第六章第六章 光放大器光放大器2021/3/101讲解：XX概述概述uu光光纤纤通通信信系系统统的的传传输输距距离离受受光光纤纤损损耗耗或或色色散散限制。限制。uu因因此此，传传统统的的长长途途光光纤纤传传输输系系统统，需需要要每每隔隔一一定定的的距距离离，就就增增加加一一个个再再生生中中继继器器，以以便便保证信号的质量。保证信号的质量。n n光放大器出现之前，光纤通信的中继器采用光放大器出现之前，光纤通信的中继器采用光电光光电光(O-E-O)变换方式。变换方式。n n光放大器（光放大器（O-O）2021/3/102讲解：XXWDM系统光电光系统光电光(O-E-O)变换方式变换方式n n通信设备复杂，系统的稳定性和可靠性不高，传输通信设备复杂，系统的稳定性和可靠性不高，传输通信设备复杂，系统的稳定性和可靠性不高，传输通信设备复杂，系统的稳定性和可靠性不高，传输容量受到一定的限制。容量受到一定的限制。容量受到一定的限制。容量受到一定的限制。n n这这这这种种种种再再再再生生生生中中中中继继继继器器器器的的的的基基基基本本本本功功功功能能能能是是是是进进进进行行行行光光光光- -电电电电- -光光光光转转转转换换换换，并并并并在在在在光光光光信信信信号号号号转转转转变变变变为为为为电电电电信信信信号号号号时时时时进进进进行行行行再再再再生生生生、整整整整形形形形和和和和定定定定时时时时处处处处理理理理，恢恢恢恢复复复复信信信信号号号号形形形形状状状状和和和和幅幅幅幅度度度度，然然然然后后后后再再再再转转转转换换换换回回回回光光光光信信信信号号号号，沿光纤线路继续传输。沿光纤线路继续传输。沿光纤线路继续传输。沿光纤线路继续传输。2021/3/103讲解：XX光放大器光放大器(O-O)n n多多多多年年年年来来来来，人人人人们们们们一一一一直直直直在在在在探探探探索索索索能能能能否否否否去去去去掉掉掉掉上上上上述述述述光光光光- -电电电电- -光光光光转转转转换换换换过过过过程程程程，直直直直接接接接在在在在光光光光路路路路上上上上对对对对信信信信号号号号进进进进行行行行放放放放大大大大，然然然然后后后后再再再再传传传传输输输输，即即即即用用用用一一一一个个个个全全全全光光光光传传传传输输输输中中中中继继继继器器器器代代代代替替替替目目目目前前前前的的的的这这这这种种种种光光光光- -电电电电- -光光光光再再再再生中继器。生中继器。生中继器。生中继器。n n经经经经过过过过多多多多年年年年的的的的努努努努力力力力，科科科科学学学学家家家家们们们们已已已已经经经经发发发发明明明明了了了了几几几几种种种种光光光光放放放放大大大大器器器器，其其其其中中中中掺掺掺掺铒铒铒铒光光光光纤纤纤纤放放放放大大大大器器器器（EDFAEDFA）、分分分分布布布布光光光光纤纤纤纤喇喇喇喇曼曼曼曼放放放放大大大大器器器器（DRADRA）和和和和半半半半导导导导体体体体光光光光放放放放大大大大器器器器（SOASOA）技技技技术术术术已已已已经成熟，众多公司已有商品出售。经成熟，众多公司已有商品出售。经成熟，众多公司已有商品出售。经成熟，众多公司已有商品出售。n n光放大器的出现，可视为光纤通信发展史上的重要光放大器的出现，可视为光纤通信发展史上的重要光放大器的出现，可视为光纤通信发展史上的重要光放大器的出现，可视为光纤通信发展史上的重要里程碑。里程碑。里程碑。里程碑。2021/3/104讲解：XX光放大器的类型光放大器的类型n n利用稀土掺杂的光纤放大器（利用稀土掺杂的光纤放大器（EDFA、PDFA）n n利用半导体制作的半导体光放大器（利用半导体制作的半导体光放大器（SOA）n n利用光纤非线性效应制作的非线性光纤放大利用光纤非线性效应制作的非线性光纤放大器（器（FRA、FBA）2021/3/105讲解：XX6.1 一般概念一般概念1.光放大器的放大倍数（增益）光放大器的放大倍数（增益）n n增益增益增益增益GG是描述光放大器对信号放大能力的参数。定是描述光放大器对信号放大能力的参数。定是描述光放大器对信号放大能力的参数。定是描述光放大器对信号放大能力的参数。定义为：义为：义为：义为：n nG与光放大器的泵浦功率、掺杂光纤的参数与光放大器的泵浦功率、掺杂光纤的参数和输入光信号有很复杂的关系。和输入光信号有很复杂的关系。2021/3/106讲解：XX输入光功率较小时，输入光功率较小时，输入光功率较小时，输入光功率较小时，GG是一常数，即输出光功率是一常数，即输出光功率是一常数，即输出光功率是一常数，即输出光功率P PS,OUTS,OUT与输入光与输入光与输入光与输入光功率功率功率功率P PS,INS,IN成正比例，此时增益成正比例，此时增益成正比例，此时增益成正比例，此时增益GG0 0 为光放大器的为光放大器的为光放大器的为光放大器的小信号增益小信号增益小信号增益小信号增益。G G0 0饱和输出功率：饱和输出功率：饱和输出功率：饱和输出功率：放大器增益降至小放大器增益降至小放大器增益降至小放大器增益降至小信号增益一半时的输出功率。信号增益一半时的输出功率。信号增益一半时的输出功率。信号增益一半时的输出功率。3dB3dBP Pout,satout,sat当当当当P PS,INS,IN增大到一定值后，增大到一定值后，增大到一定值后，增大到一定值后，光放大器的增益光放大器的增益光放大器的增益光放大器的增益GG开始开始开始开始下降。增益饱和现象。下降。增益饱和现象。下降。增益饱和现象。下降。增益饱和现象。饱和区域饱和区域饱和区域饱和区域6.1 一般概念一般概念2. 增益饱和增益饱和2021/3/107讲解：XX6.1 一般概念一般概念3. 放大器带宽放大器带宽2021/3/108讲解：XX6.1 一般概念一般概念4. 放大器噪声放大器噪声n n所有光放大器在放大过程中都会把自发辐射（或散射）所有光放大器在放大过程中都会把自发辐射（或散射）所有光放大器在放大过程中都会把自发辐射（或散射）所有光放大器在放大过程中都会把自发辐射（或散射）叠加到信号光上，导致被放大信号的信噪比（叠加到信号光上，导致被放大信号的信噪比（叠加到信号光上，导致被放大信号的信噪比（叠加到信号光上，导致被放大信号的信噪比（SNRSNR）下降，其降低程度通常下降，其降低程度通常下降，其降低程度通常下降，其降低程度通常用噪声指数用噪声指数用噪声指数用噪声指数F Fn n来表示，其定义为：来表示，其定义为：来表示，其定义为：来表示，其定义为：n n主要噪声源：主要噪声源：主要噪声源：主要噪声源：放大的自发辐射噪声（放大的自发辐射噪声（放大的自发辐射噪声（放大的自发辐射噪声（ASE Amplified ASE Amplified Spontaneous EmissionSpontaneous Emission）。）。）。）。n n它源于放大器介质中电子空穴对的自发复合。自发复合它源于放大器介质中电子空穴对的自发复合。自发复合它源于放大器介质中电子空穴对的自发复合。自发复合它源于放大器介质中电子空穴对的自发复合。自发复合导致了与光信号一起放大的光子的宽谱背景。导致了与光信号一起放大的光子的宽谱背景。导致了与光信号一起放大的光子的宽谱背景。导致了与光信号一起放大的光子的宽谱背景。2021/3/109讲解：XX光放大器的应用光放大器的应用线路放大线路放大线路放大线路放大(In-line)(In-line)：周：周：周：周期性补偿各段光纤损耗期性补偿各段光纤损耗期性补偿各段光纤损耗期性补偿各段光纤损耗功率放大功率放大功率放大功率放大(Boost)(Boost)：增加：增加：增加：增加入纤功率入纤功率入纤功率入纤功率, ,延长传输距离延长传输距离延长传输距离延长传输距离前置预放大前置预放大前置预放大前置预放大(Pre-Amplify):(Pre-Amplify):提高接收灵敏度提高接收灵敏度提高接收灵敏度提高接收灵敏度局域网的功率放大器：补偿局域网的功率放大器：补偿局域网的功率放大器：补偿局域网的功率放大器：补偿分配损耗，增大网络节点数分配损耗，增大网络节点数分配损耗，增大网络节点数分配损耗，增大网络节点数2021/3/1010讲解：XX6.2 半导体光放大器半导体光放大器SOAn n对对于于半半导导体体光光放放大大器器(SOA, Semiconductor Optical Amplifiers)的的研研究究，早早在在1962年年发发明明半导体激光器不久就已开始了。