光纤通信技术-第六章-光通信中的光放大器(1)剖析

光纤通信技术—光纤放大器光导纤维通信简称光纤通信，原理是利用光导纤维传输信号，以实现信息传递的一种通信方式。

实际应用中的光纤通信系统使用的不是单根的光纤，而是许多光纤聚集在一起的组成的光缆。

光纤放大器不但可对光信号进行直接放大，同时还具有实时、高增益、宽带、在线、低噪声、低损耗的全光放大功能，是新一代光纤通信系统中必不可少的关键器件。

名称：光纤放大器关键字：光纤放大器 EDFA 半导体放大器光纤曼放大器摘要：光放大器的开发成功及其产业化是光纤通信技术中的一个非常重要的成果，它大大地促进了光复用技术、光弧子通信以及全光网络的发展。

顾名思义，光放大器就是放大光信号。

在此之前，传送信号的放大都是要实现光电变换及电光变换，即O/E/O变换。

有了光放大器后就可直接实现光信号放大。

光放大器主要有3种：光纤放大器、拉曼放大器、半导体光放大器。

光纤放大器就是在光纤中掺杂稀土离子（如铒、镨、铥等）作为激光活性物质。

每一种掺杂剂的增益带宽是不同的；掺铥光纤放大器的增益带是S波段；掺镨光纤放大器的增益带在1310nm附近。

而喇曼光放大器则是利用喇曼散射效应制作成的光放大器，即大功率的激光注入光纤后，会发生非线性效应?喇曼散射。

在不断发生散射的过程中，把能量转交给信号光，从而使信号光得到放大。

由此不难理解，喇曼放大是一个分布式的放大过程，即沿整个线路逐渐放大的。

其工作带宽可以说是很宽的，几乎不受限制。

这种光放大器已开始商品化了，不过相当昂贵。

半导体光放大器（S0A）一般是指行波光放大器，工作原理与半导体激光器相类似。

1.引言无线光通信是以激光作为信息载体，是一种不需要任何有线信道作为传输媒介的通信方式。

与微波通信相比，无线光通信所使用的激光频率高，方向性强(保密性好)，可用的频谱宽，无需申请频率使用许可；与光纤通信相比，无线光通信造价低，施工简便、迅速。

它结合了光纤通信和微波通信的优势，已成为一种新兴的宽带无线接人方式，受到了人们的广泛关注。

光放大器摘要：光放大器是对于光信号进行直接放大的器件，即可将其看光通路的组成单元，也可看作光设备的组成单元。

光放大器可分为光纤光放大器和半导体光放大器两类，它在光通信系统和信息处理领域中有很重要的应用。

光放大器的功能是提供光信号增益，以补偿光信号的通路中的传输衰减，增大系统的无中继传输距离。

关键词：光放大器、光纤、半导体、原理、特性迄今为止的光纤通信系统，为了拓长通信距离都需在通信线路中设置一定数量的中继器，以便使衰减的光信号强度得到补充。

而中继器无一例外都是采用光—电—光的转换方式。

中继器的这种工作模式带来了不少问题，如使得成本高，系统复杂，可靠性降低等。

于是，人们设想，是否用光放大器直接进行光信号放大，以实现全光通信。

经过多年的不懈努力，各种各样的光放大器终于问世了。

在光通信技术的发展进程中，不断取得新的突破，其中尤以光放大器，特别是掺铒光纤放大器（EDFA）的发明最为激动人心。

它使光通信技术产生了革命性的变化：用相对简单价廉的光放大器，代替长距离光纤通信系统中传统使用的复杂昂贵的光—电—光混合式中继器，从而可实现比特率及调制格式的透明传输，升级换代也变得十分容易，尤其是性能十分优秀的EDFA与WDM技术的珠联璧合，奠定了高速大容量WDM光通信系统与网络大规模应用的基础。

光放大器主要有两类：光纤光放大器和半导体光放大器。

光纤放大器又分为两种，即掺稀土元素的光纤放大器和利用常规光纤的非线性效应（如受激拉曼散射，受激希里渊散射等）的光放大器。

半导体光放大器主要是行波半导体激光放大器。

1光放大器原理大部分光放大器是通过受激辐射或受激散射原理实现入射光信号放大的，其机理与激光器完全相同。

实际上，光放大器在结构上是一个没有反馈或反馈较小的激光器。

任何放大器的主要介质，当采用电学或光学的泵浦方法，达到粒子数发转时就产生了光增益，即可实现光放大。

光增益不仅与反射光频率（或波长）有关，也与放大器内部光束强度有关。

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)。