第六章光放大技术ppt课件.ppt

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1、第六章第六章 光放大技术光放大技术2022-8-91School of Science, GDOU Fiber-optic Communication22022-8-9概述概述；EDF的结构与的结构与EDFA工作原理工作原理 ；EDFA的特性的特性；EDFA在光纤通信系统中的应用以及大功率在光纤通信系统中的应用以及大功率 化化； 本章思考题本章思考题。第六章的主要内容第六章的主要内容School of Science, GDOU Fiber-optic Communication32022-8-9概述概述一、一、O/E/O中继和光放大技术中继和光放大技术 光纤通信线路的最大中继距离受光纤的损耗

2、和色散影光纤通信线路的最大中继距离受光纤的损耗和色散影响，它们都是随传输距离的增加不断累积，损耗的累积导响，它们都是随传输距离的增加不断累积，损耗的累积导致信号幅度（脉冲幅度）减小，致信号幅度（脉冲幅度）减小，min影响传输质量影响传输质量。系统设计：损耗、色散预算。系统设计：损耗、色散预算。 光放大器的出现，可视为光纤通信发展史上的光放大器的出现，可视为光纤通信发展史上的重要里重要里程碑程碑。 光放大器出现之前，光纤通信的中继器光放大器出现之前，光纤通信的中继器采用光电采用光电光光(O-E-O)变换方式变换方式。 装置复杂、耗能多、不能同时放大多个波长信道，在装置复杂、耗能多、不能同时放大多

3、个波长信道，在WDM系统中复杂性和成本倍增，可实现系统中复杂性和成本倍增，可实现1R、2R、3R中继。中继。School of Science, GDOU Fiber-optic Communication42022-8-9概述概述l l1l l2l lN.光纤光纤l l1l l2l lN光光解解复复用用.O/EADME/O光光复复用用l l1l l2l lN.l l1l l2l lN.光纤光纤 如图所示，如图所示，传统的传统的光光/电电/光的放大方式必须光的放大方式必须首先首先解复用出单根光纤中的多个信道，解复用出单根光纤中的多个信道，然后然后对每一个信对每一个信道进行放大，道进行放大，最后

4、最后再复用在一起，装置复杂、成本再复用在一起，装置复杂、成本倍增。倍增。School of Science, GDOU Fiber-optic Communication52022-8-9概述概述 复习课件时复习课件时点击右向箭头播放下一段动画！点击右向箭头播放下一段动画！ 此动画是此动画是直接光放大工作原理直接光放大工作原理的动画：无需转换为的动画：无需转换为电信号、通过一段特种光纤直接进行光放大、可以同时电信号、通过一段特种光纤直接进行光放大、可以同时放大多个信道、装置简单（只需几个无源器件和低速电放大多个信道、装置简单（只需几个无源器件和低速电子元件）。子元件）。School of Sc

5、ience, GDOU Fiber-optic Communication62022-8-9概述概述光放大器（光放大器（O-O）：）：EDFA(Erbium-doped Optical Fiber Amplifer：掺铒光纤放大器：掺铒光纤放大器 ) 多波长放大、低成本，只能实现多波长放大、低成本，只能实现1R中继。中继。 光纤放大器的出现，是光纤通信发展史上的重要里程光纤放大器的出现，是光纤通信发展史上的重要里程碑。碑。二、二、EDFA出现的时间背景出现的时间背景 二十世纪二十世纪60年代开始研究掺杂光纤放大器，把稀土金年代开始研究掺杂光纤放大器，把稀土金属离子在光纤制作过程中掺入光纤的纤芯

6、中，使用泵浦光属离子在光纤制作过程中掺入光纤的纤芯中，使用泵浦光信号放大，提供光增益。但是一直没有重大的技术突破。信号放大，提供光增益。但是一直没有重大的技术突破。 直到直到1987年，年，EDFA取得突破性进展，英国南安普顿取得突破性进展，英国南安普顿大学和美国大学和美国AT&T Bell实验室报道了离子态的稀土元素铒实验室报道了离子态的稀土元素铒在光纤中可提供在光纤中可提供1.55mm通信波段的光增益，随后开始提供通信波段的光增益，随后开始提供实际应用。实际应用。School of Science, GDOU Fiber-optic Communication72022-8-9概述概述三、

