几种常见的光放大器的比较

掺铒光纤放大器和拉曼光纤放大器分析和比较摘要：光放大器技术是新一代光纤通信系统中一项必不可少的关键技术，目前几种主要的光放大器技术在工程应用中各有所长。

此文介绍了光放大器技术的基本原理，并对现有主要几种光放大器技术在性能、应用和发展方向上进行了比较。

关键词：掺铒光纤放大器；光纤拉曼放大器0、综述20世纪90年代以来，Internet的普及发展和各种信息(如语音、图像、数据等)业务的快速增长，人们对现代通信系统提出了更高的要求。

在市场需求的大力推动下，通信技术取得了长足的进步，其中光纤通信技术脱颖而出，以其高速优质的特点，一跃成为当今长距离、大容量传输干线的主流技术。

但由于光纤损耗和非线性的影响，无中继传输距离成为制约系统容量和速率的瓶颈，而中继放大技术成了光通信领域的关键技术之一。

传输系统中的光纤损耗使信号随传输距离呈指数衰减，极大地限制了通信传输跨距和网络的可扩展性，因此必须在通信线路上设置中继器对信号进行再生放大。

在光放大器没有出现之前，光纤传输系统普遍采用光－电－光(OEO)的混合中继器，但这种中继方式存在“电子瓶颈”现象，在很大程度上限制了传输速率的提高，而且价格昂贵、结构复杂。

20世纪80年代出现的光放大器技术具有对光信号进行实时、在线、宽带、高增益、低噪声、低功耗以及波长、速率和调制方式透明的直接放大功能，是新一代光纤通信系统中不可缺少的关键技术。

此技术既解决了衰减对光网络传输距离的限制，又开创了1550nm波段的波分复用，从而将使超高速、超大容量、超长距离的波分复用(WDM)、密集波分复用(DWDM)、全光传输、光孤子传输等成为现实，是光纤通信发展史上的一个划时代的里程碑（1）。

又由于此技术与调制形式和比特率无关，因而在光纤通信系统中得到了广泛应用。

1、光放大器分类及原理光放大器(OA)一般由增益介质、泵浦光和输入输出耦合结构组成，其作用就是对复用后的光信号进行光放大，以延长无中继系统或无再生系统的光缆传输距离。

EDFA,EPFA,TDFA的比较深圳市一通光电有限公司张伟明1前言近年来，包括有线电视在内的光纤通信系统，由于光纤干线的普及，为了适应通信容量的扩大和远距离传输网络高功能化的需要，波分复用（WDM）技术有了新的发展。

但在WDM 系统中，最有力的关键技术，就是光纤放大器的实用化。

众所周知，在光纤线路中，最有影响的指标一是色散，另是衰减损耗。

关于色散问题将另外探讨。

衰减是指光信号在光纤内传输过程中，产生的光功率损耗而言。

衰减量是将每 1km产生的损耗，用dB表示之值，例如单模光纤约为0.2dB／km，大约传输15km时损耗达3dB。

为了实现远距离的光信号传输，首先在CATV系统中，应用光纤放大器的是工作在光损耗最小的1.5μm波域的掺何光纤放大器（EDFA）。

但在通信系统中，由于早期铺设的光纤条件的限制，利用1条光纤传输10GbPS的高速信号比较复杂，但如利用2.5Gbps×4的四波WDM传输，则很容易实现。

因此，从90年代后期起WDM的发展，也推动了EDFA的进步。

目前，1.5μm的 EDFA波域，除了早期的1530～1560nmEDFA之外，还出现了拓宽波域的增益位移（GS）型EDFA （1570～1600nm）。

另外，在CATV系统中应用最多的1.3μm波长的单模光纤（SMF）系统中，由于波长色散甚小即使不作色散补偿，也能传输高至10Gbps的优点，一直受到业界的重视。

但由于1.3μm 的SMF传输损耗较大（一般为0.30dB／km）。

所以只适用于近、中距离传输。

今后，随着1.3 μm的远距离传输需要增加，新问世的1.3μm波域的掺谱光纤放大器（EPFA）也成了业界关心的热点。

最近，由于因特网的爆发式增长，为了有效地利用光谱波长资源，在开发太比秒级（1Tbp）的高速信号中，高密度波分复用（DWDM）又称密集波分复用技术的发展，也促进了 1.4μm波域的利用。

