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1、光放大器光放大器光纤通信技术第六章光纤通信技术第六章王建萍王建萍 jpwangjpwangtsinghuatsinghua. .eduedu. .cncn信息光电子研究所信息光电子研究所信息光电子研究所信息光电子研究所清华大学电子工程系清华大学电子工程系清华大学电子工程系清华大学电子工程系第六章第六章 光放大器光放大器6.1 光放大器概述光放大器概述 6.2 掺铒光纤放大器掺铒光纤放大器EDFA6.3 半导体光放大器半导体光放大器SOA6.4 光纤拉曼放大器光纤拉曼放大器FRA6.1 光放大器概述光放大器概述n n光光光光放大器的出现，可视为光纤通信发展史上的重放大器的出现，可视为光纤通信发展
2、史上的重放大器的出现，可视为光纤通信发展史上的重放大器的出现，可视为光纤通信发展史上的重要里程碑。要里程碑。要里程碑。要里程碑。n n光放大器出现之前，光纤通信的中继器采用光放大器出现之前，光纤通信的中继器采用光放大器出现之前，光纤通信的中继器采用光放大器出现之前，光纤通信的中继器采用光光光光电光电光电光电光( (O-E-O)O-E-O)变换方式。变换方式。变换方式。变换方式。n n装置复杂、耗能多、不能同时放大多个波长信道，在装置复杂、耗能多、不能同时放大多个波长信道，在装置复杂、耗能多、不能同时放大多个波长信道，在装置复杂、耗能多、不能同时放大多个波长信道，在WDMWDM系统中复杂性和成本
3、倍增，可实现系统中复杂性和成本倍增，可实现系统中复杂性和成本倍增，可实现系统中复杂性和成本倍增，可实现1 1RR、2R2R、3R3R中继中继中继中继n n光放大器（光放大器（光放大器（光放大器（O-OO-O）n n多波长放大、低成本，只能实现多波长放大、低成本，只能实现多波长放大、低成本，只能实现多波长放大、低成本，只能实现1 1RR中继中继中继中继光放大器的原理光放大器的原理n n光放大器的功能：光放大器的功能：光放大器的功能：光放大器的功能：提供光信号增益，以补偿光提供光信号增益，以补偿光提供光信号增益，以补偿光提供光信号增益，以补偿光信号在通路中的传输衰减，增大系统的无中继信号在通路中的
4、传输衰减，增大系统的无中继信号在通路中的传输衰减，增大系统的无中继信号在通路中的传输衰减，增大系统的无中继传输距离。传输距离。传输距离。传输距离。n n在泵浦能量（电或光）的作用下，实现粒子数在泵浦能量（电或光）的作用下，实现粒子数在泵浦能量（电或光）的作用下，实现粒子数在泵浦能量（电或光）的作用下，实现粒子数反转（非线性光纤放大器除外），然后通过受反转（非线性光纤放大器除外），然后通过受反转（非线性光纤放大器除外），然后通过受反转（非线性光纤放大器除外），然后通过受激辐射实现对入射光的放大。激辐射实现对入射光的放大。激辐射实现对入射光的放大。激辐射实现对入射光的放大。n n光放大器是基于光放
5、大器是基于光放大器是基于光放大器是基于受激辐射或受激散射受激辐射或受激散射受激辐射或受激散射受激辐射或受激散射原理实现原理实现原理实现原理实现入射光信号放大的一种器件。其机制与激光器入射光信号放大的一种器件。其机制与激光器入射光信号放大的一种器件。其机制与激光器入射光信号放大的一种器件。其机制与激光器完全相同。实际上，光放大器在结构上是一个完全相同。实际上，光放大器在结构上是一个完全相同。实际上，光放大器在结构上是一个完全相同。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。没有反馈或反馈较小的激光器。没有反馈或反馈较小的激光器。没有反馈或反馈较小的激光器。光放大器的类型光放大器的类
6、型n n利用稀土掺杂的光纤放大器（利用稀土掺杂的光纤放大器（EDFA、PDFA）n n利用半导体制作的半导体光放大器（利用半导体制作的半导体光放大器（SOA）n n利用光纤非线性效应制作的非线性光纤放大利用光纤非线性效应制作的非线性光纤放大器（器（FRA、FBA）几种光放大器的比较几种光放大器的比较放大器放大器放大器放大器类型类型类型类型原理原理原理原理激励激励激励激励方式方式方式方式工作长工作长工作长工作长度度度度噪声噪声噪声噪声特性特性特性特性与与与与光光光光纤耦纤耦纤耦纤耦合合合合与与与与光光光光偏振偏振偏振偏振关系关系关系关系稳稳稳稳定定定定性性性性掺掺掺掺稀土光稀土光稀土光稀土光纤放
7、大器纤放大器纤放大器纤放大器粒子数反粒子数反粒子数反粒子数反转转转转光光光光数米到数米到数米到数米到数十米数十米数十米数十米好好好好容易容易容易容易无无无无好好好好半导体光半导体光半导体光半导体光放大器放大器放大器放大器粒子数反粒子数反粒子数反粒子数反转转转转电电电电100100 m1mm1mmm差差差差很难很难很难很难大大大大差差差差光纤光纤光纤光纤( (喇喇喇喇曼曼曼曼) )放大放大放大放大器器器器光学非线光学非线光学非线光学非线性性性性( (喇曼喇曼喇曼喇曼) )效应效应效应效应光光光光数千米数千米数千米数千米好好好好容易容易容易容易大大大大好好好好光放大器的应用光放大器的应用线路放大线
8、路放大线路放大线路放大( (In-line)In-line)：周周周周期性补偿各段光纤损耗期性补偿各段光纤损耗期性补偿各段光纤损耗期性补偿各段光纤损耗功率放大功率放大功率放大功率放大( (Boost)Boost)：增加入增加入增加入增加入纤功率纤功率纤功率纤功率, ,延长传输距离延长传输距离延长传输距离延长传输距离前置预放大前置预放大前置预放大前置预放大( (Pre-Amplify):Pre-Amplify):提高接收灵敏度提高接收灵敏度提高接收灵敏度提高接收灵敏度局域网的功率放大器：补偿局域网的功率放大器：补偿局域网的功率放大器：补偿局域网的功率放大器：补偿分配损耗，增大网络节点数分配损耗，
9、增大网络节点数分配损耗，增大网络节点数分配损耗，增大网络节点数研究新热点研究新热点n n展宽带宽：展宽带宽：展宽带宽：展宽带宽：C-band 40nm, L-band C-band 40nm, L-band 再再再再加加加加4040nmnm；n n均衡功能：均衡功能：均衡功能：均衡功能：针对点对点系统的增益均衡，针对全针对点对点系统的增益均衡，针对全针对点对点系统的增益均衡，针对全针对点对点系统的增益均衡，针对全光网的功率均衡；光网的功率均衡；光网的功率均衡；光网的功率均衡；n n监控管理功能：监控管理功能：监控管理功能：监控管理功能：在线放大器，全光网路由改变；在线放大器，全光网路由改变；在
10、线放大器，全光网路由改变；在线放大器，全光网路由改变；n n动态响应特性；动态响应特性；动态响应特性；动态响应特性；n n其它波段的光纤放大器其它波段的光纤放大器其它波段的光纤放大器其它波段的光纤放大器，如，如，如，如RamanRaman放大器。放大器。放大器。放大器。第六章第六章 光放大器光放大器6.1 光放大器概述光放大器概述 6.2 掺铒光纤放大器掺铒光纤放大器EDFA6.3 半导体光放大器半导体光放大器SOA6.4 光纤拉曼放大器光纤拉曼放大器FRA6.2 掺铒光纤放大器掺铒光纤放大器EDFAn n掺杂光纤放大器掺杂光纤放大器掺杂光纤放大器掺杂光纤放大器利用掺入石英光纤的稀土离子作利用
