光纤放大器

第二节 掺铒光纤放大器 --掺铒光纤放大器（EDFA：Erbium-Doped Fiber Amplifier）是目前性能最完美，技术最
成熟，应用最广泛的光放大器。
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在 EDFA 诞生以前，已经有利用光纤中非线性效应研制出的光放大器 （如光纤喇曼放
大器）和利用半导体技术研制出的半导体光放大器（SOA）。到 20 世纪 80 年代中期，这几 项技术已经比较成熟。 但是，由于自身的一些缺陷，它们在光纤通信中的应用并不令人满 意。 掺铒光纤放大器的研究取得突破行进展， 英国南安普顿大学和美国 AT&T Bell 1987 年， 实验室报道了离子态的稀土元素铒在光纤中可提供 1.55μm 通信波长处的光增益，引起人们 的极大兴趣。在短短的几年时间里， EDFA 的研究工作硕果累累，并迅速实用化。
增益带宽：增益系数的半极大值全宽。
Δω g =
2 T2
or
ΔV g =
=
1 π T2
放大器增益：G A = Pout / Pi n
放大器增益与增益系数的关系：
G A = e x p [G (ω ) L ]
放大器的带宽ΔνΑ与增益带宽Δνg的关系：
ΔVA = ΔV g (
三、增益饱和
ln2 ) G0 L − l n 2
6-7 为前向（同向）泵浦掺铒光纤放大器，表示信号光和泵浦光同向进入掺铒光纤。光隔离
器用于隔离反馈光信号，提高稳定性。这种结构噪声特性较好； 图 6-8 为后向（反向）泵 浦掺铒光纤放大器， 表示信号光和泵浦光从两个不同方向进入掺铒光纤。 这种结构具有较高 的输出信号功率，但噪声特性较差； 图 6-9 为双向泵浦掺铒光纤放大器，表示两个泵浦光 从两个相反方向进入掺铒光纤。这种结构具有的输出信号功率最高，噪声特性也不差。
离。在一个实验中，采用 12 个 EDFA，使 1.2Gb/s 的信号传输了 904km；在另一个相干光传 输实验中，采用了 25 个间隔为 80km 的 EDFA，提供了大于 440dB 的总增益，使 2.5Gb/s 的光信号沿色散位移光纤传输了 2223km，系统的 BL 高达 5.5（Tb/s） km，在 1996 年投入 使用的跨洋光缆系统（TPC-5）中，采用大量的 EDFA。在 EDFA 用做在线放大器后，系统 的传输距离是受限于光纤的色散而不是损耗，在这种情况下，为了进一步延长传输距离，可
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五、光纤放大器自发辐射引起的噪声 单位频率的自发辐射功率为：
Psp = n s p ( G A − 1) h v
nsp为自发辐射因子：
ns p =
N2 N 2 − N1
粒子数完全反转，则nsp=1；否则nsp<1。 光纤放大器自身存在自发辐射，在放大器中被放大成为噪声电流 Isp：
I s2p = 4 G A N e n s p (G A − 1) eB
(ΔV A < ΔV g )
增益系数 G(ω)随着信号功率的增大而减小，称之为增益饱和。
ω = ω0时， G ( ω ) =
G0
1 + P / Ps
放大器中z处的功率为：
G 0 P ( z) d P ( z) = G ( ω ) P( z ) = dz 1 + P / Ps
对全放大器积分，边界条件为P(0)=Pin，P(L)=Pout=GAPin。有：
图 6-5 在信号光的激励下实现光的放大
掺铒光纤的放大器
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6.1.3 掺铒光纤的放大器的基本性能 一、增益系数 增益依赖于信号光的频率及强度。二能级系统增益系数为：
G (ω ) =
G0 1 + ( ω − ω 0 ) 2 T 22 + P / Ps
G0为峰值增益；ω为入射信号频率；ω0为激活介质的受激跃迁中心频率；P为信号光功率； Ps为饱和光功率，它与辐射寿命T1(1/A21)——纵向驰豫时间(100 pS-10 mS) 有关； T2 ——
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G A = G A0 e x p [ −
饱和输出功率：
(G A −1) Pout G A Ps
]பைடு நூலகம்
PoSu t =
G A0 l n 2 PS GA0 − 2 G (ω ) 1 = G0 1 + P / PS
放大器的增益随着输出功率的增大而减小。
图 6-6
四、放大器噪声 放大器的噪声系数：
F=
( SNR ) i n ( SNR ) o u t
第六章 光纤放大器
温州大学物理与电子信息学院 韦文生