为此目的研制的掺铥光纤放大器（TDFA）的实用化也是业界关心的产品。

拉曼光纤放⼤器⼀拉曼光纤放⼤器1．拉曼光纤放⼤器出现的背景随着光纤通信技术的进⼀步发展，通信波段由C带（1528-1562nm）向L带（1570-1610nm）和S带（1485-1520nm）扩展。

由于光纤制造技术的发展，可消除在1.37µm附近的损耗⾼峰，因此通信波段有望扩展到从1.2µm-1.7µm的宽⼴范围内。

掺铒光纤放⼤器（EDFA）⽆法满⾜这样的波长范围，⽽拉曼光纤放⼤器却正好可以在此处发挥巨⼤作⽤。

另外拉曼放⼤器因其分布式放⼤特点，不仅能够减弱光纤⾮线性的影响，还能够抑制信噪⽐的劣化，具有更⼤的增益带宽、灵活的增益谱区、温度稳定性好以及放⼤器⾃发辐射噪声低等优点。

随着⾼功率⼆极管泵浦激光器和光纤光栅技术的发展，泵浦源问题也得到了较好的解决。

拉曼光纤放⼤器逐渐引起了⼈们的重视，并逐渐在光放⼤器领域占据重要地位，成为光通信领域中的新热点。

2．拉曼光纤放⼤器的⼯作原理受激拉曼散射（SRS）是电磁场与介质相互作⽤的结果。

才能过经典⼒学⾓度解释拉曼散射为：介质分⼦或原⼦在电磁场的策动下做受迫共振，由于介质分⼦具有固有的振荡频率，所以在受迫共振下界将出现频率为策动频率与固有频率的和频和差频振荡，分别对应着反斯v是电磁场的振荡频率，v 是介质分⼦固托克斯分量和斯托克斯分量，如图1所⽰，其中有的振荡频率。

图1 经典拉曼振动谱经典理论⽆法解释反斯托克斯线⽐斯托克斯线的强度弱⼏个数量级且总是先于反斯托克斯线出现的实验结果。

从量⼦⼒学的⾓度能够解释受激拉曼散射。

介质中的分⼦和原⼦在其平衡位置附近振动，将量⼦化的分⼦振动称为声⼦。

⾃发拉曼散射是⼊射光⼦与热声⼦相碰撞的结果。

受激声⼦是在⾃发拉曼散射过程中产⽣的，当⼊射光⼦与这个新添的受激声⼦再次发⽣碰撞时，则再产⽣⼀个斯托克斯光⼦的同时⼜增添⼀个受激声⼦，如此继续下去，便形成⼀个产⽣受激声⼦的雪崩过程。