半导体激光器不久就已开始了。n n然然而而，只只有有在在上上世世纪纪80年年代代，在在认认识识到到它它将将在在光光波波系系统统中中具具有有广广泛泛应应用用前前景景的的驱驱使使下下，才对才对SOA进行了广泛的研究和开发。进行了广泛的研究和开发。2021/3/1011讲解：XX6.2 半导体光放大器半导体光放大器n n半半导导体体光光放放大大器器的的机机理理与与激激光光器器的的相相同同，即即通过通过受激发射受激发射放大入射光信号。放大入射光信号。n n光光放放大大器器只只是是一一个个没没有有反反馈馈的的激激光光器器，其其核核心心是是当当放放大大器器被被光光或或电电泵泵浦浦时时，使使粒粒子子数数反反转转获获得光增益。得光增益。RR1 1RR2 2I I半导体光放大器示意图半导体光放大器示意图半导体光放大器示意图半导体光放大器示意图2021/3/1012讲解：XX根据光放大器端面反射率和偏置条件，根据光放大器端面反射率和偏置条件，根据光放大器端面反射率和偏置条件，根据光放大器端面反射率和偏置条件，SOASOA可分为：可分为：可分为：可分为： - -行波放大器行波放大器行波放大器行波放大器( (TWTW，T Traveling raveling WWaveaveSOA)SOA) - -法布里珀罗放大器法布里珀罗放大器法布里珀罗放大器法布里珀罗放大器(FP(FPSOA)SOA)2021/3/1013讲解：XXn nF-PF-P谐振腔反谐振腔反谐振腔反谐振腔反射率射率射率射率 R R 越大，越大，越大，越大，SOASOA的增益的增益的增益的增益越大。越大。越大。越大。n n但是，当但是，当但是，当但是，当 R R 超过一定值后，超过一定值后，超过一定值后，超过一定值后，光放大器将变光放大器将变光放大器将变光放大器将变为激光器。为激光器。为激光器。为激光器。不同反射率时的不同反射率时的F-P SOA的增益频谱曲线的增益频谱曲线多峰值、带宽窄，多峰值、带宽窄，不适合通信系统应不适合通信系统应用，只可用于一些用，只可用于一些信号处理。信号处理。2021/3/1014讲解：XXu减小端面反射反馈，就可以制出减小端面反射反馈，就可以制出行波半导体光放大器行波半导体光放大器。减小反射率的一个简单方法是在界面上镀以抗反射膜减小反射率的一个简单方法是在界面上镀以抗反射膜（增透膜）。然而，对于作为行波放大器的（增透膜）。然而，对于作为行波放大器的SOA，反射，反射率必须相当小率必须相当小u当满足当满足 时，人们习惯把半导体光放大器时，人们习惯把半导体光放大器作为行波（作为行波（TW）放大器来描述其特性。）放大器来描述其特性。 2021/3/1015讲解：XXTW- SOA的特性的特性1. 增益增益光场光场限制限制因子因子2. 增益带宽增益带宽n n增益带宽宽（约为增益带宽宽（约为增益带宽宽（约为增益带宽宽（约为70nm70nm），有能力放大超窄光脉冲。），有能力放大超窄光脉冲。），有能力放大超窄光脉冲。），有能力放大超窄光脉冲。2021/3/1016讲解：XXTW- SOA的特性的特性3. 缺点缺点SOASOA对极化态非常敏感（对极化态非常敏感（对极化态非常敏感（对极化态非常敏感（增益偏振相关性增益偏振相关性增益偏振相关性增益偏振相关性）。不同极）。不同极）。不同极）。不同极化模式，具有不同的增益化模式，具有不同的增益化模式，具有不同的增益化模式，具有不同的增益GG，横电模（，横电模（，横电模（，横电模（TETE）和横磁模）和横磁模）和横磁模）和横磁模（TMTM）极化增益差可能达到）极化增益差可能达到）极化增益差可能达到）极化增益差可能达到58dB58dB起因：起因：起因：起因：由于半导体有源层的横截面呈扁长方形，对横由于半导体有源层的横截面呈扁长方形，对横由于半导体有源层的横截面呈扁长方形，对横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）向（长方形的宽边方向）和竖向（长方形的窄边方向）向（长方形的宽边方向）和竖向（长方形的窄边方向）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，的光场约束不同，光场在竖向的衍射泄漏强于横向，的光场约束不同，光场在竖向的衍射泄漏强于横向，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因而竖向的光增益弱于横向。因此光信号的偏振方向因而竖向的光增益弱于横向。因此光信号的偏振方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。取横向时的增益大，取竖向时的增益小。取横向时的增益大，取竖向时的增益小。取横向时的增益大，取竖向时的增益小。解决方法：解决方法：解决方法：解决方法：采用宽、厚可比拟的有源层设计；采用宽、厚可比拟的有源层设计；采用宽、厚可比拟的有源层设计；采用宽、厚可比拟的有源层设计；2021/3/1017讲解：XX相同结构相同结构相同结构相同结构SOASOA互相垂直并接互相垂直并接互相垂直并接互相垂直并接输入光信号往返两次通过同一输入光信号往返两次通过同一输入光信号往返两次通过同一输入光信号往返两次通过同一SOASOA，但反向通过前，采用，但反向通过前，采用，但反向通过前，采用，但反向通过前，采用法拉第旋转器使返回光旋转法拉第旋转器使返回光旋转法拉第旋转器使返回光旋转法拉第旋转器使返回光旋转90900 0相同结构相同结构相同结构相同结构SOASOA互相垂直串接互相垂直串接互相垂直串接互相垂直串接2021/3/1018讲解：XXSOA的应用的应用n n多信道放大中存在问题多信道放大中存在问题 噪声大噪声大噪声大噪声大 信道串扰信道串扰信道串扰信道串扰( (交叉增益调制交叉增益调制交叉增益调制交叉增益调制XGMXGM、四波混频、四波混频、四波混频、四波混频FWM)FWM) 增益饱和引起信号畸变增益饱和引起信号畸变增益饱和引起信号畸变增益饱和引起信号畸变n n其他应用：其他应用：n n光波长转换光波长转换光波长转换光波长转换（XGM, XPM, FWMXGM, XPM, FWM）n n光开关光开关光开关光开关：直接调制：直接调制：直接调制：直接调制SOASOA的注入电流实现光的的注入电流实现光的的注入电流实现光的的注入电流实现光的通断。特点：高速、无损通断。特点：高速、无损通断。特点：高速、无损通断。特点：高速、无损n n光信号处理器件。光信号处理器件。光信号处理器件。光信号处理器件。2021/3/1019讲解：XX波长可调激光器波长可调激光器 + 光放大光放大+ 调制器调制器 集成化器件集成化器件2021/3/1020讲解：XXSOA Product2021/3/1021讲解：XX6.2 半导体光放大器半导体光放大器n n半半导导体体光光放放大大器器的的机机理理与与激激光光器器的的相相同同，即即通过通过受激发射受激发射放大入射光信号。放大入射光信号。n n光光放放大大器器只只是是一一个个没没有有反反馈馈的的激激光光器器，其其核核心心是是当当放放大大器器被被光光或或电电泵泵浦浦时时，使使粒粒子子数数反反转转获获得光增益。得光增益。RR1 1RR2 2I I半导体光放大器示意图半导体光放大器示意图半导体光放大器示意图半导体光放大器示意图2021/3/1022讲解：XX根据光放大器端面反射率和偏置条件，根据光放大器端面反射率和偏置条件，根据光放大器端面反射率和偏置条件，根据光放大器端面反射率和偏置条件，SOASOA可分为：可分为：可分为：可分为： - -行波放大器行波放大器行波放大器行波放大器( (TWTW，T Traveling raveling WWaveaveSOA)SOA) - -法布里珀罗放大器法布里珀罗放大器法布里珀罗放大器法布里珀罗放大器(FP(FPSOA)SOA)2021/3/1023讲解：XXn nF-PF-P谐振腔反谐振腔反谐振腔反谐振腔反射率射率射率射率 R R 越大，越大，越大，越大，SOASOA的增益的增益的增益的增益越大。