第6章光放大器

1、光纖通信原 榮 楊淑雯 肖石林 吉建華 陳名松1第第 6章章 光放大器光放大器l6.1 光放大器概述光放大器概述l6.2 摻鉺光纖放大器摻鉺光纖放大器6.3 光纖拉曼放大器光纖拉曼放大器6.4 半導(dǎo)體光放大器（半導(dǎo)體光放大器（SOA） 6.5 復(fù)習(xí)思考題復(fù)習(xí)思考題 6.6 習(xí)題習(xí)題光纖通信原 榮 楊淑雯 肖石林 吉建華 陳名松26.1 光放大器概述光放大器概述6.1.1 光放大器作用和種類光放大器作用和種類 任何光纖通信系統(tǒng)的傳輸距離都受光纖損耗或任何光纖通信系統(tǒng)的傳輸距離都受光纖損耗或色散限制，因此，傳統(tǒng)的長途光纖傳輸系統(tǒng)需色散限制，因此，傳統(tǒng)的長途光纖傳輸系統(tǒng)需要每隔一定的距離就增加一個(gè)再

2、生中繼器，以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)行光能是進(jìn)行光-電電-光轉(zhuǎn)換，并在光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電光轉(zhuǎn)換，并在光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)時(shí)進(jìn)行整形、再生和定時(shí)（信號(hào)時(shí)進(jìn)行整形、再生和定時(shí)（Reshaping，Regenerating，Retiming，3R）處理，恢復(fù)信）處理，恢復(fù)信號(hào)形狀和幅度，然后再轉(zhuǎn)換回光信號(hào)，沿光纖號(hào)形狀和幅度，然后再轉(zhuǎn)換回光信號(hào)，沿光纖線路繼續(xù)傳輸，如圖線路繼續(xù)傳輸，如圖6.1.1a所示。所示。 光纖通信原 榮 楊淑雯 肖石林 吉建華 陳名松3再生中繼器的缺點(diǎn)再生中繼器的缺點(diǎn) 首先，通信設(shè)

3、備復(fù)雜，系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可首先，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)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，然后光分解復(fù)用，然后光-電電-光變換，經(jīng)波分復(fù)用光變換，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)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。雜，費(fèi)用更昂貴。 其次，傳輸容量受到一定的限制。其次，傳輸容量受到一定的限制。光纖通信原 榮 楊淑雯 肖石林 吉建華 陳名松4光放大中繼器的作用是在光路上對(duì)光信號(hào)進(jìn)行光放大中繼器的作用是在光路上對(duì)光信號(hào)進(jìn)行直接放大，然后再傳輸，即用

4、一個(gè)全光傳輸中直接放大，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繼器代替目前的這種光-電電-光再生中繼器，如圖光再生中繼器，如圖6.1.1b所示。所示。 圖圖6.1.1 光光-電電-光中繼系統(tǒng)和全光中繼系統(tǒng)的比較光中繼系統(tǒng)和全光中繼系統(tǒng)的比較a）光）光-電電-光中繼系統(tǒng)光中繼系統(tǒng) b）全光中繼系統(tǒng)）全光中繼系統(tǒng)光纖通信原 榮 楊淑雯 肖石林 吉建華 陳名松5圖圖6.1.2 中間含有光分插復(fù)用（中間含有光分插復(fù)用（OADM）器的光）器的光-電電-光點(diǎn)對(duì)點(diǎn)波分復(fù)用（光點(diǎn)對(duì)點(diǎn)波分復(fù)用（WDM）系統(tǒng)結(jié)構(gòu)）系統(tǒng)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，通信設(shè)備復(fù)雜，系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性不高

5、，傳輸容量受到一定的限制。傳輸容量受到一定的限制。光纖通信原 榮 楊淑雯 肖石林 吉建華 陳名松6光放大器出現(xiàn)光放大器出現(xiàn) 多年來，人們一直在探索能否去掉上述光多年來，人們一直在探索能否去掉上述光-電電-光轉(zhuǎn)換過程，直接在光路上對(duì)信號(hào)進(jìn)行放大，光轉(zhuǎn)換過程，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前的這種光-電電-光再生中繼器。光再生中繼器。 經(jīng)過多年的努力，科學(xué)家們已經(jīng)發(fā)明了幾種光經(jīng)過多年的努力，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（放大器，其中摻鉺光纖放大器（EDFA）、分）、分布光纖拉曼放大器（布光

