第七章光放大器7.1光放大器概述7.2摻鉺光纖放大器7.3光纖喇曼放大器7.4其他光放大器7.1光放大器概述7.1.1光放大器在現(xiàn)代光纖通信系統(tǒng)中的應用 光纖通信中用光纖來傳輸光信號。光纖的中繼距離受限于光纖的損耗和色散。就損耗而言，目前光纖損耗典型值在1.31μm波段為0.35dB/km左右，在1.55μm波段為0.25dB/km左右。 以1989年誕生的摻鉺光纖放大器(ErbiumDopedFiberAmplifier，EDFA)代表的光放大器技術(shù)可以說是光纖通信技術(shù)上的一次革命。 光放大器在光纖通信系統(tǒng)目前最重要的應用就是促使了波分復用技術(shù)(WavelengthDivisionMultiplexing，WDM)走向?qū)嵱没?光放大器還將促進光孤子通信技術(shù)的實用化。光孤子通信是利用光纖的非線性來補償光纖的色散作用的一種新型通信方式。7.1.2光放大器的發(fā)展史 光放大器的發(fā)展最早可追溯到1923年A·斯梅卡爾預示的自發(fā)喇曼散射。1928年印度加爾各答大學的喇曼觀測到自發(fā)喇曼效應。7.1.3光放大器的分類 光放大器按原理不同大體上有三種類型。 (1)摻雜光纖放大器，就是利用稀土金屬離子作為激光工作物質(zhì)的一種放大器。 (2)傳輸光纖放大器，其中有受激喇曼散射(StimulatedRamanScattering，SRS)光纖放大器、受激布里淵散射(StimulatedBrilliouinScattering，SBS)光纖放大器和利用四波混頻效應(FWM)的光放大器等。 (3)半導體激光放大器。其結(jié)構(gòu)大體上與激光二極管(LaserDiode，LD)相同。 這幾種類型的光放大器的工作原理和激勵方式各不相同。7.1.4光纖放大器的重要指標1.光放大器的增益(1)增益G與增益系數(shù)g 放大器的增益定義為式中：Pout，Pin分別為放大器輸出端與輸入端的連續(xù)信號功率。(2)放大器的帶寬 人們希望放大器的增益在很寬的頻帶內(nèi)與波長無關(guān)。這樣在應用這些放大器的系統(tǒng)中，便可放寬單信道傳輸波長的容限，也可在不降低系統(tǒng)性能的情況下，極大地增加WDM系統(tǒng)的信道數(shù)目。(3)增益飽和與飽和輸出功率 由于信號放大過程消耗了高能級上粒子，因而使增益系數(shù)減小，當放大器增益減小為峰值的一半時，所對應的輸出功率就叫飽和輸出功率，這是放大器的一個重要的參數(shù)，飽和功率用Pouts表示。2.吩放蓋大器裝噪聲舉放大纏器本亞身產(chǎn)強生噪驚聲，勢放大監(jiān)器噪班聲使扛信號混的信方噪比佳(Si鉤gn壇al之-t凳o-面No破is男e系Ra扎ti條o，迎SN舞R)下降拜，造掛成對靜傳輸橫距離丸的限歸制，縫是光館放大議器的群另一膀重要纖指標蔬。(1滑)販光纖贈放大在器的汗噪聲貿(mào)來源漏光纖巾放大忌器的熟噪聲仿主要紅來自田它的卷放大沿自發(fā)黑輻射胞(Am若pl居if哪ie鵲d級Sp子on林ta易ne窩ou潛s闊Em拋is肯si族on傷，A蟲SE圣)。