1、第十章 光放大器,王立 湖南文理學(xué)院電氣工程系,光放大器的重要性,影響：光放大器最重要的意義在于促使波分復(fù)用技術(shù) (WDM) 走向?qū)嵱没?、促進(jìn)了光接入網(wǎng)的實(shí)用化,歷史：以1989年誕生的摻鉺光纖放大器 (Erbium Doped Fiber Amplifier, EDFA) 代表的全光放大技術(shù)是光纖通信技 術(shù)上的一次革命,動(dòng)機(jī)：解決電中繼器設(shè)備復(fù)雜、維護(hù)難、成本高的問(wèn)題,David Payne,光放大器的類(lèi)型及其特點(diǎn),(1)半導(dǎo)體放大器：易與其他半導(dǎo)體器件集成，但性能與光偏振方向有關(guān)，器 件與光纖的耦合損耗大。結(jié)構(gòu)大體上與激光二極管 (Laser Diode, LD) 相同,（2）光纖喇曼放大

2、器（FAR）它是利用石英光纖的非線(xiàn)性效應(yīng)而制成。在合適波長(zhǎng)的強(qiáng)光作用下，石英光纖會(huì)出現(xiàn)受激喇曼散射（SRS）效應(yīng)，當(dāng)光信號(hào)沿著這受激發(fā)的一段光纖中傳輸時(shí)，可以使其實(shí)現(xiàn)光放大。FRA具有頻帶寬、增益高、輸出功率大、響應(yīng)快等優(yōu)點(diǎn)；其缺點(diǎn)是需要大功率的半導(dǎo)體激光器作泵浦源（約數(shù)瓦）。,鉺（Er）是一種稀土元素。將它注入到纖芯中，即形成了一種特殊光纖，它在泵浦光的作用下可直接對(duì)某一波長(zhǎng)的光信號(hào)進(jìn)行放大。EDFA的主要優(yōu)點(diǎn)有：工作波長(zhǎng)處在15301560nm范圍，與光纖最小損耗窗口一致；對(duì)摻鉺光纖進(jìn)行激勵(lì)的泵浦功率低，僅需幾十毫瓦；連接損耗低，耦合效率高。因?yàn)樗枪饫w型放大器，因此易于與光纖耦合連接，且

3、連接損耗可低至0.1dB。增益高且特性穩(wěn)定、噪聲低、輸出功率大。增益可達(dá)40dB，且在100內(nèi)增益特性保持穩(wěn)定，也與偏振無(wú)關(guān)。噪聲系數(shù)可低至34dB，輸出功率可達(dá)1420dBm；對(duì)各種類(lèi)型、速率與格式的信號(hào)傳輸透明。,（3）摻鉺光纖放大器（EDFA）,EDFA的缺點(diǎn)有： 波長(zhǎng)固定，只能放大1550nm左右的光波，可調(diào)節(jié)的波長(zhǎng)有限； 增益帶寬不平坦，在WDM系統(tǒng)中需要采用特殊的手段來(lái)進(jìn)行增益譜補(bǔ)償。,光放大器的工作原理,光放大器與激光器的唯一區(qū)別就是光放大器沒(méi)有正反饋機(jī)制,(2) 受激輻射,(1) 能量注入,摻鉺光纖放大器,工作原理 結(jié)構(gòu) 功率轉(zhuǎn)換效率及增益 放大器噪聲 系統(tǒng)的應(yīng)用,摻鉺光纖放大

4、器的工作原理 1. 摻鉺光纖放大器（EDFA）的基本結(jié)構(gòu) 摻鉺光纖放大器主要由摻鉺光纖（EDF）、泵浦光源、光耦合器、光隔離器以及光濾波器等組成。如圖6.1所示。,圖6.1 摻鉺光纖放大器結(jié)構(gòu)示意圖,光隔離器是防止反射光影響光放大器穩(wěn)定工作，保證光信號(hào)只能正向傳輸?shù)钠骷?光濾波器的作用是濾除光放大器的噪聲、降低噪聲對(duì)系統(tǒng)的影響,提高系統(tǒng)的信噪比.,光耦合器是將輸入光信號(hào)和泵浦光源輸出的光波混合起來(lái)的無(wú)源光器件，一般采用波分復(fù)用器。 摻鉺光纖是一段長(zhǎng)度大約為10100m的石英光纖，將稀土元素鉺離子注入到纖芯中，濃度約為25/。,泵浦光源為半導(dǎo)體激光器，輸出的光功率為10100mW，工作波長(zhǎng)約為

5、980nm或1480nm。按照泵浦光源的泵浦方式不同，EDFA又可有三種不同的結(jié)構(gòu)方式:,（1）同向泵浦結(jié)構(gòu) 在同向泵浦方案中，泵浦光與信號(hào)光從同一端注入摻鉺光纖。其優(yōu)點(diǎn)是構(gòu)成簡(jiǎn)單，噪聲指數(shù)較小;缺點(diǎn)是輸出較低。,（2）反向泵浦結(jié)構(gòu) 在反向泵浦方案中，泵浦光與信號(hào)光從不同的方向輸入摻鉺光纖，兩者在摻鉺光纖中反向傳輸。其優(yōu)點(diǎn)是：當(dāng)光信號(hào)放大到很強(qiáng)時(shí)，泵浦光也強(qiáng)，不易達(dá)到飽和，輸出功率比同向泵浦高;缺點(diǎn)是噪聲性能差，如6.2圖所示。,圖6.2 反向泵浦式摻鉺光纖放大器結(jié)構(gòu),（3）雙向泵浦結(jié)構(gòu) 在雙向泵浦方案中，有兩個(gè)泵浦光源，其中一個(gè)泵浦光與信號(hào)光以同一方向注入摻鉺光纖，另一個(gè)泵浦光從相反方向注入