产⽣受激声⼦过程的关键在于要有⾜够多的⼊射光⼦。

各种放大器及它们的特点1.通用型集成运算放大器通用型集成运算放大器是指它的技术参数比较适中，可满足大多数情况下的使用要求。

通用型集成运算放大器又分为Ⅰ型、Ⅱ型和Ⅲ型，其中Ⅰ型属低增益运算放大器，Ⅱ型属中增益运算放大器，Ⅲ型为高增益运算放大器。

Ⅰ型和Ⅱ型基本上是早期的产品，其输入失调电压在2mV左右，开环增益一般大于80dB。

2.高精度集成运算放大器高精度集成运算放大器是指那些失调电压小，温度漂移非常小，以及增益、共模抑制比非常高的运算放大器。

这类运算放大器的噪声也比较小。

其中单片高精度集成运算放大器的失调电压可小到几微伏，温度漂移小到几十微伏每摄氏度。

3.高速型集成运算放大器高速型集成运算放大器的输出电压转换速率很大，有的可达2~3kV/μS。

4.高输入阻抗集成运算放大器高输入阻抗集成运算放大器的输入阻抗十分大，输入电流非常小。

这类运算放大器的输入级往往采用MOS管。

5.低功耗集成运算放大器低功耗集成运算放大器工作时的电流非常小，电源电压也很低，整个运算放大器的功耗仅为几十微瓦。

这类集成运算放大器多用于便携式电子产品中。

6.宽频带集成运算放大器宽频带集成运算放大器的频带很宽，其单位增益带宽可达千兆赫以上，往往用于宽频带放大电路中。

7.高压型集成运算放大器一般集成运算放大器的供电电压在15V以下，而高压型集成运算放大器的供电电压可达数十伏。

8.功率型集成运算放大器功率型集成运算放大器的输出级，可向负载提供比较大的功率输出。

9.光纤放大器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；由于这项技术不仅解决了衰减对光网络传输速率与距离的限制，更重要的是它开创了1550nm频段的波分复用，从而将使超高速、超大容量、超长距离的波分复用（WDM）、密集波分复用（DWDM）、全光传输、光孤子传输等成为现实，是光纤通信发展史上的一个划时代的里程碑。

半导体光放大器（SＯA)SOA的放大原理与半导体激光器的工作原理相同，也是利用能级间受激跃迁而出现粒子数反转的现象进行光放大。

SOA有两种：一种是将通常的半导体激光器当作光放大器使用，称作F—P半导体激光放大器(FPA);另一种是在F—P激光器的两个端面上涂有抗反射膜,消除两端的反射,以获得宽频带、高输出、低噪声。

早在半导体激光器出现时，就开始了对SOA的研究，但由于初期的半导体材料激光放大器偏振灵敏度较高，使得ＳOA一度沉寂。

但近几年来应变量子阱材料的研制成功，克服了偏振敏感的缺点,性能也有许多改进。

半导体光放大器的增益可以达到30ｄB以上，而且在1310ｎｍ窗口和155０nm窗口上都能使用。

如能使其增益在相应使用波长范围保持平坦，那么它不仅可以作为光放大的一种有益的选择方案,还可促成l３１0nｍ窗口WDM系统的实现。

SOA的优点是：结构简单、体积小,可充分利用现有的半导体激光器技术，制作工艺成熟,成本低、寿命长、功耗小，且便于与其他光器件进行集成。

另外，其工作波段可覆盖l.3~1.6/μm 波段,这是ＥDFA或PDＦA所无法实现的。

但最大的弱点是与光纤的耦合损耗太大,噪声及串扰较大且易受环境温度影响,因此稳定性较差。

ＳOA除了可用于光放大外,还可以作为光开关和波长变换器。

2.拉曼光纤放大器拉曼放大技术是采用受激拉曼散射(SRＳ)这种非线性效应来进行放大的。

石英光纤具有很宽的受激拉曼散射增益谱，并在13ＴＨz附近有一较宽的主峰。

如果一个弱信号与一强泵浦光波同时在光纤中传输,并使弱信号波长置于泵浦光的拉曼增益带宽内,弱信号光即可得到放大,这种基于受激拉曼散射机制的光放大器即称为拉曼光纤放大器。

(１)拉曼光纤放大器的类型拉曼光纤放大器有两种类型:一种是集总式拉曼光纤放大器;另一种是分布式拉曼放大器。

集总式拉曼光纤放大器所用的光纤增益介质比较短，一般在几km，泵浦功率要求很高,一般为几W左右，可产生40ｄＢ以上的高增益,可作为功率放大器,放大EDFA所无法放大的波段。

几种光放大器的比较一、引言光纤放大器的研制成功是光纤通信史上的一个重要里程碑，是新一代光纤通信系统中不可缺少的关键技术，它解决了衰减对光网络传输距离的限制，又开创了1550nm波段的波分复用系统。