越大。越大。越大。n n但是，当但是，当但是，当但是，当 R R 超过一定值后，超过一定值后，超过一定值后，超过一定值后，光放大器将变光放大器将变光放大器将变光放大器将变为激光器。为激光器。为激光器。为激光器。不同反射率时的不同反射率时的F-P SOA的增益频谱曲线的增益频谱曲线多峰值、带宽窄，多峰值、带宽窄，不适合通信系统应不适合通信系统应用，只可用于一些用，只可用于一些信号处理。信号处理。2021/3/1024讲解：XXu减小端面反射反馈，就可以制出减小端面反射反馈，就可以制出行波半导体光放大器行波半导体光放大器。减小反射率的一个简单方法是在界面上镀以抗反射膜减小反射率的一个简单方法是在界面上镀以抗反射膜（增透膜）。然而，对于作为行波放大器的（增透膜）。然而，对于作为行波放大器的SOA，反射，反射率必须相当小率必须相当小u当满足当满足 时，人们习惯把半导体光放大器时，人们习惯把半导体光放大器作为行波（作为行波（TW）放大器来描述其特性。）放大器来描述其特性。 2021/3/1025讲解：XXTW- SOA的特性的特性1. 增益增益光场光场限制限制因子因子SOASOA对极化态非常敏感（对极化态非常敏感（对极化态非常敏感（对极化态非常敏感（增益偏振相关性增益偏振相关性增益偏振相关性增益偏振相关性）。不同极）。不同极）。不同极）。不同极化模式，具有不同的增益化模式，具有不同的增益化模式，具有不同的增益化模式，具有不同的增益GG，横电模（，横电模（，横电模（，横电模（TETE）和横磁模）和横磁模）和横磁模）和横磁模（TMTM）极化增益差可能达到）极化增益差可能达到）极化增益差可能达到）极化增益差可能达到58dB58dB2021/3/1026讲解：XXTW- SOA的特性的特性2. 增益带宽增益带宽n n增益带宽宽（约为增益带宽宽（约为增益带宽宽（约为增益带宽宽（约为70nm70nm），有能力放大超窄光脉冲。），有能力放大超窄光脉冲。），有能力放大超窄光脉冲。），有能力放大超窄光脉冲。2021/3/1027讲解：XXSOA的应用的应用n n多信道放大多信道放大 噪声大噪声大噪声大噪声大 信道串扰信道串扰信道串扰信道串扰( (交叉增益调制交叉增益调制交叉增益调制交叉增益调制XGMXGM、四波混频、四波混频、四波混频、四波混频FWM)FWM) 增益饱和引起信号畸变增益饱和引起信号畸变增益饱和引起信号畸变增益饱和引起信号畸变n n其他应用：其他应用：n n光波长转换光波长转换光波长转换光波长转换（XGM, XPM, FWMXGM, XPM, FWM）n n光开关光开关光开关光开关：直接调制：直接调制：直接调制：直接调制SOASOA的注入电流实现光的的注入电流实现光的的注入电流实现光的的注入电流实现光的通断。特点：高速、无损通断。特点：高速、无损通断。特点：高速、无损通断。特点：高速、无损n n光信号处理器件。光信号处理器件。光信号处理器件。光信号处理器件。2021/3/1028讲解：XX6.3 光纤拉曼放大器光纤拉曼放大器FRAn n拉曼拉曼(Raman)现象在现象在1928年被发现，拉曼年被发现，拉曼放大技术从放大技术从1984年年开始开始研究并应用。研究并应用。n n90年代早期，掺铒光纤放大器取代它成为焦年代早期，掺铒光纤放大器取代它成为焦点，光纤拉曼放大器（点，光纤拉曼放大器（FRA）受到）受到冷遇冷遇。n n随着光纤通信网容量的增加，对放大器提出随着光纤通信网容量的增加，对放大器提出新的要求，传统的新的要求，传统的EDFA已很难满足，已很难满足，FRA再次成为再次成为研究的热点研究的热点。泵浦功率大泵浦功率大泵浦功率大泵浦功率大转换效率低转换效率低转换效率低转换效率低只能工作在只能工作在只能工作在只能工作在15301564nm15301564nm之间的之间的之间的之间的C C波段波段波段波段2021/3/1029讲解：XX6.3 光纤拉曼放大器光纤拉曼放大器FRAn n人们对人们对FRA的兴趣来源于这种放大器可以提的兴趣来源于这种放大器可以提供供整个波长波段的放大整个波长波段的放大。通过适当改变泵浦。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，甚至可在光放大，甚至可在12701670nm整个波整个波段内提供放大。段内提供放大。n n特别是高功率二极管泵浦激光器的迅猛发展，特别是高功率二极管泵浦激光器的迅猛发展，又为又为FRA的实现奠定了坚实的的实现奠定了坚实的基础基础。2021/3/1030讲解：XX6.3.1 分布式拉曼放大器工作原理和特性分布式拉曼放大器工作原理和特性1. 工作原理工作原理受激拉曼散射（受激拉曼散射（受激拉曼散射（受激拉曼散射（SRSSRS， S Stimulated timulated R Raman aman S Scatteringcattering） n n以频率以频率以频率以频率 振动的原子将作为振源发射频率为振动的原子将作为振源发射频率为振动的原子将作为振源发射频率为振动的原子将作为振源发射频率为 的声波的声波的声波的声波（与之对应，一个（与之对应，一个（与之对应，一个（与之对应，一个声子声子声子声子的能量为的能量为的能量为的能量为 ）。当光波通过这）。当光波通过这）。当光波通过这）。当光波通过这种振动的原子时将被其调制。这样，对应于频域，被调种振动的原子时将被其调制。这样，对应于频域，被调种振动的原子时将被其调制。这样，对应于频域，被调种振动的原子时将被其调制。这样，对应于频域，被调制的光波（即散射波）将在其载频两侧出现上边频和下制的光波（即散射波）将在其载频两侧出现上边频和下制的光波（即散射波）将在其载频两侧出现上边频和下制的光波（即散射波）将在其载频两侧出现上边频和下边频，这两条谱线在光谱学上分别称为边频，这两条谱线在光谱学上分别称为边频，这两条谱线在光谱学上分别称为边频，这两条谱线在光谱学上分别称为斯托克斯波（斯托克斯波（斯托克斯波（斯托克斯波（ StokesStokes ）和和和和反斯托克斯波反斯托克斯波反斯托克斯波反斯托克斯波，其频移量为，其频移量为，其频移量为，其频移量为 。n n从物理实质上讲，散射是由原子振动引起的一种光调从物理实质上讲，散射是由原子振动引起的一种光调从物理实质上讲，散射是由原子振动引起的一种光调从物理实质上讲，散射是由原子振动引起的一种光调制现象。制现象。制现象。制现象。2021/3/1031讲解：XX6.3.1 分布式拉曼放大器工作原理和特性分布式拉曼放大器工作原理和特性1. 工作原理工作原理受激拉曼散射（受激拉曼散射（受激拉曼散射（受激拉曼散射（SRSSRS， S Stimulated timulated R Raman aman S Scatteringcattering） 斯托克斯波斯托克斯波反斯托克斯波反斯托克斯波2021/3/1032讲解：XX6.3.1 分布式拉曼放大器工作原理和特性分布式拉曼放大器工作原理和特性1. 工作原理工作原理n n增益介质：系统传输光纤。增益介质：系统传输光纤。增益介质：系统传输光纤。增益介质：系统传输光纤。n n工作原理：非线性光学效应（工作原理：非线性光学效应（工作原理：非线性光学效应（工作原理：非线性光学效应（受激拉曼散射受激拉曼散射受激拉曼散射受激拉曼散射SRSSRS）。）。）。）。 A.A.光纤拉曼散射效应光纤拉曼散射效应光纤拉曼散射效应光纤拉曼散射效应一个入射光子（一个入射光子（一个入射光子（一个入射光子（pump)pump)的的的的湮灭，产生一个下移湮灭，产生一个下移湮灭，产生一个下移湮灭，产生一个下移stokesstokes频率的光子和另一频率的光子和另一频率的光子和另一频率的光子和另一个具有相当能量和动量的个具有相当能量和动量的个具有相当能量和动量的个具有相当能量和动量的光光光光学声子学声子学声子学声子B.B.