光放大器基本知识简介

光放大器基本介绍光放大器是一种能够将光信号放大的设备，它主要由光纤、泵浦光源、控制电路和放大段组成。

光放大器的原理是利用了稀土离子的能级结构，通过泵浦光源的能量输入，使光与稀土离子发生相互作用，从而实现光信号的放大。

光放大器具有许多优点，如高增益、宽带宽、低噪声、高饱和输出功率等，因此被广泛应用于光通信、激光雷达、光纤传感等领域。

光放大器主要有掺铒光纤放大器（EDFA）和掺铥光纤放大器（TDFA）两种。

其中，EDFA是目前应用最广泛的光放大器，它能够在通信波段实现高增益和低噪声的放大，适用于光纤传输和光放大器的级联应用。

而TDFA则适用于特定的波段，如光通信中的波分复用系统和光纤传感系统。

在光放大器的工作中，泵浦光源是十分重要的部分，它可以提供能量来激发稀土离子的激发态。

常用的泵浦光源包括半导体激光二极管、激光二极管阵列和泵浦激光器等。

这些泵浦光源能够提供连续的激发光，使稀土离子能够保持在激发态，从而实现对光信号的放大。

光放大器的放大段是其中最关键的部分，它由掺杂了稀土离子的光纤组成。

掺铱光纤放大器使用掺铥光纤，而掺铒光纤放大器则使用掺铒光纤。

这些稀土离子能够在光纤中与入射的光信号发生相互作用，从而实现对光信号的放大。

放大段的长度和掺杂浓度是影响光放大器性能的重要参数，通过调节这些参数可以实现不同的放大效果。

控制电路是光放大器中的一个重要组成部分，它可以控制光放大器的工作状态和性能。

通过控制电路，可以实现对光放大器的增益、输出功率和频率响应等参数的调节。

除此之外，控制电路还可以监测光放大器的工作状态，如温度、光功率和功率波动等，从而提高光放大器的稳定性和可靠性。

光放大器在光通信领域有重要的应用。

由于光放大器具有高增益和宽带宽的特点，它可以在光纤传输中实现长距离的信号传输，有效地解决光纤传输中的衰减问题。

此外，光放大器还可以实现波分复用系统中的波长转换和波长选择，从而提高光通信系统的传输能力和灵活性。

第六章光放大器6.1 光放大器简介6.2 半导体光放大器6.3 掺铒光纤放大器(EDFA)任何光纤通信系统的传输距离都受到光纤损耗或色散的限制，因此，在长距离传输系统中，每隔一定距离就需设置一个中继器以保证信号的质量。

中继器是将传输中衰减的光信号转变为电信号，并放大、整形和定时处理，恢复信号的形状和幅度，然后再变换为光信号(光－电－光过程)，再继续由光纤传输。

这种方式的中继器结构复杂，价格昂贵，尤其对DWDM 系统，若采用光－电－光混合中继方式，则首先要对光信号进行解复用，然后对每一信道信号进行中继再生，再将各信道信号复用到光纤中进行传输，这样将需要大量中继设备，成本很高。

宽带宽的的各放大器可以对多信道信号同时放大而不需进行解复用，光放大器的问世推动了DWDM技术的快速发展。

•放大器带宽：放大器增益（放大倍数）降至最大放大倍数一半处的全宽度（FWHM ）⎟⎟⎠⎞⎜⎜⎝⎛−∆=∆2ln 2ln 0L g g A νν0ωω=()ωG ()ωg 当 时， 和均达到最大值。

由图可知，放大器带宽比介质带宽窄得多。

右图为归一化增益和 随归一化失谐变化的曲线。

R τωω)(0−()ωG ()ωg Rτωω)(0−0G G 0g g 其实，只考虑了单纵模的情形。

(见下文后，回头再来理解。

)2. 增益饱和与饱和输出功率增益饱和是对放大器放大能力的一种限制。

由上式知，放大系数 在接近 时显著减小。

s P 当增大至可与 相比拟时，放大系数 随信号功率增加而降低，这种现象称为增益饱和。

P )(ωG 在前述讨论的基础上，设输入光信号频率位于增益峰值( )处，可推得(见马军山《光纤通信原理与技术》)：0ωω=⎟⎟⎠⎞⎜⎜⎝⎛⋅−−=s out P P G G G G 1exp 0s P out P G 饱和输出功率：放大器增益降至最大小信号增益值一半时的输出功率。

20G G =令 得到饱和输出功率为：s s out P G G P 22ln 00−=例 G 0>>2(如：增益为30dB, G 0=1000), P s out ≈0.69Ps, 表明放大器的饱和输出功率比增益介质的饱和功率低约3030%.%.三. 光放大器的类型光放大器主要有三类：（1）半导体光放大器(SOA, Semiconductor Optical Amplifier)注：有文献也把半导体光放大器写为SLA(Semiconductor Laser Amplifier)（2）掺稀土元素(铒Er、铥Tm、镨Pr、钕Nd等)的光纤光放大器，主要是掺铒光纤放大器(EDFA,Erbium-Doped Fiber Amplifier)。

