器的泵浦效率 若定义增益系数（以dB为单位）为零时的泵浦光功率为泵浦阈值功率Pth ,则当 Pp / Pth 大于3时放大器增益出现饱和，即泵浦功率增加很多，而增益基本保持不变 此时放大器的增益效率将随泵浦功率增加而下降2、 输出功率特性 当输入功率增加时，受激辐射加快，以至于减弱了粒子反转分布的程度，使受激辐射光减弱，输出功率趋于饱和 EDFA的最大输出功率常用3dB 饱和输出功率表示 3dB 饱和输出功率指当饱和增益下降3dB时所对应的输出功率。

该参数反映了EDFA的最大功率输出能力图7.4是EDFA商品的特性曲线，图中显示出增益、 噪声指数和输出信号光功率与输入信号光功率的关系 在泵浦光功率一定的条件下，当输入信号光功率较小时，放大器增益不随输入信号光功率而变化，基本上保持不变 当信号光功率增加到一定值(一般为-20 dBm)后，增益开始随信号光功率的增加而下降， 因此出现输出信号光功率达到饱和的现象3、噪声特性EDFA 输出光中的噪声主要有四种信号光的散粒噪声被放大的自发辐射光的散粒噪声 自发辐射光谱与信号光之间的差拍噪声 自发辐射光谱之间的差拍噪声第三种影响最大噪声系数：EDFA输入信噪比与输出信噪比的比值(dB)特性：（1）在输入小信号情况下，光放大器的噪声系数 随着输入信号光功率的增大而略有减小，而EDFA 处于饱和状态时噪声系数随信号功率增大而增大2）噪声系数随泵浦功率的增大而减小5.1.4 掺铒光纤放大器的优点和应用 EDFA的主要优点有： • 工作波长正好落在光纤通信最佳波段(1500～1600 nm)； 其主体是一段光纤(EDF)，与传输光纤的耦合损耗很小， 可达0.1 dB。

• 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 • 噪声指数小， 一般为4～7 dB； 用于多信道传输时， 隔离度大，无串扰，适用于波分复用系统 • 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如果加上1310 nm掺镨光纤放大器(PDFA)，频带可以增加一倍 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 副载波CATV系统，WDM或OFDM系统，相干光系统以及光孤子通信系统，都应用了EDFA，并大幅度增加了传输距离EDFA的应用， 归纳起来可以分为三种形式， 如图7.5所示•中继放大器 （LA：Line Amplifier）在光纤线路上每隔一定的距离设置一个光纤放大器，以延长干线网的传输距离 •前置放大器 （PA：Preamplifier) 置于光接收机的前面，放大非常微弱的光信号，以改善接收灵敏度。

作为前置放大器，对噪声要求非常苛刻 •后置放大器 （BA： Booster Amplifier) 置于光发射机的后面，以提高发射机功率对后置放大器噪声要求不高，而饱和输出光功率是主要参数5.2 喇曼光纤放大器 人们对喇曼光纤放大器(RFA)的兴趣来源于这种放大器可以提供整个光纤波长波段的放大，通过适当改变泵浦激光光波波长可达到任意波段进行光放大的宽带放大器5.2.1 RFA的工作原理RFA的工作原理建立在喇曼散射的基础上 喇曼散射：指入射泵浦光子通过光纤的非线性散射转移部分能量，产生低频斯托克斯光子，而剩余的能量被介质以分子振动（光学声）的形式吸收，完成振动态之间的跃迁斯托克斯频移 ( 这里 是泵浦光的频率， 是信号光的频率），由分子振动能级决定，其值决定了受激喇曼散射的频率范围 如图所示，泵浦光子经过分子的散射作用成为另一个低频斯托克斯光子，同时其余能量转移给声子，分子完成了振动态之间的跃迁对非晶态石英光纤，其分子振动能级集合在一起，形成一条能带，因而可以在较宽的频差范围通过受激喇曼散射实现信号光的放大。

如果一强泵浦光波和一个弱信号光波同时在一根光纤中传输，而弱信号光波的波长在强泵浦光波的喇曼增益带宽内，基于受激喇曼散射原理，弱信号光波就会得到放大5.2.2 RFA的基本性能喇曼光纤放大器具有许多优点 ：①增益介质为普通传输光纤，与光纤具有良好的兼容性②增益波长由泵浦光波长决定，不受其它因素的限制，理论上只要泵浦源的波长适当，就可以放大任意波长的信号光③增益高，串扰小，噪声系数低，频谱范围宽，温度稳定性好基本性能 ：（1）增益特性 当泵浦功率增加的时候，喇曼增益也上升当增益上升到一定程度后，由于泵浦功率的消耗导致增益的下降，产生饱和增益喇曼放大器中一般当信号功率达到十几到几十毫瓦时才出现较明显的饱和，因此其受增益饱和的影响较小，这也是喇曼放大器的优点之一2）噪声特性 喇曼放大器的噪声主要是被放大的自发喇曼散射噪声(ASE) 、串话噪声、瑞利散射噪声和非线性受激布里渊散射噪声① ASE噪声是覆盖整个喇曼增益谱的背景噪声 泵浦光越大ASE噪声越大； 接收端的光滤波器带宽越窄， ASE噪声功率越小② 信号功率越大串话越严重 泵浦功率越大串话越严重 泵浦光到信号光转化效率越高串话越严重③瑞利散射噪声是由于瑞利后向散射引起的放大器增益越高，传输线越长，则瑞利散射噪声越大。

5.2.3 喇曼放大器的应用① 分立式放大器 将喇曼放大器与传输线路分开，作为独立元件，要求有较高的增益，一般采用高掺锗、低损耗、小有效面积的光纤作为增益介质② 分布式放大器 以传输光纤作为增益介质的放大器，由于其优良特性，应用范围远超过分立式放大器。