6、纖拉曼放大器（DRA）和半導(dǎo)體光放大器）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）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)行簡要的介紹。售。本章對(duì)這幾種放大器進(jìn)行簡要的介紹。光纖通信原 榮 楊淑雯 肖石林 吉建華 陳名松7用光放大器取代光用光放大器取代光-電電-光中繼器，作為在線放大器使用。光中繼器，作為在線放大器使用。插在光發(fā)射機(jī)之后，來增強(qiáng)光發(fā)射機(jī)功率，作為功率放大器，可增加傳輸插在光發(fā)射機(jī)之后，來增強(qiáng)光發(fā)射機(jī)功率，作為功率放大器，可增加傳輸距離（距離（10100）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，提高接收在接收機(jī)之前，插入一個(gè)

7、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，這樣的放大器稱為前置放大器，也可以用來增加傳輸距離。機(jī)靈敏度，這樣的放大器稱為前置放大器，也可以用來增加傳輸距離。補(bǔ)償局域網(wǎng)（補(bǔ)償局域網(wǎng)（LAN）的分配損耗。）的分配損耗。6.1.2 光放大器應(yīng)用光放大器應(yīng)用光光發(fā)發(fā)射射機(jī)機(jī)EDFA光光接接收收機(jī)機(jī)EDFA光光纖纖光光纖纖(a)在在線線放放大大器器在在線線放放大大器器光光發(fā)發(fā)射射機(jī)機(jī)光光接接收收機(jī)機(jī)EDFA光光纖纖(c)前前置置放放大大器器接接收收機(jī)機(jī)前前置置放放大大器器光光發(fā)發(fā)射射機(jī)機(jī)EDFA光光接接收收機(jī)機(jī)光光纖纖(b)功功率率放放大大器器光光發(fā)發(fā)射射機(jī)機(jī)功功率率增增強(qiáng)強(qiáng)器器光光發(fā)發(fā)射射機(jī)

8、機(jī)EDFA光光接接收收機(jī)機(jī)(d)補(bǔ)補(bǔ)償償損損耗耗放放大大器器光光纖纖總總線線節(jié)節(jié)點(diǎn)點(diǎn)在在局局域域網(wǎng)網(wǎng)中中用用于于補(bǔ)補(bǔ)償償分分配配損損耗耗EDFA光纖通信原 榮 楊淑雯 肖石林 吉建華 陳名松86.1.3 光放大器增益和噪聲光放大器增益和噪聲光放大器增益光放大器增益G（有時(shí)也稱放大倍數(shù)）（有時(shí)也稱放大倍數(shù)）為為G = Pout/Pin（6.1.1）式中，式中，Pin和和Pout分別是正在放大的連續(xù)波分別是正在放大的連續(xù)波（CW）信號(hào)的輸入和輸出功率。）信號(hào)的輸入和輸出功率。光纖通信原 榮 楊淑雯 肖石林 吉建華 陳名松9光放大器噪聲指數(shù)光放大器噪聲指數(shù)Fn 光纖通信原 榮 楊淑雯 肖石林 吉建華

9、 陳名松10例例6.1.1 光放大器噪聲指數(shù)計(jì)算光放大器噪聲指數(shù)計(jì)算光纖通信原 榮 楊淑雯 肖石林 吉建華 陳名松116.2 摻鉺光纖放大器（摻鉺光纖放大器（EDFA） 使用鉺離子作為增益介質(zhì)的光纖放大器，稱為摻鉺光使用鉺離子作為增益介質(zhì)的光纖放大器，稱為摻鉺光纖放大器纖放大器(EDFA)。這些離子在光纖制造過程中被摻入。這些離子在光纖制造過程中被摻入光纖芯中，使用泵浦光直接對(duì)光信號(hào)放大，提供光增光纖芯中，使用泵浦光直接對(duì)光信號(hào)放大，提供光增益。益。 雖然摻雜光纖放大器早在雖然摻雜光纖放大器早在1964年就有研究，但是直到年就有研究，但是直到1985年才首次研制成功摻鉺光纖。年才首次研制成功摻

10、鉺光纖。1988年低損耗摻鉺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。實(shí)際使用。 放大器的特性，如工作波長、帶寬由摻雜劑所決定。放大器的特性，如工作波長、帶寬由摻雜劑所決定。摻鉺光纖放大器因?yàn)楣ぷ鞑ㄩL在靠近光纖損耗最小的摻鉺光纖放大器因?yàn)楣ぷ鞑ㄩL在靠近光纖損耗最小的1.55 m 波長區(qū)，它比其它光放大器更引人注意。波長區(qū)，它比其它光放大器更引人注意。光纖通信原 榮 楊淑雯 肖石林 吉建華 陳名松126.2.1 EDFA構(gòu)成構(gòu)成輸輸入入信信號(hào)號(hào)泵泵浦浦光光隔隔離離器器光光隔隔離離器器摻摻鉺鉺光光纖纖輸輸出出信信號(hào)號(hào)熔熔接接波