11、掺入石英光纤的稀土离子作利用掺入石英光纤的稀土离子作利用掺入石英光纤的稀土离子作为增益介质，在泵浦光的激发下实现光信号的放为增益介质，在泵浦光的激发下实现光信号的放为增益介质，在泵浦光的激发下实现光信号的放为增益介质，在泵浦光的激发下实现光信号的放大，放大器的特性主要由掺杂元素决定。大，放大器的特性主要由掺杂元素决定。大，放大器的特性主要由掺杂元素决定。大，放大器的特性主要由掺杂元素决定。n n工作波长为工作波长为工作波长为工作波长为15501550nmnm的铒的铒的铒的铒( (ErEr) )掺杂光纤放大器掺杂光纤放大器掺杂光纤放大器掺杂光纤放大器( (EDFAEDFA) )n n工作波长为工
12、作波长为工作波长为工作波长为13001300nmnm的镨的镨的镨的镨( (Pr)Pr)掺杂光纤放大器掺杂光纤放大器掺杂光纤放大器掺杂光纤放大器( (PDFAPDFA) )n n工作波长为工作波长为工作波长为工作波长为14001400nmnm的铥的铥的铥的铥( (Tm)Tm)掺杂光纤放大器掺杂光纤放大器掺杂光纤放大器掺杂光纤放大器( (TDFATDFA) )n n目前，目前，目前，目前，EDFAEDFA最为成熟，是光纤通信系统必备器件。最为成熟，是光纤通信系统必备器件。最为成熟，是光纤通信系统必备器件。最为成熟，是光纤通信系统必备器件。掺铒光纤放大器给光纤通信领域带来的革命掺铒光纤放大器给光纤通
13、信领域带来的革命n nEDFAEDFA解决了系统容量提高的最大的限制解决了系统容量提高的最大的限制解决了系统容量提高的最大的限制解决了系统容量提高的最大的限制光光光光损耗损耗损耗损耗n n补偿了光纤本身的损耗，使长距离传输成为可能补偿了光纤本身的损耗，使长距离传输成为可能补偿了光纤本身的损耗，使长距离传输成为可能补偿了光纤本身的损耗，使长距离传输成为可能n n大大增加了功率预算的冗余，系统中引入各种新大大增加了功率预算的冗余，系统中引入各种新大大增加了功率预算的冗余，系统中引入各种新大大增加了功率预算的冗余，系统中引入各种新型光器件成为可能型光器件成为可能型光器件成为可能型光器件成为可能n n
14、支持了最有效的增加光通信容量的方式支持了最有效的增加光通信容量的方式支持了最有效的增加光通信容量的方式支持了最有效的增加光通信容量的方式- -WDMWDMn n推动了全光网络的研究开发热潮推动了全光网络的研究开发热潮推动了全光网络的研究开发热潮推动了全光网络的研究开发热潮为什么要用掺铒光纤放大器为什么要用掺铒光纤放大器n n工作频带正处于光纤损耗最低处工作频带正处于光纤损耗最低处工作频带正处于光纤损耗最低处工作频带正处于光纤损耗最低处(1525-1565(1525-1565nm)nm)；n n频带宽，可以对多路信号同时放大频带宽，可以对多路信号同时放大频带宽，可以对多路信号同时放大频带宽，可以
15、对多路信号同时放大- -波分复用；波分复用；波分复用；波分复用；n n对数据率对数据率对数据率对数据率/ /格式透明，系统升级成本低；格式透明，系统升级成本低；格式透明，系统升级成本低；格式透明，系统升级成本低；n n增益高增益高增益高增益高(40(40dB)dB)、输出功率大输出功率大输出功率大输出功率大(30(30dBmdBm) )、噪声低噪声低噪声低噪声低(45(45dB)dB)；n n全光纤结构，与光纤系统兼容；全光纤结构，与光纤系统兼容；全光纤结构，与光纤系统兼容；全光纤结构，与光纤系统兼容；n n增益与信号偏振态无关，故稳定性好；增益与信号偏振态无关，故稳定性好；增益与信号偏振态无
16、关，故稳定性好；增益与信号偏振态无关，故稳定性好；n n所需的泵浦功率低所需的泵浦功率低所需的泵浦功率低所需的泵浦功率低( (数十毫瓦数十毫瓦数十毫瓦数十毫瓦) )。EDFA的工作原理的工作原理n nEDFAEDFA采用掺铒离子单模光纤为增益介质，在泵浦光作用采用掺铒离子单模光纤为增益介质，在泵浦光作用采用掺铒离子单模光纤为增益介质，在泵浦光作用采用掺铒离子单模光纤为增益介质，在泵浦光作用下产生粒子数反转，在信号光诱导下实现受激辐射放大。下产生粒子数反转，在信号光诱导下实现受激辐射放大。下产生粒子数反转，在信号光诱导下实现受激辐射放大。下产生粒子数反转，在信号光诱导下实现受激辐射放大。Inpu
17、t signalInput signal1530nm-1570nm1530nm-1570nmAmplified Amplified output signaloutput signalPower laser Power laser (Pump)(Pump)980980nm or nm or 1480nm1480nmFiber containing Fiber containing erbium erbium dopantdopant信号光与波长较其为短的光波信号光与波长较其为短的光波信号光与波长较其为短的光波信号光与波长较其为短的光波( (泵浦光泵浦光泵浦光泵浦光) )同沿光纤传输，泵浦同沿光
18、纤传输，泵浦同沿光纤传输，泵浦同沿光纤传输，泵浦光的能量被光纤中的稀土元素离子吸收而使其跃迁至更高能光的能量被光纤中的稀土元素离子吸收而使其跃迁至更高能光的能量被光纤中的稀土元素离子吸收而使其跃迁至更高能光的能量被光纤中的稀土元素离子吸收而使其跃迁至更高能级，并可通过能级间的受激发射转移为信号光的能量。信号级，并可通过能级间的受激发射转移为信号光的能量。信号级，并可通过能级间的受激发射转移为信号光的能量。信号级，并可通过能级间的受激发射转移为信号光的能量。信号光沿光纤长度得到放大，泵浦光沿光纤长度不断衰减。光沿光纤长度得到放大，泵浦光沿光纤长度不断衰减。光沿光纤长度得到放大，泵浦光沿光纤长度不
19、断衰减。光沿光纤长度得到放大，泵浦光沿光纤长度不断衰减。EDFA中的中的Er3+能级结构能级结构n n泵浦波长可以是泵浦波长可以是泵浦波长可以是泵浦波长可以是520520、650650、800800、980980、14801480nmnmn n波长短于波长短于波长短于波长短于980nm980nm的泵浦效率低，因而通常采用的泵浦效率低，因而通常采用的泵浦效率低，因而通常采用的泵浦效率低，因而通常采用980980和和和和1480nm1480nm泵浦泵浦泵浦泵浦。铒铒铒铒离子简化离子简化离子简化离子简化能级示意图能级示意图能级示意图能级示意图吸收泵浦光吸收泵浦光吸收泵浦光吸收泵浦光快速非辐快速非辐快