(2委)器噪聲虧系數(shù)輩由于為放大衣器中宋產(chǎn)生興自發(fā)堆輻射驢噪聲無，使員得放樓大后信的信芬噪比素下降堡。它鍬定義展為輸偽入信歡噪比糧與輸里出信掙噪比低之比辰。(SN判R)in和(SN泉R)ou鐵t分別點代表謎輸入矛與輸醉出的熱信噪間比。濃它們風都是拾在接俊收機名端將括光信互號轉(zhuǎn)章?lián)Q成班光電奸流后巷的功滲率來番計算擊的。悼7.昨2摻鉺代光纖劈燕放大貢器摻鉺臨光纖徐放大姻器是隨將摻監(jiān)鉺光建纖在掏泵浦驕源的大作用宴下而紹形成專的光趨纖放使大器噴。對絮這種綠摻雜點光纖舊放大誰器影咸響較此大的錢工作季可追傍溯到河19強63宏年對律玻璃筆激光項器的贊研究帖。7.丹2.鼻1奏摻默鉺光畏纖放摔大器絹的工奸作原毯理第五退章已隱經(jīng)介銹紹過鬧激光桐器的撫工作面原理床：經(jīng)韻泵浦陽源的男作用柿，工磁作物扮質(zhì)粒拉子由環(huán)低能對級躍墾遷到蓬高能旨級(碰一般睛通過私另一檢輔助讓能級賤)，升在一悲定泵水浦強丘度下提，得蛾到了園粒子旋數(shù)反菌轉(zhuǎn)分恥布而牲具有打光放濁大作萄用。嶺當工姐作頻建帶范稀圍內(nèi)議的信購號光匹輸入售時便咐得到蠶放大畏。這罩也就左是摻餅鉺光梳纖放難大器待的基召本工評作原務(wù)理。只是ED套FA氧(及其惑他摻雅雜光己纖放搏大器拋)細暫長的祥纖形胡結(jié)構(gòu)澤使得宜有源強區(qū)能決量密諸度很野高，掏光與察物質(zhì)尾的作吐用區(qū)忘很長私，有哥利于魔降低乳對泵土浦源通功率鎮(zhèn)的要少求。泵浦凱效率Wp可以瓦用來協(xié)衡量識泵浦恨的有躬效性篇，其煮表達小式如扎下：Wp=放大順器增蓋益(dB即)/泵浦碧功率槐(mW狼)7.捏2.者2息摻語鉺光繩纖放筐大器增的結(jié)話構(gòu)1.攤同喇向泵把浦在同嚼向泵拜浦方規(guī)案中假，泵看浦光完與信膛號光非從同訓一端疑注入悄摻鉺昂光纖唇。2.態(tài)反協(xié)向泵坦浦反向駁泵浦敘，泵微浦光摧與信嚼號光角從不協(xié)同的直方向嘴輸入爭摻雜求光纖膀，兩運者在貪摻鉺槐光纖待中反芒向傳硬輸。3.稻雙旱向泵麻浦為了句使摻隆鉺光暮纖中紡的鉺潮離子張能夠來得到銷充分擦的激婆勵，非必須如提高倒泵浦邊功率妻。4.稼三張種泵頸浦方砍式比鑄較(1宵)溜信號謹輸出侍功率股(2矛)繭噪聲哭特性畫圖7尺.5膀所示側(cè)表示摸噪聲能指數(shù)占與輸兵出光洽功率可之間甩的關(guān)愉系。(3拆)有飽和吹輸出蔬特性創(chuàng)同向刮泵浦就式ED欣FA的飽捏和輸姑出光劈燕功率偷最小肯。圖7恭.5憲噪聲顆指數(shù)蔬與輸柿出功輝率之最間的遺關(guān)系ED好FA的重承要指踐標1.ED宜FA的增姐益特波性增益軟系數(shù)g(燙z)與高傲能級蓮和低蠢能級故的粒求子數(shù)卡目差捷及泵志浦功正率有告關(guān)，絹對增束益系朽數(shù)g(俊z)在整缸個摻魂鉺光姻纖長亞度上興進行猛積分約，就網(wǎng)可求歸出光瘦纖放慣大器隸的增夕益G，所以葉，放層大器贊的增箱益應橡與泵貫浦強燦度及裁光纖愁的長嬸度有嶼關(guān)。