7、三、EDFA的优点的优点工作波长在工作波长在1550nm波段（波段（15301565nm，约，约40nm ）范围，与光纤最小损耗窗口一致；范围，与光纤最小损耗窗口一致；对对EDF进行激励的泵浦功率低，仅需几十毫瓦，而进行激励的泵浦功率低，仅需几十毫瓦，而光纤拉曼放大器需光纤拉曼放大器需0.5w以上的泵浦源进行激励；以上的泵浦源进行激励；增益高、噪声低、泵浦效率高、输出功率大，增益增益高、噪声低、泵浦效率高、输出功率大，增益可达可达40dB，噪声系数可低至，噪声系数可低至37dB，输出功率可达，输出功率可达1220dBm；EDFA的主体是一段的主体是一段EDF光纤，它与线路光纤的耦光纤，它与线路

8、光纤的耦合损耗很小，可达合损耗很小，可达0.1dB以下；以下；School of Science, GDOU Fiber-optic Communication82022-8-9增益特性与光的偏振态无关，信号放大时与光信号增益特性与光的偏振态无关，信号放大时与光信号的传输方向也没有关系，可以实现双向放大（光纤的传输方向也没有关系，可以实现双向放大（光纤放大器内无隔离器时）；放大器内无隔离器时）；对不同传输速率的数字体系具有完全的透明度，即对不同传输速率的数字体系具有完全的透明度，即与准数字体系和同步数字体系的各种速率兼容，调与准数字体系和同步数字体系的各种速率兼容，调制方案可任意选择；制方案可

9、任意选择；EDFA的工作电流比的工作电流比3R（O/E/O）中继放大器的小，）中继放大器的小，因此可以减小远供电流，从而降低了海缆的电阻和因此可以减小远供电流，从而降低了海缆的电阻和绝缘性能的要求；绝缘性能的要求；概述概述School of Science, GDOU Fiber-optic Communication92022-8-9在多信道应用中可进行无串话传输；在多信道应用中可进行无串话传输；放大器中只有低速电子装置和几个无源器件，结构放大器中只有低速电子装置和几个无源器件，结构简单，可靠性高。简单，可靠性高。四、光放大器的类型四、光放大器的类型利用稀土掺杂的光纤放大器（利用稀土掺杂的光

10、纤放大器（EDFA、PDFA）；）；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）；）；利用光纤非线性效应制作的非线性光纤放大器利用光纤非线性效应制作的非线性光纤放大器（FRA、FBA）；）；光子晶体光纤放大器。光子晶体光纤放大器。概述概述School of Science, GDOU Fiber-optic Communication102022-8-91. 光放大器的应用现状光放大器的应用现状各种光放大器中，以掺杂光纤放大器研究的居多；各种光放大器中，以掺杂光纤放大器研究的居多；掺杂光纤放大器利用掺入石英光纤的稀土离子作为掺杂光纤放大器利用掺入石英光纤的稀土离子作

11、为增益介质，在泵浦光的激发下实现光信号的放大，增益介质，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；放大器的特性主要由掺杂元素决定；工作波长为工作波长为1550nm的铒掺杂光纤放大器的铒掺杂光纤放大器(EDFA)；工作波长为工作波长为1300nm的镨掺杂光纤放大器的镨掺杂光纤放大器(PDFA)；工作波长为工作波长为1400nm的铥掺杂光纤放大器的铥掺杂光纤放大器(TDFA)；目前，目前，EDFA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。概述概述School of Science, GDOU Fiber-optic Communication112

12、022-8-92. EDFA给光纤通信领域带来的革命给光纤通信领域带来的革命 EDFA解决了系统容量提高的最大的限制解决了系统容量提高的最大的限制光损光损耗；耗； 补偿了光纤本身的损耗，使长距离的光纤传输成补偿了光纤本身的损耗，使长距离的光纤传输成为可能；为可能； 大大增加了功率预算的冗余，系统中引入各种新大大增加了功率预算的冗余，系统中引入各种新型光器件成为可能；型光器件成为可能； 支持了最有效的增加光通信容量的方式支持了最有效的增加光通信容量的方式-WDM； 推动了全光网络的研究开发热潮。推动了全光网络的研究开发热潮。概述概述School of Science, GDOU Fiber-op

13、tic Communication122022-8-9一、一、EDF的结构的结构 EDF在泵浦光的作用下，直接对信号光进行放大，是提在泵浦光的作用下，直接对信号光进行放大，是提供光增益的供光增益的核心部件核心部件。EDF的结构与的结构与EDFA工作原理工作原理00.20.40.60.81.0010002000300040005000b/a铒铒离离子子浓浓度度ppm铒离子浓度与铒离子浓度与b/a值的关系值的关系Er3+ GeO2-Al2O3-SiO2GeO2-SiO2F-SiO22b2aErEr掺铒区掺铒区（浓度（浓度11002500ppm) )掺锗区掺锗区直径直径46um硅包层硅包层直径直径1