20、速非辐快速非辐射跃迁射跃迁射跃迁射跃迁光放大光放大光放大光放大受激辐射受激辐射受激辐射受激辐射产生噪声产生噪声产生噪声产生噪声自发辐射自发辐射自发辐射自发辐射受激吸收受激吸收受激吸收受激吸收基态基态基态基态能带能带能带能带泵浦泵浦泵浦泵浦能带能带能带能带980980nmnm14801480nmnm亚稳态能带亚稳态能带亚稳态能带亚稳态能带15501550nmnm掺铒光纤放大器的基本结构掺铒光纤放大器的基本结构掺铒光纤：掺铒光纤：掺铒光纤：掺铒光纤：当一定的泵浦光注入到掺铒光纤中时，当一定的泵浦光注入到掺铒光纤中时，当一定的泵浦光注入到掺铒光纤中时，当一定的泵浦光注入到掺铒光纤中时，ErEr3+3
21、+从低从低从低从低能级被激发到能级被激发到能级被激发到能级被激发到高能级上，由于在高能级上的寿命很短，很快以非辐射跃迁形式到较低能高能级上，由于在高能级上的寿命很短，很快以非辐射跃迁形式到较低能高能级上，由于在高能级上的寿命很短，很快以非辐射跃迁形式到较低能高能级上，由于在高能级上的寿命很短，很快以非辐射跃迁形式到较低能级上，并在该能级和低能级间形成粒子数反转分布。级上，并在该能级和低能级间形成粒子数反转分布。级上，并在该能级和低能级间形成粒子数反转分布。级上，并在该能级和低能级间形成粒子数反转分布。半导体泵浦二极管半导体泵浦二极管半导体泵浦二极管半导体泵浦二极管：为信号放大提供足够的能量，使
22、物质达到粒子数反转。：为信号放大提供足够的能量，使物质达到粒子数反转。：为信号放大提供足够的能量，使物质达到粒子数反转。：为信号放大提供足够的能量，使物质达到粒子数反转。波分复用耦合器：波分复用耦合器：波分复用耦合器：波分复用耦合器：将信号光和泵浦光合路进入掺铒光纤中。将信号光和泵浦光合路进入掺铒光纤中。将信号光和泵浦光合路进入掺铒光纤中。将信号光和泵浦光合路进入掺铒光纤中。光隔离器：光隔离器：光隔离器：光隔离器：使光传输具有单向性，放大器不受发射光影响，保证稳定工作。使光传输具有单向性，放大器不受发射光影响，保证稳定工作。使光传输具有单向性，放大器不受发射光影响，保证稳定工作。使光传输具有单
23、向性，放大器不受发射光影响，保证稳定工作。三种泵浦方式的三种泵浦方式的EDFALD2LD2WDM2WDM2EDFEDFAPCAPCAPCAPCininoutoutLD1LD1WDM1WDM1LDLDWDMWDMEDFEDFAPCAPCAPCAPCin in outoutLDLDWDMWDMEDFEDFAPCAPCAPCAPCin in outout同向泵浦同向泵浦同向泵浦同向泵浦( (前向泵浦前向泵浦前向泵浦前向泵浦) )型：好的噪声性能型：好的噪声性能型：好的噪声性能型：好的噪声性能反向泵浦反向泵浦反向泵浦反向泵浦( (后向泵浦后向泵浦后向泵浦后向泵浦) )型：输出信号功率高型：输出信号功率
24、高型：输出信号功率高型：输出信号功率高双向泵浦型：输出信双向泵浦型：输出信双向泵浦型：输出信双向泵浦型：输出信号功率比单泵浦源高号功率比单泵浦源高号功率比单泵浦源高号功率比单泵浦源高3 3dBdB，且放大特性与且放大特性与且放大特性与且放大特性与信号传输方向无关信号传输方向无关信号传输方向无关信号传输方向无关MultistagMultistage EDFAe EDFA由于光纤对由于光纤对由于光纤对由于光纤对1480nm1480nm的光损耗较小，所以的光损耗较小，所以的光损耗较小，所以的光损耗较小，所以1480nm1480nm泵浦光又常用于遥泵方式泵浦光又常用于遥泵方式泵浦光又常用于遥泵方式泵浦
25、光又常用于遥泵方式。Remote Remote PumpinPumping gEDFA的工作特性的工作特性n n光放大器的增益光放大器的增益n n放大器的噪声放大器的噪声n nEDFA的多信道放大特性的多信道放大特性n nEDFA的大功率化的大功率化一、光放大器的增益一、光放大器的增益n n增益增益增益增益GG是描述光放大器对信号放大能力的参数。定义为：是描述光放大器对信号放大能力的参数。定义为：是描述光放大器对信号放大能力的参数。定义为：是描述光放大器对信号放大能力的参数。定义为：n nGG与光放大器的泵浦功率、掺杂光纤的参数和输入光信号与光放大器的泵浦功率、掺杂光纤的参数和输入光信号与光放
26、大器的泵浦功率、掺杂光纤的参数和输入光信号与光放大器的泵浦功率、掺杂光纤的参数和输入光信号有很复杂的关系。有很复杂的关系。有很复杂的关系。有很复杂的关系。输出信号光功率输出信号光功率输出信号光功率输出信号光功率输入信号光功率输入信号光功率输入信号光功率输入信号光功率小信号增益小信号增益小信号增益小信号增益GG30dB30dB时，增益对输入光功率的典型时，增益对输入光功率的典型时，增益对输入光功率的典型时，增益对输入光功率的典型依存关系依存关系依存关系依存关系输入光功率较小时，输入光功率较小时，输入光功率较小时，输入光功率较小时，GG是一常数，即输出光功率是一常数，即输出光功率是一常数，即输出光
27、功率是一常数，即输出光功率P PS,OUTS,OUT与输入光功率与输入光功率与输入光功率与输入光功率P PS,INS,IN成正比例。成正比例。成正比例。成正比例。GG0 0光放大器的小信号增益。光放大器的小信号增益。光放大器的小信号增益。光放大器的小信号增益。G G0 0饱和输出功率：饱和输出功率：饱和输出功率：饱和输出功率：放大器增益降至小放大器增益降至小放大器增益降至小放大器增益降至小信号增益一半时的输出功率。信号增益一半时的输出功率。信号增益一半时的输出功率。信号增益一半时的输出功率。3dB3dBP Pout,satout,sat当当当当P PS,INS,IN增大到一定值后，增大到一定值
28、后，增大到一定值后，增大到一定值后，光放大器的增益光放大器的增益光放大器的增益光放大器的增益GG开始开始开始开始下降。增益饱和现象。下降。增益饱和现象。下降。增益饱和现象。下降。增益饱和现象。饱和区域饱和区域饱和区域饱和区域增益增益增益增益GG与输入光波长的关系与输入光波长的关系与输入光波长的关系与输入光波长的关系增益谱增益谱增益谱增益谱G(G( ) )：增益增益增益增益GG与信号光波长与信号光波长与信号光波长与信号光波长 的关系。光放大的关系。光放大的关系。光放大的关系。光放大器的增益谱不平坦。器的增益谱不平坦。器的增益谱不平坦。器的增益谱不平坦。对于给定的放大器长度（对于给定的放大器长度（
29、对于给定的放大器长度（对于给定的放大器长度（EDFEDF长度），增益随长度），增益随长度），增益随长度），增益随泵浦功率在开始时按指数增加，当泵浦功率超泵浦功率在开始时按指数增加，当泵浦功率超泵浦功率在开始时按指数增加，当泵浦功率超泵浦功率在开始时按指数增加，当泵浦功率超过一定值时，增益增加变缓，并趋于一恒定值。过一定值时，增益增加变缓，并趋于一恒定值。过一定值时，增益增加变缓，并趋于一恒定值。过一定值时，增益增加变缓，并趋于一恒定值。小信号增益随泵浦功率而变的曲线小信号增益随泵浦功率而变的曲线小信号增益随泵浦功率而变的曲线小信号增益随泵浦功率而变的曲线小信号增益小信号增益小信号增益小信号增益