2.ED桑FA的帶辛寬圖7派.9趕所示走是摻檢鉺硅消光纖蠟的g-詞λ曲線施，從奔圖中咽可以肆看出煉增益恢系數(shù)憑隨著壇波長拴的不零同而抱不同垃。ED泡FA實現(xiàn)絨寬頻首帶和賣增益插平坦按度經(jīng)姜過了亂3個雪階段不，如脖表7宵.1萌所示饒。光纖也在1皺.5嬌5μm低損清耗區(qū)匹具有沸20蝦0nm帶寬噸，而摘目前砌使用稈的ED咽FA增益戲帶寬恭僅為寫35nm左右痛。圖7嗎.9笨摻夜鉺離限子硅抬光纖碎的g-鵲λ曲線3.ED寬FA的噪捏聲系繳數(shù)ED井FA的噪申聲系藥數(shù)Fn決定鈴于自哭發(fā)輻百射，敗即噪煉聲系倘數(shù)與斯粒子圍反轉(zhuǎn)粗差ΔN有關(guān)出。7.獵2.示4應摻辣鉺光長纖放籠大器籠的系芝統(tǒng)應雷用1.ED映FA用作饑前置嘗放大障器由于ED層FA的低浩噪聲叼特性視，使覽它很陷適于汁作接駐收機蘋的前叼置放潔大器負。2.ED倍FA用作嬸功率航放大拴器功率盜放大撿器是綁將ED抗FA直接浙放在謠光發(fā)世射機宋之后坦用來解提升蹦輸出搏功率誓。3.ED嘩FA用作諸線路生放大刃器ED起FA用作編線路袖放大西器是醉它在臺光纖菠通信杰系統(tǒng)腔的一峰個重吳要應姨用。4.ED伯FA在本床地網(wǎng)灑中的朵應用摸ED倍FA可在斜寬帶頭本地眠網(wǎng)，視特別皂在電賤視分村配網(wǎng)炕中得幼到應棉用。7.緊2.旬5蹈摻鉺腔光纖坡放大臣器的熟優(yōu)缺開點ED虧FA之所潛以得遣到迅瘋速的稱發(fā)展沫，源廁于它定的一然系列毛優(yōu)點宿。(1注)斯工作漠波長卷與光蜜纖最弟小損矩耗窗圾口一宏致，觀可在磁光纖矮通信姜中獲荷得廣房誠泛應辣用。槽(2說)畜耦合眨效率票高。巧因為熔是光欲纖型因放大變器，帳易于跑光纖孔耦合香連接序，也暗可用則熔接秀技術(shù)稻與傳膛輸光返纖熔揉接在議一起雙，損賞耗可永降至槽0.垮1dB邊，這樣播的熔穩(wěn)接反英射損倆耗也例很小谷，不虛易自舍激。(3立)育能量同轉(zhuǎn)換生效率步高。榮激光泡工作緒物質(zhì)互集中沸在光壇纖芯牧子，豬且集如中在社光纖血芯子效中的褲近軸爺部分日，而壓信號色光和慌泵浦靈光也隆是在弟近軸私部分謀最強驅(qū)，這旋使得筒光與端物質(zhì)艇作用爽很充猶分。碰(4敞)狠增益疑高，塘噪聲迷低。對輸出頃功率日大，壟增益純可達蛇40dB趙，輸出炎功率尖在單閥向泵珍浦時節(jié)可達延14dB慘m，雙向抵泵浦忙時可脈達1塞7dB添m，甚至雹可達乒20dB朋m，充分煙泵浦啟時，農(nóng)噪聲歪系數(shù)愚可低歐至3暢~4dB全，串話屠也很癥小。炒(5唯)爪增益含特性惱不敏酸感。辰首先犧是ED哥FA增益這對溫賓度不栗敏感勾，在筒10沖0°C內(nèi)增豆益特陣性保員持穩(wěn)蕩定，錦另外熔，增田益也復與偏嶼振無宣關(guān)。泡(6寒)臨可實勉現(xiàn)信姓號的變透明喉傳輸凱，即災在波童分復汪用系涉統(tǒng)中傘可同態(tài)時傳渣輸模餡擬信斷號和奸數(shù)字妖信號醬，高些速率牛信號燥和低立速率騰信號伴，系演統(tǒng)擴申容時摘，可站只改保動端舉機而閘不改般動線掃路。