主要内容： 掺饵光纤放大器(EDFA)是目前最为活跃的光纤通信器件。本章讨论光纤放大器性能指 标、掺杂Er3+元素离子的能级和光纤放大器的结构及基本原理。概述了光纤放大器的用途。 （一）学习者分析： 本章为 EDFA 的基础知识， 是学生学习光纤通信系统的基础， 应该让学习者对它的基本 原理和构成有深刻的认识。 （二）教学目标：使学生掌握 EDFA 的性能指标、基本原理和结构。 （三）主要内容（重点、难点）和方法： z z z EDFA 的性能指标（难点） EDFA 的结构及基本原理（重点） 方法措施：通过基本知识讲授、动画演示、图形分析使学生掌握 EDFA 产生激光的基本 原理和 EDFA 的结构原理、用途。 （四）基本要求： 掌握 EDFA 的性能指标、EDFA 产生激光的基本原理和 EDFA 的结构原理。 （五）教学要点： 重点解释掌握 EDFA 的性能指标、放大原理。 （六）教学特点：与第五章的光纤激光器对比；为光纤通信系统的内容学习理解奠定基础。 （七）教学安排：第一节 1 课时；第三节 2 课时。
( SNR ) o u t =
( SNR ) i n 2
实际光纤放大器的 F 达到 6dB 或更高。但在应用中，F 越低越好。 级联光纤放大器的三大障碍： 噪声：多级放大器中，每个的自发辐射噪声积累。 色散：长距离光纤通信，色散不能忽略。
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非线性效应：Raman 效应、Brillouin 散射等。
-----由图 6-2 可以看出，一些具有重要意义的跃迁过程主要是，铒离子的（光子）吸收和（荧 光）发射过程分别发生在下列能级之间： 吸收过程：从基态跃迁到激发态
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荧光发射：从激发态跃迁到基态
6.1.2 掺铒光纤的光放大原理
---- 如图 6-2 所示,铒离子的能级图中,
稳态上粒子的平均寿命时间达到 10ms；
---- 与其他类型的光放大器相比，EDFA 具有高增益、低噪声，对偏振不敏感等优点，能放
大不同速率和调制方式的信号，并具有几十纳米的放大带宽。 正是由于其近于完美的特性 和半导体泵浦源的使用，EDFA 给 1.55 μm 窗口的光纤通信带来了一场革命。
6.2.1 掺铒光纤放大器的构成 --掺铒光纤放大器是由一段掺铒光纤、泵浦光源、光耦合器以及光隔离器等组成。如图
光功率与量子噪声的失真引起的散粒噪声电流的平方 有如下关系 ： I s2h （B 为探测器的带宽）
I s2h = 2 e I 0 B
探测器的光功率信噪比——为平均光电流 I0 的平方与噪声电流的平方之比：
SNR=I02 / Ish2
所以，输入光信号的色散转换为电信号的信噪比(SNR)in 为：
(SNR)in=I0 /2eB
横向驰豫时间(0.1 pS-1 nS) 。 以 G 为基础讨论增益带宽、放大倍数、饱和输出功率等。 小信号，P/Ps<<1，有：
G (ω ) =
二、带宽 当w=w0时有：
G0 1 + ( ω − ω 0 ) 2 T 22
G ( ω ) max = 为峰值； G0 ω≠ω0时
Δω g 2π
G ( ω ) max < G 0
吸收泵浦光的能量， 由基态
跃迁至处于高能级的泵浦态，对于不同的泵浦波长电子跃迁至不同的能级，当用 980nm 波 长的光泵浦时， 从基态跃迁至泵浦态 。由于泵浦态上载流子的寿命时间只有
1μs，电子迅速以非辐射方式又泵浦态豫驰至亚稳态，在亚稳态上载流子有较长的寿命，在
源源不断的泵浦下，亚稳态上的粒子数积累，从而实现了粒子数反转分布,如图 6-4 所示。
EDFA 以成为孤子传输系统中基本 以采用周期性加入 EDFA 的色散位移光纤孤子传输方式，
上不可缺少的器件。
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在局域网络光纤系统中，EDFA 也发挥着重要作用。在这类系统中，为了实现信息的交
EDFA。EDFA 的噪声系数很低，可以接近 3dB 的理论极限，所以很适合用作接收端的前置
放大器，从而大大提高接收机的灵敏度。利用两个 EDFA 分别作为发射端的功率放大器和 接受端的前置放大器，使 1.8Gb/s 的信号沿光纤传输了 250km。
---- 在光纤通信系统中，EDFA 最重要的一个应用就是作为在线放大器以提高系统的传输距
第一节 掺铒光纤 掺铒光纤是一种向常规传输光纤的石英玻璃基质中掺入微量铒元素的特种光纤， 它是一 种主动光纤，如图 6-1 所示。 掺入铒元素的目的是， 促成被动的传输光纤转变为具有放大 能力的主动光纤。由此可知，这种光纤的新特性--激光特性、光放大特性等与铒离子的性质 密切相关。
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图 6-1 掺铒光纤
能带称为基态；
能带称为亚稳态， 在亚
能带称为泵浦态，离子在泵浦态上的平均寿
命为 1μs。除图中标出的吸收带外， 还有 800nm 等其他吸收带。由于 980nm 和 1480nm 大 功率半导体激光器已完全商用化， 并且泵浦效率高于其他波长， 故得到了最广泛的应用。
图 6-3
的能级图
---- 掺铒光纤之所以能放大光信号的基本原理在于
SNR——光信号转换为电信号的信噪比。
光频段无热噪声， 接收时光电转换只有由光子数涨落引起的量子噪声。 量子噪声经光电 转换为电流波动——电路的散粒噪声。 光功率 P=Nhv，N 为每秒光子数。光电探测器的量子效率为 η，平均光电流