11、波分分復(fù)復(fù)用用器器光纖通信原 榮 楊淑雯 肖石林 吉建華 陳名松13EDFA產(chǎn)品產(chǎn)品光纖通信原 榮 楊淑雯 肖石林 吉建華 陳名松14EDFA產(chǎn)品產(chǎn)品光纖通信原 榮 楊淑雯 肖石林 吉建華 陳名松15EDFA各部分作用各部分作用 (1) 摻鉺光纖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。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的增的增益與許多參數(shù)有關(guān)，如鉺離子濃度、放大器長度、芯徑以及益與許多參數(shù)有關(guān)，如鉺離子濃度、放大器長度、芯徑以及泵浦光功率等。泵浦光功率等。 (2)

12、泵浦源泵浦源對(duì)泵浦源的基本要求是高功率和長壽命。它是保證光纖放大對(duì)泵浦源的基本要求是高功率和長壽命。它是保證光纖放大器性能的基本因素。幾個(gè)波長可有效激勵(lì)摻鉺光纖。器性能的基本因素。幾個(gè)波長可有效激勵(lì)摻鉺光纖。 最先使用最先使用1480 nm的的 InGaAs 多量子阱多量子阱(MQW)激光器，其輸激光器，其輸出功率可達(dá)出功率可達(dá) 100 mW，泵浦增益系數(shù)較高。，泵浦增益系數(shù)較高。 隨后采用隨后采用980nm 波長泵浦，效率高波長泵浦，效率高, 噪聲低，現(xiàn)已廣泛使用。噪聲低，現(xiàn)已廣泛使用。光纖通信原 榮 楊淑雯 肖石林 吉建華 陳名松16980 nm泵浦泵浦LD 雙光纖布拉格光柵波長穩(wěn)定雙光纖

13、布拉格光柵波長穩(wěn)定 600 mW輸出功率輸出功率光纖通信原 榮 楊淑雯 肖石林 吉建華 陳名松17 (3) 波分復(fù)用器波分復(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，因而適用的要求是插入損耗低，因而適用的WDM器件主器件主要有熔融拉錐形光纖耦合器和干涉濾波器。要有熔融拉錐形光纖耦合器和干涉濾波器。 (4) 光隔離器光隔離器在輸入、輸出端插入光隔離器是為了抑制光路在輸入、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、反向聲。對(duì)隔離器的基

14、本要求是插入損耗低、反向隔離度大。隔離度大。EDFA各部分作用各部分作用光纖通信原 榮 楊淑雯 肖石林 吉建華 陳名松18 6.2.2 EDFA工作工作原理及其特性原理及其特性 在摻鉺離子的能級(jí)圖中，在摻鉺離子的能級(jí)圖中，E1是基態(tài)，是基態(tài)， E2 是中間能是中間能級(jí)，級(jí)，E3代表激發(fā)態(tài)。代表激發(fā)態(tài)。 若泵浦光的光子能量等若泵浦光的光子能量等于于 E3 與與 E1之差，鉺離子之差，鉺離子吸收泵浦光后，從吸收泵浦光后，從E1升升至至 E3。但是激活態(tài)是不。但是激活態(tài)是不穩(wěn)定的，激發(fā)到穩(wěn)定的，激發(fā)到E3 的鉺的鉺離子很快返回到離子很快返回到 E2。 若信號(hào)光的光子能量等若信號(hào)光的光子能量等于于 E

15、2 和和 E1 之差，則當(dāng)之差，則當(dāng)處于處于 E 2的鉺離子返回的鉺離子返回E1 時(shí)則產(chǎn)生信號(hào)光子，這時(shí)則產(chǎn)生信號(hào)光子，這就是受激發(fā)射，結(jié)果使就是受激發(fā)射，結(jié)果使信號(hào)光得到放大。信號(hào)光得到放大。1530nm980nm980nm泵浦光泵浦光放大后放大后的信號(hào)光的信號(hào)光.1E2E3E信號(hào)光信號(hào)光1550nm1550nm0能級(jí)能級(jí) 3rE0.80eV1.27eV鉺離子能級(jí)圖鉺離子能級(jí)圖光纖通信原 榮 楊淑雯 肖石林 吉建華 陳名松19泵浦光是如何泵浦光是如何將能量轉(zhuǎn)移給將能量轉(zhuǎn)移給信號(hào)的信號(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)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)