与与与与pumppump光子相差光子相差光子相差光子相差stokesstokes频率的信号光子，频率的信号光子，频率的信号光子，频率的信号光子，经经经经受激散射受激散射受激散射受激散射过程被放大过程被放大过程被放大过程被放大2021/3/1033讲解：XX光纤拉曼放大器光纤拉曼放大器光纤光纤光纤光纤(a)(a)无泵激光的无泵激光的无泵激光的无泵激光的1550nm1550nm传输传输传输传输光功率光功率光功率光功率(dB)(dB)波长波长波长波长1550nm1550nm波长波长波长波长光功率光功率光功率光功率(dB)(dB)1550nm1550nm1450nm1450nm光纤光纤光纤光纤(b)(b)有泵激光的有泵激光的有泵激光的有泵激光的1550nm1550nm传输传输传输传输1550nm1550nm经光纤传经光纤传经光纤传经光纤传输衰减输衰减输衰减输衰减1450nm1450nm1550nm1550nm如果一个弱信号和一个强如果一个弱信号和一个强如果一个弱信号和一个强如果一个弱信号和一个强泵浦光同时在光纤中传输，泵浦光同时在光纤中传输，泵浦光同时在光纤中传输，泵浦光同时在光纤中传输，并使弱信号波长置于泵浦并使弱信号波长置于泵浦并使弱信号波长置于泵浦并使弱信号波长置于泵浦光的拉曼增益带宽内，则光的拉曼增益带宽内，则光的拉曼增益带宽内，则光的拉曼增益带宽内，则弱信号即可被放大。这种弱信号即可被放大。这种弱信号即可被放大。这种弱信号即可被放大。这种基于基于基于基于SRSSRS机制的光放大器机制的光放大器机制的光放大器机制的光放大器称为光纤拉曼放大器称为光纤拉曼放大器称为光纤拉曼放大器称为光纤拉曼放大器FRAFRA。2021/3/1034讲解：XX光纤拉曼放大器光纤拉曼放大器WDM耦合器耦合器同向泵浦同向泵浦反向泵浦反向泵浦2021/3/1035讲解：XX6.3.1 分布式拉曼放大器工作原理和特性分布式拉曼放大器工作原理和特性2. 拉曼增益和带宽拉曼增益和带宽n n斯斯斯斯托托托托克克克克斯斯斯斯（StokesStokes）频频频频差差差差（R R= = P P- - s s）在在在在SRSSRS过过过过程程程程中中中中扮扮扮扮演演演演着着着着重重重重要要要要角角角角色色色色。由由由由分分分分子子子子振振振振动动动动能能能能级级级级确确确确定定定定的的的的R R值值值值决决决决定了定了定了定了SRSSRS的频率（或波长）范围。的频率（或波长）范围。的频率（或波长）范围。的频率（或波长）范围。 n n由由由由于于于于玻玻玻玻璃璃璃璃的的的的非非非非结结结结晶晶晶晶性性性性，硅硅硅硅分分分分子子子子的的的的振振振振动动动动能能能能级级级级汇汇汇汇合合合合在在在在一一一一起起起起就就就就构构构构成成成成一一一一个个个个能能能能带带带带，结结结结果果果果使使使使信信信信号号号号光光光光在在在在很很很很宽宽宽宽的的的的范范范范围围围围内内内内（约约约约20THz20THz），通通通通过过过过SRSSRS仍可获得放大。仍可获得放大。仍可获得放大。仍可获得放大。2021/3/1036讲解：XX硅光纤拉曼增益系数频谱曲线硅光纤拉曼增益系数频谱曲线增益带宽（增益带宽（FWHM）可以达到约可以达到约8THz2021/3/1037讲解：XXn n泵浦功率为泵浦功率为泵浦功率为泵浦功率为200mW200mW时，最时，最时，最时，最大增益值为大增益值为大增益值为大增益值为7.78 7.78 dBdBn n泵浦功率为泵浦功率为泵浦功率为泵浦功率为100 100 mWmW时，最大增时，最大增时，最大增时，最大增益值为益值为益值为益值为3.6 dB3.6 dB。n n在增益峰值附在增益峰值附在增益峰值附在增益峰值附近的增益带宽近的增益带宽近的增益带宽近的增益带宽约为约为约为约为78THz78THz。2021/3/1038讲解：XX6.3.1 分布式拉曼放大器工作原理和特性分布式拉曼放大器工作原理和特性3. 增益饱和增益饱和2021/3/1039讲解：XX6.3.1 分布式拉曼放大器工作原理和特性分布式拉曼放大器工作原理和特性4. 噪声指数噪声指数脉脉脉脉冲冲冲冲幅幅幅幅度度度度z z集中放大集中放大集中放大集中放大Nonlinear EffectsNonlinear EffectsNoise HighNoise High分布放大分布放大分布放大分布放大FRAFRA以传输光纤作为放大介质，是分布式获得增益的以传输光纤作为放大介质，是分布式获得增益的以传输光纤作为放大介质，是分布式获得增益的以传输光纤作为放大介质，是分布式获得增益的（分布式放大），分布式放大），分布式放大），分布式放大），其等效噪声要比集中式放大器的小。其等效噪声要比集中式放大器的小。其等效噪声要比集中式放大器的小。其等效噪声要比集中式放大器的小。2021/3/1040讲解：XX6.3.1 分布式拉曼放大器工作原理和特性分布式拉曼放大器工作原理和特性5. 多波长泵浦增益带宽多波长泵浦增益带宽FRAFRA的增益波长由泵浦波长决定，选择适当的泵浦光的增益波长由泵浦波长决定，选择适当的泵浦光的增益波长由泵浦波长决定，选择适当的泵浦光的增益波长由泵浦波长决定，选择适当的泵浦光波长，可以得到任意波长的信号放大。波长，可以得到任意波长的信号放大。波长，可以得到任意波长的信号放大。波长，可以得到任意波长的信号放大。多多波波长长泵泵浦浦2021/3/1041讲解：XX6.3.1 分布式拉曼放大器工作原理和特性分布式拉曼放大器工作原理和特性5. 多波长泵浦增益带宽多波长泵浦增益带宽进行进行进行进行多波长泵浦多波长泵浦多波长泵浦多波长泵浦时，时，时，时，FRAFRA的增益频谱是每个波长泵浦的增益频谱是每个波长泵浦的增益频谱是每个波长泵浦的增益频谱是每个波长泵浦光单独产生的增益频谱叠加的结果。光单独产生的增益频谱叠加的结果。光单独产生的增益频谱叠加的结果。光单独产生的增益频谱叠加的结果。FRAFRA使用多个泵使用多个泵使用多个泵使用多个泵浦源，增益带宽可浦源，增益带宽可浦源，增益带宽可浦源，增益带宽可达到达到达到达到132nm132nm。它。它。它。它是目前唯一能实现是目前唯一能实现是目前唯一能实现是目前唯一能实现12901660nm12901660nm光谱放大的器件。光谱放大的器件。光谱放大的器件。光谱放大的器件。2021/3/1042讲解：XX光纤拉曼放大器特性光纤拉曼放大器特性n nAdvantages:n n理论上可以得到任意波长的增益，前提是需要理论上可以得到任意波长的增益，前提是需要理论上可以得到任意波长的增益，前提是需要理论上可以得到任意波长的增益，前提是需要合适的泵浦源；合适的泵浦源；合适的泵浦源；合适的泵浦源；n n使用光纤作为放大介质意味着在线放大的可能，使用光纤作为放大介质意味着在线放大的可能，使用光纤作为放大介质意味着在线放大的可能，使用光纤作为放大介质意味着在线放大的可能，可以减少噪声的积累。可以减少噪声的积累。可以减少噪声的积累。可以减少噪声的积累。n nDisadvantages:n n泵浦功率高（泵浦功率高（泵浦功率高（泵浦功率高（500mW500mW）2021/3/1043讲解：XX6.3.2 拉曼放大技术的应用拉曼放大技术的应用分布式光纤拉曼放大器（分布式光纤拉曼放大器（分布式光纤拉曼放大器（分布式光纤拉曼放大器（DRADRA）噪声系数小，与掺）噪声系数小，与掺）噪声系数小，与掺）噪声系数小，与掺铒光纤放大器的组合使用，可明显地铒光纤放大器的组合使用，可明显地铒光纤放大器的组合使用，可明显地铒光纤放大器的组合使用，可明显地提高提高提高提高长距离光纤长距离光纤长距离光纤长距离光纤通信系统的通信系统的通信系统的通信系统的总增益总增益总增益总增益，降低降低降低降低系统的系统的系统的系统的总噪声指数总噪声指数总噪声指数总噪声指数。使用分布式拉曼放大，使用分布式拉曼放大，使用分布式拉曼放大，使用分布式拉曼放大，减小入纤光功率减小入纤光功率减小入纤光功率减小入纤光功率，降低光纤，降低光纤，降低光纤，降低光纤的非线性的影响，从而的非线性的影响，从而的非线性的影响，从而的非线性的影响，从而避免四波混频效应的影响避免四波混频效应的影响避免四波混频效应的影响避免四波混频效应的影响，可，可，可，可使使使使DWDMDWDM系统的信道间隔减小，也就是说相当于扩系统的信道间隔减小，也就是说相当于扩系统的信道间隔减小，也就是说相当于扩系统的信道间隔减小，也就是说相当于扩大了系统的带宽容量。另外，由于四波混频效应影响大了系统的带宽容量。另外，由于四波混频效应影响大了系统的带宽容量。