14、25um+：1.3%-：0.7%EDF的结构与折射率分布的结构与折射率分布School of Science, GDOU Fiber-optic Communication132022-8-9对于对于EDF，为了实现有效放大所要求的足够多的铒离子数反，为了实现有效放大所要求的足够多的铒离子数反转，应该增加掺铒区泵浦光的功率密度，为此，需要减小纤转，应该增加掺铒区泵浦光的功率密度，为此，需要减小纤芯横截面积芯横截面积Aeff，从而使，从而使EDF的结构最佳化；定义有效纤芯面的结构最佳化；定义有效纤芯面积积Aeff为为同时，适当减小同时，适当减小b/a值也是必要的，把掺铒区局限在光纤纤值也是必要的

15、，把掺铒区局限在光纤纤芯的中心，但较小的值减小了对泵浦光的吸收效率，并要求芯的中心，但较小的值减小了对泵浦光的吸收效率，并要求较长的较长的EDF，或较高的铒离子浓度；，或较高的铒离子浓度；掺铝是为了展宽频带宽度（带宽由掺杂剂决定）。掺铝是为了展宽频带宽度（带宽由掺杂剂决定）。EDF的结构与的结构与EDFA工作原理工作原理 200 1.48um/0.98umbeffbI r drAbI r d式中，是泵浦光功率密度的径向分布， 是掺铒区的半径School of Science, GDOU Fiber-optic Communication142022-8-9二、二、EDFA的工作原理的工作原理

16、铒的自由离子具有不连续的能级，当铒的自由离子具有不连续的能级，当Er3+被结被结合到硅光纤时，它们的每个合到硅光纤时，它们的每个能级被分裂为许多紧密能级被分裂为许多紧密相关的能级相关的能级-能带。能带。能级分裂为能带以后会有什么影响？能级分裂为能带以后会有什么影响？ 在在EDFA中能级分裂为能带是有利的：中能级分裂为能带是有利的：第一：使第一：使EDFA对光信号的放大不只是单个波长而是对光信号的放大不只是单个波长而是一组波长的能力，即在一段波长范围内的光波长都一组波长的能力，即在一段波长范围内的光波长都可以得到放大；可以得到放大；第二：避免了细调泵浦激光波长。第二：避免了细调泵浦激光波长。ED

17、F的结构与的结构与EDFA工作原理工作原理School of Science, GDOU Fiber-optic Communication152022-8-9 EDFA采用采用掺铒离子单模光纤掺铒离子单模光纤为增益介质，在泵浦光作为增益介质，在泵浦光作用下产生粒子数反转，用下产生粒子数反转，信号光诱导信号光诱导实现受激辐射放大。实现受激辐射放大。 信号光与波长较其为短的光波信号光与波长较其为短的光波(泵浦光泵浦光)同沿光纤传同沿光纤传输，泵浦光的能量被光纤中的稀土元素离子吸收而使其输，泵浦光的能量被光纤中的稀土元素离子吸收而使其跃迁至更高能级，并可通过能级间的受激发射转移为信跃迁至更高能级，

18、并可通过能级间的受激发射转移为信号光的能量。信号光沿光纤长度得到放大，泵浦光沿光号光的能量。信号光沿光纤长度得到放大，泵浦光沿光纤长度不断衰减。纤长度不断衰减。EDF的结构与的结构与EDFA工作原理工作原理Input signal1530nm-1570nmAmplified output signalPower laser (Pump)980nm or 1480nmFiber containing erbium dopantSchool of Science, GDOU Fiber-optic Communication162022-8-9 吸收带吸收带可以是可以是520、650、800、98

19、0、1480nm； 波长短于波长短于980nm的泵浦效率低，因而通常采用的泵浦效率低，因而通常采用980和和1480nm泵浦泵浦。Er3+有三个工作能级：有三个工作能级：EDF的结构与的结构与EDFA工作原理工作原理吸收泵浦光吸收泵浦光快速非辐快速非辐射跃迁射跃迁光放大光放大受激辐射受激辐射产生噪声产生噪声自发辐射自发辐射受激吸收受激吸收基态基态能带能带泵浦泵浦能带能带980nm1480nm亚稳态能带亚稳态能带School of Science, GDOU Fiber-optic Communication172022-8-9实现粒子数反转的过程：实现粒子数反转的过程：-电子吸收泵浦光跃迁电子