16、能級(jí)態(tài)能級(jí) E3。 從以上分析可知，能級(jí)從以上分析可知，能級(jí) E2 和和 E1 之差必須是需要放大信號(hào)光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)態(tài) E1 躍遷到激活態(tài)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)。的增益特性與泵浦方式及其光纖摻雜劑有關(guān)。 可使用多種不同波長的光來泵浦可使用多種不同波長的光來泵浦 EDFA，但是，但是 0.98 m 和和 1.48 m的半導(dǎo)體激光泵浦最有效。使用這兩種波長的光泵的半導(dǎo)體激光泵浦最有效。使用這兩種波長的光泵浦浦 EDFA 時(shí)，只用幾毫瓦的

17、泵浦功率就可獲得高達(dá)時(shí)，只用幾毫瓦的泵浦功率就可獲得高達(dá) 30 40 dB 的放大器增益。的放大器增益。1530nm980nm980nm泵浦光泵浦光放大后放大后的信號(hào)光的信號(hào)光.1E2E3E信號(hào)光信號(hào)光1550nm1550nm0能級(jí)能級(jí) 3rE0.80eV1.27eV鉺離子能級(jí)圖鉺離子能級(jí)圖光纖通信原 榮 楊淑雯 肖石林 吉建華 陳名松20圖圖6.2.2 摻鉺光纖放大器的工作原理摻鉺光纖放大器的工作原理（a）硅光纖中鉺離子）硅光纖中鉺離子的能級(jí)圖的能級(jí)圖 （b） EDFA的吸收和增的吸收和增益頻譜益頻譜 .1 4801 520 1 5401 5600246810吸收或增益波長1 500/nm/

18、(dB/m)10 25m2吸收增益截面2461E980 nm泵浦光放大后的信號(hào)光信號(hào)光1 550 nm1 550 nm0能級(jí)3rE1 530 nm980 nm2E3E0.80eV1.27eV-在泵浦光的作用下，能級(jí) E2的鉺離子返回E1時(shí)產(chǎn)生信號(hào)光子，受激發(fā)射使信號(hào)光得到放大光纖通信原 榮 楊淑雯 肖石林 吉建華 陳名松21圖圖6.2.3表示輸出信號(hào)表示輸出信號(hào)功率與泵浦功率的關(guān)功率與泵浦功率的關(guān)系。系。由圖可見，能量從泵由圖可見，能量從泵浦光轉(zhuǎn)換成信號(hào)光的浦光轉(zhuǎn)換成信號(hào)光的效率很高，因此效率很高，因此EDFA很適合作功率很適合作功率放大器。放大器。泵浦光功率轉(zhuǎn)換為輸泵浦光功率轉(zhuǎn)換為輸出信號(hào)光

19、功率的效率出信號(hào)光功率的效率為為 92.6 %，60 mW功率泵浦時(shí)，吸收效功率泵浦時(shí)，吸收效率為率為 88 %。(信號(hào)輸信號(hào)輸出功率出功率 信號(hào)輸入功信號(hào)輸入功率率) / 泵浦功率泵浦功率008020406020406080泵浦功率泵浦功率輸輸出出信信號(hào)號(hào)功功率率轉(zhuǎn)換效率轉(zhuǎn)換效率92.6%(mW)(mW)圖圖6.2.3 輸出信號(hào)功率與泵浦功率的關(guān)系輸出信號(hào)功率與泵浦功率的關(guān)系光纖通信原 榮 楊淑雯 肖石林 吉建華 陳名松22圖圖6.2.4 小信號(hào)增益與泵浦功率的關(guān)系小信號(hào)增益與泵浦功率的關(guān)系00401020305101520泵浦功率泵浦功率小小信信號(hào)號(hào)增增益益增益系數(shù)增益系數(shù)(dB)(mW)

20、6.3dB/mW 小信號(hào)輸小信號(hào)輸入，實(shí)際入，實(shí)際摻鉺光纖摻鉺光纖增益和泵增益和泵浦功率的浦功率的關(guān)系，關(guān)系，1.48 m泵浦時(shí)泵浦時(shí)的增益系的增益系數(shù)是數(shù)是6.3 dB/mW。光纖通信原 榮 楊淑雯 肖石林 吉建華 陳名松23圖6.2.5 小信號(hào)增益頻譜小信號(hào)增益頻譜1.52040102030小小信信號(hào)號(hào)增增益益1.541.56波長( )波長( ) m1.58(dB)將鋁與鍺同將鋁與鍺同時(shí)摻入鉺光時(shí)摻入鉺光纖的小信號(hào)纖的小信號(hào)增益頻譜和增益頻譜和大信號(hào)增益大信號(hào)增益頻譜特性頻譜特性與圖與圖6.2.2b比較，將鋁比較，將鋁與鍺同時(shí)摻與鍺同時(shí)摻入鉺光纖可入鉺光纖可獲得比純摻獲得比純摻鍺更平坦的鍺

