第十一章 光 放 大 器11.1 11.1 光放大器的基本应用和类型光放大器的基本应用和类型11.2 11.2 半导体光放大器半导体光放大器11.3 11.3 掺铒光纤放大器掺铒光纤放大器11.4 11.4 传输光纤放大器传输光纤放大器11.5 11.5 系统应用系统应用11.6 11.6 波长变换器波长变换器

11.1 光放大器的基本应用和类型

11.1.1 光放大器在现代光纤通信系统中的应用

光纤通信中用光纤来传输光信号。光纤的中继距离受限于光纤的损耗和色散。就损耗而言，目前光纤损耗典 型 值 在 1.31μm 波 段 为 0.35dB/km 左 右 ， 在1.55μm 波段为 0.25dB/km 左右。每 80km 左右需对信号进行一次再生处理。

TX REG TX REG TX REG

80km 80km 80km 80km 80km

2.5Gbit/sSDH

TXWDM

80~120km 80~120km 80~120km 80~120km 80~120kmWDM RX

2.5Gbit/sSDH+WDM

REG ：再生中继器

以 1989 年 诞 生 的 掺 铒 光 纤 放 大 器(Erbium Doped Fiber

Amplifier， EDFA) 代表的光放大器技术可以说是光纤通信技术上的一次革命。光放大器在光纤通信系统目前最重要的应 用 就 是 促 使 了 波 分 复 用 技 术(Wavelength Division

Multiplexing，WDM) 走向实用化。

光放大器还将促进光孤子通信技术的实用化。光孤子通信是利用光纤的非线性来补偿光纤的色散作用的一种新型通信方式。

11.1.2 光放大器的发展史光放大器的发展最早可追溯到 1923年 A·斯梅卡尔预示的自发喇曼散射。 1928 年印度加尔各答大学的喇曼观测到自发喇曼效应。

三种主要应用

在线光放大：用于不需要光再生只需要简单放大的场合前置光放大：用于抑制接收机中热噪声造成的信噪比下降功率放大：增加发送功率，从而增加光纤中继距离、补偿插入 损耗和功率分配损耗

Fig. 11.1: Applications of optical amplifiers

11.1.3 光放大器的分类光放大器按原理不同大体上有三种类型(1) 半导体激光放大器。其结构大体上与

激光二极管 (Laser Diode， LD) 相同。 (2) 掺杂光纤放大器，就是利用稀土金属离子作为激光工作物质的一

种放大器。 (3) 传输光纤放大器，其中有受激喇曼散射 (Stimulated Raman

Scattering， SRS) 光纤放大器、受激布里渊散射 (Stimulated Brilliouin Scattering， SBS) 光纤放大器和利用四波混频效应 (FWM)的光放大器等。

11.1.4 光纤放大器的重要指标1. 光放大器的增益

(1) 增益 G 与增益系数 g放大器的增益定义为

式中： Pout， Pin 分别为放大器输出端与输入端的连续信号功率。

(2) 放大器的带宽

人们希望放大器的增益在很宽的频带内与波长无关。这样在应用这些放大器的系统中，便可放宽单信道传输波长的容限，也可在不降低系统性能的情况下，极大地增加 WDM 系统的信道数目。

(3) 增益饱和与饱和输出功率

由于信号放大过程消耗了高能级上粒子，因而使增益系数减小，当放大器增益减小为峰值的一半时，所对应的输出功率就叫饱和输出功率，这是放大器的一个重要的参数，饱和功率用 Pouts 表示。

2. 放大器噪声放大器本身产生噪声，放大器噪声使信号 的 信 噪 比 (Signal-to-Noise Ratio， SNR) 下降，造成对传输距离的限制，是光放大器的另一重要指标。

(1) 光纤放大器的噪声来源

光纤放大器的噪声主要来自它的放大自发 辐 射 (Amplified Spontaneous Emission， ASE)。

(2) 噪声系数

由于放大器中产生自发辐射噪声，使得放大后的信噪比下降。它定义为输入信噪比与输出信噪比之比。

(SNR)in 和 (SNR)out 分别代表输入与输出的信噪比。它们都是在接收机端将光信号转换成光电流后的功率来计算的。

放大器的工作原理

光放大器与激光器的唯一区别就是光放大器没有正反馈机制

外加电 (光 )泵浦

SOA 电泵浦EDFA 光泵浦

11.2 半导体光放大器 (SOA)