30、随放大器长随放大器长随放大器长随放大器长度而变的曲度而变的曲度而变的曲度而变的曲线线线线当泵浦功率一定时，放大器在某一最佳长度时获得最大增益，如果当泵浦功率一定时，放大器在某一最佳长度时获得最大增益，如果当泵浦功率一定时，放大器在某一最佳长度时获得最大增益，如果当泵浦功率一定时，放大器在某一最佳长度时获得最大增益，如果放大器长度超过此值，由于泵浦的消耗，最佳点后的掺铒光纤不能放大器长度超过此值，由于泵浦的消耗，最佳点后的掺铒光纤不能放大器长度超过此值，由于泵浦的消耗，最佳点后的掺铒光纤不能放大器长度超过此值，由于泵浦的消耗，最佳点后的掺铒光纤不能受到足够泵浦，而且要吸收已放大的信号能量，导致增
31、益很快下降。受到足够泵浦，而且要吸收已放大的信号能量，导致增益很快下降。受到足够泵浦，而且要吸收已放大的信号能量，导致增益很快下降。受到足够泵浦，而且要吸收已放大的信号能量，导致增益很快下降。因此，在因此，在因此，在因此，在EDFAEDFA设计中，需要在掺铒光纤结构参数的基础上，设计中，需要在掺铒光纤结构参数的基础上，设计中，需要在掺铒光纤结构参数的基础上，设计中，需要在掺铒光纤结构参数的基础上，选择合适的泵浦功率和光纤长度，使放大器工作于最佳状态。选择合适的泵浦功率和光纤长度，使放大器工作于最佳状态。选择合适的泵浦功率和光纤长度，使放大器工作于最佳状态。选择合适的泵浦功率和光纤长度，使放大器
32、工作于最佳状态。二、放大器的噪声二、放大器的噪声n n所有光放大器在放大过程中都会把自发辐射（或所有光放大器在放大过程中都会把自发辐射（或所有光放大器在放大过程中都会把自发辐射（或所有光放大器在放大过程中都会把自发辐射（或散射）叠加到信号光上，导致被放大信号的信噪散射）叠加到信号光上，导致被放大信号的信噪散射）叠加到信号光上，导致被放大信号的信噪散射）叠加到信号光上，导致被放大信号的信噪比（比（比（比（SNRSNR）下降，其降低程度通常下降，其降低程度通常下降，其降低程度通常下降，其降低程度通常用噪声指数用噪声指数用噪声指数用噪声指数F Fn n来表示，其定义为：来表示，其定义为：来表示，其定
33、义为：来表示，其定义为：n n主要噪声源：主要噪声源：主要噪声源：主要噪声源：放大的自发辐射噪声（放大的自发辐射噪声（放大的自发辐射噪声（放大的自发辐射噪声（ASEASE），它它它它源于放大器介质中电子空穴对的自发复合。自发源于放大器介质中电子空穴对的自发复合。自发源于放大器介质中电子空穴对的自发复合。自发源于放大器介质中电子空穴对的自发复合。自发复合导致了与光信号一起放大的光子的宽谱背景。复合导致了与光信号一起放大的光子的宽谱背景。复合导致了与光信号一起放大的光子的宽谱背景。复合导致了与光信号一起放大的光子的宽谱背景。Amplified Spontaneous EmissionAmplifi
34、ed Spontaneous EmissionEDFAEDFA放大放大放大放大15401540波长信号时产生的影响波长信号时产生的影响波长信号时产生的影响波长信号时产生的影响ASEASEASEASE噪声叠加在信号上，导致信噪比下降。噪声叠加在信号上，导致信噪比下降。噪声叠加在信号上，导致信噪比下降。噪声叠加在信号上，导致信噪比下降。宽谱光源宽谱光源宽谱光源宽谱光源ASE噪声噪声n nASEASE噪声近似为白噪声，噪声功率谱密度为：噪声近似为白噪声，噪声功率谱密度为：自发发射因子或自发发射因子或自发发射因子或自发发射因子或粒子数反转因子粒子数反转因子粒子数反转因子粒子数反转因子 对于原子都处于激
35、发态对于原子都处于激发态对于原子都处于激发态对于原子都处于激发态或完全粒子数反转的光或完全粒子数反转的光或完全粒子数反转的光或完全粒子数反转的光放大器，放大器，放大器，放大器，n nspsp=1;=1; 当粒子数不完全反转时，当粒子数不完全反转时，当粒子数不完全反转时，当粒子数不完全反转时， n nspsp11；激发态的粒子数激发态的粒子数激发态的粒子数激发态的粒子数基态的粒子数基态的粒子数基态的粒子数基态的粒子数研究发现，接收机前接入光放大器后，新增加的研究发现，接收机前接入光放大器后，新增加的研究发现，接收机前接入光放大器后，新增加的研究发现，接收机前接入光放大器后，新增加的噪声主要来自噪
36、声主要来自噪声主要来自噪声主要来自ASEASE噪声与信号本身的差拍噪声。噪声与信号本身的差拍噪声。噪声与信号本身的差拍噪声。噪声与信号本身的差拍噪声。噪声指数噪声指数噪声指数噪声指数为：为：为：为：表明：即使对表明：即使对表明：即使对表明：即使对n nspsp=1=1的的的的完全粒子数反转的理想放大器，完全粒子数反转的理想放大器，完全粒子数反转的理想放大器，完全粒子数反转的理想放大器，被放大信号的被放大信号的被放大信号的被放大信号的SNRSNR也降低了二倍（或也降低了二倍（或也降低了二倍（或也降低了二倍（或3 3dBdB）。）。）。）。对大多对大多对大多对大多数实际的放大器数实际的放大器数实际
37、的放大器数实际的放大器F Fn n均超过均超过均超过均超过3 3dB dB ，并可能达到并可能达到并可能达到并可能达到6868dBdB。希望放大器的希望放大器的希望放大器的希望放大器的F Fn n尽可能低。尽可能低。尽可能低。尽可能低。ASE噪声噪声三、三、 EDFA的多信道放大特性的多信道放大特性n nEDFAEDFA的增益恢复时间的增益恢复时间的增益恢复时间的增益恢复时间 g g10ms(SOA10ms(SOA的的的的 g g=0.11ns),=0.11ns),其增益不能响应调制信号的快速变化，其增益不能响应调制信号的快速变化，其增益不能响应调制信号的快速变化，其增益不能响应调制信号的快速
38、变化，不存在增益调制，四波混频效应也很小不存在增益调制，四波混频效应也很小不存在增益调制，四波混频效应也很小不存在增益调制，四波混频效应也很小，所以在多信所以在多信所以在多信所以在多信道放大中不引入信道间串扰道放大中不引入信道间串扰道放大中不引入信道间串扰道放大中不引入信道间串扰( (SOASOA则不然则不然则不然则不然) )，是其能够，是其能够，是其能够，是其能够用于多信道放大的关键所在。用于多信道放大的关键所在。用于多信道放大的关键所在。用于多信道放大的关键所在。n nEDFAEDFA对信道的插入、分出或无光故障等因素引起的对信道的插入、分出或无光故障等因素引起的对信道的插入、分出或无光故
39、障等因素引起的对信道的插入、分出或无光故障等因素引起的输入光功率的变化（较低速变化）能产生响应输入光功率的变化（较低速变化）能产生响应输入光功率的变化（较低速变化）能产生响应输入光功率的变化（较低速变化）能产生响应- -瞬态瞬态瞬态瞬态特性。特性。特性。特性。在系统应用中应予以控制在系统应用中应予以控制在系统应用中应予以控制在系统应用中应予以控制- -增益钳制。增益钳制。增益钳制。增益钳制。 多信道放大中存在的其它问题：多信道放大中存在的其它问题：多信道放大中存在的其它问题：多信道放大中存在的其它问题：n n增益平坦增益平坦增益平坦增益平坦n n增益钳制增益钳制增益钳制增益钳制n n高的输出功