20、吸收泵浦光跃迁 Er3+在未任何光激励的情况下，处于最低能级基态在未任何光激励的情况下，处于最低能级基态上。上。 在在980nm泵浦光的作用下，泵浦光的作用下， 电子不断从基态能级吸电子不断从基态能级吸收泵浦光的能量跃迁到激发态，但是电子在激发态的生收泵浦光的能量跃迁到激发态，但是电子在激发态的生存期很短，对于，平均寿命为存期很短，对于，平均寿命为1us，电子迅速以，电子迅速以“非辐射非辐射方式跃迁至亚稳态，在亚稳态上电子有较长的寿命，在方式跃迁至亚稳态，在亚稳态上电子有较长的寿命，在源源不断的泵浦下，亚稳态上的粒子数积累，从而实现源源不断的泵浦下，亚稳态上的粒子数积累，从而实现粒子数反转分布

21、；粒子数反转分布； 电子被电子被1480nm的泵浦光不断地泵浦到亚稳态上，此的泵浦光不断地泵浦到亚稳态上，此时电子在亚稳态上生存期较长（时电子在亚稳态上生存期较长（10ms），不断地积累），不断地积累实现粒子数反转分布。实现粒子数反转分布。EDF的结构与的结构与EDFA工作原理工作原理School of Science, GDOU Fiber-optic Communication182022-8-9 此动画为此动画为实现粒子数反转分布实现粒子数反转分布的动画：基态的电子的动画：基态的电子在泵浦光的作用下被在泵浦光的作用下被源源不断源源不断的抽运到泵浦态，泵浦态的抽运到泵浦态，泵浦态的电子的电

22、子以无辐射的形式以无辐射的形式跃迁到亚稳态。跃迁到亚稳态。EDF的结构与的结构与EDFA工作原理工作原理School of Science, GDOU Fiber-optic Communication192022-8-9实现光放大的过程：实现光放大的过程： 当当WDM的信号光通过这段粒子数反转分布的的信号光通过这段粒子数反转分布的EDF时，时，电子在电子在WDM信号光作为感应光场的情况下，从亚稳态受信号光作为感应光场的情况下，从亚稳态受激辐射到基态上，并产生与输入光子完全一样（激辐射到基态上，并产生与输入光子完全一样（具有相同具有相同波长、相同方向和相同相位波长、相同方向和相同相位）的光子，

23、从而实现信号光在）的光子，从而实现信号光在EDF的传播过程中被放大。的传播过程中被放大。 因此，简单地说，因此，简单地说，EDFA放大就是把泵浦能量转换为放大就是把泵浦能量转换为信号光的能量信号光的能量，而且它的效率很高。，而且它的效率很高。 泵浦效率等因素的影响，泵浦效率等因素的影响，980nm、1480nm半导体激光半导体激光器更适合于器更适合于EDFA的泵浦光源，而且这两种半导体激光器的泵浦光源，而且这两种半导体激光器已经得到很好的商用化。另外，已经得到很好的商用化。另外，980nm相对于相对于1480nm而言，而言，增益高、噪声小，是目前增益高、噪声小，是目前EDFA的首选泵浦光源。的

24、首选泵浦光源。EDF的结构与的结构与EDFA工作原理工作原理School of Science, GDOU Fiber-optic Communication202022-8-9 此动画为此动画为实现光放大过程实现光放大过程的动画：亚稳态上的反转分的动画：亚稳态上的反转分布粒子在信号光的感应下跃迁到基态上，释放出布粒子在信号光的感应下跃迁到基态上，释放出一模一样一模一样的的大量光子，从而实现光放大。大量光子，从而实现光放大。EDF的结构与的结构与EDFA工作原理工作原理School of Science, GDOU Fiber-optic Communication212022-8-9三、三、

25、EDFA的基本光路结构和泵浦方式的基本光路结构和泵浦方式1. 基本光路结构基本光路结构2. 泵浦方式泵浦方式 EDFA的光路结构按照所采用的泵浦方式可以分为三的光路结构按照所采用的泵浦方式可以分为三种形式：种形式：EDF的结构与的结构与EDFA工作原理工作原理School of Science, GDOU Fiber-optic Communication222022-8-9EDF的结构与的结构与EDFA工作原理工作原理反向泵浦（后向反向泵浦（后向泵浦）型：输出泵浦）型：输出信号功率高。信号功率高。输出信号功率比输出信号功率比单泵浦源大约高单泵浦源大约高3dB，且放大特，且放大特性与信号传输方