反射率32%

F-P放大器

增透膜< 10-3

非谐振行播放大器

天然解理面

在解理面来回反射并得到放大直到较高的强度在发射出去

容易制作，但光信号增益对放大器温度及入射光频率变化都很敏感

入射光信号仅经过一次放大即被输出

带宽宽、饱和功率高以及偏振灵明度低，因此使用更为广泛

satphph NN

gg

,

0

/1

rgsatph a

N

1

;

r

thr

n

qd

Jag

0

SOA 单位长度的稳态增益

没有光信号输入时单位长度上的介质增益

其中 ,

wdhv

PN

g

sph 给定入射光功率 Ps 时的光子浓度

饱和时的光子浓度

为为为为为为为 α为与光频有关的增益常数， nth 是阈值载流子浓度， w 为光放大器宽度， d 为厚度， hv 为光子能量、 g 为群速度， Ps 为入射光功率， r 为载流子复合时间常数。

ins

outs

P

PG

,

,

LgeG 00

G

G

P

PG

ins

satamp 0

,

, ln1

放大器增益

定义

有源区单程增益 其中 为零信号增益

光功率过大使增益反而下降

这是因为输入信号超过饱和功率时，有源区中激活的载流子数目被大量消耗。由于没有足够的激活载流子来产生受激辐射，因此在输入功率过大时，再增加输入信号也无法让输出信号增大

11.3 掺铒光纤放大器

掺铒光纤放大器是将掺铒光纤在泵浦源的作用下而形成的光纤放大器。对这种掺杂光纤放大器影响较大的工作可追溯到 1963 年对玻璃激光器的研究。

11.3.1 掺铒光纤放大器的工作原理第四章已经介绍过激光器的工作原理：经泵浦源的作用，工作物质粒子由低能级跃迁到高能级 ( 一般通过另一辅助能级 ) ，在一定泵浦强度下，得到了粒子数反转分布而具有光放大作用。当工作频带范围内的信号光输入时便得到放大。这也就是掺铒光纤放大器的基本工作原理。

只是 EDFA(及其他掺杂光纤放大器 )细长的纤形结构使得有源区能量密度很高，光与物质的作用区很长，有利于降低对泵浦源功率的要求。 泵浦效率 Wp 可以用来衡量泵浦的有效性，其表达式如下：Wp= 放大器增益 (dB)/泵浦功率 (mW)

泵浦能带快速非辐射衰变

亚稳态能带

掺铒光纤放大机制

原理：把泵浦光能量转化为信号光能量工作范围： 1300 ~ 1560 nm

铒原子的三能级结构

11.3.2 掺铒光纤放大器的结构1. 同向泵浦

在同向泵浦方案中，泵浦光与信号光从同一端注入掺铒光纤。

2. 反向泵浦反向泵浦，泵浦光与信号光从不同的方向输入掺杂光纤，两者在掺铒光纤中反向传输。

3. 双向泵浦为了使掺铒光纤中的铒离子能够得到充分的激励，必须提高泵浦功率。

EDFA 的结构

噪声性能好

较高的增益

同向泵浦

反向泵浦

双向泵浦

构成：掺铒光纤、一个或多个泵浦激光器、光隔离器、耦合器

850 nm

三种泵浦方式比较(1) 信号输出功率(2) 噪声特性

图 11.5 所示表示噪声指数与输出光功率之间的关系。

(3) 饱和输出特性同向泵浦式 EDFA 的饱和输出光功率最小。

图 11.5 噪声指数与输出功率之间的关系

11.3.3 EDFA的重要指标

1. EDFA的增益特性增益系数 g(z) 与高能级和低能级的粒子数目差及泵浦功率有关，对增益系数g(z) 在整个掺铒光纤长度上进行积分，就可求出光纤放大器的增益 G ，所以，放大器的增益应与泵浦强度及光纤的长度有关。

2. EDFA的带宽图 11.9 所示是掺铒硅光纤的 g-λ曲线，从图中可以看出增益系数随着波长的不同而不同。EDFA 实现宽频带和增益平坦度经过了 3个阶段，如表 7.1 所示。 光纤在 1.55μm 低损耗区具有 200nm带宽，而目前使用的 EDFA 增益带宽仅为 35nm 左右。

