10
吸
收 或
8
增 益6
/(dB/m) 4
2
吸收 ??
增益
6
截 4面
-25 2
10 m 2
0 1 480 1 500 1 520 1 540 1 560 波长 /nm
（a）硅光纤中铒离子 的能级图
（b） EDFA的吸收和增 益频谱
《光纤通信》原 荣 杨淑雯 肖石林
20
吉建华 陈名松
图6.2.3 输出信号功率与泵浦功率的关系
信号光 1550nm
0
铒离子能级图
E 2 1530nm 放大后
的信号光 1550nm E1
在掺铒离子的能级图中，
E1是基态， E2 是中间能 级，E3代表激发态。
若泵浦光的光子能量等
于 E3 与 E1之差，铒离子 吸收泵浦光后，从 E1升 至 E3。但是激活态是不 稳定的，激发到 E3 的铒 离子很快返回到 E2。
15
吉建华 陈名松
980 nm 泵浦LD
双光纤布拉格光栅波长稳定 600 mW输出功率
《光纤通信》原 荣 杨淑雯 肖石林
16
吉建华 陈名松
EDFA各部分作用
(3) 波分复用器
其作用是使泵浦光与信号光进行复合。对它的 要求是插入损耗低，因而适用的 WDM 器件主 要有熔融拉锥形光纤耦合器和干涉滤波器。
使用铒离子作为增益介质的光纤放大器，称为掺铒光 纤放大器 (EDFA)。这些离子在光纤制造过程中被掺入 光纤芯中，使用泵浦光直接对光信号放大，提供光增 益。
虽然掺杂光纤放大器早在 1964年就有研究，但是直到 1985年才首次研制成功掺铒光纤。 1988年低损耗掺铒 光纤技术已相当成熟，其性能相当优良，已可以提供 实际使用。
将铝与锗同 时掺入铒光 纤的小信号 增益频谱和 大信号增益 频谱特性 与图6.2.2b 比较，将铝 与锗同时掺 入铒光纤可 获得比纯掺 锗更平坦的 增益频谱。
23
图6.2.6 大信号增益频谱
25
大
信 号
20
增
益 15
(dB)
10
0 1.52
1.54
1.56
1.58
波 长 (? m )
《光纤通信》原 荣 杨淑雯 肖石林 吉建华 陈名松
《光纤通信》原 荣 杨淑雯 肖石林
2
吉建华 陈名松
再生中继器的缺点
首先，通信设备复杂，系统的稳定性和可 靠性不高，特别是在多信道光纤通信系统 中更为突出，因为每个信道均需要进行波 分解复用，然后光 -电-光变换，经波分复用 后，再送回光纤信道传输，所需设备更复 杂，费用更昂贵。 其次，传输容量受到一定的限制。
图6.2.3表示输出信号 功率与泵浦功率的关 系。
由图可见，能量从泵 浦光转换成信号光的 效率很高，因此 EDFA很适合作功率 放大器。
80
输
出 60 信
号
功 率
40
(mW)
转换效率 92.6%
泵浦光功率转换为输
20
出信号光功率的效率
为 92.6 %，60 mW
功率泵浦时，吸收效
0
率为 88 %。[(信号输
Fn
?
?SNR ?in ?SNR ?out
?
ห้องสมุดไป่ตู้
10 ? 103 3 ? 103
?
3.33 或
5.2
dB
从该例中我们得到一个重要的概念：光放大器使输出信噪比
下降了，但是同时也使输出功率增加了，所以我们可以容忍输出
SNR 的下降。
《光纤通信》原 荣 杨淑雯 肖石林
10
吉建华 陈名松
6.2 掺铒光纤放大器（EDFA）
EDFA的增益特性与泵浦方式及其光纤掺杂剂有关。
可使用多种不同波长的光来泵浦 EDFA，但是 0.98 ?m 和
1.48 ?m的半导体激光泵浦最有效。使用这两种波长的光泵
浦 EDFA 时，只用几毫瓦的泵浦功率就可获得高达 30 ~ 40
dB 的放大器增益。《光纤通信》原 荣 杨淑雯 肖石林
19
吉建华 陈名松
放大器的特性，如工作波长、带宽由掺杂剂所决定。 掺铒光纤放大器因为工作波长在靠近光纤损耗最小的 1.55 ?m 波长区，它比其它光放大器更引人注意。
《光纤通信》原 荣 杨淑雯 肖石林
11
吉建华 陈名松
6.2.1 EDFA构成
泵浦
掺铒光纤
输入信号
波分复用器
光隔离器
熔接
输出信号 光隔离器
《光纤通信》原 荣 杨淑雯 肖石林
经过多年的努力，科学家们已经发明了几种光 放大器，其中掺铒光纤放大器（ EDFA ）、分 布光纤拉曼放大器（ DRA）和半导体光放大器 （SOA）技术已经成熟，众多公司已有商品出 售。本章对这几种放大器进行简要的介绍。
《光纤通信》原 荣 杨淑雯 肖石林
6
吉建华 陈名松
6.1.2 光放大器应用
用光放大器取代光-电-光中继器，作为在线放大器使用。 插在光发射机之后，来增强光发射机功率，作为功率放大器，可增加传输 距离（10~100）km。 在接收机之前，插入一个光放大器，对微弱光信号进行预放大，提高接收 机灵敏度，这样的放大器称为前置放大器，也可以用来增加传输距离。 补偿局域网（LAN）的分配损耗。