40、率高的输出功率高的输出功率高的输出功率EDFAEDFA的级联特性的级联特性的级联特性的级联特性信道间增益竞争，信道间增益竞争，信道间增益竞争，信道间增益竞争，多级级连使用导多级级连使用导多级级连使用导多级级连使用导致致致致“ “尖峰效应尖峰效应尖峰效应尖峰效应” ”15441569典型的典型的EDFA增益谱增益谱固有的增益不平坦，增益固有的增益不平坦，增益差随级联放大而积累增大差随级联放大而积累增大各信道的信噪比差别增大各信道的信噪比差别增大各信道的接收灵敏度不同各信道的接收灵敏度不同增益平坦增益平坦增益谱的形状随信号功率而变，在有信道增益谱的形状随信号功率而变，在有信道上、下的动态情况下，失
41、衡情况更加严重上、下的动态情况下，失衡情况更加严重BERBER接收光功率接收光功率接收光功率接收光功率光功率光功率光功率光功率波长波长波长波长光功率光功率光功率光功率波长波长波长波长光发射机光发射机光发射机光发射机光发射机光发射机光发射机光发射机光发射机光发射机光发射机光发射机光发射机光发射机光发射机光发射机 NN 1 1 2 2 3 3光接收机光接收机光接收机光接收机光接收机光接收机光接收机光接收机光接收机光接收机光接收机光接收机光接收机光接收机光接收机光接收机EDFAEDFA 1 1 NN 3 3 2 21.1. 滤波器均衡：滤波器均衡：滤波器均衡：滤波器均衡： 采用透射谱与掺杂光纤增益谱
42、反对称的滤波器使采用透射谱与掺杂光纤增益谱反对称的滤波器使采用透射谱与掺杂光纤增益谱反对称的滤波器使采用透射谱与掺杂光纤增益谱反对称的滤波器使增益平坦增益平坦增益平坦增益平坦, , 如：如：如：如：薄膜滤波、紫外写入长周期光纤光栅、薄膜滤波、紫外写入长周期光纤光栅、薄膜滤波、紫外写入长周期光纤光栅、薄膜滤波、紫外写入长周期光纤光栅、周期调制的双芯光纤等。周期调制的双芯光纤等。周期调制的双芯光纤等。周期调制的双芯光纤等。 只能实现静态增益谱的平只能实现静态增益谱的平只能实现静态增益谱的平只能实现静态增益谱的平坦，在信道功率突变时增益谱仍会发生变化。坦，在信道功率突变时增益谱仍会发生变化。坦，在信
43、道功率突变时增益谱仍会发生变化。坦，在信道功率突变时增益谱仍会发生变化。 EDFA + EDFA + 均衡器均衡器均衡器均衡器 合成增益合成增益合成增益合成增益增益平坦增益平坦/ /均衡技术均衡技术(1)(1)2.2. 新型宽谱带掺杂光纤：新型宽谱带掺杂光纤：新型宽谱带掺杂光纤：新型宽谱带掺杂光纤： 如掺铒氟化物玻璃光纤（如掺铒氟化物玻璃光纤（如掺铒氟化物玻璃光纤（如掺铒氟化物玻璃光纤（3030nmnm平坦带宽）、平坦带宽）、平坦带宽）、平坦带宽）、铒铒铒铒/ /铝共掺杂光纤（铝共掺杂光纤（铝共掺杂光纤（铝共掺杂光纤（2020nmnm）等，等，等，等， 静态增益谱的静态增益谱的静态增益谱的静态
44、增益谱的平坦平坦平坦平坦，掺杂工艺复杂。，掺杂工艺复杂。，掺杂工艺复杂。，掺杂工艺复杂。3. 3. 声光滤波调节：声光滤波调节：声光滤波调节：声光滤波调节： 根据各信道功率，反馈控制放大器输出端的根据各信道功率，反馈控制放大器输出端的根据各信道功率，反馈控制放大器输出端的根据各信道功率，反馈控制放大器输出端的多通道声光带阻滤波器，调节各信道输出功率使多通道声光带阻滤波器，调节各信道输出功率使多通道声光带阻滤波器，调节各信道输出功率使多通道声光带阻滤波器，调节各信道输出功率使之均衡，之均衡，之均衡，之均衡，动态均衡动态均衡动态均衡动态均衡需要解复用、光电转换、结构需要解复用、光电转换、结构需要解
45、复用、光电转换、结构需要解复用、光电转换、结构复杂，实用性受限复杂，实用性受限复杂，实用性受限复杂，实用性受限增益平坦增益平坦/ /均衡技术均衡技术(2)(2)4. 4. 预失真技术预失真技术预失真技术预失真技术不灵活，传输链路变换后，输入功率也要随之调整不灵活，传输链路变换后，输入功率也要随之调整不灵活，传输链路变换后，输入功率也要随之调整不灵活，传输链路变换后，输入功率也要随之调整增益平坦增益平坦/ /均衡技术均衡技术(3)(3) EDFAEDFA对信道的插入、分出或信道无光故障等因素引起对信道的插入、分出或信道无光故障等因素引起对信道的插入、分出或信道无光故障等因素引起对信道的插入、分出
46、或信道无光故障等因素引起的输入光功率的变化（较低速变化）能产生响应的输入光功率的变化（较低速变化）能产生响应的输入光功率的变化（较低速变化）能产生响应的输入光功率的变化（较低速变化）能产生响应- -瞬态瞬态瞬态瞬态特性特性特性特性 瞬态特性使得剩余信道获得过大的增益，并输出过大瞬态特性使得剩余信道获得过大的增益，并输出过大瞬态特性使得剩余信道获得过大的增益，并输出过大瞬态特性使得剩余信道获得过大的增益，并输出过大的功率，而产生非线性，最终导致其传输性能的恶化的功率，而产生非线性，最终导致其传输性能的恶化的功率，而产生非线性，最终导致其传输性能的恶化的功率，而产生非线性，最终导致其传输性能的恶化
47、- -需进行自动增益控制需进行自动增益控制需进行自动增益控制需进行自动增益控制 对于级联对于级联对于级联对于级联EDFAEDFA系统，瞬态响应时间可短至几系统，瞬态响应时间可短至几系统，瞬态响应时间可短至几系统，瞬态响应时间可短至几 几十几十几十几十 s s，要求增益控制系统的响应时间相应为几要求增益控制系统的响应时间相应为几要求增益控制系统的响应时间相应为几要求增益控制系统的响应时间相应为几 几十几十几十几十 s s增益钳制增益钳制增益钳制技术增益钳制技术(1)n n电控：电控：电控：电控：监测监测监测监测EDFAEDFA的输入光功率，根据其大小调整的输入光功率，根据其大小调整的输入光功率，
48、根据其大小调整的输入光功率，根据其大小调整泵浦功率，从而实现增益钳制，是目前最为成熟的泵浦功率，从而实现增益钳制，是目前最为成熟的泵浦功率，从而实现增益钳制，是目前最为成熟的泵浦功率，从而实现增益钳制，是目前最为成熟的方法。方法。方法。方法。LDLDPumpPumpInInOutOut泵浦控制均衡放大器（电控）泵浦控制均衡放大器（电控）泵浦控制均衡放大器（电控）泵浦控制均衡放大器（电控）EDFAEDFA增益钳制技术增益钳制技术(2)n n在系统中附加一波长信道，在系统中附加一波长信道，在系统中附加一波长信道，在系统中附加一波长信道，根据其它信道的功率，根据其它信道的功率，根据其它信道的功率，根
49、据其它信道的功率，改变附加波长的功率，而实现增益钳制。改变附加波长的功率，而实现增益钳制。改变附加波长的功率，而实现增益钳制。改变附加波长的功率，而实现增益钳制。注入激光注入激光注入激光注入激光WDMWDM系统要求系统要求系统要求系统要求EDFAEDFA具有足够高的输出功率，以保证各具有足够高的输出功率，以保证各具有足够高的输出功率，以保证各具有足够高的输出功率，以保证各信道获得足够的光功率。信道获得足够的光功率。信道获得足够的光功率。信道获得足够的光功率。方法：多级泵浦方法：多级泵浦方法：多级泵浦方法：多级泵浦222219191616输出功率（输出功率（输出功率（输出功率（dBmdBm）15