26、性与信号传输方向无关向无关正向泵浦（同向正向泵浦（同向泵浦）型：好的泵浦）型：好的噪声性能。噪声性能。School of Science, GDOU Fiber-optic Communication232022-8-9由于光纤对由于光纤对1480nm的光损耗较小，所以的光损耗较小，所以1480nm泵泵浦光常用于遥泵方式。浦光常用于遥泵方式。光路结构中的器件说明：光路结构中的器件说明：光纤耦合器：光纤耦合器：波长敏感型光纤耦合器（波长敏感型光纤耦合器（WDM），将泵），将泵浦光和信号光复用耦合进浦光和信号光复用耦合进EDF；光隔离器光隔离器：保证光信号正向传输的器件、防止反射光：保证光信号正向

27、传输的器件、防止反射光影响影响EDFA的工作稳定性；的工作稳定性；EDF的结构与的结构与EDFA工作原理工作原理School of Science, GDOU Fiber-optic Communication242022-8-9EDF：长度长度10100m的掺铒光纤，铒离子的浓度约的掺铒光纤，铒离子的浓度约100 2000ppm（part per million）；）；泵浦光源：泵浦光源：半导体激光器，半导体激光器，980/1480nm，泵浦功率，泵浦功率为为10200mW；光滤波器：光滤波器：滤除放大器的噪声，降低噪声对系统的滤除放大器的噪声，降低噪声对系统的影响，提高系统的信噪比。影响，

28、提高系统的信噪比。 其中，其中，主体部件主体部件是泵浦光源和是泵浦光源和EDF。 一方面，一方面，EDFA的引入使系统的中继距离加大，的引入使系统的中继距离加大，节省设备成本，另一方面，新的问题也将产生，如节省设备成本，另一方面，新的问题也将产生，如非线性、非线性、噪声噪声（前向、后向传输）（前向、后向传输）积累积累以及以及增益均增益均衡衡等。等。EDF的结构与的结构与EDFA工作原理工作原理School of Science, GDOU Fiber-optic Communication252022-8-9一、增益（光的放大性质）一、增益（光的放大性质） 增益增益是评价一个光放大器时的第一特

29、性。是评价一个光放大器时的第一特性。1. 定义定义 增益增益G是输出光功率与输入光功率之比，即是输出光功率与输入光功率之比，即 G=Pout/Pin以分贝表示：以分贝表示：实际上，计算增益时往往实际上，计算增益时往往需考虑噪声功率需考虑噪声功率：EDFA的特性的特性)( log1010dBPPGinout)( log1010dBPPPGinASEoutSchool of Science, GDOU Fiber-optic Communication262022-8-9EDFA的特性的特性例：例：EDF的输入光功率是的输入光功率是300 W，输出功率是，输出功率是60mW, EDFA的增益是多少

30、？假如放大自发辐射噪声功率是的增益是多少？假如放大自发辐射噪声功率是30 W，EDFA的增益又是多少？的增益又是多少？解：解：EDFA增益是增益是或或当考虑放大自发辐射噪声功率时，当考虑放大自发辐射噪声功率时，EDFA增益为增益为 ！! 以上结果是单个波长光的增益，不是整个以上结果是单个波长光的增益，不是整个EDFA带宽内的增益。带宽内的增益。20030010603inoutPPGdB23)log(10inoutdBPPGdB23)log(10inASEoutdBPPPGSchool of Science, GDOU Fiber-optic Communication272022-8-92.

31、增益饱和（增益饱和（饱和输出功率饱和输出功率） 输入信号的功率越大输入信号的功率越大增益增益G越大！越大！ 一个高功率的输入信号，意味着每单位时间内一个高功率的输入信号，意味着每单位时间内大量的光子进入大量的光子进入EDF，然后这些光子在单位时间内，然后这些光子在单位时间内激发高能级到低能级的大量迁移，这意味着高能级激发高能级到低能级的大量迁移，这意味着高能级会很快耗尽光子，即：输入光功率越大，高能级将会很快耗尽光子，即：输入光功率越大，高能级将会有很少的粒子数。高能级上的粒子数耗尽意味着会有很少的粒子数。高能级上的粒子数耗尽意味着增益的减少，这种现象称为增益的减少，这种现象称为增益饱和增益饱

