1-5 光放大器的應用
光放大器依據不同應用有下列三種：

光功率放大器 (Booster Amplifier, BA) 將光放大器置於光發送端之前，以提高傳送光的功率， 整個電路系的光功率得到提高。 光前置放大器 (Pre-Amplifier, PA) 在接收端的光電檢測器之後將微信號進行放大，以提高 接收能力。 光線路放大器 (Line Amplifier, LA) 接駁的距離較遠時，可起中繼放大器度(spitter)，提高光 功率。
受激態 E2 (Excited state)
光子
1
hv12 E1 E 2
1 1 加偏壓 1電子
電洞
基態 E1 (Ground state)
2-6 半導體光放大器的特性
SOA的自發放射頻譜ASE隨注入電流而提高
2-6 半導體光放大器的特性
23dB
非 線 性 線 性
飽 和
注入電流與增益的關係


3-9 EDFA的元件
分波多工器

將輸入訊號光與幫激光耦合至摻鉺光纖中。其應具低插 入損失和寬的工作頻寬來，以提高EDFA的放大頻寬。
ASE Spectrum
1.48/1.58mm 分波多工器各波長所對應之插入損失
3-10 EDFA的架構
輸入光 Isolator WDM
EDF
Isolator
2-4 半導體光放大器的分類
注入電流
入射光 輸出放大光
鏡子
Mirror
鏡子
Mirror
法布裏－泊羅放大器
2-4 半導體光放大器的分類
注入電流
入射光
輸出放大光
抗反射膜 AR
行波式光放大器(Travelling-Wave Amplifier, TWA)
抗反射膜 AR
2-5 半導體光放大器的原理
原理與半導體雷射相同，利用能階間躍遷的受激輻射 進行光放大。為提高增益，去掉共振腔，由電流直接 激勵，可獲得增益30 dB以上且頻寬更寬廣。
幫激光源
980nm 幫激型態 轉換效率 雜訊 價錢 三能階系統 較低 低 高 1480nm 二能階系統 高 較高 較低
980nm 和1480nm幫激雷射的比較
3-6 EDFA的幫激光源
980nm 幫激雷射輸出光譜
1480nm 幫激雷射輸出光譜
3-7 EDFA的原理
鉺離子吸收幫激光源之能量躍遷至激發態，若有入射 光子進入將引起受激性輻射，產生同相的放大光子。
2
3
1
H11/ 2 4 S3 / 2
F11/ 2
4
15
4
I9/ 2
10
4
I11/ 2 I13/ 2
4
5 1500~1620nm
4
I15/ 2
吸收波長 514nm
532nm 667nm 800nm 980nm 1480nm
鉺離子在玻璃材料之能帶圖
3-6 EDFA的幫激光源
EDFA的幫激雷射有980nm 和1480nm兩種
2-1 半導體光放大器的簡介

隨半導體雷射特性的改善，發展了FP半導體光放大 器，之後開始對行波式半導體光放大器的研究。
半導體光放大器由三五族的半導體合金所製成，如 砷化鎵等 放大波段 1300~1600 nm ，涵蓋1300 nm 窗口 頻帶寬大於 40 nm 增益高於 30 dB


2-2 半導體光放大器的優點
1-6 光放大器的分類
光放大器分為三大類
半導體光放大器(Semiconductor
Optical
Amplifier, SOA)
光纖放大器 拉曼放大器
(Optical Fiber Amplifier, OPA) (Raman, OPA)
2半導體光放大器
2-1 半導體光放大器的簡介 2-2 半導體光放大器的優點 2-3 半導體光放大器的缺點 2-4 半導體光放大器的分類 2-5 半導體光放大器的原理 2-6 半導體光放大器的特性 2-7 未來發展方向

尺寸小，易製作成積體電路與積體光電路結合使用。 結構較為簡單、功耗低、壽命長、成本低。 響應(gain response)相當快速，適用於交換及信 號處理等光網路應用中。 同時具備光放大及訊號處理的能力，如開關功 能等。應用在全光波長變換、光交換中。

2-3 半導體光放大器的缺點

傳統光放大器:光－電－光
將光轉換為電訊號，經電子放大器放大訊號後再轉 為光訊號，現今已完全被 All Fiber Type 取代。
光-電-光 雜訊 系統複雜度 大 複雜 All Fiber 小 簡易
放大通道數
電子電路 輸入訊號 成本
單通道
需高速電子電路 高
多通道
僅需低速電子電路 低
特定形式與速率之訊號 任何形式與速率之訊號
3-4 摻鉺光纖EDF的結構
3-5 摻鉺光纖EDF的特性 3-6 EDFA的幫激光源
3-11 EDFA的參數
3-12 C-band EDFA的特性 3-13 L-band EDFA的特性
3-7 EDFA的原理
3-14 EDFA的貢獻
3-1 光纖放大器的簡介
使用摻稀土金屬光纖作為增益介質。如摻鉺光纖EDF、 摻鐠光纖PDF 。 1985年，英國南安普頓大學首次研製成摻餌光纖。 1987年，Bell Labs和University of Southampton同時發 展可以直接放大1.5mm的光訊號的摻鉺光纖放大器。