50、40154015701570四、四、EDFA的大功率化的大功率化(1)EDFA的大功率化的大功率化(2) =0.7%=0.7% =1.3%=1.3%纤纤纤纤芯芯芯芯内内内内包包包包层层层层外外外外包包包包层层层层用于制作大功率用于制作大功率用于制作大功率用于制作大功率EDFAEDFA的双包层光纤结构图的双包层光纤结构图的双包层光纤结构图的双包层光纤结构图芯层：芯层：芯层：芯层：5 5 mm内包层：内包层：内包层：内包层： 5050 mm芯层芯层芯层芯层( (掺铒掺铒掺铒掺铒) )，传播信号层，传播信号层，传播信号层，传播信号层( (SM)SM)内包层，传播泵浦光内包层，传播泵浦光内包层，传播泵
51、浦光内包层，传播泵浦光( (MM)MM)双双双双包层光纤是实现包层光纤是实现包层光纤是实现包层光纤是实现EDFAEDFA的的的的重要技术，信号光在中心的重要技术，信号光在中心的重要技术，信号光在中心的重要技术，信号光在中心的纤芯里以单模传播，而泵浦纤芯里以单模传播，而泵浦纤芯里以单模传播，而泵浦纤芯里以单模传播，而泵浦光则在内包层中以多模传输。光则在内包层中以多模传输。光则在内包层中以多模传输。光则在内包层中以多模传输。EDFA的宽带化的宽带化长波段（长波段（L-band）掺铒光纤放大器掺铒光纤放大器L L L L波段的造价甚高的原因波段的造价甚高的原因波段的造价甚高的原因波段的造价甚高的原因
52、：低反转水平，需长掺低反转水平，需长掺低反转水平，需长掺低反转水平，需长掺铒光纤，强泵浦，此波段其它光器件价格较高。铒光纤，强泵浦，此波段其它光器件价格较高。铒光纤，强泵浦，此波段其它光器件价格较高。铒光纤，强泵浦，此波段其它光器件价格较高。第六章第六章 光放大器光放大器6.1 光放大器概述光放大器概述 6.2 掺铒光纤放大器掺铒光纤放大器EDFA6.3 半导体光放大器半导体光放大器SOA6.4 光纤拉曼放大器光纤拉曼放大器FRA6.3 半导体光放大器半导体光放大器SOARR1 1RR2 2I I半导体光放大器示意图半导体光放大器示意图半导体光放大器示意图半导体光放大器示意图SOASOA也是一
53、种也是一种也是一种也是一种重要的光放大重要的光放大重要的光放大重要的光放大器，其结构类器，其结构类器，其结构类器，其结构类似于普通的半似于普通的半似于普通的半似于普通的半导体激光器。导体激光器。导体激光器。导体激光器。 半导体光放大器的放大特性主要决定于激光腔的反射特性与半导体光放大器的放大特性主要决定于激光腔的反射特性与半导体光放大器的放大特性主要决定于激光腔的反射特性与半导体光放大器的放大特性主要决定于激光腔的反射特性与有源层的介质特性。有源层的介质特性。有源层的介质特性。有源层的介质特性。 根据光放大器端面反射率和工作偏置条件，将半导体光放大根据光放大器端面反射率和工作偏置条件，将半导体
54、光放大根据光放大器端面反射率和工作偏置条件，将半导体光放大根据光放大器端面反射率和工作偏置条件，将半导体光放大器分为：器分为：器分为：器分为：-法布里珀罗放大器法布里珀罗放大器法布里珀罗放大器法布里珀罗放大器( (FPFPSOA)SOA) - -行波放大器行波放大器行波放大器行波放大器( (TWTWSOA)SOA)多峰值、带多峰值、带多峰值、带多峰值、带宽窄，不适宽窄，不适宽窄，不适宽窄，不适合通信系统合通信系统合通信系统合通信系统应用，只可应用，只可应用，只可应用，只可用于一些信用于一些信用于一些信用于一些信号处理。号处理。号处理。号处理。F-P半导体光放大器半导体光放大器入射光从左端面进入
55、，通过具有增益的有源层，到达右端面入射光从左端面进入，通过具有增益的有源层，到达右端面入射光从左端面进入，通过具有增益的有源层，到达右端面入射光从左端面进入，通过具有增益的有源层，到达右端面后，部分从端面反射，然后反向通过有源层至左端面，部分后，部分从端面反射，然后反向通过有源层至左端面，部分后，部分从端面反射，然后反向通过有源层至左端面，部分后，部分从端面反射，然后反向通过有源层至左端面，部分光从左端面出射，其余部分又从端面反射，再次通过有源层，光从左端面出射，其余部分又从端面反射，再次通过有源层，光从左端面出射，其余部分又从端面反射，再次通过有源层，光从左端面出射，其余部分又从端面反射，再
56、次通过有源层，如此反复，使入射光得到放大。如此反复，使入射光得到放大。如此反复，使入射光得到放大。如此反复，使入射光得到放大。行波半导体光放大器行波半导体光放大器n nTWTWSOASOA与与与与FPFPSOASOA的区别在于端面的反射率的区别在于端面的反射率的区别在于端面的反射率的区别在于端面的反射率大小，大小，大小，大小， TWTWSOASOA具有极低的端面反射率，通常具有极低的端面反射率，通常具有极低的端面反射率，通常具有极低的端面反射率，通常在在在在0.1%0.1%以下。以下。以下。以下。n n降低端面反射方法：倾斜有源区法、窗面结构。降低端面反射方法：倾斜有源区法、窗面结构。降低端面
57、反射方法：倾斜有源区法、窗面结构。降低端面反射方法：倾斜有源区法、窗面结构。n nTWTWSOASOA的的的的增益、增益带宽和噪声特性都可以增益、增益带宽和噪声特性都可以增益、增益带宽和噪声特性都可以增益、增益带宽和噪声特性都可以满足光纤通信的要求，但如下两个缺点限制着它满足光纤通信的要求，但如下两个缺点限制着它满足光纤通信的要求，但如下两个缺点限制着它满足光纤通信的要求，但如下两个缺点限制着它在光纤通信中的实际应用：在光纤通信中的实际应用：在光纤通信中的实际应用：在光纤通信中的实际应用：n n对光信号偏振态的敏感性；对光信号偏振态的敏感性；对光信号偏振态的敏感性；对光信号偏振态的敏感性；n
58、n对光信号增益的饱和性。对光信号增益的饱和性。对光信号增益的饱和性。对光信号增益的饱和性。SOA增益偏振相关性增益偏振相关性起因：由于半导体有源层的横截面呈扁长方形，对横向（长方形的起因：由于半导体有源层的横截面呈扁长方形，对横向（长方形的起因：由于半导体有源层的横截面呈扁长方形，对横向（长方形的起因：由于半导体有源层的横截面呈扁长方形，对横向（长方形的宽边方向）和竖向（长方形的窄边方向）的光场约束不同，光场在宽边方向）和竖向（长方形的窄边方向）的光场约束不同，光场在宽边方向）和竖向（长方形的窄边方向）的光场约束不同，光场在宽边方向）和竖向（长方形的窄边方向）的光场约束不同，光场在竖向的衍射泄