32、和。 饱和输出功率：饱和输出功率： 增益相对增益相对小信号增益小信号增益减少减少3dB时的输出信号的光时的输出信号的光功率称为饱和输出功率。功率称为饱和输出功率。EDFA的特性的特性School of Science, GDOU Fiber-optic Communication282022-8-9 小信号增益：小信号增益： EDFA工作在线性范围区域时的增益，此时在给工作在线性范围区域时的增益，此时在给定的信号波长和泵浦功率下，定的信号波长和泵浦功率下，增益增益G基本上与输入基本上与输入信号光功率无关信号光功率无关，即：，即：输入光功率较小（小信号）输入光功率较小（小信号）时，增益是一个常数

33、，用时，增益是一个常数，用G0表示，输出光功率表示，输出光功率Pout与与输入光功率输入光功率Pin成正比例成正比例。 增益比小信号增益降低增益比小信号增益降低3dB时的波长间隔，称为时的波长间隔，称为小信号增益波长带宽，可以达到小信号增益波长带宽，可以达到35nm以上。以上。EDFA的特性的特性School of Science, GDOU Fiber-optic Communication292022-8-9EDFA的特性的特性饱和输出功率：饱和输出功率：放大器增益降至小放大器增益降至小信号增益一半时的输出功率。信号增益一半时的输出功率。Pout,sat当当P Pinin增大到一定值后，增

34、大到一定值后，光放大器的增益光放大器的增益G G开始下开始下降。增益饱和现象。降。增益饱和现象。饱和区域饱和区域G0School of Science, GDOU Fiber-optic Communication302022-8-93. 增益增益G是激励光纤长度的函数是激励光纤长度的函数 EDF有一最佳长度。有一最佳长度。 EDF中泵浦租用是沿激励光纤长度提供的，中泵浦租用是沿激励光纤长度提供的，对于对于一定的泵浦光功率一定的泵浦光功率，如果，如果EDF的长度超过了一定的范的长度超过了一定的范围，泵浦光功率沿光纤衰减，然后消耗到阈值功率以围，泵浦光功率沿光纤衰减，然后消耗到阈值功率以下，信号

35、光将会受到越来越小的增益，并且最终经受下，信号光将会受到越来越小的增益，并且最终经受损耗，即：低能级上有比高能级上更多的电子，其能损耗，即：低能级上有比高能级上更多的电子，其能量不足以使量不足以使EDF中的粒子数翻转，而且要吸收已放大中的粒子数翻转，而且要吸收已放大的信号能量，此时，的信号能量，此时，EDF对信号光开始产生吸收损耗。对信号光开始产生吸收损耗。 因此，因此，EDF有一最佳长度有一最佳长度，它与光纤的特性有关，它与光纤的特性有关，如：掺杂浓度、增益带宽等。如：掺杂浓度、增益带宽等。EDFA的特性的特性School of Science, GDOU Fiber-optic Commu

36、nication312022-8-9EDFA的特性的特性小信号增益随小信号增益随放大器长度而放大器长度而变的曲线变的曲线 增益的大小考虑了增益的大小考虑了EDF的长度以后，还有什么的长度以后，还有什么因素需要考虑？因素需要考虑？School of Science, GDOU Fiber-optic Communication322022-8-94. 小信号增益随泵浦功率而变小信号增益随泵浦功率而变 泵浦功率越大，激发到高能级上的电子数量就泵浦功率越大，激发到高能级上的电子数量就越多，越多，EDFA的增益就越大，但是，并不是说高的泵的增益就越大，但是，并不是说高的泵浦功率会从低能级上扫除所有的电

37、子！浦功率会从低能级上扫除所有的电子！光放大是一光放大是一个动态过程个动态过程，在低能级不断堆积信号光激发从激发，在低能级不断堆积信号光激发从激发态能级上落下的电子。态能级上落下的电子。对于对于给定的放大器长度给定的放大器长度（EDF长度），增益随长度），增益随泵浦功率在开始时按指数增加，当泵浦功率超过一泵浦功率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，并趋于一恒定值。定值时，增益增加变缓，并趋于一恒定值。EDFA的特性的特性School of Science, GDOU Fiber-optic Communication332022-8-9 EDFA放大多信道时，泵浦功率被所