信号光 1550nm
0
铒离子能级图
E2 1530nm
放大后 的信号光
1550nm E1
为了提高放大器的增益，应尽可能使基态铒离子激发到激发 态能级 E3。
从以上分析可知，能级 E2 和 E1 之差必须是需要放大信号光 的光子能量，而泵浦光的光子能量也必须保证使铒离子从基 态 E1 跃迁到激活态 E3。
《光纤通信》原 荣 杨淑雯 肖石林
3
吉建华 陈名松
光放大中继器的作用是在光路上对光信号进行 直接放大，然后再传输，即用一个全光传输中 继器代替目前的这种光-电-光再生中继器，如图 6.1.1b所示。
图6.1.1 光-电-光中继系统和全光中继系统的比较 a）光-电-光中继系统 b）全光中继系统
《光纤通信》原 荣 杨淑雯 肖石林
(2) 泵浦源
对泵浦源的基本要求是高功率和长寿命。它是保证光纤放大 器性能的基本因素。几个波长可有效激励掺铒光纤。
最先使用1480 nm的 InGaAs 多量子阱(MQW)激光器，其输 出功率可达 100 mW，泵浦增益系数较高。
随后采用980nm 波长泵浦，效率高, 噪声低，现已广泛使用。
《光纤通信》原 荣 杨淑雯 肖石林
假如输入信号功率为 300 ? W，在 1 nm 带宽内的输入噪声功 率是 30 nW，输出信号功率是 60 mW，在 1 nm 带宽内的输出噪 声功率增大到 20 ? W ，计算光放大器的噪声指数。
解：光放大器的输入信噪比为 ?SNR ?in ? 10 ? 10 3 ，输出信噪比为
?SNR ?out ? 3 ? 103 ，所以噪声指数为
0 20 40 60 80
出功率 ? 信号输入功
泵 浦 功 率(mW)
率) / 泵浦功率]
《光纤通信》原 荣 杨淑雯 肖石林
21
吉建华 陈名松
图6.2.4 小信号增益与泵浦功率的关系
40
小 信 30 号 增 益 20 (dB)
10
0 0
增益系数 6.3dB/mW
5 10 15 20 泵 浦 功 率(mW)
?SNR ?out 表示放大后的光电流信噪比。
通常， F n 与探测器
的参数， 如散粒噪声和热噪声有关， 对于性能仅受限于散粒噪声的理想探测器，
同
时考虑到放大器增益
G >>1 ，就可以得到 F n 的简单表达式
F n ? 2 nsp ?G ? 1? G ? 2 nsp
式中， nsp 为自发辐射系数或粒子数反转系数。
将铝与锗同 时掺入铒光 纤的小信号 增益频谱和 大信号增益 频谱特性 与图6.2.2b 比较，将铝 与锗同时掺 入铒光纤可 获得比纯掺 锗更平坦的 增益频谱。
24
3. EDFA小信号增益
EDFA的增益与铒离子浓度、掺铒光纤长度、芯径和 泵浦功率有关
当处于激发态 E3 能级的离子很快返回到 E2 能级，产 生的辐射是自发辐射，它对信号光放大不起作用。
12
吉建华 陈名松
EDFA产品
《光纤通信》原 荣 杨淑雯 肖石林
13
吉建华 陈名松
EDFA产品
《光纤通信》原 荣 杨淑雯 肖石林
14
吉建华 陈名松
EDFA各部分作用
(1) 掺铒光纤
光纤放大器的关键部件是具有增益放大特性的掺铒光纤，因 而使掺铒光纤的设计最佳化是主要的技术关键。 EDFA的增 益与许多参数有关，如铒离子浓度、放大器长度、芯径以及 泵浦光功率等。
若信号光的光子能量等
于 E2 和 E1 之差，则当 处于 E 2的铒离子返回 E1 时则产生信号光子，这
就是受激发射，结果使
信号光得到放大。
《光纤通信》原 荣 杨淑雯 肖石林
18
吉建华 陈名松
泵浦光是如何 将能量转移给
信号的
Er3?能 级
...
1.27eV
E3 980nm
0.80eV 980nm 泵浦光
第 6章 光放大器
6.1 光放大器概述 ? 6.2 掺铒光纤放大器
6.3 光纤拉曼放大器 6.4 半导体光放大器（ SOA） 6.5 复习思考题 6.6 习题
《光纤通信》原 荣 杨淑雯 肖石林
1
吉建华 陈名松
6.1 光放大器概述 6.1.1 光放大器作用和种类
任何光纤通信系统的传输距离都受光纤损耗或 色散限制，因此，传统的长途光纤传输系统需 要每隔一定的距离就增加一个再生中继器，以 便保证信号的质量。这种再生中继器的基本功 能是进行光 -电-光转换，并在光信号转换为电 信号时进行整形、再生和定时（ Reshaping ， Regenerating ，Retiming ，3R）处理，恢复信 号形状和幅度，然后再转换回光信号，沿光纤 线路继续传输，如图 6.1.1a所示。