图11.9

掺铒离子硅光纤的g-λ

曲

线

1,

,

,

,,

s

p

inp

outs

inp

insouts

P

P

P

PPPCE

EDFA 的功率转换效率

inps

pinsouts PPP ,,,

inp

p

sinsouts Phv

hvPP ,,,

输出能量不可能超过原有信号能量与注入的泵浦能量之和

功率转换效率

极限情况下泵浦光都用于放大信号光，那么此时

1s

pPCE

EDFA 的输入、输出功率可以用能量守恒原则表示：

ins

inp

s

p

ins

outs

P

P

P

PG

,

,

,

, 1

EDFA 的增益 假设没有自发辐射，根据前面的能量守恒原则有：

极端情况下，当输入信号功率非常大时，即 Ps,in>>(p/s)Pp,in ，放大器最大增益是 1 ，这表示放大器对信号几乎没有放大。 此外，增益还跟光纤长度有关。 EDFA 中长为 L 的三能级激光介质中最大增益为：

其中为稀土元素的浓度， e 是信号发射截面。结合上述两个式子，最大可能的放大增益为：

LeeG max

ins

inp

s

pL

P

PeG e

,

,1,min

EDFA 增益图

饱和增益随泵浦功率增加而线性增加。另外，类似于 SOA ，输入信号功率过大会导致增益下降。

在一定的长度之后，由于泵浦没有足够能量在放大器的后部产生足够的粒子数反转，增益开始下降。在非泵浦区，吸收大于增益。

放大器噪声

放大器的主要噪声是自发辐射噪声 (ASE) ，来源于放大器中介质中电子 -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宽谱背景。因此，光信号经过放大之后都需要做一个带通滤波，抑制 ASE 噪声功率。

信噪比及噪声系数

nsnsnsPD EEEEEEi 2222

信号光和 ASE 噪声一同输入到光检测器中进行平方检测，各种频率分量相互拍频：

因此，在光检测器之后，由 ASE 带来的噪声包括 ASE 噪声项和 ASE 与信号的拍频项，它们可以落在检测器带宽内减低接收机的信噪比。在检测器之间放置一个光滤波器，可以大幅度降低 ASE 噪声的功率。 当放大器增益足够大时，系统热噪声可以忽略；另外，放大的信号功率一般远大于 ASE 噪声功率，因此 ASE 噪声项一般远小于 ASE 与信号拍频项。在这种条件下，假设检测器前加入光滤波器，那么输出信号的信噪比可以由下式决定：

1,

1212

FN

S

Gn

G

qB

P

N

S

insp

ins

out 12

2

nn

nnsp

EDFA 的噪声图

泵浦波长 1480 nm 、信号波长 1558 nm

同向泵浦噪声系数

反向泵浦 噪声系数

11.3.4 掺铒光纤放大器的优缺点EDFA 之所以得到迅速的发展，源于它的一系列优点。

(1) 工作波长与光纤最小损耗窗口一致，可在光纤通信中获得广泛应用。

(2) 耦合效率高。因为是光纤型放大器，易于光纤耦合连接，也可用熔接技术与传输光纤熔接在一起，损耗可降至 0.1dB ，这样的熔接反射损耗也很小，不易自激。

(3) 能量转换效率高。激光工作物质集中在光纤芯子，且集中在光纤芯子中的近轴部分，而信号光和泵浦光也是在近轴部分最强，这使得光与物质作用很充分。

(4) 增益高，噪声低。输出功率大，增益可达 40dB ，输出功率在单向泵浦时可达 14dBm ，双向泵浦时可达 17dBm ，甚至可达 20dBm ，充分泵浦时，噪声系数可低至 3~4dB ，串话也很小。

(5) 增益特性不敏感。首先是 EDFA 增益对温度不敏感，在 100°C 内增益特性保持稳定，另外，增益也与偏振无关。

(6) 可实现信号的透明传输，即在波分复用系统中可同时传输模拟信号和数字信号，高速率信号和低速率信号，系统扩容时，可只改动端机而不改动线路。

EDFA 也有固有的缺点：

(1) 波长固定，只能放大 1.55μm 左右的光波，换用不同基质的光纤时，铒离子能级也只能发生很小的变化，可调节的波长有限，只能换用其他元素；

(2) 增益带宽不平坦，在 WDM 系统中需要采用特殊的手段来进行增益谱补偿。

11.4 光纤喇曼放大器

11.4.1 光纤喇曼放大器的工作原理 受激喇曼散射主要性质包括：①在玻璃介质

中参与喇曼散射的是光学声子；②在所有类型的光纤中都会发生，但喇曼增益稀疏的形状和峰值与泵浦源的波长和功率有关；③响应时间很短，为瞬态效应；

④增益具有偏振依赖性，当泵浦光与信号光偏振方向平行时增益最大，垂直时增益最小，但实际上在非保偏光纤中由于模式混扰的原因而表现为增益无关；⑤增益谱很宽，但不平坦。最大增益频移 为 13.2THz ， 并 且 可 以 扩 展 到30THz 。