38、有要放大的放大多信道时，泵浦功率被所有要放大的波长共享，传输的多路复用的波长数越多，为满足波长共享，传输的多路复用的波长数越多，为满足EDFA的泵浦功率就越大。的泵浦功率就越大。 多信道同时被放大时，不同波长的增益一样吗？多信道同时被放大时，不同波长的增益一样吗？EDFA的特性的特性School of Science, GDOU Fiber-optic Communication342022-8-95. 增益增益G是输入波长的函数是输入波长的函数 增益谱增益谱G(l l)：增益：增益G与信号光波长与信号光波长l l的关系。光的关系。光放大器的放大器的增益谱不平坦增益谱不平坦。EDFA的特性的特

39、性School of Science, GDOU Fiber-optic Communication352022-8-9增益平坦性：增益平坦性： EDFA的特性的特性School of Science, GDOU Fiber-optic Communication362022-8-9二、噪声二、噪声 噪声是噪声是EDFA（事实上，任何类型的放大器都得考（事实上，任何类型的放大器都得考虑其噪声特性）的第二个重要特性虑其噪声特性）的第二个重要特性。 EDFA中，放大信号时产生其自身的噪声，中，放大信号时产生其自身的噪声，把自发把自发辐射或散射叠加到信号光上辐射或散射叠加到信号光上，并且，并且占有整

40、个放大带宽占有整个放大带宽，也不可能完全滤除，因此，光放大器改变了输入信号和也不可能完全滤除，因此，光放大器改变了输入信号和输出信号的信噪比输出信号的信噪比SNR，导致被放大信号的，导致被放大信号的信噪比下降信噪比下降。 SNR降低程度用噪声系数降低程度用噪声系数/噪声指数噪声指数NF表示，定义表示，定义为为 NF1，即放大器降低了，即放大器降低了SNR，然而放大器也将信号，然而放大器也将信号功率增加到很高的程度以便我们容忍了功率增加到很高的程度以便我们容忍了SNR的降低。的降低。EDFA的特性的特性dBSNRSNRNFoutin )()(School of Science, GDOU Fib

41、er-optic Communication372022-8-9EDFA的特性的特性School of Science, GDOU Fiber-optic Communication382022-8-9 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ASE (Amplified Spontaneous Emission)，它源于放大器介，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信号一起放大的光子的宽谱背景宽谱背景。EDFA放大放大1540波长信号时产生的影响，波长信号时产生的影响，ASE噪噪声叠加在

42、信号上，导致信噪比下降。声叠加在信号上，导致信噪比下降。EDFA的特性的特性化弊为利：化弊为利：ASE宽带光源宽带光源School of Science, GDOU Fiber-optic Communication392022-8-9 自发辐射噪声自发辐射噪声ASE：一部分电子自发辐射到低能级的一部分电子自发辐射到低能级的能带上，这些自发辐射产生的光子在信号光相同频率范围能带上，这些自发辐射产生的光子在信号光相同频率范围内，但它们在相位和方向上是随机的，那些与信号同方向内，但它们在相位和方向上是随机的，那些与信号同方向的自发辐射光子被活性物质放大。这些自发辐射并经放大的自发辐射光子被活性物质

43、放大。这些自发辐射并经放大的光子放大的自发辐射噪声的光子放大的自发辐射噪声ASE。它们在相位是随机的，。它们在相位是随机的，对于信号光没有贡献而产生了信号带宽内的噪声。对于信号光没有贡献而产生了信号带宽内的噪声。 ASE噪声近似为噪声近似为白噪声白噪声，噪声功率谱密度为：，噪声功率谱密度为：式中式中nsp自发发射因子或粒子数反转因子，对于原子都处于自发发射因子或粒子数反转因子，对于原子都处于激发态或完全粒子数反转的光放大器，激发态或完全粒子数反转的光放大器，nsp=1；当粒子数不；当粒子数不完全反转时，完全反转时， nsp1。EDFA的特性的特性hnGSspsp1School of Scien

44、ce, GDOU Fiber-optic Communication402022-8-9 自发辐射因子或粒子数反转因子自发辐射因子或粒子数反转因子nsp定义定义为为因此，因此，N2/(N2-N1) 1时（高能级粒子数大大多于低时（高能级粒子数大大多于低能级上的粒子数），自发辐射因子达到最小值，此能级上的粒子数），自发辐射因子达到最小值，此时会有一个理想的放大器，但这种情况永远不会达时会有一个理想的放大器，但这种情况永远不会达到，实际的到，实际的nsp的范围典型值是的范围典型值是1.44。EDFA的特性的特性122NNNnsp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School of