3-9 EDFA的元件
光隔離器
分波多工器
摻鉺光纖
幫激雷射
3-9 EDFA的元件
光隔離器

讓光只能單向通過的元件，應具低插入損失、高隔 離度特性。 輸入端的光隔離器是防止ASE及訊號光逆向傳播， 劣化發射端信號雷射的穩定度。 輸出端的光隔離器是防止逆向的光進入EDF，降低 居量反轉的程度、減低放大器的增益並提高雜訊指 數、甚至造成非預期的雷射共振現象。

L-Band EDFA 原理 : 使用C-Band EDFA 五倍以上的摻鉺光 纖，將ASE由C-Band轉移到L-Band，藉以放大L-Band的訊號。
Pump Light EDF L-Band ASE
1.55-µm Band ASE Generation 1.58-µm Band ASE Generation
光放大器
1 2 3 4 5 6
基本概念 半導體光放大器 掺鉺光纖放大器 拉曼放大器 光放大器的比較 未來發展方向
1 基本概念
1-1 光放大器的作用 1-2 理想光放大器之特性 1-3 光放大器的參數 1-4 光放大器之頻帶 1-5 光放大器的應用 1-6 光放大器的分類
1-1 光放大器的作用
為放大光功率、再生光訊號的機制，應用於 CWDM與 DWDM 系統及長距離傳輸中繼器。


放大器的雜訊指數，用來量化經放大器後的雜訊比劣 化指標。其主要來源為放大器本身的放大自發放射 ASE 。

輸出功率 : 指放大訊號的輸出功率
1-4 光放大器之頻帶 目前光放大器涵蓋之光譜頻帶
S+頻帶 : 1450~1480nm (Extended Short Band ) S-頻帶 : 1480~1530nm (Short Band) C 頻帶 : 1530~1570nm (Center Band) L 頻帶 : 1570~1610nm (Long Band) L+頻帶 : 1610~1650nm (Longer Band)
平坦的增益 低雜訊 低損耗 高訊雜比SNR
Noise Figure
高的飽和功率
1-3 光放大器的參數

增益 : 指訊號放大的倍率

增益平坦度 : 增益平坦度定義為多波長信號中增益最大 與最小的差值。
增益飽和 : 趨近飽和時，增益成非線性，達到飽和後， 訊號便無法再放大。
Noise Figure :
3~6um 纖核(Core) 高摻雜層 100~2000ppm erbium 125um 纖殼(Silica cladding)
250um coating (披覆)
Optical mode 幫激光源和信號發生能量交換的地方 Radial distance
3-5 摻鉺光纖EDF的特性
Energy (10 cm ) 20
輸出光
Pump Laser
激發態 (Excited state)
無與入射光子作用的激態 電子將形成ASE雜訊
1 (自發輻射) ASE
光子 鉺離子 ~2us
Байду номын сангаас次穩態
(meta-stable state) 1 1 吸收幫激雷射的能量 ≈1550nm 鉺離子 1 ~10ms 基態 1 (Ground state)
3-7 EDFA的原理



1994年開始商用化，至今製造技術已成熟為光通訊及 DWDM的關鍵原件。
3-2 光纖放大器的優點
工作波長: C or L band (1520nm~1620nm) 具高增益(＞40dB) 高輸出光功率(＞16dBm) 低雜訊指數(4～6dB) 同時放大多個波長或信號 輸出光與偏振無關 有可靠穩定的高功率半導體幫浦雷射 易與光纖耦合 應用在WDM 系統中不會產生串音(Cross talk)
與光纖的耦合損耗太大
易受極化狀態影響(極化靈敏度為0.5~2 dB)
雜訊指數高(~8 dB) 易造成串音 易受環境溫度影響，穩定性較差
2-4 半導體光放大器的分類

半導體光放大器分為兩類：
(1) 法布裏－泊羅放大器( Fabry-Perot Amplifier, FPA ) 將一般的FP半導體雷射當作光放大器使用。 (2) 行波式光放大器(Travelling-Wave Amplifier, TWA) 在Fabry-Perot雷射的兩個端面上塗上抗反射膜，以 獲得寬頻帶、高輸出、低雜訊之放大光。