盞ED咸FA也有婦固有胡的缺獸點：籠(1迫)巡壽波長班固定潑，只館能放罵大1拌.5蘋5μm左右響的光悉波，采換用財不同菊基質(zhì)觀的光喪纖時繼，鉺餡離子旗能級勒也只腹能發(fā)背生很融小的視變化脹，可和調(diào)節(jié)置的波澇長有哨限，斜只能碌換用御其他幻玉元素尼；(2援)日增益芝帶寬自不平肆坦，異在WD伸M系統(tǒng)齒中需惕要采伐用特挽殊的學手段蜻來進脹行增梢益譜頌補償傘。7.羞3光纖手喇曼雷放大感器7.完3.吹1群光嫁纖喇躬曼放捧大器階的工計作原毫理受激禽喇曼窗散射場主要撥性質(zhì)攝包括植：①撇在玻評璃介安質(zhì)中帥參與去喇曼軍散射錄的是愉光學筑聲子頁；②角在所盈有類央型的饞光纖陸中都仔會發(fā)農(nóng)生，捆但喇顏曼增謝益稀澆疏的宵形狀簽和峰添值與些泵浦確源的眼波長保和功側(cè)率有扯關(guān)；鉛③響凝應時衣間很估短，厲為瞬災態(tài)效塘應；④增奧益具稠有偏潑振依堆賴性疲，當烤泵浦紐奉光與內(nèi)信號漲光偏漁振方賽向平射行時技增益柜最大輸，垂儉直時霧增益韻最小叛，但刻實際護上在隙非保暫偏光歉纖中依由于姜模式霧混擾雞的原魯因而化表現(xiàn)背為增弱益無麥關(guān)；懲⑤增竭益譜共很寬番，但冬不平也坦。興最大君增益爆頻移漁為1雹3.盞2TH災z，并且錯可以虧擴展殃到3歌0TH守z。掙7.僚3.短2光纖驕喇曼均放大駛器的五結(jié)構(gòu)光纖鉗喇曼若放大喝器可挖分為泛兩類邁：分端立式妙喇曼就放大蒸器(Ra攜ma田n塌Am扶pl晚if稼ie交r，訊RA躍)和分蜓布式厚喇曼斷放大箭器(Di田st句ri執(zhí)bu漠te賽d雁Ra列ma班n抵Am棄pl孝if乘ie克r，臥DR蒼A)跳。7.燒3.雖3問光姜纖喇腎曼放船大器著的性按能1.趁光形纖喇舞曼放蚊大器小的增坦益在連告續(xù)波焰的工肢作條畝件下犁，并立忽略聾泵浦梅光消葛耗，程光纖為喇曼魔放大殘器的橋增益跡可由綿下式謝表示塌：式中磨：gR為喇疤曼增艷益系禿數(shù)；Aef扣f為光季纖在暮泵浦諒波長榴處的絞有效惠面積未；P0為泵妄浦光貍功率租；；αP為泵齊浦光科在光冒纖中社的衰浴減常啟數(shù)。2.來喇色曼放范大器哀的帶記寬增益綿帶寬毒由泵團浦波聽長決踐定，賄選擇砌適當懷的泵嚷浦光櫻波長與，就事可得敞到任輩意波泡長的漫信號抽放大光，DR仇A的增監(jiān)益頻肥譜是竿每個氣波長萬的泵膽浦光蝴單獨擁產(chǎn)生廈的增磨益頻企譜疊幼加的假結(jié)果饒，所杜以它術(shù)由泵炊浦波曲長的釀數(shù)量改和種賀類決移定。3.丘噪遷聲指錘數(shù)由于份喇曼驕放大席是分遙布式宋獲得巾增益塔的過涼程，毯其等湊效噪戀聲比盡分立捷式放趁大器召要小萌。為個了比暗較DR急A與分蜻立式曉放大涉器的浮性能折，定倚義DR口A的等套效集喊中噪愁聲指勝數(shù)FR為式中稱：ρAS菠E是光獎纖末仍端放核大自巖發(fā)輻嗓射(AS潑E)密度唯；GR是在午光纖煤末端凡信號炊的喇革曼增仍益。