另外，由于四波混频效应影响大了系统的带宽容量。另外，由于四波混频效应影响的减小，允许使用靠近光纤的零色散点窗口，光纤的的减小，允许使用靠近光纤的零色散点窗口，光纤的的减小，允许使用靠近光纤的零色散点窗口，光纤的的减小，允许使用靠近光纤的零色散点窗口，光纤的可用窗口也扩大了。可用窗口也扩大了。可用窗口也扩大了。可用窗口也扩大了。通过选择泵浦光波长，可以实现任意波长的光放大，通过选择泵浦光波长，可以实现任意波长的光放大，通过选择泵浦光波长，可以实现任意波长的光放大，通过选择泵浦光波长，可以实现任意波长的光放大，它是目前唯一能它是目前唯一能它是目前唯一能它是目前唯一能实现实现实现实现12901660nm12901660nm光谱放大光谱放大光谱放大光谱放大的器的器的器的器件。件。件。件。2021/3/1044讲解：XX6.4 光纤布里渊放大器光纤布里渊放大器FBAn n激光通过光纤时，不但产生受激拉曼散射，激光通过光纤时，不但产生受激拉曼散射，而且也产生受激布里渊散射（而且也产生受激布里渊散射（SBS, Stimulated Brillouim Scattering）。）。2021/3/1045讲解：XXn n受激拉曼散射（受激拉曼散射（受激拉曼散射（受激拉曼散射（SRSSRS）是）是）是）是光学声子光学声子光学声子光学声子参与的过程；，而参与的过程；，而参与的过程；，而参与的过程；，而受激布里渊散射（受激布里渊散射（受激布里渊散射（受激布里渊散射（SBSSBS）是）是）是）是声学声子声学声子声学声子声学声子参与的过程。参与的过程。参与的过程。参与的过程。2021/3/1046讲解：XX2021/3/1047讲解：XX6.5 掺铒光纤放大器掺铒光纤放大器EDFAn n掺杂光纤放大器掺杂光纤放大器掺杂光纤放大器掺杂光纤放大器利用掺入石英光纤的稀土离子作为增利用掺入石英光纤的稀土离子作为增利用掺入石英光纤的稀土离子作为增利用掺入石英光纤的稀土离子作为增益介质，在泵浦光的激发下实现光信号的放大，放大益介质，在泵浦光的激发下实现光信号的放大，放大益介质，在泵浦光的激发下实现光信号的放大，放大益介质，在泵浦光的激发下实现光信号的放大，放大器的特性主要由掺杂元素决定。器的特性主要由掺杂元素决定。器的特性主要由掺杂元素决定。器的特性主要由掺杂元素决定。n n工作波长为工作波长为工作波长为工作波长为1550nm1550nm的铒的铒的铒的铒(Er)(Er)掺杂光纤放大器掺杂光纤放大器掺杂光纤放大器掺杂光纤放大器( (EDFAEDFA) )n n工作波长为工作波长为工作波长为工作波长为1300nm1300nm的镨的镨的镨的镨(Pr)(Pr)掺杂光纤放大器掺杂光纤放大器掺杂光纤放大器掺杂光纤放大器( (PDFAPDFA) )n n工作波长为工作波长为工作波长为工作波长为1400nm1400nm的铥的铥的铥的铥(Tm)(Tm)掺杂光纤放大器掺杂光纤放大器掺杂光纤放大器掺杂光纤放大器( (TDFATDFA) )n n目前，目前，目前，目前，EDFAEDFA最为成熟，是光纤通信系统必备器件。最为成熟，是光纤通信系统必备器件。最为成熟，是光纤通信系统必备器件。最为成熟，是光纤通信系统必备器件。2021/3/1048讲解：XX6.5 掺铒光纤放大器掺铒光纤放大器EDFAn n使使使使用用用用铒铒铒铒离离离离子子子子（ ）作作作作为为为为增增增增益益益益介介介介质质质质的的的的光光光光纤纤纤纤放放放放大大大大器器器器，称称称称为为为为掺掺掺掺 铒铒铒铒 光光光光 纤纤纤纤 放放放放 大大大大 器器器器 ( (EDFAEDFA， E Erbium-rbium-d doped oped f fiber iber a amplifier)mplifier)。这这这这些些些些离离离离子子子子在在在在光光光光纤纤纤纤制制制制造造造造过过过过程程程程中中中中被被被被掺掺掺掺入入入入光光光光纤纤纤纤芯中，使用泵浦光直接对光信号放大，提供光增益。芯中，使用泵浦光直接对光信号放大，提供光增益。芯中，使用泵浦光直接对光信号放大，提供光增益。芯中，使用泵浦光直接对光信号放大，提供光增益。n n虽虽虽虽然然然然掺掺掺掺杂杂杂杂光光光光纤纤纤纤放放放放大大大大器器器器早早早早在在在在19641964年年年年就就就就有有有有研研研研究究究究，但但但但是是是是直直直直到到到到19851985年年年年才才才才首首首首次次次次研研研研制制制制成成成成功功功功掺掺掺掺铒铒铒铒光光光光纤纤纤纤。19881988年年年年低低低低损损损损耗耗耗耗掺掺掺掺铒铒铒铒光光光光纤纤纤纤技技技技术术术术已已已已相相相相当当当当成成成成熟熟熟熟，其其其其性性性性能能能能相相相相当当当当优优优优良良良良，已已已已可可可可以以以以提提提提供供供供实际使用。实际使用。实际使用。实际使用。n n掺掺掺掺铒铒铒铒光光光光纤纤纤纤放放放放大大大大器器器器因因因因为为为为工工工工作作作作波波波波长长长长在在在在靠靠靠靠近近近近光光光光纤纤纤纤损损损损耗耗耗耗最最最最小小小小的的的的1.55 1.55 m m 波长区，它比其它光放大器更引人注意。波长区，它比其它光放大器更引人注意。波长区，它比其它光放大器更引人注意。波长区，它比其它光放大器更引人注意。2021/3/1049讲解：XX6.5.1 掺铒光纤结构掺铒光纤结构2021/3/1050讲解：XX 6.5.2 EDFA工作原理及其特性工作原理及其特性n nEDFAEDFA采用掺铒离子单模光纤为增益介质，在泵浦采用掺铒离子单模光纤为增益介质，在泵浦采用掺铒离子单模光纤为增益介质，在泵浦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光作用下产生粒子数反转，在信号光诱导下实现光作用下产生粒子数反转，在信号光诱导下实现光作用下产生粒子数反转，在信号光诱导下实现受激辐射受激辐射受激辐射受激辐射放大。放大。放大。放大。Input signalInput signal1530nm-1570nm1530nm-1570nmAmplified Amplified output signaloutput signalPower laser Power laser (Pump)(Pump)980nm or 980nm or 1480nm1480nmFiber containing Fiber containing erbium dopanterbium dopant2021/3/1051讲解：XX 6.5.2 EDFA工作原理及其特性工作原理及其特性1. 泵浦特性泵浦特性EDFAEDFA的增益特性与的增益特性与的增益特性与的增益特性与泵浦方式泵浦方式泵浦方式泵浦方式及其及其及其及其光纤掺杂剂光纤掺杂剂光纤掺杂剂光纤掺杂剂有关。有关。有关。有关。n n泵浦波长可以是泵浦波长可以是泵浦波长可以是泵浦波长可以是520520、650650、800800、980980、1480nm1480nmn n波长短于波长短于波长短于波长短于980nm980nm的泵浦效率低，的泵浦效率低，的泵浦效率低，的泵浦效率低，因而通常采用因而通常采用因而通常采用因而通常采用980980和和和和1480nm1480nm泵浦。泵浦。泵浦。泵浦。2021/3/1052讲解：XX 6.5.2 EDFA工作原理及其特性工作原理及其特性1. 泵浦特性泵浦特性能量从泵浦光转换成信号光的能量从泵浦光转换成信号光的效率很高效率很高，因此，因此EDFA很适合做功率放大器。很适合做功率放大器。2021/3/1053讲解：XX 6.5.2 EDFA工作原理及其特性工作原理及其特性2. 增益频谱增益频谱硅的非结晶性和其他同时掺入光纤芯内的物质，如锗和硅的非结晶性和其他同时掺入光纤芯内的物质，如锗和硅的非结晶性和其他同时掺入光纤芯内的物质，如锗和硅的非结晶性和其他同时掺入光纤芯内的物质，如锗和铝一起影响着铝一起影响着铝一起影响着铝一起影响着EDFAEDFA的增益频谱特性。的增益频谱特性。的增益频谱特性。的增益频谱特性。增益带宽增益带宽（FWHM）大于）大于10nm2021/3/1054讲解：XX 6.5.2 EDFA工作原理及其特性工作原理及其特性2. 增益频谱增益频谱纤芯中掺入纤芯中掺入纤芯中掺入纤芯中掺入铝离子铝离子铝离子铝离子，带宽还可增大且增益频谱相当平坦。