11.4.2 光纤喇曼放大器的结构光纤喇曼放大器可分为两类：分立式喇曼放大器 (Raman Amplifier， RA) 和分布 式 喇 曼 放 大 器 (Distributed Raman

Amplifier， DRA)。

11.4.3 光纤喇曼放大器的性能1. 光纤喇曼放大器的增益

在连续波的工作条件下，并忽略泵浦光消耗，光纤喇曼放大器的增益可由下式表示：

式中： gR 为喇曼增益系数； Aeff 为光纤在泵浦波长处的有效面积； P0 为泵浦光功率； αP 为泵浦光在光纤中的衰减常数。

2. 喇曼放大器的带宽

增益带宽由泵浦波长决定，选择适当的泵浦光波长，就可得到任意波长的信号放大， DRA 的增益频谱是每个波长的泵浦光单独产生的增益频谱叠加的结果，所以它由泵浦波长的数量和种类决定。

3. 噪声指数 由于喇曼放大是分布式获得增益的过程，其等效噪声比分立式放大器要小。为了比较 DRA 与分立式放大器的性能，定义 DRA 的等效集中噪声指数 FR 为

式中： ρASE 是光纤末端放大自发辐射 (ASE)密度；GR 是在光纤末端信号的喇曼增益。

分布式喇曼放大器经常与 EDFA 混合使用，当作为前置放大器的 DRA 与作为功率放大器的常规 EDFA 混合使用时，其等效噪声指数为

F=FR+FE/GR

式中： GR和 FR 分别是 DRA 的增益和噪声指数；FE是 EDFA 的噪声指数。因为 FR 通常要比作为功率放大器的 EDFA 的噪声指数 FE 要小，所以由上式可知，只要增加喇曼增益 GR ，就可以减少总的噪声指数。

11.4.4 光纤喇曼放大器的系统应用1. 分立式喇曼放大器的应用

分立式喇曼放大器所用的光纤增益介质比较短，泵浦功率要求很高，一般在几瓦到几十瓦，可产生 40dB 以上的高增益，像 EDFA 一样可用来对光信号进行集中放大，因此主要用于 EDFA 无法放大的波段。

2. DRA传输系统典型结构在 WDM 系 统 的 每 个 传 输 单元内 ， 在EDFA 的输入端注入反向的喇曼泵浦，信号将会沿光纤实现分布式喇曼放大，由于 DRA具有噪声低、增益带宽与泵浦波长和功率相关的特点， EDFA又具有高增益、低成本的特点，所以这种混合放大结构可以同时发挥两种光纤放大器的优势。

11.4.5 光纤喇曼放大器的优缺点FRA具有以下优点。

(1) 增益波长由泵浦光波长决定，只要泵浦源的波长适当，理论上可以得到任意波长的信号放大，这样的 FRA 就可扩展到 EDFA 不能使用的波段，为波分复用进一步增加容量拓宽了空间。

(2) 增益介质可以为传输光纤本身，如此实现的 FRA称为分布式放大，因为放大是沿光纤集中作用而不是集中作用，光纤中各处的信号光功率都比较小，从而可降低各种光纤非线性效应的影响。(3) 噪声指数低，可提升原系统的信噪比。

(4) 喇曼增益谱比较宽，在普通 DSF上单波长泵浦可实现 40nm范围的有效增益；如果采用多个泵浦源，则可容易地实现宽带放大。

(5) FRA 的饱和功率比较高，增益谱调节方式可通过优化配置泵浦光波长和强度来实现。

(6) 喇曼放大的作用时间为飞秒 (10-

15s) 级，可实现超短脉冲的放大。

FRA 主要有以下缺点。

① 喇曼光纤放大器所需要的泵浦光功率高。

② 作用距离太长，增益系数偏低。

③ 对偏振敏感。

11.4.6 光纤布里渊放大器

物体内部会持续产生微弱的声波，这种声波的频率很高 ( 一般在 109Hz 左右 ) ，人耳是听不见的，它对通过物质的光波会产生作用。根据光波的多普勒效应，推导出布里渊散射公式：

式中： v0、 vs、 vp 分别代表入射光、散射光和超声波的频率； v 代表超声波的速度； c 是光波的传播速度； n 是物质的折射率； θ 为散射光传播方向和入射光传播方向之间的夹角。