分布陰式喇趴曼放膽大器岸經(jīng)常坊與ED甲FA混合交使用蜻，當凍作為丘前置肚放大借器的DR獨A與作諒為功資率放爪大器綿的常騾規(guī)ED黨FA混合吉使用釀時，熱其等突效噪岡聲指沾數(shù)為F=女FR+FE/GR式中燙：GR和FR分別詢是DR軋A的增都益和州噪聲盡指數(shù)晌；FE是ED惜FA的噪庫聲指默數(shù)。用因為FR通常車要比帖作為召功率陵放大歉器的ED釋FA的噪修聲指撞數(shù)FE要小獄，所勾以由腹上式侄可知嶼，只畝要增兆加喇撥曼增胡益GR，就可罰以減仿少總妻的噪悲聲指凈數(shù)。替7.譜3.匯4蚊光病纖喇乘曼放橡大器虜?shù)南翟y(tǒng)應菊用1.軌分辛立式欲喇曼旋放大欠器的桑應用多分立蠟式喇榨曼放題大器智所用帝的光楚纖增債益介胃質(zhì)比爽較短校，泵習浦功壩率要斷求很顏高，夢一般唇在幾真瓦到宗幾十弓瓦，床可產(chǎn)永生4脆0dB以上竄的高社增益鉗，像ED蠻FA一樣繩可用松來對溫光信寒號進多行集民中放壘大，廁因此賤主要問用于ED級FA無法甜放大孫的波勻段。2.DR宵A傳輸慰系統(tǒng)檢典型礎(chǔ)結(jié)構(gòu)撐采用DR租A技術(shù)仰的傳杜輸系親統(tǒng)典遭型結(jié)畝構(gòu)如網(wǎng)圖7蛛.1藥4所意示，浴在WD閱M系統(tǒng)僵的每菜個傳問輸單睜元內(nèi)說，在ED考FA的輸因入端德注入再反向北的喇拜曼泵狼浦，懇信號第將會砌沿光何纖實卡現(xiàn)分摘布式頸喇曼騾放大宅，由仿于DR眨A具有贏噪聲巖低、獻增益修帶寬疑與泵株浦波既長和炮功率苦相關(guān)若的特勾點，ED辛FA又具月有高銹增益騾、低眼成本駕的特密點，尖所以棋這種梳混合宮放大焰結(jié)構(gòu)遵可以勉同時咳發(fā)揮素兩種義光纖回放大崗器的傍優(yōu)勢禍。7.仙3.保5花光纖及喇曼沃放大溉器的訊優(yōu)缺牲點FR場A具有腿以下姻優(yōu)點杰。(1鍋)臥增益筑波長終由泵籍浦光付波長袖決定郵，只稅要泵布浦源攤的波答長適仿當，返理論聞上可通以得飛到任譜意波額長的賴信號押放大馬，這闊樣的FR各A就可比擴展筑到ED量FA不能疼使用久的波竿段，敏為波究分復巾用進外一步乏增加失容量膀拓寬商了空死間。逃(2細)評增益悲介質(zhì)磚可以木為傳符輸光僻纖本旦身，胡如此恐實現(xiàn)愛的FR獎A稱為竿分布掩式放凳大，棕因為標放大成是沿春光纖避集中盼作用留而不售是集砌中作深用，隸光纖小中各晃處的普信號卻光功畏率都盒比較棚小，妻從而個可降弦低各中種光鍬纖非墻線性革效應厭的影葡響。(3伙)巾噪聲論指數(shù)濤低，安可提籍升原設(shè)系統(tǒng)湊的信易噪比揉。(4奶)攏喇曼判增益遺譜比畫較寬軟，在刺普通DS節(jié)F上單覆波長膏泵浦阻可實賄現(xiàn)4臣0nm范圍短的有搏效增披益；紅如果們采用羅多個菠泵浦劇源，全則可炊容易特地實鋼現(xiàn)寬坐帶放姿大。暢(5搭)FR胞A的飽叔和功貸率比紅較高棋，增仁益譜阻調(diào)節(jié)縫方式騙可通勵過優(yōu)乏化配夢置泵蔽浦光題波長捧和強綿度來獨實現(xiàn)孝。(6麻)聰喇曼籮放大醬的作傾用時淹間為伏飛秒飛(1還0-1益5s)級，門