1、第7章光放大器，7.1光放大器概述，7.2摻鉺光纖放大器，7.3光纖拉曼放大器，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(yīng)用光纖用于在光纖通信中傳輸光信號。光纖的中繼距離受到光纖損耗和色散的限制。目前，光纖的典型損耗在1.31米波段約為0.35分貝/千米，在1.55米波段約為0.25分貝/千米。以1989年誕生的摻鉺光纖放大器(EDFA)為代表的光放大器技術(shù)，可以說是光纖通信技術(shù)的一場革命。目前，光放大器在光纖通信系統(tǒng)中最重要的應(yīng)用是促進(jìn)波分復(fù)用(WDM)的實(shí)際應(yīng)用。光放大器也將促進(jìn)光孤子通信技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用。光孤子通信是一種利用光纖的非線性來補(bǔ)償光纖色散

2、效應(yīng)的新型通信方式。7.1.2光放大器的歷史光放大器的發(fā)展可以追溯到1923年斯米卡爾預(yù)言的自發(fā)拉曼散射。1928年，在印度加爾各答大學(xué)的拉曼光譜中觀察到自發(fā)拉曼效應(yīng)。光放大器的分類根據(jù)不同的原理有三種類型的光放大器。(1)摻雜光纖放大器是以稀土金屬離子為激光工作物質(zhì)的放大器。(2)傳輸光纖放大器，包括受激拉曼散射光纖放大器、受激布里淵散射光纖放大器和利用四波混頻效應(yīng)(FWM)的光放大器。(3)半導(dǎo)體激光放大器。它的結(jié)構(gòu)與激光二極管基本相同。這些類型的光放大器具有不同的工作原理和激勵(lì)模式。7.1.4光纖放大器1的重要指標(biāo)。光放大器的增益(1)增益G和增益系數(shù)G放大器的增益定義為：Pout、Pi

3、n分別是放大器輸出端和輸入端的連續(xù)信號功率。(2)放大器的帶寬希望放大器的增益在寬頻帶內(nèi)與波長無關(guān)。這樣，在使用這些放大器的系統(tǒng)中，可以放寬單信道傳輸波長的容差，并且可以在不降低系統(tǒng)性能的情況下大大增加WDM系統(tǒng)中的信道數(shù)量。增益飽和和飽和輸出功率由于信號放大過程消耗高能級的粒子，增益系數(shù)降低。當(dāng)放大器增益降低到峰值的一半時(shí)，相應(yīng)的輸出功率稱為飽和輸出功率，這是放大器的一個(gè)重要參數(shù)。飽和功率用Pouts表示。放大器噪聲放大器本身產(chǎn)生噪聲，降低信噪比，限制傳輸距離，這是光放大器的另一個(gè)重要指標(biāo)。(1)光纖放大器的噪聲源光纖放大器的噪聲主要來自其放大自發(fā)輻射。(2)噪聲系數(shù)由于放大器中的自發(fā)輻射噪

4、聲，放大后的信噪比降低。它定義為輸入信噪比與輸出信噪比之比。輸入信噪比和輸出信噪比分別代表輸入和輸出的信噪比。它們都是通過在接收器處將光信號轉(zhuǎn)換成光電流來計(jì)算的。7.2摻鉺光纖放大器是由泵浦摻鉺光纖形成的光纖放大器。對這種摻雜光纖放大器有重大影響的工作可以追溯到1963年對玻璃激光器的研究。7.2.1摻鉺光纖放大器的工作原理第五章介紹了激光器的工作原理：在泵浦源的作用下，工作物質(zhì)粒子從低能級躍遷到高能級(通常通過另一個(gè)輔助能級)，在一定的泵浦強(qiáng)度下，獲得了具有光放大功能的粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布。當(dāng)輸入工作頻帶內(nèi)的信號光時(shí)，信號光被放大。這是摻鉺光纖放大器的基本工作原理。然而，EDFA細(xì)長的光纖結(jié)構(gòu)(以

5、及其他摻雜的光纖放大器)使得有源區(qū)的能量密度很高，光與物質(zhì)的相互作用區(qū)域很長，這有利于降低對泵浦源功率的要求。泵浦效率Wp可以用來衡量泵浦的有效性，其表達(dá)式如下：Wp=放大器增益(分貝)/泵浦功率(毫瓦)，7.2.2摻鉺光纖放大器結(jié)構(gòu)1。同向泵浦在同向泵浦方案中，泵浦光和信號光從同一端注入摻鉺光纖。2.反向泵浦，泵浦光和信號光從不同的方向輸入到摻鉺光纖中，在摻鉺光纖中反向傳輸。雙向泵浦為了在摻鉺光纖中充分激發(fā)鉺離子，必須提高泵浦功率。4.三種泵浦模式的比較(1)信號輸出功率(2)噪聲特性圖7.5顯示了噪聲指數(shù)和輸出光功率之間的關(guān)系。(3)飽和輸出特性共泵浦EDFA的飽和輸出光功率最小。圖7.5