，带宽还可增大且增益频谱相当平坦。，带宽还可增大且增益频谱相当平坦。，带宽还可增大且增益频谱相当平坦。2021/3/1055讲解：XX 6.5.2 EDFA工作原理及其特性工作原理及其特性3. 小信号增益小信号增益EDFAEDFA的增益与的增益与的增益与的增益与铒离子浓度铒离子浓度铒离子浓度铒离子浓度、芯径芯径芯径芯径、掺杂光纤长度掺杂光纤长度掺杂光纤长度掺杂光纤长度和和和和泵泵泵泵浦功率浦功率浦功率浦功率有关。有关。有关。有关。对于给定的放大器长度对于给定的放大器长度对于给定的放大器长度对于给定的放大器长度（EDFEDF长度），增益随长度），增益随长度），增益随长度），增益随泵浦功率泵浦功率泵浦功率泵浦功率在开始时按指在开始时按指在开始时按指在开始时按指数增加，当泵浦功率超数增加，当泵浦功率超数增加，当泵浦功率超数增加，当泵浦功率超过一定值时，增益增加过一定值时，增益增加过一定值时，增益增加过一定值时，增益增加变缓，并趋于一恒定值。变缓，并趋于一恒定值。变缓，并趋于一恒定值。变缓，并趋于一恒定值。2021/3/1056讲解：XX 6.5.2 EDFA工作原理及其特性工作原理及其特性3. 小信号增益小信号增益EDFAEDFA的增益与的增益与的增益与的增益与铒离子浓度铒离子浓度铒离子浓度铒离子浓度、芯径芯径芯径芯径、掺杂光纤长度掺杂光纤长度掺杂光纤长度掺杂光纤长度和和和和泵泵泵泵浦功率浦功率浦功率浦功率有关。有关。有关。有关。当泵浦功率一定时，当泵浦功率一定时，当泵浦功率一定时，当泵浦功率一定时，放大器在某一放大器在某一放大器在某一放大器在某一最佳长最佳长最佳长最佳长度度度度时获得最大增益，时获得最大增益，时获得最大增益，时获得最大增益，如果放大器长度超过如果放大器长度超过如果放大器长度超过如果放大器长度超过此值，由于泵浦的消此值，由于泵浦的消此值，由于泵浦的消此值，由于泵浦的消耗，最佳点后的掺铒耗，最佳点后的掺铒耗，最佳点后的掺铒耗，最佳点后的掺铒光纤不能受到足够泵光纤不能受到足够泵光纤不能受到足够泵光纤不能受到足够泵浦，而且要吸收已放浦，而且要吸收已放浦，而且要吸收已放浦，而且要吸收已放大的信号能量，导致大的信号能量，导致大的信号能量，导致大的信号能量，导致增益很快下降。增益很快下降。增益很快下降。增益很快下降。因此，在因此，在EDFA设计中，需要在掺设计中，需要在掺铒光纤结构参数的基础上，选择合铒光纤结构参数的基础上，选择合适的泵浦功率和光纤长度，使放大适的泵浦功率和光纤长度，使放大器工作于最佳状态。器工作于最佳状态。2021/3/1057讲解：XX 6.5.2 EDFA工作原理及其特性工作原理及其特性4. 增益饱和（或压缩）特性增益饱和（或压缩）特性对于给定的放大器长度（对于给定的放大器长度（对于给定的放大器长度（对于给定的放大器长度（EDFEDF长度），增益随长度），增益随长度），增益随长度），增益随泵浦功泵浦功泵浦功泵浦功率率率率在开始时按指数增加，当泵浦功率超过一定值时，在开始时按指数增加，当泵浦功率超过一定值时，在开始时按指数增加，当泵浦功率超过一定值时，在开始时按指数增加，当泵浦功率超过一定值时，增益增加变缓，甚至出现饱和，趋于一恒定值。增益增加变缓，甚至出现饱和，趋于一恒定值。增益增加变缓，甚至出现饱和，趋于一恒定值。增益增加变缓，甚至出现饱和，趋于一恒定值。在在在在EDFAEDFA泵浦功率一定的情泵浦功率一定的情泵浦功率一定的情泵浦功率一定的情况下，输入功率较小时，放况下，输入功率较小时，放况下，输入功率较小时，放况下，输入功率较小时，放大器的增益不随入射信号的大器的增益不随入射信号的大器的增益不随入射信号的大器的增益不随入射信号的增加而变化。当输入信号增增加而变化。当输入信号增增加而变化。当输入信号增增加而变化。当输入信号增大到一定值后，增益开始随大到一定值后，增益开始随大到一定值后，增益开始随大到一定值后，增益开始随信号功率的增加而下降，这信号功率的增加而下降，这信号功率的增加而下降，这信号功率的增加而下降，这是入射信号导致是入射信号导致是入射信号导致是入射信号导致EDFAEDFA出现出现出现出现增益饱和的缘故。增益饱和的缘故。增益饱和的缘故。增益饱和的缘故。2021/3/1058讲解：XX 6.5.2 EDFA工作原理及其特性工作原理及其特性5. 放大器噪声放大器噪声研究发现，接收机前接入光放大器后，新增加的噪声主研究发现，接收机前接入光放大器后，新增加的噪声主研究发现，接收机前接入光放大器后，新增加的噪声主研究发现，接收机前接入光放大器后，新增加的噪声主要来自要来自要来自要来自放大的自发辐射噪声放大的自发辐射噪声放大的自发辐射噪声放大的自发辐射噪声（ASEASE， AAmplified mplified S Spontaneous pontaneous E Emissionmission）噪声与信号本身的差拍噪）噪声与信号本身的差拍噪）噪声与信号本身的差拍噪）噪声与信号本身的差拍噪声。声。声。声。噪声指数噪声指数噪声指数噪声指数为：为：为：为：自发辐射系自发辐射系数数2021/3/1059讲解：XX5. 放大器噪声放大器噪声 6.5.2 EDFA工作原理及其特性工作原理及其特性表明：即使对表明：即使对表明：即使对表明：即使对n nspsp=1=1的完全粒子数反转的理想放大器，的完全粒子数反转的理想放大器，的完全粒子数反转的理想放大器，的完全粒子数反转的理想放大器，被放大信号的被放大信号的被放大信号的被放大信号的SNRSNR也降低了二倍（或也降低了二倍（或也降低了二倍（或也降低了二倍（或3dB3dB）。对大）。对大）。对大）。对大多数实际的放大器多数实际的放大器多数实际的放大器多数实际的放大器F Fn n均超过均超过均超过均超过3dB 3dB ，并可能达到，并可能达到，并可能达到，并可能达到68dB68dB。希望放大器的。希望放大器的。希望放大器的。希望放大器的F Fn n尽可能低。尽可能低。尽可能低。尽可能低。激发态的粒子数激发态的粒子数激发态的粒子数激发态的粒子数基态的粒子数基态的粒子数基态的粒子数基态的粒子数2021/3/1060讲解：XX 6.5.2 EDFA工作原理及其特性工作原理及其特性5. 放大器噪声放大器噪声放大器的噪声指数与放大器放大器的噪声指数与放大器放大器的噪声指数与放大器放大器的噪声指数与放大器长度长度长度长度L L和和和和泵浦功率泵浦功率泵浦功率泵浦功率P Pp p有关。有关。有关。有关。2021/3/1061讲解：XX 6.5.3 EDFA的优点的优点（1 1）工作波长工作波长工作波长工作波长恰好落在光纤通信的最佳波长区（恰好落在光纤通信的最佳波长区（恰好落在光纤通信的最佳波长区（恰好落在光纤通信的最佳波长区（1.5um1.5um）（2 2）EDFAEDFA的主体是一段光纤，的主体是一段光纤，的主体是一段光纤，的主体是一段光纤，耦合损耗小耦合损耗小耦合损耗小耦合损耗小（0.1dB0.1dB）（3 3）噪声指数低噪声指数低噪声指数低噪声指数低，一般为，一般为，一般为，一般为47dB47dB（4 4）增益高增益高增益高增益高，约，约，约，约2040dB2040dB，饱和输出功率大饱和输出功率大饱和输出功率大饱和输出功率大，约，约，约，约815dBm815dBm（5 5）频带宽频带宽频带宽频带宽，在，在，在，在1550nm1550nm窗口有窗口有窗口有窗口有2040nm2040nm带宽，可进行带宽，可进行带宽，可进行带宽，可进行多信道传输，便于扩大传输容量，从而节约成本多信道传输，便于扩大传输容量，从而节约成本多信道传输，便于扩大传输容量，从而节约成本多信道传输，便于扩大传输容量，从而节约成本（6 6）增益特性与光纤极化状态无关增益特性与光纤极化状态无关增益特性与光纤极化状态无关增益特性与光纤极化状态无关，放大特性与光信号传，放大特性与光信号传，放大特性与光信号传，放大特性与光信号传输方向也无关，可以实现双向放大（无隔离器时）输方向也无关，可以实现双向放大（无隔离器时）输方向也无关，可以实现双向放大（无隔离器时）输方向也无关，可以实现双向放大（无隔离器时）2021/3/1062讲解：XX2021/3/1063讲解：XX 6.5.4 EDFA的应用的应用1. 