45、 Science, GDOU Fiber-optic Communication412022-8-9 放大器自发辐射噪声放大器自发辐射噪声ASE的平均总功率的平均总功率PASE：式中，式中，hf是光子能量，是光子能量，G是放大器的增益，是放大器的增益，f是放大是放大器的带宽。器的带宽。 研究发现，实际信号（含噪声）的变化来自于研究发现，实际信号（含噪声）的变化来自于噪声噪声-噪声拍频噪声噪声拍频噪声和和噪声噪声-信号拍频噪声信号拍频噪声。其中噪声。其中噪声-噪声的拍频噪声很容易噪声的拍频噪声很容易用窄带滤波器滤除用窄带滤波器滤除（EDFA中通常包括一个中通常包括一个ASE滤波器），由滤波器完成

46、。真滤波器），由滤波器完成。真正的损害是由正的损害是由噪声噪声-信号的拍频噪声信号的拍频噪声造成的，它在信造成的，它在信号带宽内，这种噪声不能被滤除掉，是对号带宽内，这种噪声不能被滤除掉，是对EDFA噪声噪声系数真正起作用的因素。系数真正起作用的因素。EDFA的特性的特性fGhfnPspASE 2School of Science, GDOU Fiber-optic Communication422022-8-9 基于噪声基于噪声-信号拍频的噪声系数：信号拍频的噪声系数：所以所以NF的范围为的范围为2(1.44) 3(NF的量子极限的量子极限)8dB. 因此，即使对因此，即使对nsp=1的完全

47、粒子数反转的理想放大器，被放的完全粒子数反转的理想放大器，被放大信号的大信号的SNR也降低了一倍也降低了一倍（或（或3dB）。对大多数实际的放大）。对大多数实际的放大器器NF均超过均超过3dB ，并可能达到，并可能达到68dB。希望放大器的。希望放大器的NF尽可能尽可能低。低。 对于不同的泵浦波长，对于不同的泵浦波长，NF略有差异。当使用略有差异。当使用1480nm泵浦泵浦时，由于泵浦态和亚稳态处于同一能带中，该能带中的粒子数时，由于泵浦态和亚稳态处于同一能带中，该能带中的粒子数服从波尔兹分布规律，所以始终有部分粒子保持在泵浦态上，服从波尔兹分布规律，所以始终有部分粒子保持在泵浦态上，使得基态

48、粒子不能全部反转，其使得基态粒子不能全部反转，其反转程度小于反转程度小于980nm泵浦泵浦。正。正因为如此，因为如此，980nm泵浦泵浦EDFA优于优于1480nm泵浦，对于泵浦，对于980nm泵泵浦，其浦，其NF可接近量子极限，而可接近量子极限，而1480nm泵浦的泵浦的NF最小约最小约4dB。EDFA的特性的特性spspnGGnNF212School of Science, GDOU Fiber-optic Communication432022-8-9例：假如输入信号功率为例：假如输入信号功率为300 W，在，在1 nm带宽内的输入噪声带宽内的输入噪声功率是功率是 30 nW，输出信号功

49、率是，输出信号功率是60 mW，在，在1nm带宽内的输出带宽内的输出噪声功率增大到噪声功率增大到20 W ，计算光放大器的噪声指数。，计算光放大器的噪声指数。解：解：光放大器的输入信噪比为光放大器的输入信噪比为输出信噪比为输出信噪比为所以噪声指数为所以噪声指数为 因此，虽然光放大器使输出信噪比下降了，但是同时也使因此，虽然光放大器使输出信噪比下降了，但是同时也使输出功率增加了，所以我们输出功率增加了，所以我们可以容忍输出可以容忍输出SNR的下降的下降。 EDFA的特性的特性3in1010SNR3out103SNR3in3outSNR10 103.33 5.2SNR3 10NFNFdB或Scho

50、ol of Science, GDOU Fiber-optic Communication442022-8-9一、一、EDFA在光纤通信系统中的应用在光纤通信系统中的应用 EDFA在光纤通信系统中的主要应用是延长中在光纤通信系统中的主要应用是延长中继距离，当它与波分复用技术、光孤子技术结合时，继距离，当它与波分复用技术、光孤子技术结合时，可实现超大容量、超长距离的传输，其主要应用有可实现超大容量、超长距离的传输，其主要应用有以下四种形式：以下四种形式：1. 前置放大器前置放大器提高光接收机的灵敏度提高光接收机的灵敏度增益、噪声是主要参数，要求很苛刻。增益、噪声是主要参数，要求很苛刻。EDFA在