光通信：第07章光放大器

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1、第七章光放大器7.1光放大器概述7.2掺铒光纤放大器7.3光纤喇曼放大器7.4其他光放大器7.1光放大器概述7.1.1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。以1989年诞生的掺铒光纤放大器(ErbiumDopedFiberAmplifier，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

2、通信系统目前最重要的应用就是促使了波分复用技术(WavelengthDivisionMultiplexing，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。7.1.2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。7.1.3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)掺杂光纤放大器，就是利用稀土金属离子作为激光工

3、作物质的一种放大器。(2)传输光纤放大器，其中有受激喇曼散射(StimulatedRamanScattering，SRS)光纤放大器、受激布里渊散射(StimulatedBrilliouinScattering，SBS)光纤放大器和利用四波混频效应(FWM)的光放大器等。(3)半导体激光放大器。其结构大体上与激光二极管(LaserDiode，LD)相同。这几种类型的光放大器的工作原理和激励方式各不相同。7.1.4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

4、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

5、噪声使信号的信噪比(Signal-to-NoiseRatio，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(AmplifiedSpontaneousEmission，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。7.2掺铒光纤

6、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。7.2.1掺铒光纤放大器的工作原理第五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

7、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)7.2.2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。4.三种泵浦方式比较(1)信号输出功率(2)噪声特性图7.5所示表示噪声指数与输出光功率之间的

8、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7.5噪声指数与输出功率之间的关系7.2.3EDFA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7.9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