6、噪聲系數(shù)與輸出功率的關(guān)系，7 . 2 . 3 EDFA 1號光纖放大器重要指標(biāo)。EDFA增益特性增益系數(shù)g(z)與高能級和低能級的粒子數(shù)與泵浦功率之差有關(guān)。光纖放大器的增益G可以通過在整個(gè)摻鉺光纖長度上積分增益系數(shù)g(z)得到，因此放大器的增益應(yīng)該與泵浦強(qiáng)度和光纖長度有關(guān)。2.EDFA帶寬圖7.9顯示了摻鉺硅光纖的g曲線。從圖中可以看出，增益系數(shù)隨不同波長而變化。EDFA經(jīng)歷了三個(gè)階段來實(shí)現(xiàn)寬帶和增益平坦度，如表7.1所示。該光纖在1.55米的低損耗區(qū)帶寬為200納米，而目前使用的EDFA增益帶寬僅為35納米左右。圖7.9摻鉺離子硅光纖3的g曲線。EDFA的噪聲系數(shù)Fn取決于自發(fā)輻射，也就是說

7、，噪聲系數(shù)與粒子反轉(zhuǎn)差異有關(guān)。EDFA被用作前置放大器。由于其低噪聲特性，EDFA非常適合接收機(jī)前置放大器。2.EDFA被用作功率放大器功率放大器是把EDFA直接放在光發(fā)射機(jī)后面，以增加輸出功率。3.EDFA用作線路放大器EDFA用作線路放大器是光纖通信系統(tǒng)中的一個(gè)重要應(yīng)用。4.EDFA在EDFA本地網(wǎng)的應(yīng)用可以應(yīng)用于寬帶本地網(wǎng)，尤其是電視分配網(wǎng)。摻鉺光纖放大器的優(yōu)缺點(diǎn)EDFA的快速發(fā)展源于它的一系列優(yōu)點(diǎn)。(1)工作波長與光纖的最小損耗窗口一致，可廣泛應(yīng)用于光纖通信。(2)耦合效率高。由于是光纖放大器，所以容易與光纖耦合連接，也可以通過焊接技術(shù)與傳輸光纖焊接，損耗可以降低到0.1dB，這種焊接

8、反射損耗也很小，不容易自激。(3)高能量轉(zhuǎn)換效率。激光的工作物質(zhì)集中在纖芯和纖芯的近軸部分，信號光和泵浦光在近軸部分也最強(qiáng)，使光和物質(zhì)充分相互作用。(4)高增益和低噪聲。輸出功率大，增益可達(dá)40dB，單向泵浦時(shí)輸出功率可達(dá)14dBm，雙向泵浦時(shí)可達(dá)17dBm甚至20dBm，噪聲系數(shù)可低至34dB，全泵浦時(shí)串?dāng)_很小。(5)增益特性不敏感。首先，EDFA增益對溫度不敏感，其增益特性在100內(nèi)保持穩(wěn)定。此外，增益也與偏振無關(guān)。(6)可以實(shí)現(xiàn)信號的透明傳輸，即在波分復(fù)用系統(tǒng)中可以同時(shí)傳輸模擬信號、數(shù)字信號、高速率信號和低速率信號。當(dāng)系統(tǒng)擴(kuò)展時(shí)，只有終端機(jī)可以改變而不改變電路。EDFA也有其固有的缺點(diǎn)：

9、(1)波長是固定的，只能放大1.55米左右的光波。當(dāng)使用不同襯底的光纖時(shí)，鉺離子的能級只能變化很小，可調(diào)波長有限，所以只能使用其他元件；(2)增益帶寬是不均勻的，因此在WDM系統(tǒng)中需要使用特殊的手段來補(bǔ)償增益譜。7.3光纖拉曼放大器7.3.1光纖拉曼放大器的工作原理受激拉曼散射的主要特性包括：光學(xué)聲子參與玻璃介質(zhì)中的拉曼散射；它出現(xiàn)在所有類型的光纖中，但是拉曼增益稀疏的形狀和峰值與泵浦源的波長和功率有關(guān)。響應(yīng)時(shí)間短，這是一種瞬態(tài)效應(yīng)；增益取決于偏振。當(dāng)泵浦光的偏振方向平行于信號光時(shí)，增益最大，而當(dāng)泵浦光垂直時(shí)，增益最小。然而，事實(shí)上，由于模式干擾，它與非保偏光纖中的增益無關(guān)。增益譜很寬，但不均