一般应用一般应用功率放大、在线放大、前置放大以及补偿分配损耗。功率放大、在线放大、前置放大以及补偿分配损耗。功率放大、在线放大、前置放大以及补偿分配损耗。功率放大、在线放大、前置放大以及补偿分配损耗。2. 多信道应用多信道应用带宽宽（带宽宽（带宽宽（带宽宽（2040nm2040nm），可同时放大多个信道，且不），可同时放大多个信道，且不），可同时放大多个信道，且不），可同时放大多个信道，且不存在四波混频的影响。存在四波混频的影响。存在四波混频的影响。存在四波混频的影响。3. 超窄光脉冲放大超窄光脉冲放大可以放大短至皮秒（可以放大短至皮秒（可以放大短至皮秒（可以放大短至皮秒（psps）级的光脉冲而无畸变。）级的光脉冲而无畸变。）级的光脉冲而无畸变。）级的光脉冲而无畸变。2021/3/1064讲解：XX 6.5.5 实用实用EDFA的构成的构成掺铒光纤：掺铒光纤：掺铒光纤：掺铒光纤：当一定的泵浦光注入到掺铒光纤中时，当一定的泵浦光注入到掺铒光纤中时，当一定的泵浦光注入到掺铒光纤中时，当一定的泵浦光注入到掺铒光纤中时，ErEr3+3+从低能级被从低能级被从低能级被从低能级被激发到高能级上，由于在高能级上的寿命很短，很快以非辐射跃迁激发到高能级上，由于在高能级上的寿命很短，很快以非辐射跃迁激发到高能级上，由于在高能级上的寿命很短，很快以非辐射跃迁激发到高能级上，由于在高能级上的寿命很短，很快以非辐射跃迁形式到较低能级上，并在该能级和低能级间形成粒子数反转分布。形式到较低能级上，并在该能级和低能级间形成粒子数反转分布。形式到较低能级上，并在该能级和低能级间形成粒子数反转分布。形式到较低能级上，并在该能级和低能级间形成粒子数反转分布。半导体泵浦二极管半导体泵浦二极管半导体泵浦二极管半导体泵浦二极管：为信号放大提供足够的能量，使物质达到粒子：为信号放大提供足够的能量，使物质达到粒子：为信号放大提供足够的能量，使物质达到粒子：为信号放大提供足够的能量，使物质达到粒子数反转。数反转。数反转。数反转。波分复用耦合器：波分复用耦合器：波分复用耦合器：波分复用耦合器：将信号光和泵浦光合路进入掺铒光纤中。将信号光和泵浦光合路进入掺铒光纤中。将信号光和泵浦光合路进入掺铒光纤中。将信号光和泵浦光合路进入掺铒光纤中。光隔离器：光隔离器：光隔离器：光隔离器：使光传输具有单向性，放大器不受发射光影响，保证稳使光传输具有单向性，放大器不受发射光影响，保证稳使光传输具有单向性，放大器不受发射光影响，保证稳使光传输具有单向性，放大器不受发射光影响，保证稳定工作。定工作。定工作。定工作。2021/3/1065讲解：XX三种泵浦方式的三种泵浦方式的EDFALD2LD2WDM2WDM2EDFEDFAPCAPCAPCAPCininoutoutLD1LD1WDM1WDM1LDLDWDMWDMEDFEDFAPCAPCAPCAPCin in outoutLDLDWDMWDMEDFEDFAPCAPCAPCAPCin in outout同向泵浦同向泵浦同向泵浦同向泵浦( (前向泵浦前向泵浦前向泵浦前向泵浦) )型：好的噪声性能型：好的噪声性能型：好的噪声性能型：好的噪声性能反向泵浦反向泵浦反向泵浦反向泵浦( (后向泵浦后向泵浦后向泵浦后向泵浦) )型：型：型：型：输出信号功率高输出信号功率高输出信号功率高输出信号功率高双向泵浦型：输出信双向泵浦型：输出信双向泵浦型：输出信双向泵浦型：输出信号功率比单泵浦源高号功率比单泵浦源高号功率比单泵浦源高号功率比单泵浦源高3dB3dB，且放大特性与，且放大特性与，且放大特性与，且放大特性与信号传输方向无关信号传输方向无关信号传输方向无关信号传输方向无关2021/3/1066讲解：XXMultistagMultistage EDFAe EDFA由于光纤对由于光纤对由于光纤对由于光纤对1480nm1480nm的光损耗较小，所以的光损耗较小，所以的光损耗较小，所以的光损耗较小，所以1480nm1480nm泵浦光又常用于遥泵方式。泵浦光又常用于遥泵方式。泵浦光又常用于遥泵方式。泵浦光又常用于遥泵方式。Remote Remote PumpinPumping g2021/3/1067讲解：XX监视和监视和告警电路告警电路泵浦监视泵浦监视和控制电路和控制电路泵浦泵浦LDPD探测器探测器泵浦泵浦LD输入隔离器输入隔离器输入输入WDM输出耦合器输出耦合器输出隔离器输出隔离器输出输出WDM掺铒掺铒光纤光纤热热 沉沉光输入光输入5 V0 V5 V电源电源监视监视激光器驱动输入激光器驱动输入光输出光输出 实用光纤放大器外形图及其构成方框图实用光纤放大器外形图及其构成方框图2021/3/1068讲解：XX 多信道放大中存在的其它问题：多信道放大中存在的其它问题：多信道放大中存在的其它问题：多信道放大中存在的其它问题：n n增益平坦增益平坦增益平坦增益平坦n n增益钳制增益钳制增益钳制增益钳制n n高的输出功率高的输出功率高的输出功率高的输出功率EDFAEDFA的级联特性的级联特性的级联特性的级联特性信道间增益竞争，多信道间增益竞争，多信道间增益竞争，多信道间增益竞争，多级级联使用导致级级联使用导致级级联使用导致级级联使用导致“ “尖尖尖尖峰效应峰效应峰效应峰效应” ”2021/3/1069讲解：XX15441569典型的典型的EDFA增益谱增益谱固有的增益不平坦，增益固有的增益不平坦，增益差随级联放大而积累增大差随级联放大而积累增大各信道的信噪比差别增大各信道的信噪比差别增大各信道的接收灵敏度不同各信道的接收灵敏度不同一、增益平坦一、增益平坦增益谱的形状随信号功率而变，在有信道增益谱的形状随信号功率而变，在有信道上、下的动态情况下，失衡情况更加严重上、下的动态情况下，失衡情况更加严重2021/3/1070讲解：XXBERBER接收光功率接收光功率接收光功率接收光功率光功率光功率光功率光功率波长波长波长波长光功率光功率光功率光功率波长波长波长波长光发射机光发射机光发射机光发射机光发射机光发射机光发射机光发射机光发射机光发射机光发射机光发射机光发射机光发射机光发射机光发射机 NN 1 1 2 2 3 3光接收机光接收机光接收机光接收机光接收机光接收机光接收机光接收机光接收机光接收机光接收机光接收机光接收机光接收机光接收机光接收机EDFAEDFA 1 1 NN 3 3 2 22021/3/1071讲解：XX1.1. 滤波器均衡：滤波器均衡：滤波器均衡：滤波器均衡： 采用透射谱与掺杂光纤增益谱反对称的滤波器使采用透射谱与掺杂光纤增益谱反对称的滤波器使采用透射谱与掺杂光纤增益谱反对称的滤波器使采用透射谱与掺杂光纤增益谱反对称的滤波器使增益平坦增益平坦增益平坦增益平坦, , 如：如：如：如：薄膜滤波、紫外写入长周期光纤光栅、薄膜滤波、紫外写入长周期光纤光栅、薄膜滤波、紫外写入长周期光纤光栅、薄膜滤波、紫外写入长周期光纤光栅、周期调制的双芯光纤等。周期调制的双芯光纤等。周期调制的双芯光纤等。周期调制的双芯光纤等。 EDFA + EDFA + 均衡器均衡器均衡器均衡器 合成增益合成增益合成增益合成增益增益平坦增益平坦/ /均衡技术均衡技术只能实现静态增益谱的平坦，在信道功率突变时增益只能实现静态增益谱的平坦，在信道功率突变时增益只能实现静态增益谱的平坦，在信道功率突变时增益只能实现静态增益谱的平坦，在信道功率突变时增益谱仍会发生变化。谱仍会发生变化。谱仍会发生变化。谱仍会发生变化。2021/3/1072讲解：XX2.2. 新型宽谱带掺杂光纤：新型宽谱带掺杂光纤：新型宽谱带掺杂光纤：新型宽谱带掺杂光纤： 如掺铒氟化物玻璃光纤（如掺铒氟化物玻璃光纤（如掺铒氟化物玻璃光纤（如掺铒氟化物玻璃光纤（30nm30nm平坦带宽）、平坦带宽）、平坦带宽）、平坦带宽）、铒铒铒铒/ /铝共掺杂光纤（铝共掺杂光纤（铝共掺杂光纤（铝共掺杂光纤（20nm20nm）等。）等。）等。）等。 静态增益谱的平坦静态增益谱的平坦静态增益谱的平坦静态增益谱的平坦，掺杂工艺复杂。，掺杂工艺复杂。，掺杂工艺复杂。，掺杂工艺复杂。3. 3. 