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第七章 光放大器

7.1光放大器的分类7.2掺铒光纤放大器的结构7.3掺铒光纤放大器的工作原理7.4掺铒光纤放大器的特性指标7.5掺铒光纤放大器在光纤通信系统中的应用

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第七章 光放大器

• 从前面光纤的传输特性中可知，影响线路最大距离的主要特性是光纤的损耗和色散。

• 为了保证长途光缆干线可靠的性能指标，就需在线路适当地点设立中继站。光缆干线上中继站的形式主要有两种，一是光 / 电 / 光转换形式的中继器，一是直接对光信号进行放大的光放大器。第一种形式的中继器在第四章已作介绍，因此本章将重点介绍光放大器，光放大器的研制成功是光纤通信发展史上的重要突破，解决了全光通信的关键问题，其影响深远。

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7.1 光放大器的分类

• 从大的方面来分，光放大器主要包括半导体光放大器和光纤放大器两种。

• 半导体光放大器（ SOA ）是由半导体材料制成的，如果将半导体激光器两端的反射去除，即变成没有反馈的半导体行波光放大器，它能适合不同波长的光放大。

• 光纤放大器又包括两种。– 非线性光纤放大器– 掺铒光纤放大器（ EDFA ）

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• 非线性光纤放大器：它是利用强的光源对光纤进行激发，使光纤产生非线性效应而出现拉曼散射，在这受激发的一段光纤的传输过程中得到放大，它的主要缺点是需要大功率的半导体激光器作泵浦源（约 0.5~1W ），因而目前很难达到实用。

• 掺铒光纤放大器：是将稀土元素铒注入到纤芯中，即形成了一种特殊光纤，它在泵浦光的作用下可直接对某一波长的光信号进行放大，因此称为掺铒光纤放大器。由于掺铒光纤放大器具有一系列优点，因此近年来得到迅速发展，并被广泛采用。

7.1 光放大器的分类

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7.1 光放大器的分类

• 掺铒光纤放大器的主要优点如下。（ 1 ）工作波长处在 1.53 ～ 1.56μm 范围，与光纤最小

损耗窗口一致。（ 2 ）对掺铒光纤进行激励的泵浦功率低，仅需几十毫

瓦；而拉曼放大器需 0.5 ～ 1W 的泵浦源进行激励。（ 3 ）增益高、噪声低、输出功率大，它的增益可达

40dB ，噪声系数可低至 3 ～ 4dB ，输出功率可达 14 ～ 20dBm 。

（ 4 ）连接损耗低，因为是光纤型放大器，因此与光纤连接比较容易，连接损耗可低至 0.1dB 。

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7.2 ． EDFA 的结构

1. 掺铒光纤放大器结构示意图

图 7-1 掺铒光纤放大器结构示意图

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7.2 ． EDFA 的结构2. 掺铒光纤放大器各部分的功能：• 光耦合器：将输入光信号和泵浦光源输出的光波混合起

来的无源光器件，一般采用波分复用器。• 光隔离器：防止反射光影响光放大器的工作稳定性，保

证光信号只能只能正向传输的器件。• 掺铒光纤：一段长度大约为 10~100m 的石英光纤，将

稀土元素铒离子 Er3+ 注入到纤芯中，浓度约为 25mg/kg 。

• 泵浦光源：为半导体激光器，输出光功率约为10~100mw ，工作波长约为 0.98μm.

• 光滤波器：滤除光放大器的噪声，降低噪声对系统的影响，提供系统的信噪比。

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3.EDFA 的主体部件是泵浦光源和掺铒光纤。按照泵浦光源的泵浦方式不同， EDFA 又可包括三种不同的结构方式：

（ 1 ）同向泵浦结构：输入光信号与泵浦光源输出的光波，以同一方向注入掺铒光纤。

（ 2 ）反向泵浦结构：输入光信号与泵浦光源输出的光波，以相反方向注入掺铒光纤。

（ 3 ）双向泵浦结构：它有两个泵浦光源，其中一个泵浦光源输出的光波和输入光信号以同一方向注入掺铒光纤，另一个泵浦光源输出的光波从相反方向注入掺铒光纤。

7.2 ． EDFA 的结构

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7.2 ． EDFA 的结构

图 7-2 EDFA 的泵浦方式

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7.3 ． EDFA 的工作原理

• 图 7-3 铒离子能带图

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7.4 EDFA 的特性指标

• 掺铒光纤放大器的主要特性指标是功率增益、输出饱和功率和噪声系数。

7.4.1 功率增益• 功率增益定义为

• 它表示了光放大器的放大能力，增益的大小与泵浦光

功率以及光纤长度等诸因素有关。

10lg dB输出功率

功率增益输入功率

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7.4 EDFA 的特性指标

• 图 7-4 掺铒光纤放大器功率增益与泵浦功率间的关系

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7.4 EDFA 的特性指标

• 图 7-5 掺铒光纤放大器功率增益与光纤长度间的关系

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7.4 EDFA 的特性指标

• 由此可见，在给定的掺铒光纤的情况下，应选择合适的泵浦功率和光纤长度，以达到最大增益。

• 目前采用的主要泵浦波长为 0.98μm 和 1.48μm据报道，如采用 1.48μm 泵浦源，当泵浦功率为5mW 、掺铒光纤长度为 30m ，可获得增益35dB 的增益。

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7.4 EDFA 的特性指标

7.4.2．输出饱和功率• 输出饱和功率是一个描述输入信号功率与输出信号功

率之间关系的参量。• 在掺铒光纤放大器中，输入信号功率和输出信号功率

并不完全成正比关系，而是存在着饱和的趋势。

•图 7-6 掺铒光纤放大器输出饱和功率曲线

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7.4 EDFA 的特性指标

图 7-7 掺铒光纤放大器的增益饱和特性

•掺铒光纤放大器的最大输出功率常用 3dB饱和输出功率来表示。

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7.4 EDFA 的特性指标

• 当饱和增益下降 3dB时所对应的输出功率值为3dB饱和输出功率。它代表了掺铒光纤放大器的最大输出能力。

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7.4 EDFA 的特性指标

7.4.3 噪声系数 1. 掺铒光纤放大器噪声的主要来源包括：• 信号光的散弹噪声，• 信号光波与放大器自发辐射光波之间的差拍噪声，• 被放大的自发辐射光的散弹噪声，• 光放大器自发辐射的不同频率光波间差拍噪声。

2. 掺铒光纤放大器噪声特性可用噪声系数 F 来表示，它定义为

F= 放大器的输入信噪比 / 放大器的输出信噪比

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7.5EDFA 在光纤通信系统中的应用

• 1.EDFA 在光纤通信系统中的主要作用是延长中继距离，当它与波分复用技术、光孤子技术相结合时，可实现超大容量、超长距离的传输。

• 2.EDFA 在光纤通信系统中的主要应用形式：（ 1 ） 作为前置放大器

（ 2 ） 作为功率放大器

（ 3 ） 作光中继器使用

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7.5 ． EDFA 在光纤通信系统中的应用

• 图 7-8 EDFA 的应用