10、勻。最大增益頻移為13.2赫茲，可擴(kuò)展至30赫茲。7.3.2光纖拉曼放大器的結(jié)構(gòu)光纖拉曼放大器可分為兩類：離散拉曼放大器(RA)和分布式拉曼放大器(DRA)。7.3.3光纖拉曼放大器1的性能。光纖拉曼放大器的增益處于連續(xù)波工作狀態(tài)，泵浦光消耗被忽略。光纖拉曼放大器的增益可由下式表示：其中：gR為拉曼增益系數(shù)；Aeff是光纖在泵浦波長下的有效面積；P0是泵浦光功率；p是光纖中泵浦光的衰減常數(shù)。2.拉曼放大器的帶寬由泵浦波長決定。如果適當(dāng)選擇泵浦波長，可以獲得任何波長的信號放大。DRA的增益譜是每個(gè)波長的泵浦光產(chǎn)生的增益譜疊加的結(jié)果，因此它由泵浦光波長的數(shù)量和類型決定。噪聲指數(shù)由于拉曼放大是一個(gè)分

11、布式增益過程，其等效噪聲小于垂直放大器。為了比較DRA放大器和離散放大器的性能，將DRA等效集中噪聲指數(shù)定義為：ASE是光纖末端放大自發(fā)輻射的密度；GR是光纖末端信號的拉曼增益。分布式拉曼放大器通常與EDFA混合使用。當(dāng)前置放大器DRA與功率放大器常規(guī)EDFA混合時(shí)，其等效噪聲指數(shù)為F=FR FE/GR，其中GR和FR分別為DRA的增益和噪聲指數(shù)。FE是EDFA的噪音指數(shù)。因?yàn)樽鳛楣β史糯笃?，F(xiàn)R通常小于EDFA的噪聲指數(shù)FE，所以從上面的公式可以看出，只要拉曼增益GR增加，總噪聲指數(shù)就可以降低。7.3.4光纖拉曼放大器1的系統(tǒng)應(yīng)用。分立拉曼放大器的應(yīng)用分立拉曼放大器中使用的光纖增益介質(zhì)相對較

12、短，泵浦功率要求很高，一般在幾瓦到幾十瓦之間，可以產(chǎn)生40dB以上的高增益。像EDFA一樣，它可以用于光信號的集中放大，所以它主要用于EDFA不能放大的波段。DRA傳輸系統(tǒng)典型結(jié)構(gòu)采用DRA技術(shù)的傳輸系統(tǒng)典型結(jié)構(gòu)如圖7.14所示。在WDM系統(tǒng)的每個(gè)傳輸單元中，反向拉曼泵浦在EDFA的輸入端注入，信號將沿光纖分布拉曼放大。由于DRA具有低噪聲的特點(diǎn)，增益帶寬與泵浦波長和功率有關(guān)，而EDFA具有高增益和低成本的特點(diǎn)，這種混合放大結(jié)構(gòu)可以同時(shí)發(fā)揮兩種光纖放大器的優(yōu)勢。光纖拉曼放大器的優(yōu)缺點(diǎn)光纖拉曼放大器有以下優(yōu)點(diǎn)。(1)增益波長由泵浦光的波長決定。只要泵浦源的波長合適，理論上可以獲得任何波長的信號放

13、大，從而可以將光纖拉曼放大器擴(kuò)展到EDFA不能使用的波段，從而拓寬了進(jìn)一步增加波分復(fù)用容量的空間。(2)增益介質(zhì)可以是傳輸光纖本身。以這種方式實(shí)現(xiàn)的光纖拉曼放大器被稱為分布式放大，因?yàn)榉糯笱毓饫w集中而不是集中，并且光纖中各處的信號光功率相對較小，從而減小了各種光纖非線性效應(yīng)的影響。(3)低噪聲指數(shù)可以提高原系統(tǒng)的信噪比。(4)拉曼增益譜寬，普通DSF上的單波長泵浦可以獲得40納米范圍內(nèi)的有效增益；如果使用多個(gè)泵浦源，可以容易地實(shí)現(xiàn)寬帶放大。(5)光纖放大器的飽和功率較高，增益譜的調(diào)整方式可以通過優(yōu)化實(shí)現(xiàn)拉曼光纖放大器需要高泵浦功率。作用距離太長，增益系數(shù)低。對極化敏感。7.4其他光放大器7.4.1光纖布里淵放大器物體內(nèi)部將持續(xù)產(chǎn)生弱聲波。這種聲波的頻率很高(一般在109赫茲左右)，人耳聽不見，它會(huì)對穿過物質(zhì)的光波產(chǎn)生影響。根據(jù)光波的多普勒效應(yīng)，推導(dǎo)出布里淵散射公式：其中v0、vs和vp分別表示