从而将使超高速、超大容量、超长距离的波分复用（WDM、密集波分复用（DWDM）全光网络传输等成为现实，自从1987年第一台EDFA光纤放大器开发成功以来，光纤放大器在光通信系统中应用越来越广泛。

目前光纤放大器要有三类：掺稀土类光放大器（如EDFA PDFA TDFA等）、半导体光纤放大器（SOA非线性效应光放大器（如喇曼光纤放大器.布里渊光纤放大器等）。

二、掺铒光纤放大器（EDFA掺铒光纤放大器（EDFA是目前应用最为广泛的光纤放大器，主要由掺饵光纤（EDF、泵浦光源、光耦合器、光隔离器.光滤波器等组成，如图1所示。

掺铒为增益介质，光耦合器的作用是把输入光信号和泵浦光耦合进掺铒光纤，通过掺铒光纤的作用把泵浦光的能量转移到输入光信号中，实现光信号的能量放大。

光隔离器的作用是抑制反射光，保证光放大器工作稳定。

光滤波器的作用是滤除铒离子由于自发辐射产生的噪声（ASE o光隔离器光耦合器EDF 光隔离器光滤波器光信号输出光信号图一EDFA勺基本组成光隔离器光耦合器EDF 光隔离器EDF光滤波器—I—I ―»I―a__Q———►光信号信号输出图二、双级EDFA吉构其工作原理是利用波长为980nm或1480nm的泵浦光源，使饵离子Er3+粒子数反转，信号光入射使亚稳态Er3+粒子受激辐射，产生信号放大。

EDFA的结构现已发展成很多类型，由单级结构发展到双级和多级结构（如图二为双级结构），多级结构主要应用于中级接入，目的是实现监控、OADM DCM等功能。

EDFA的优点是：1）通常工作在1530—1565nm光纤损耗最低的窗口；2）增益高，通常为10—35dB;且在较宽的波段内提供较为平坦的增益，3）噪声系数较低，980nm泵浦为3.2 — 3.4 dB,接近3 dB的量子极限，1480nm泵浦,噪声系数通常为4—8 dB,各个信道间的串扰极小，可级联多个放大器；4）与线路耦合损耗小（小于1dB ）; 5）具有透明性，放大特性与系统比特率、信号格式和编码无关；6）成本低，与再生电路相比，EDFA具有较大的成本优势。

第五章光放大器5.1 光放大器一般概念一、中继距离所谓中继距离是指传输线路上不加放大器时信号所能传输的最大距离。

当信号在传输线上传输时，由于传输线的损耗会使信号不断衰减，信号传输的距离越长，其衰减程度就越多，当信号衰减到一定程度后，对方就收不到信号。

为了延长通信的距离往往要在传输线路上设置一些放大器，也称为中继器，将衰减了的信号放大后再继续传输，显然，中继器越多，传输线的成本就越高，通信的可靠性也会降低，若某一中继器出现故障，就会影响全线的通信。