59、漏强于横向，因而竖向的光增益弱于横向。因此光信竖向的衍射泄漏强于横向，因而竖向的光增益弱于横向。因此光信竖向的衍射泄漏强于横向，因而竖向的光增益弱于横向。因此光信竖向的衍射泄漏强于横向，因而竖向的光增益弱于横向。因此光信号的偏振方向取横向时的增益大，取竖向时的增益小。号的偏振方向取横向时的增益大，取竖向时的增益小。号的偏振方向取横向时的增益大，取竖向时的增益小。号的偏振方向取横向时的增益大，取竖向时的增益小。解决方法：采用宽、厚可比拟的有源层设计；使用方法着手。解决方法：采用宽、厚可比拟的有源层设计；使用方法着手。解决方法：采用宽、厚可比拟的有源层设计；使用方法着手。解决方法：采用宽、厚可比拟
60、的有源层设计；使用方法着手。相同结构相同结构相同结构相同结构SOASOA互相垂直互相垂直互相垂直互相垂直并接，在输入端采用偏并接，在输入端采用偏并接，在输入端采用偏并接，在输入端采用偏振分束器将信号分成振分束器将信号分成振分束器将信号分成振分束器将信号分成TETE和和和和TMTM偏振信号偏振信号偏振信号偏振信号, ,分别输分别输分别输分别输入至相互垂直的入至相互垂直的入至相互垂直的入至相互垂直的SOASOA，然后将两只然后将两只然后将两只然后将两只SOASOA放大的放大的放大的放大的TETE和和和和TMTM偏振信号合成，偏振信号合成，偏振信号合成，偏振信号合成，得到与输入光同偏振态得到与输入光
61、同偏振态得到与输入光同偏振态得到与输入光同偏振态的放大信号。的放大信号。的放大信号。的放大信号。输入光信号往返两次通过同一输入光信号往返两次通过同一输入光信号往返两次通过同一输入光信号往返两次通过同一SOASOA，但反向但反向但反向但反向通过前，采用法拉第旋转器使返回光旋转通过前，采用法拉第旋转器使返回光旋转通过前，采用法拉第旋转器使返回光旋转通过前，采用法拉第旋转器使返回光旋转90900 0相同结构相同结构相同结构相同结构SOASOA互相垂直串接，互相垂直串接，互相垂直串接，互相垂直串接，所得增益将与所得增益将与所得增益将与所得增益将与偏振无关偏振无关偏振无关偏振无关SOA的应用的应用n n
62、多信道放大中存在问题多信道放大中存在问题 噪声大噪声大噪声大噪声大 信道串扰信道串扰信道串扰信道串扰( (交叉增益调制交叉增益调制交叉增益调制交叉增益调制XGMXGM、四波混频四波混频四波混频四波混频FWM)FWM) 增益饱和引起信号畸变增益饱和引起信号畸变增益饱和引起信号畸变增益饱和引起信号畸变n n其他应用：其他应用：n n光波长转换光波长转换光波长转换光波长转换（XGM, XPM, FWMXGM, XPM, FWM）n n光开关光开关光开关光开关：直接调制：直接调制：直接调制：直接调制SOASOA的注入电流实现光的的注入电流实现光的的注入电流实现光的的注入电流实现光的通断。特点：高速、无
63、损通断。特点：高速、无损通断。特点：高速、无损通断。特点：高速、无损n n光信号处理器件。光信号处理器件。光信号处理器件。光信号处理器件。SOA Product第六章第六章 光放大器光放大器6.1 光放大器概述光放大器概述 6.2 掺铒光纤放大器掺铒光纤放大器EDFA6.3 半导体光放大器半导体光放大器SOA6.4 光纤拉曼放大器光纤拉曼放大器FRA6.4 光纤拉曼放大器光纤拉曼放大器FRAn n拉曼现象在拉曼现象在拉曼现象在拉曼现象在19281928年被发现。年被发现。年被发现。年被发现。n n9090年代早期，年代早期，年代早期，年代早期，EDFAEDFA取代它成为焦点，取代它成为焦点，取
64、代它成为焦点，取代它成为焦点，FRAFRA受到冷遇。受到冷遇。受到冷遇。受到冷遇。n n随着光纤通信网容量的增加，对放大器提出新的要求，随着光纤通信网容量的增加，对放大器提出新的要求，随着光纤通信网容量的增加，对放大器提出新的要求，随着光纤通信网容量的增加，对放大器提出新的要求，传统的传统的传统的传统的EDFAEDFA已很难满足，已很难满足，已很难满足，已很难满足，FRAFRA再次成为研究的热点。再次成为研究的热点。再次成为研究的热点。再次成为研究的热点。n n特别是高功率二极管泵浦激光器的迅猛发展，又为特别是高功率二极管泵浦激光器的迅猛发展，又为特别是高功率二极管泵浦激光器的迅猛发展，又为特
65、别是高功率二极管泵浦激光器的迅猛发展，又为FRAFRA的实现奠定了坚实的基础。的实现奠定了坚实的基础。的实现奠定了坚实的基础。的实现奠定了坚实的基础。n n人们对人们对人们对人们对FRAFRA的兴趣来源于这种放大器可以提供整个波长的兴趣来源于这种放大器可以提供整个波长的兴趣来源于这种放大器可以提供整个波长的兴趣来源于这种放大器可以提供整个波长波段的放大。通过适当改变泵浦激光波长，就可以达到波段的放大。通过适当改变泵浦激光波长，就可以达到波段的放大。通过适当改变泵浦激光波长，就可以达到波段的放大。通过适当改变泵浦激光波长，就可以达到在任意波段进行宽带光放大，甚至可在在任意波段进行宽带光放大，甚至
66、可在在任意波段进行宽带光放大，甚至可在在任意波段进行宽带光放大，甚至可在1270127016701670nmnm整个波段内提供放大。整个波段内提供放大。整个波段内提供放大。整个波段内提供放大。光纤拉曼放大器光纤拉曼放大器光纤光纤光纤光纤( (a)a)无泵无泵无泵无泵激光的激光的激光的激光的15501550nmnm传输传输传输传输光功率光功率光功率光功率( (dB)dB)波长波长波长波长15501550nmnm波长波长波长波长光功率光功率光功率光功率( (dB)dB)15501550nmnm14501450nmnm光纤光纤光纤光纤( (b)b)有泵激光的有泵激光的有泵激光的有泵激光的155015
67、50nmnm传输传输传输传输15501550nmnm经经经经光纤传输光纤传输光纤传输光纤传输衰减的光衰减的光衰减的光衰减的光14501450nmnm15501550nmnm如果一个弱信号和一个强泵浦如果一个弱信号和一个强泵浦如果一个弱信号和一个强泵浦如果一个弱信号和一个强泵浦光同时在光纤中传输，并使弱光同时在光纤中传输，并使弱光同时在光纤中传输，并使弱光同时在光纤中传输，并使弱信号波长置于泵浦光的拉曼增信号波长置于泵浦光的拉曼增信号波长置于泵浦光的拉曼增信号波长置于泵浦光的拉曼增益带宽内，则弱信号即可被放益带宽内，则弱信号即可被放益带宽内，则弱信号即可被放益带宽内，则弱信号即可被放大。这种基于
68、大。这种基于大。这种基于大。这种基于SRSSRS机制的光放机制的光放机制的光放机制的光放大器称为光纤拉曼放大器大器称为光纤拉曼放大器大器称为光纤拉曼放大器大器称为光纤拉曼放大器FRAFRA。FRAFRA原理简介：原理简介：原理简介：原理简介： 物理机制：物理机制：物理机制：物理机制：A.A.光纤拉曼散射效应光纤拉曼散射效应光纤拉曼散射效应光纤拉曼散射效应（SRS)SRS)一个入射光子（一个入射光子（一个入射光子（一个入射光子（pump)pump)的湮的湮的湮的湮灭，产生一个下移灭，产生一个下移灭，产生一个下移灭，产生一个下移stokesstokes频率的光子和另一个具有相频率的光子和另一个具有