在光纤通信领域， SBS未来最有可能的用途就是受激布里渊放大器。

11.5 系统应用

mW14mW1mW10980

1540,,, insouts

p

sinp PPP

功率放大器直接放在光发射机后面，输入一般在 -8 dBm左右，一般要求有较高的泵浦功率，以获得较高的输出功率。这种放大器的增益要求大于 5 dB 。

例：考虑一个用作功放的 EDFA，增益为 10 dB，假设从发射机获得的输入为 0 dBm，泵浦波长为 980 nm，那么为了在 1540 nm 波长处获得 10 dBm的输出，泵浦功率至少应为：

inps

pinsouts PPP ,,,

在线放大器

在线放大器 主要用在长距离传输系统中周期性地恢复因光纤损耗而减弱的光功率。通常每个 EDFA 能恰好补偿前面通过长为 L 的光纤中的功率损耗，即 G = exp(-L) 。但是补偿过程中积累的 ASE 噪声会造成信噪比的恶化。这种恶化一般可以通过定义损伤因子来衡量：

通常在线放大器输入功率信号一般在 -26 ~ -9 dBm 之间，增益一般超过 15 dB 。

2

ln

11

G

G

GGFpath

例

例

9.201000ln

11000

1000

1

ln

1122

G

G

GGFpath

考虑一个包括 N个级联的光放大器的光传输路径，每个放大器增益为 30 dB。如果光纤损耗为 0.2 dB/km，那么在没有其它系统损伤时，两个光放大器之间的距离为 150 km。那么，对于一条 900 km的链路，需要 5个放大器即可，而且整个链路上的损伤因子为：

如果将光放大器的增益降为 20 dB，那么两个放大器之间的距离缩减为 100 km，于是我们需要 8个放大器才能实现 900 km的传输。在这种情况下，噪声损伤因子为：

62.4100ln

1100

100

1

ln

1122

G

G

GGFpath

在线放大器增益控制 在使用光放大器的长距离光纤传输系统中，输入功率会发生波动。这种波动可以由光缆中损耗的变化或者前置光放大器功能减弱引起。此时，保持在线放大的输出功率不变是非常必要的。 自动补偿这种变化的一个办法就是使放大器工作在增益饱和区。当输入功率减小时，增益变大；当输入功率增加时，增益变小；由此来保持输出的功率不变。

1*

2*min

min

NN

NG

S

S

前置放大器

前置放大器用来提高由于热噪声限制的直接检测接收机的灵敏度。定义 Smin 为没有前置放大器时要求达到给定误码率时所需要的最小所需的电信号功率， S*

min 为配备前置放大器时要求达到给定误码率时所需要的最小所需的电信号功率，二者的比值定义为检测灵敏度的改善量：

其中 N 为接收机噪声电功率， N* 为光前置放大器中由 ASE引入的噪声。

多信道应用 SOA和 EDFA 有一个共同的特点，在多信道信号带宽小于放大器带宽时，能够同时放大多个信道。但是 SOA 中的非线性效应严重，容易产生多信道间的干扰。因此，在这方面的应用 EDFA较 SOA 有明显优势。 EDFA 的增益在1530-1560 nm 内与波长相关。为避免不同的增益带来的信道间信噪比的差异，需要进行平坦补偿。下图为两种商用的EDFA 。

11.6 波长变换器

波长转换

波长连续性限制

Fig. 11-14: Wavelength conversion

波长变换器

基于 SOA 交叉增益调制的波长变换filter

CW2

Signal 1

优点：可以对 40 Gb/s 的信号进行波长转变换对信号的偏振不敏感

缺点：转换后的信号消光比不高转换后的信号与转换前的信号反相由于载流子的自发辐射造成 S/N 的恶化

转换后信号的相位信息由于频率的啁啾而丢失

基于 SOA 交叉相位调制的波长变换

SOA

SOA

filter

Signal 1

CW2

Df = p

SOA

SOA

filter

CW2

Df = 0

信号光为 0 时， CW光上下臂的相位差为 0， CW 光由上臂输出。

信号光为 1 时， CW光上下臂的相位差为p， CW 光由下臂输出。

优点：可以对 80 Gb/s 的信号进行波长转变换对信号的偏振不敏感

缺点：只能对单一波长进行波长转换

基于四波混频的波长变换

优点：真正的全光波长转换缺点：随着转换波长范围的扩

大，转换效率迅速降低

作业：

11.1, 11.3, 11.4,