21、更平坦的增益頻譜。增益頻譜。光纖通信原 榮 楊淑雯 肖石林 吉建華 陳名松24圖圖6.2.6 大信號(hào)增益頻譜大信號(hào)增益頻譜1.52025101520(dB)1.541.56波長( )波長( ) m1.58大大信信號(hào)號(hào)增增益益將鋁與鍺同將鋁與鍺同時(shí)摻入鉺光時(shí)摻入鉺光纖的小信號(hào)纖的小信號(hào)增益頻譜和增益頻譜和大信號(hào)增益大信號(hào)增益頻譜特性頻譜特性與圖與圖6.2.2b比較，將鋁比較，將鋁與鍺同時(shí)摻與鍺同時(shí)摻入鉺光纖可入鉺光纖可獲得比純摻獲得比純摻鍺更平坦的鍺更平坦的增益頻譜。增益頻譜。光纖通信原 榮 楊淑雯 肖石林 吉建華 陳名松253. EDFA小信號(hào)增益小信號(hào)增益 EDFA的增益與鉺離子濃度、摻鉺光

22、纖長度、芯徑和的增益與鉺離子濃度、摻鉺光纖長度、芯徑和泵浦功率有關(guān)泵浦功率有關(guān) 當(dāng)處于激發(fā)態(tài)當(dāng)處于激發(fā)態(tài) E3 能級(jí)的離子很快返回到能級(jí)的離子很快返回到 E2 能級(jí)，產(chǎn)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。生的輻射是自發(fā)輻射，它對(duì)信號(hào)光放大不起作用。 只有鉺離子從只有鉺離子從 E2 能級(jí)返回能級(jí)返回 E1 能級(jí)時(shí)，發(fā)生的受激發(fā)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)。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)簡單兩當(dāng)忽略自發(fā)輻射和激發(fā)態(tài)吸收時(shí)，使用一個(gè)簡單兩能級(jí)模型，對(duì)能級(jí)模型，對(duì) EDFA 的原理可得到更好地理解。該的原理可得到更好地理解。該模型假定

23、三能級(jí)系統(tǒng)的激活態(tài)能級(jí)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，幾乎保持空位，因?yàn)楸闷值侥芗?jí)因?yàn)楸闷值侥芗?jí) E3 的離子數(shù)快速地轉(zhuǎn)移到能級(jí)的離子數(shù)快速地轉(zhuǎn)移到能級(jí) E2。光纖通信原 榮 楊淑雯 肖石林 吉建華 陳名松260-1010302040增增益益02468102015105mL=(mW)泵泵浦浦功功率率(dB)對(duì)于給定的對(duì)于給定的放大器長度放大器長度L，放大器，放大器增益最初隨增益最初隨泵浦功率按泵浦功率按指數(shù)函數(shù)增指數(shù)函數(shù)增加，但是當(dāng)加，但是當(dāng)泵浦功率超泵浦功率超過一定值后，過一定值后，增益的增加增益的增加就減小就減小圖圖6.2.7a 小信號(hào)增益和泵浦功率的關(guān)系小信號(hào)增益和泵

24、浦功率的關(guān)系光纖通信原 榮 楊淑雯 肖石林 吉建華 陳名松27對(duì)于給定的對(duì)于給定的泵浦功率，泵浦功率，放大器的最放大器的最大增益對(duì)應(yīng)大增益對(duì)應(yīng)一個(gè)最佳光一個(gè)最佳光纖長度，并纖長度，并且當(dāng)超過這且當(dāng)超過這個(gè)最佳值后個(gè)最佳值后很快降低。很快降低。其原因是鉺其原因是鉺光纖的剩余光纖的剩余部分沒有被部分沒有被泵浦，反而泵浦，反而吸收了已放吸收了已放大的信號(hào)。大的信號(hào)。增增益益01030200-10102030405040(m)(dB)3 mWPP=24561789鉺鉺光光纖纖長長度度圖圖6.2.7b 小信號(hào)增益和光纖長度的關(guān)系小信號(hào)增益和光纖長度的關(guān)系光纖通信原 榮 楊淑雯 肖石林 吉建華 陳名松28