在通信系统设计中，传输线路的损耗是要考虑的基本因素，下表列出了电缆和光纤每千可见，光纤的传输损耗较之电缆要小很多，所以能实现很长的中继距离。

在1550nm波长区，光纤的衰减系统可低至0.2dB/km，它对降低通信成本，提高通信的可靠性及稳定性具有特别重大的意义。

二、光放大器光信号沿光纤传输一定距离后，会因为光纤的衰减特性而减弱，从而使传输距离受到限制。

通常，对于多模光纤，无中继距离约为20多公里，对于单模光纤，不到80公里。

为了使信号传送的距离更大，就必须增强光信号。

光纤通信早期使用的是光－电－光再生中继器，需要进行光电转换、电放大、再定时脉冲整形及电光转换，这种中继器适用于中等速率和单波长的传输系统。

对于高速、多波长应用场合，则中继的设备复杂，费用昂贵。

而且由于电子设备不可避免地存在着寄生电容，限制了传输速率的进一步提高，出现所谓的“电子瓶颈”。

在光纤网络中，当有许多光发送器以不同比特率和不同格式将光发送到许多接收器时，无法使用传统中继器，因此产生了对光放大器的需要。

经过多年的探索，科学家们已经研制出多种光放大器。

光放大器的作用如图5.1所示。

图5.1与传统中继器比较起来，它具有两个明显的优势，第一，它可以对任何比特率和格式的信号都加以放大，这种属性称之为光放大器对任何比特率和信号格式是透明的。

第二，它不只是对单个信号波长，而是在一定波长范围内对若干个信号都可以放大。

第十章光放大器王立湖南文理学院电气工程系光放大器的重要性影响：光放大器最重要的意义在于促使波分复用技术(WDM)走向实用化、促进了光接入网的实用化历史：以1989年诞生的掺铒光纤放大器(Erbium Doped Fiber Amplifier, EDFA)代表的全光放大技术是光纤通信技术上的一次革命动机：解决电中继器设备复杂、维护难、成本高的问题光放大器的类型及其特点v(1)半导体放大器：易与其他半导体器件集成，但性能与光偏振方向有关，器件与光纤的耦合损耗大。

结构大体上与激光二极管(Laser Diode, LD) 相同（2）光纤喇曼放大器（FAR）它是利用石英光纤的非线性效应而制成。

在合适波长的强光作用下，石英光纤会出现受激喇曼散射（SRS）效应，当光信号沿着这受激发的一段光纤中传输时，可以使其实现光放大。

FRA具有频带宽、增益高、输出功率大、响应快等优点；其缺点是需要大功率的半导体激光器作泵浦源（约数瓦）。

（3）掺铒光纤放大器（EDFA）铒（Er）是一种稀土元素。

将它注入到纤芯中，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。

EDFA的主要优点有：①工作波长处在1530～1560nm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；③连接损耗低，耦合效率高。

因为它是光纤型放大器，因此易于与光纤耦合连接，且连接损耗可低至0.1dB。

④增益高且特性稳定、噪声低、输出功率大。

增益可达40dB，且在100℃内增益特性保持稳定，也与偏振无关。

噪声系数可低至3～4dB，输出功率可达14～20dBm；⑤对各种类型、速率与格式的信号传输透明。

v EDFA的缺点有：①波长固定，只能放大1550nm左右的光波，可调节的波长有限；②增益带宽不平坦，在WDM系统中需要采用特殊的手段来进行增益谱补偿。

光放大器的工作原理(2) 受激辐射(1) 能量注入光放大器与激光器的唯一区别就是光放大器没有正反馈机制掺铒光纤放大器v工作原理v结构v功率转换效率及增益v放大器噪声v系统的应用掺铒光纤放大器的工作原理1.掺铒光纤放大器（EDFA）的基本结构v掺铒光纤放大器主要由掺铒光纤（EDF）、泵浦光源、光耦合器、光隔离器以及光滤波器等组成。

光纤放大器的原理光纤放大器（OpticalFiberAmplifier，OFA）是一种利用光纤作为传输介质的光学器件，具有放大光信号的功能，是光通信中不可或缺的技术之一。