69、相频率的光子和另一个具有相频率的光子和另一个具有相当能量和动量的光学光子当能量和动量的光学光子当能量和动量的光学光子当能量和动量的光学光子B.B.与与与与pumppump光子相差光子相差光子相差光子相差stokesstokes频率的信号光子，频率的信号光子，频率的信号光子，频率的信号光子，经受激散射过程被放大经受激散射过程被放大经受激散射过程被放大经受激散射过程被放大FRAFRA是靠非线性散射实现放大功是靠非线性散射实现放大功是靠非线性散射实现放大功是靠非线性散射实现放大功能，不需要能级间粒子数反转能，不需要能级间粒子数反转能，不需要能级间粒子数反转能，不需要能级间粒子数反转光纤拉曼放大器原理
70、简介光纤拉曼放大器原理简介(1) 频率为频率为频率为频率为 p p和和和和 s s的泵浦光和信号光的泵浦光和信号光的泵浦光和信号光的泵浦光和信号光通过耦合器输入光纤，当这两束通过耦合器输入光纤，当这两束通过耦合器输入光纤，当这两束通过耦合器输入光纤，当这两束光在光纤中一起传输时，泵浦光光在光纤中一起传输时，泵浦光光在光纤中一起传输时，泵浦光光在光纤中一起传输时，泵浦光的能量通过的能量通过的能量通过的能量通过SRSSRS效应转移给信号效应转移给信号效应转移给信号效应转移给信号光，使信号光得到放大。光，使信号光得到放大。光，使信号光得到放大。光，使信号光得到放大。 峰值增益频移：峰值增益频移：峰值
71、增益频移：峰值增益频移：13.213.2THzTHz 反向泵浦为主，也可同向泵浦反向泵浦为主，也可同向泵浦反向泵浦为主，也可同向泵浦反向泵浦为主，也可同向泵浦 支撑技术支撑技术支撑技术支撑技术: 14: 14nmnm的大功率的大功率的大功率的大功率泵浦激光器，目前以取得实用化泵浦激光器，目前以取得实用化泵浦激光器，目前以取得实用化泵浦激光器，目前以取得实用化光纤拉曼放大器原理简介光纤拉曼放大器原理简介(2)Properties of Raman Scattering in FibersProperties of Raman Scattering in Fibers特性：特性：特性：特性： 在所
72、有类型光纤中都会发生在所有类型光纤中都会发生在所有类型光纤中都会发生在所有类型光纤中都会发生 峰值增益频移峰值增益频移峰值增益频移峰值增益频移 13 13 THz (60-100nm)THz (60-100nm) 增益具有偏振依赖性，当泵浦光与信号光偏振方向平行时增益具有偏振依赖性，当泵浦光与信号光偏振方向平行时增益具有偏振依赖性，当泵浦光与信号光偏振方向平行时增益具有偏振依赖性，当泵浦光与信号光偏振方向平行时 增益最大，垂直时增益最小为零增益最大，垂直时增益最小为零增益最大，垂直时增益最小为零增益最大，垂直时增益最小为零 增益谱很宽增益谱很宽增益谱很宽增益谱很宽(125(125nm)nm)但
73、并不平坦但并不平坦但并不平坦但并不平坦 FRAFRA以传输光纤作为放大介质以传输光纤作为放大介质以传输光纤作为放大介质以传输光纤作为放大介质分布式放大，分布式放大，分布式放大，分布式放大，从而实现一从而实现一从而实现一从而实现一种种种种“ “无损耗无损耗无损耗无损耗” ”传输（可降低入纤光功率，避免非线性效应）传输（可降低入纤光功率，避免非线性效应）传输（可降低入纤光功率，避免非线性效应）传输（可降低入纤光功率，避免非线性效应）光纤拉曼放大器光纤拉曼放大器超低噪声放大原理超低噪声放大原理超低噪声放大原理超低噪声放大原理脉脉脉脉冲冲冲冲幅幅幅幅度度度度z z集中放大集中放大集中放大集中放大Non
74、linear EffectsNonlinear EffectsNoise HighNoise High分布放大分布放大分布放大分布放大缺点：泵浦功率大缺点：泵浦功率大缺点：泵浦功率大缺点：泵浦功率大( (W),W),对光纤损害对光纤损害对光纤损害对光纤损害. .Raman Amplifiers分布放大分布放大分布放大分布放大分立放大分立放大分立放大分立放大机制：拉曼增益与泵浦波长相关机制：拉曼增益与泵浦波长相关机制：拉曼增益与泵浦波长相关机制：拉曼增益与泵浦波长相关方法：多波长泵浦方法：多波长泵浦方法：多波长泵浦方法：多波长泵浦增益：各个泵浦波长拉曼增益谱增益：各个泵浦波长拉曼增益谱增益：各个
75、泵浦波长拉曼增益谱增益：各个泵浦波长拉曼增益谱的加权和（以的加权和（以的加权和（以的加权和（以dBdB为单位）为单位）为单位）为单位）光纤拉曼放大器光纤拉曼放大器宽带放大原理宽带放大原理Ultraflat amplifier光纤拉曼放大器的泵浦要求光纤拉曼放大器的泵浦要求n n高高高高能量输出。能量输出。能量输出。能量输出。n n消偏输出和偏振混合输出。（拉曼散射增益具消偏输出和偏振混合输出。（拉曼散射增益具消偏输出和偏振混合输出。（拉曼散射增益具消偏输出和偏振混合输出。（拉曼散射增益具有偏振依赖性）有偏振依赖性）有偏振依赖性）有偏振依赖性）n n泵浦波长至关重要。信号光在泵浦波长至关重要。信
76、号光在泵浦波长至关重要。信号光在泵浦波长至关重要。信号光在13001300nmnm波段波段波段波段时，最佳泵浦波长约在时，最佳泵浦波长约在时，最佳泵浦波长约在时，最佳泵浦波长约在1220122012401240nmnm，而而而而在在在在15501550nmnm波段时，最佳泵浦波长约在波段时，最佳泵浦波长约在波段时，最佳泵浦波长约在波段时，最佳泵浦波长约在1440144014601460nmnm左右处。高功率双包层拉曼光纤左右处。高功率双包层拉曼光纤左右处。高功率双包层拉曼光纤左右处。高功率双包层拉曼光纤激光器是最佳的泵浦源。激光器是最佳的泵浦源。激光器是最佳的泵浦源。激光器是最佳的泵浦源。光纤
77、拉曼放大器特性光纤拉曼放大器特性n nAdvantages:n n理论上可以得到任意波长的增益，前提是需要理论上可以得到任意波长的增益，前提是需要理论上可以得到任意波长的增益，前提是需要理论上可以得到任意波长的增益，前提是需要合适的泵浦源；合适的泵浦源；合适的泵浦源；合适的泵浦源；n n分布或分立放大均能实现；分布或分立放大均能实现；分布或分立放大均能实现；分布或分立放大均能实现；n n使用光纤作为放大介质意味着在线放大的可能，使用光纤作为放大介质意味着在线放大的可能，使用光纤作为放大介质意味着在线放大的可能，使用光纤作为放大介质意味着在线放大的可能，可以减少噪声的积累。可以减少噪声的积累。可以减少噪声的积累。可以减少噪声的积累。n nDisadvantages:n n泵浦功率高（泵浦功率高（泵浦功率高（泵浦功率高（500500mWmW）光纤放大器比较光纤放大器比较宽带宽带Raman+EDFA光放大器光放大器Raman Raman 放大器放大器放大器放大器C band EDFAC band EDFApumppumpfilterfilterRaman FiberRaman FiberRaman+EDFARaman+EDFA光放大器增益曲线光放大器增益曲线光放大器增益曲线光放大器增益曲线