25、4. 增益飽和（或壓縮）特性增益飽和（或壓縮）特性 在在EDFA泵浦功率泵浦功率一定的情況下，輸一定的情況下，輸入功率較小時(shí)，放入功率較小時(shí)，放大器增益不隨入射大器增益不隨入射光信號(hào)的增加而變光信號(hào)的增加而變化，表現(xiàn)為恒定不化，表現(xiàn)為恒定不變。變。 當(dāng)輸入信號(hào)功率增當(dāng)輸入信號(hào)功率增大到一定值后（一大到一定值后（一般為般為 20 dBm左左右），增益開始隨右），增益開始隨信號(hào)功率的增加而信號(hào)功率的增加而下降，這是入射信下降，這是入射信號(hào)導(dǎo)致號(hào)導(dǎo)致EDFA出現(xiàn)出現(xiàn)增益飽和的緣故。增益飽和的緣故。 增益/dBm輸入功率/dB0102015-355-30-20 -15 -10 -505-25工作點(diǎn)13

26、 m9 m長增益線性區(qū)增益壓縮區(qū)AB長光纖通信原 榮 楊淑雯 肖石林 吉建華 陳名松294. 增益飽和（或壓縮）特性增益飽和（或壓縮）特性 當(dāng)泵浦功率一定當(dāng)泵浦功率一定時(shí)，摻鉺光纖越時(shí)，摻鉺光纖越長飽和程度越深。長飽和程度越深。EDFA的這種增的這種增益飽和特性，稱益飽和特性，稱為增益壓縮，使為增益壓縮，使它具有增益自調(diào)它具有增益自調(diào)整能力，整能力， 這在這在EDFA的級(jí)的級(jí)聯(lián)應(yīng)用中具有重聯(lián)應(yīng)用中具有重要的意義。在要的意義。在8.5.2節(jié)還將進(jìn)一節(jié)還將進(jìn)一步介紹。步介紹。增益/dBm輸入功率/dB0102015-355-30-20 -15 -10 -505-25工作點(diǎn)13 m9 m長增益線性區(qū)

27、增益壓縮區(qū)AB長光纖通信原 榮 楊淑雯 肖石林 吉建華 陳名松306.3 光纖拉曼放大器光纖拉曼放大器 EDFA只能工作在只能工作在1 5301 564 nm之間的之間的C 波段；波段； 光纖拉曼放大器可用于全波光纖工作窗口。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譜只由泵浦波因?yàn)榉植际嚼糯笃鞯脑鲆骖l譜只由泵浦波長決定，而與摻雜物的能級(jí)電平無關(guān)，所以只長決定，而與摻雜物的能級(jí)電平無關(guān)，所以只要泵浦波長適當(dāng)，就可以在任意波長獲得信號(hào)要泵浦波長適當(dāng)，就可以在任意波長獲得信號(hào)光的增益光的增益 光纖拉曼放大器已成功地應(yīng)用于光纖拉曼放大器已成功地應(yīng)用于DWDM系統(tǒng)系統(tǒng)和無

28、中繼海底光纜系統(tǒng)中。和無中繼海底光纜系統(tǒng)中。光纖通信原 榮 楊淑雯 肖石林 吉建華 陳名松316.3.1 分布式光纖拉曼放大器的工作原理分布式光纖拉曼放大器的工作原理 增益介質(zhì)：系統(tǒng)傳輸光纖；增益介質(zhì)：系統(tǒng)傳輸光纖； 工作原理：工作原理：基于非線性光學(xué)效應(yīng)，利用強(qiáng)泵浦光基于非線性光學(xué)效應(yīng)，利用強(qiáng)泵浦光通過光纖傳輸時(shí)產(chǎn)生受激拉曼散射，使組成光纖通過光纖傳輸時(shí)產(chǎn)生受激拉曼散射，使組成光纖的石英晶格振動(dòng)和泵浦光之間發(fā)生相互作用，產(chǎn)的石英晶格振動(dòng)和泵浦光之間發(fā)生相互作用，產(chǎn)生比泵浦光波長生比泵浦光波長 P還長的散射光（斯托克斯光還長的散射光（斯托克斯光 P s ）。）。 該散射光與波長相同的信號(hào)光該散