光纤放大器的出现，极大地提高了光通信的传输距离和传输质量，成为现代通信领域的重要组成部分。

本文将介绍光纤放大器的原理、分类、工作方式及其应用领域。

一、光纤放大器的原理光纤放大器是利用光纤中的掺杂物，将泵浦光能量传递给掺杂物，使其激发并放出光子，从而放大光信号的器件。

光纤放大器的核心部分是掺杂有掺杂物的光纤。

掺杂物一般是稀土元素，如铒、钪、铽等。

这些元素在光纤中的掺杂浓度很小，一般为几百分之一到几千分之一。

当泵浦光照射到掺杂光纤中时，光子的能量被传递给掺杂物。

掺杂物的电子被激发，从低能级跃迁到高能级，释放出一定能量的光子，即受激辐射。

这些光子与原来的光子发生叠加，使得光信号得以放大。

放大的光信号沿着光纤传输，直到到达接收器。

二、光纤放大器的分类根据掺杂光纤的类型，光纤放大器可以分为掺铒光纤放大器、掺钪光纤放大器、掺铽光纤放大器等。

其中，掺铒光纤放大器应用最为广泛。

掺铒光纤放大器的掺杂光纤中掺入铒元素，泵浦光源一般是980nm或1480nm的半导体激光器。

掺铒光纤放大器可以放大1300nm和1550nm波长范围内的光信号。

根据工作方式，光纤放大器可以分为受激辐射放大器（Erbium-Doped Fiber Amplifier，EDFA）、拉曼放大器（Raman Amplifier）、半导体光放大器（Semiconductor Optical Amplifier，SOA）等。

其中，EDFA应用最为广泛。

EDFA是一种受激辐射放大器，具有高增益、低噪声、宽带宽等优点。

三、光纤放大器的工作方式光纤放大器的工作方式与半导体激光器类似，都是通过泵浦光源将能量传递给掺杂物，使其激发并放出光子。

但是，光纤放大器的泵浦光源功率要比半导体激光器功率低得多，一般在几十毫瓦到几瓦之间。

对几类放大器的认识在DWDM系统中，特别是超远距离的传输中，由于不可避免的存在光纤信号功率的损失和衰减，所以补偿是必要的。

现在常用的放大器有掺铒光纤放大器（EDFA）,拉曼放大器（FRA），半导体激光放大器（SOA），光纤参量放大器（OPA）。

现就这几类放大器的工作原理和特殊情况做一下说明。

1）掺铒光纤放大器（EDFA）EDFA（Erbiur Doped Fiber Amplifer）是光纤放大器中具有代表性的一种。

由于EDFA 工作波长为1550nm，与光纤的低损耗波段一致且其技术已比较成熟，所以得到广泛应用。

掺铒光纤是EDFA的核心原件，它以石英光纤作基质材料，并在其纤芯中掺入一定比例的稀土原素铒离子（Er3+）。

当一定的泵浦光注入到掺铒光纤中时，Er3+从低能级被激发到高能级，由于Er3+在高能级上寿命很短，很快以非辐射跃迁形式到较高能级上，并在该能级和低能级间形成粒子数反转分布。

由于这两个能级之间的能量差正好等于1550nm光子的能量，所以只能发生1550nm光的受激辐射，也只能放大1550nm的光信号。

EDFA的组成：工作原理图：那么，EDFA的输出公路车是如何控制的呢？一般来说,EDFA的输出功率与输入信号光强度，铒纤的长度以及泵浦光的强度。

在EDFA使用的过程中，一般要控制好EDFA的平坦增益，那么不平坦的增益和平坦增益有什么区别呢？平坦的输出增益会使EDFA放大的输出功率得到一个稳定的信号增益。

如何控制增益？增益的控制室有2种选择的，一种是掺金属元素，另外一种是GFF定制，所谓的掺金属元素是值得是掺杂金属铝元素。

有上图可以知道，掺铝的金属元素的EDFA在增益的控制上明显要比不掺铝的EDFA平坦的多。

需要注意的是：EDFA在放大信号的同时也放大了噪声，而噪声主要来自EDFA的自身受激辐射，是主要的噪声源，也是系统OSNR劣化的主要原因。

放大器产生的自发辐射噪声功率为：PASE = -58 + NF + G （dBm）其中NF为光放大器噪声系数（dB）、G为光放大器的增益（dB）除了放大功率之外，还有几个量也是EDFA中比较重要的，了解他们，有助于在EDFA 故障中的维护定位：作电流：也称作偏置电流，其决定着放大板的输出光功率。