声光滤波调节：声光滤波调节：声光滤波调节：声光滤波调节： 根据各信道功率，反馈控制放大器输出端的根据各信道功率，反馈控制放大器输出端的根据各信道功率，反馈控制放大器输出端的根据各信道功率，反馈控制放大器输出端的多通道声光带阻滤波器，调节各信道输出功率使多通道声光带阻滤波器，调节各信道输出功率使多通道声光带阻滤波器，调节各信道输出功率使多通道声光带阻滤波器，调节各信道输出功率使之均衡。之均衡。之均衡。之均衡。 动态均衡动态均衡动态均衡动态均衡需要解复用、光电转换、结构复杂，需要解复用、光电转换、结构复杂，需要解复用、光电转换、结构复杂，需要解复用、光电转换、结构复杂，实用性受限实用性受限实用性受限实用性受限增益平坦增益平坦/ /均衡技术均衡技术2021/3/1073讲解：XX4. 4. 预失真技术预失真技术预失真技术预失真技术不灵活，传输链路变换后，输入功率也要随之调整不灵活，传输链路变换后，输入功率也要随之调整不灵活，传输链路变换后，输入功率也要随之调整不灵活，传输链路变换后，输入功率也要随之调整增益平坦增益平坦/ /均衡技术均衡技术2021/3/1074讲解：XXEDFAEDFA对信道的插入、分出或信道无光故障等因素对信道的插入、分出或信道无光故障等因素对信道的插入、分出或信道无光故障等因素对信道的插入、分出或信道无光故障等因素引起的输入光功率的变化（较低速变化）能产生响引起的输入光功率的变化（较低速变化）能产生响引起的输入光功率的变化（较低速变化）能产生响引起的输入光功率的变化（较低速变化）能产生响应应应应- -瞬态特性瞬态特性瞬态特性瞬态特性瞬态特性使得剩余信道获得过大的增益，并输出过瞬态特性使得剩余信道获得过大的增益，并输出过瞬态特性使得剩余信道获得过大的增益，并输出过瞬态特性使得剩余信道获得过大的增益，并输出过大的功率，而产生非线性，最终导致其传输性能的大的功率，而产生非线性，最终导致其传输性能的大的功率，而产生非线性，最终导致其传输性能的大的功率，而产生非线性，最终导致其传输性能的恶化恶化恶化恶化- -需进行自动增益控制需进行自动增益控制需进行自动增益控制需进行自动增益控制对于级联对于级联对于级联对于级联EDFAEDFA系统，瞬态响应时间可短至几系统，瞬态响应时间可短至几系统，瞬态响应时间可短至几系统，瞬态响应时间可短至几 几几几几十十十十 s s，要求增益控制系统的响应时间相应为几要求增益控制系统的响应时间相应为几要求增益控制系统的响应时间相应为几要求增益控制系统的响应时间相应为几 几几几几十十十十 s s二、增益钳制二、增益钳制2021/3/1075讲解：XX增益钳制技术增益钳制技术(1)n n电控：电控：电控：电控：监测监测监测监测EDFAEDFA的输入光功率，根据其大小调整的输入光功率，根据其大小调整的输入光功率，根据其大小调整的输入光功率，根据其大小调整泵浦功率，从而实现增益钳制，是目前最为成熟的泵浦功率，从而实现增益钳制，是目前最为成熟的泵浦功率，从而实现增益钳制，是目前最为成熟的泵浦功率，从而实现增益钳制，是目前最为成熟的方法。方法。方法。方法。LDLDPumpPumpInInOutOut泵浦控制均衡放大器（电控）泵浦控制均衡放大器（电控）泵浦控制均衡放大器（电控）泵浦控制均衡放大器（电控）EDFAEDFA2021/3/1076讲解：XX增益钳制技术增益钳制技术(2)n n在系统中附加一波长信道，在系统中附加一波长信道，在系统中附加一波长信道，在系统中附加一波长信道，根据其它信道的功率，根据其它信道的功率，根据其它信道的功率，根据其它信道的功率，改变附加波长的功率，而实现增益钳制。改变附加波长的功率，而实现增益钳制。改变附加波长的功率，而实现增益钳制。改变附加波长的功率，而实现增益钳制。注入激光注入激光注入激光注入激光2021/3/1077讲解：XXWDMWDM系统要求系统要求系统要求系统要求EDFAEDFA具有足够高的输出功率，以保证各具有足够高的输出功率，以保证各具有足够高的输出功率，以保证各具有足够高的输出功率，以保证各信道获得足够的光功率。信道获得足够的光功率。信道获得足够的光功率。信道获得足够的光功率。方法：多级泵浦方法：多级泵浦方法：多级泵浦方法：多级泵浦222219191616输出功率（输出功率（输出功率（输出功率（dBmdBm）1540154015701570三、三、EDFA的大功率化的大功率化(1)2021/3/1078讲解：XXEDFA的大功率化的大功率化(2) =0.7%=0.7% =1.3%=1.3%纤纤纤纤芯芯芯芯内内内内包包包包层层层层外外外外包包包包层层层层用于制作大功率用于制作大功率用于制作大功率用于制作大功率EDFAEDFA的双包层光纤结构图的双包层光纤结构图的双包层光纤结构图的双包层光纤结构图芯层：芯层：芯层：芯层：5 5 mm内包层：内包层：内包层：内包层： 5050 mm芯层芯层芯层芯层( (掺铒掺铒掺铒掺铒) )，传播信号层，传播信号层，传播信号层，传播信号层(SM)(SM)内包层，传播泵浦光内包层，传播泵浦光内包层，传播泵浦光内包层，传播泵浦光(MM)(MM)双包层光纤是实现双包层光纤是实现双包层光纤是实现双包层光纤是实现EDFAEDFA的重要的重要的重要的重要技术，信号光在中心的纤芯里以技术，信号光在中心的纤芯里以技术，信号光在中心的纤芯里以技术，信号光在中心的纤芯里以单模传播，而泵浦光则在内包层单模传播，而泵浦光则在内包层单模传播，而泵浦光则在内包层单模传播，而泵浦光则在内包层中以多模传输。中以多模传输。中以多模传输。中以多模传输。2021/3/1079讲解：XX 6.5.5 掺镨光纤放大器掺镨光纤放大器PDFAnEDFAEDFA只能用于只能用于只能用于只能用于1.55um1.55um光纤通信系统，但是现在世界光纤通信系统，但是现在世界光纤通信系统，但是现在世界光纤通信系统，但是现在世界上有众多工作在上有众多工作在上有众多工作在上有众多工作在1.3um1.3um得光纤通信系统和得光纤通信系统和得光纤通信系统和得光纤通信系统和CATVCATV网络。网络。网络。网络。n于是科学家们开发了工作在于是科学家们开发了工作在于是科学家们开发了工作在于是科学家们开发了工作在1.3um1.3um的波段的掺镨光纤放的波段的掺镨光纤放的波段的掺镨光纤放的波段的掺镨光纤放大器，要求泵浦波长是大器，要求泵浦波长是大器，要求泵浦波长是大器，要求泵浦波长是1.01um1.01um。n这种放大器的增益可达这种放大器的增益可达这种放大器的增益可达这种放大器的增益可达38dB38dB，饱和输出功率达，饱和输出功率达，饱和输出功率达，饱和输出功率达20mW20mW。但泵浦效率相当低，典型值小于但泵浦效率相当低，典型值小于但泵浦效率相当低，典型值小于但泵浦效率相当低，典型值小于0.2dB/mW0.2dB/mW，而，而，而，而EDFAEDFA高达高达高达高达11dB/mW11dB/mW。所以要从掺镨光纤放大器获得。所以要从掺镨光纤放大器获得。所以要从掺镨光纤放大器获得。所以要从掺镨光纤放大器获得30dB30dB的的的的增益，需要高达增益，需要高达增益，需要高达增益，需要高达1W1W的泵浦功率。的泵浦功率。的泵浦功率。的泵浦功率。2021/3/1080讲解：XX几种光放大器的比较几种光放大器的比较放大器放大器放大器放大器类型类型类型类型原理原理原理原理激励激励激励激励方式方式方式方式工作长工作长工作长工作长度度度度噪声噪声噪声噪声特性特性特性特性与光与光与光与光纤耦纤耦纤耦纤耦合合合合与光与光与光与光偏振偏振偏振偏振关系关系关系关系稳稳稳稳定定定定性性性性掺稀土光掺稀土光掺稀土光掺稀土光纤放大器纤放大器纤放大器纤放大器粒子数反粒子数反粒子数反粒子数反转转转转光光光光数米到数米到数米到数米到数十米数十米数十米数十米好好好好容易容易容易容易无无无无好好好好半导体光半导体光半导体光半导体光放大器放大器放大器放大器粒子数反粒子数反粒子数反粒子数反转转转转电电电电100100 m1mm1mmm差差差差很难很难很难很难大大大大差差差差光纤光纤光纤光纤( (喇喇喇喇曼曼曼曼) )放大放大放大放大器器器器光学非线光学非线光学非线光学非线性性性性( (喇曼喇曼喇曼喇曼) )效应效应效应效应光光光光数千米数千米数千米数千米好好好好容易容易容易容易大大大大好好好好2021/3/1081讲解：XX感谢您的阅读收藏，谢谢！2021/3/1082