29、射光與波長相同的信號(hào)光( P s )重疊，從重疊，從而使弱信號(hào)光放大，獲得拉曼增益。而使弱信號(hào)光放大，獲得拉曼增益。 就石英玻璃而言，泵浦光波長與待放大信號(hào)光波就石英玻璃而言，泵浦光波長與待放大信號(hào)光波長之間的頻率差大約為長之間的頻率差大約為13 THz，在，在1.5 m波段，波段，由附錄由附錄G可知，它相當(dāng)于約可知，它相當(dāng)于約100 nm的波長差，即的波長差，即有有100 nm的增益帶寬。的增益帶寬。 光纖通信原 榮 楊淑雯 肖石林 吉建華 陳名松32分布式拉曼放大器分布式拉曼放大器（DRA）的的工作原理工作原理 采用拉曼放大時(shí)，放大波段只依賴于泵浦光的采用拉曼放大時(shí)，放大波段只依賴于泵浦光

30、的波長，沒有像波長，沒有像EDFA那樣的放大波段的限制。那樣的放大波段的限制。從原理上講，只要采用合適的泵浦光波長，就從原理上講，只要采用合適的泵浦光波長，就完全可以對(duì)任意輸入光進(jìn)行放大。完全可以對(duì)任意輸入光進(jìn)行放大。 分布式光纖拉曼放大器（分布式光纖拉曼放大器（DRA）采用強(qiáng)泵浦光）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)光相互作用的長度，從而也就減小了泵和信號(hào)光相互作用的長度，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。浦噪聲對(duì)信號(hào)的影響，

31、所以通常采用后向泵浦。圖圖6.3.1為采用前向泵浦的分布式光纖拉曼放大為采用前向泵浦的分布式光纖拉曼放大器的構(gòu)成和能級(jí)圖。器的構(gòu)成和能級(jí)圖。光纖通信原 榮 楊淑雯 肖石林 吉建華 陳名松33 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，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)光的波長在泵浦光的拉曼增益帶寬內(nèi)，并且弱信號(hào)光的波長在泵浦光的拉曼增益帶寬內(nèi)， 產(chǎn)生比泵浦光波長還長的散射光（斯托克斯光）。該散射光產(chǎn)生比泵浦光波長還長的散射光（斯托克斯光）。該散射光與波長相同的信號(hào)光重疊，從而使弱信號(hào)光放大，獲得拉曼與波長相同的信號(hào)光重疊，從而使弱信號(hào)光放大，獲得拉曼增益

32、。增益。 圖圖6.3.1 分布式拉曼放大器的工作原理分布式拉曼放大器的工作原理光纖通信原 榮 楊淑雯 肖石林 吉建華 陳名松34受激拉曼散射受激拉曼散射 (SRS)本質(zhì)上本質(zhì)上與受激光發(fā)射與受激光發(fā)射(SOA)不同不同 在受激發(fā)射中，入射光子激發(fā)另一個(gè)相同的光在受激發(fā)射中，入射光子激發(fā)另一個(gè)相同的光子發(fā)射而沒有損失它自己的能量；子發(fā)射而沒有損失它自己的能量； 但在但在SRS中，入射泵浦光子放棄了它自己的能中，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（較長波長）的光量，產(chǎn)生了另一個(gè)較低能量（較長波長）的光子。子。 與與SOA電泵浦不同，電泵浦不同，SRS必須光泵浦，也不要必須光泵浦，

33、也不要求粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。事實(shí)上，求粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。事實(shí)上，SRS是一種非諧振非是一種非諧振非線性現(xiàn)象，它不要求粒子數(shù)在能級(jí)間轉(zhuǎn)移。線性現(xiàn)象，它不要求粒子數(shù)在能級(jí)間轉(zhuǎn)移。光纖通信原 榮 楊淑雯 肖石林 吉建華 陳名松356.3.2 拉曼增益和帶寬拉曼增益和帶寬 圖圖6.3.2 測(cè)量到測(cè)量到的拉曼增益系的拉曼增益系數(shù)頻譜數(shù)頻譜 增益帶寬可以增益帶寬可以達(dá)到約達(dá)到約8 THz。光纖拉曼放大光纖拉曼放大器相當(dāng)大的帶器相當(dāng)大的帶寬使它們?cè)诠鈱捠顾鼈冊(cè)诠饫w通信應(yīng)用中纖通信應(yīng)用中具有極大的吸具有極大的吸引力。引力。光纖通信原 榮 楊淑雯 肖石林 吉建華 陳名松36 圖圖6.3.3 小信號(hào)光在長光纖內(nèi)的拉曼增益小信號(hào)