光纤放大器的原理光纤放大器（OpticalFiberAmplifier，OFA）是一种利用光纤作为传输介质的光学器件，具有放大光信号的功能，是光通信中不可或缺的技术之一。

光纤放大器的出现，极大地提高了光通信的传输距离和传输质量，成为现代通信领域的重要组成部分。

本文将介绍光纤放大器的原理、分类、工作方式及其应用领域。

一、光纤放大器的原理光纤放大器是利用光纤中的掺杂物，将泵浦光能量传递给掺杂物，使其激发并放出光子，从而放大光信号的器件。

光纤放大器的核心部分是掺杂有掺杂物的光纤。

掺杂物一般是稀土元素，如铒、钪、铽等。

这些元素在光纤中的掺杂浓度很小，一般为几百分之一到几千分之一。

当泵浦光照射到掺杂光纤中时，光子的能量被传递给掺杂物。

掺杂物的电子被激发，从低能级跃迁到高能级，释放出一定能量的光子，即受激辐射。

这些光子与原来的光子发生叠加，使得光信号得以放大。

放大的光信号沿着光纤传输，直到到达接收器。

二、光纤放大器的分类根据掺杂光纤的类型，光纤放大器可以分为掺铒光纤放大器、掺钪光纤放大器、掺铽光纤放大器等。

其中，掺铒光纤放大器应用最为广泛。

掺铒光纤放大器的掺杂光纤中掺入铒元素，泵浦光源一般是980nm或1480nm的半导体激光器。

掺铒光纤放大器可以放大1300nm和1550nm波长范围内的光信号。

根据工作方式，光纤放大器可以分为受激辐射放大器（Erbium-Doped Fiber Amplifier，EDFA）、拉曼放大器（Raman Amplifier）、半导体光放大器（Semiconductor Optical Amplifier，SOA）等。

其中，EDFA应用最为广泛。

EDFA是一种受激辐射放大器，具有高增益、低噪声、宽带宽等优点。

三、光纤放大器的工作方式光纤放大器的工作方式与半导体激光器类似，都是通过泵浦光源将能量传递给掺杂物，使其激发并放出光子。

但是，光纤放大器的泵浦光源功率要比半导体激光器功率低得多，一般在几十毫瓦到几瓦之间。

第五章光放大器5.1 光放大器一般概念一、中继距离所谓中继距离是指传输线路上不加放大器时信号所能传输的最大距离。

当信号在传输线上传输时，由于传输线的损耗会使信号不断衰减，信号传输的距离越长，其衰减程度就越多，当信号衰减到一定程度后，对方就收不到信号。

为了延长通信的距离往往要在传输线路上设置一些放大器，也称为中继器，将衰减了的信号放大后再继续传输，显然，中继器越多，传输线的成本就越高，通信的可靠性也会降低，若某一中继器出现故障，就会影响全线的通信。

在通信系统设计中，传输线路的损耗是要考虑的基本因素，下表列出了电缆和光纤每千米传输损耗，可见，光纤的传输损耗较之电缆要小很多，所以能实现很长的中继距离。

在1550nm波长区，光纤的衰减系统可低至0.2dB/km，它对降低通信成本，提高通信的可靠性及稳定性具有特别重大的意义。

二、光放大器光信号沿光纤传输一定距离后，会因为光纤的衰减特性而减弱，从而使传输距离受到限制。

通常，对于多模光纤，无中继距离约为20多公里，对于单模光纤，不到80公里。

为了使信号传送的距离更大，就必须增强光信号。

光纤通信早期使用的是光－电－光再生中继器，需要进行光电转换、电放大、再定时脉冲整形及电光转换，这种中继器适用于中等速率和单波长的传输系统。

对于高速、多波长应用场合，则中继的设备复杂，费用昂贵。

而且由于电子设备不可避免地存在着寄生电容，限制了传输速率的进一步提高，出现所谓的“电子瓶颈”。

在光纤网络中，当有许多光发送器以不同比特率和不同格式将光发送到许多接收器时，无法使用传统中继器，因此产生了对光放大器的需要。

经过多年的探索，科学家们已经研制出多种光放大器。

光放大器的作用如图5.1所示。

图5.1与传统中继器比较起来，它具有两个明显的优势，第一，它可以对任何比特率和格式的信号都加以放大，这种属性称之为光放大器对任何比特率和信号格式是透明的。

第二，它不只是对单个信号波长，而是在一定波长范围内对若干个信号都可以放大。