34、光在長光纖內(nèi)的拉曼增益 由圖可見，由圖可見，又一次實(shí)驗(yàn)又一次實(shí)驗(yàn)證明，信號(hào)證明，信號(hào)光和泵浦光光和泵浦光的頻率差為的頻率差為13.2 THz時(shí)，時(shí)，拉曼增益達(dá)拉曼增益達(dá)到最大到最大 光纖通信原 榮 楊淑雯 肖石林 吉建華 陳名松37多波長泵浦增益帶寬多波長泵浦增益帶寬 增益波長由泵浦光波長決定，選擇適當(dāng)增益波長由泵浦光波長決定，選擇適當(dāng)?shù)谋闷止獠ㄩL，可得到任意波長的光信的泵浦光波長，可得到任意波長的光信號(hào)放大。號(hào)放大。 分布式光纖拉曼放大器的增益頻譜是每分布式光纖拉曼放大器的增益頻譜是每個(gè)波長的泵浦光單獨(dú)產(chǎn)生的增益頻譜疊個(gè)波長的泵浦光單獨(dú)產(chǎn)生的增益頻譜疊加的結(jié)果，所以它是由泵浦光波長的數(shù)加的結(jié)

35、果，所以它是由泵浦光波長的數(shù)量和種類決定的。量和種類決定的。 光纖通信原 榮 楊淑雯 肖石林 吉建華 陳名松38該圖表示該圖表示6個(gè)個(gè)泵浦波長單獨(dú)泵浦波長單獨(dú)泵浦時(shí)，產(chǎn)生泵浦時(shí)，產(chǎn)生的增益頻譜和的增益頻譜和總的增益頻譜總的增益頻譜曲線。曲線。由圖可見，當(dāng)由圖可見，當(dāng)泵浦光波長逐泵浦光波長逐漸向長波長方漸向長波長方向移動(dòng)時(shí)，增向移動(dòng)時(shí)，增益曲線峰值也益曲線峰值也逐漸向長波長逐漸向長波長方向移動(dòng)。方向移動(dòng)。圖圖6.3.4 多波長泵浦增益頻譜多波長泵浦增益頻譜1 14 48 80 01 15 52 20 01 15 56 60 01 16 60 00 01 16 64 40 00 05 51 10

36、01 15 52 20 02 25 5增增益益( (d dB B) )波波長長（n nm m）喇喇曼曼總總增增益益是是各各泵泵浦浦波波長長光光產(chǎn)產(chǎn)生生的的增增益益之之和和1464nm1402nm1423nm1443nm1495nm泵浦產(chǎn)生的增益總總增增益益光纖通信原 榮 楊淑雯 肖石林 吉建華 陳名松39可以采用前向泵浦可以采用前向泵浦, ,也可以采用后向泵浦，因也可以采用后向泵浦，因后向泵浦后向泵浦減小了泵浦光和信號(hào)光相互作用的長度，從而也就減小減小了泵浦光和信號(hào)光相互作用的長度，從而也就減小了了泵浦噪聲對(duì)泵浦噪聲對(duì)信號(hào)的影響，所以通常采用后向泵浦信號(hào)的影響，所以通常采用后向泵浦。光纖分布式

37、喇曼放大器（光纖分布式喇曼放大器（DRA）構(gòu)成）構(gòu)成-后向泵浦后向泵浦WDMWDM傳輸光纖傳輸光纖信號(hào)光信號(hào)光泵浦光泵浦光光復(fù)光復(fù)用器用器泵浦光泵浦光增益平坦增益平坦濾波器濾波器入1入1入2入2光纖通信原 榮 楊淑雯 肖石林 吉建華 陳名松406.4 半導(dǎo)體光放大器（半導(dǎo)體光放大器（SOA）光纖通信原 榮 楊淑雯 肖石林 吉建華 陳名松41半導(dǎo)體半導(dǎo)體光放大器的光放大器的機(jī)理機(jī)理 半導(dǎo)體光放大器的機(jī)理與激光器的相同，即通半導(dǎo)體光放大器的機(jī)理與激光器的相同，即通過受激發(fā)射放大入射光信號(hào)。過受激發(fā)射放大入射光信號(hào)。 光放大器只是一個(gè)沒有反饋的激光器，其核心光放大器只是一個(gè)沒有反饋的激光器，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。得光增益。 該增益通常不僅與入射信號(hào)的頻率（或波長）該增益通常不僅與入射信號(hào)的頻率（或波長）有關(guān)，而且與放大器內(nèi)任一點(diǎn)的局部光強(qiáng)有關(guān)，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)。介質(zhì)。注入電流注入電流輸入輸入光信號(hào)光信號(hào)輸出光信號(hào)輸出光信號(hào)有源區(qū)有源區(qū)Lz = 0z = Lz z光纖通信原 榮 楊淑雯 肖石林 吉建華 陳名松42 行波光行波光放大器是放大器是一個(gè)沒有一個(gè)沒有反饋的激反饋的激光器。光器。 其核心其