6、摻鉺光纖。這種方式結(jié)合了同向泵浦和反向泵浦的優(yōu)點(diǎn)，使泵浦光在光纖中均勻分布，從而使其增益在光纖中均勻分布，輸出功率最大.如圖6.3所示。,圖6.3 雙向泵浦式摻鉺光纖放大器結(jié)構(gòu),(a)轉(zhuǎn)換效率的比較 (b)噪聲系數(shù)與放大器輸出功率的關(guān)系 (c)噪聲系數(shù)與摻鉺光纖長(zhǎng)度之間的關(guān)系 不同泵浦方式下輸出功率及噪聲特性比較,2. 摻鉺光纖放大器的工作原理 摻鉺光纖放大器的工作原理與半導(dǎo)體激光器的工作原理相同，它之所以能放大光信號(hào)，簡(jiǎn)單地說(shuō)，是在泵浦源的作用下，在摻鉺光纖中出現(xiàn)了粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布，產(chǎn)生了受激輻射，從而使光信號(hào)得到放大。由于EDFA具有細(xì)長(zhǎng)的纖形結(jié)構(gòu),使得有源區(qū)的能量密度很高,光和物質(zhì)的作用區(qū)

7、很長(zhǎng),這樣可以降低對(duì)泵浦源功率的要求。,摻鉺光纖放大器的工作原理,EDFA：Eribium Doped Optical-Fiber Amplifier 在摻鉺光纖（EDF）中，鉺離子有三個(gè)能級(jí)：基態(tài)E1、亞穩(wěn)態(tài)E2和激發(fā)態(tài)E3。當(dāng)泵浦光的光子能級(jí)等于E3和E1的能量差時(shí)，鉺離子吸收泵浦光的光能從基態(tài)躍遷到激發(fā)態(tài)，但激發(fā)態(tài)不穩(wěn)定，電子很快返回到E2，若輸入的信號(hào)光的光子能量等于E2和E1之間能量差，則電子從E2躍遷到E1，產(chǎn)生受激輻射光，故光信號(hào)被放大。,在摻鉺光纖中如何形成離子數(shù)翻轉(zhuǎn),EDFA模塊元件 40/32/16通道DWDM用C-Band EDFA 實(shí)物圖 980nm 泵浦激光器組件,3

8、 摻鉺光纖放大器的特性 1) 功率增益 功率增益反映摻鉺光纖放大器的放大能力，定義為輸出信號(hào)光功率Pout與輸入信號(hào)光功率Pin之比，一般以分貝（dB）來(lái)表示。 （3-24）,功率增益的大小與鉺離子濃度、摻鉺光纖長(zhǎng)度和泵浦功率有關(guān)。如圖6.4所示。(飽和增益和最佳光纖長(zhǎng)度),圖6.4 摻鉺光纖放大器增益與泵浦功率、光纖長(zhǎng)度的關(guān)系,圖7.9 摻鉺離子硅光纖的g-曲線(xiàn),2) 噪聲特性 摻鉺光纖放大器的噪聲主要來(lái)自它的自發(fā)輻射。在激光器中，自發(fā)輻射是產(chǎn)生激光振蕩所不可缺少的，而在放大器中它卻成了有害噪聲的來(lái)源。,它與被放大的信號(hào)在光纖中一起傳播、放大、在檢測(cè)器中檢測(cè)時(shí)便得到下列幾種形式的噪聲： 自發(fā)

9、輻射的散彈噪聲； 自發(fā)輻射的不同頻率光波間的差拍噪聲； 信號(hào)光與自發(fā)輻射光間的差拍噪聲； 信號(hào)光的散彈噪聲。 由于本身產(chǎn)生的噪聲，使放大后信號(hào)的信噪比下降，造成對(duì)傳輸距離的限制，因而是放大器的一項(xiàng)重要指標(biāo)。,衡量摻鉺光纖放大器噪聲特性可用噪聲系數(shù)F來(lái)表示，它定義為放大器的輸入信噪比與輸出信噪比之比。 (SNR)in和(SNR)out分別代表輸入和輸出信噪比，一般噪聲系數(shù)越小越好。,光放大器的基本應(yīng)用和類(lèi)型,在線(xiàn)光放大：用于不需要光再生只需要簡(jiǎn)單放大的場(chǎng)合 前置光放大：用于提高接收機(jī)的靈敏度 功率放大：增加發(fā)送功率，從而增加光纖中繼距離、補(bǔ)償插入 損耗和功率分配損耗 (如PON中),多信道應(yīng)用,

10、SOA中的非線(xiàn)性效應(yīng)嚴(yán)重，易產(chǎn)生信道間干擾，不宜使用 EDFA的優(yōu)勢(shì)：經(jīng)過(guò)補(bǔ)償和處理，EDFA可在1530 1600 nm波長(zhǎng)范圍提供平坦增益，使各個(gè)信道保持相近的信噪比,半導(dǎo)體光放大器 (SOA),外加正向偏壓實(shí)現(xiàn)結(jié)區(qū)粒子數(shù)反轉(zhuǎn),外部光照導(dǎo)致受激輻射，信號(hào)光被放大,內(nèi)部的自發(fā)輻射產(chǎn)生自發(fā)輻射噪聲(ASE)，它也會(huì)被放大,沒(méi)有諧振腔的選擇，SOA將同時(shí)輸出 放大的光信號(hào)和自發(fā)輻射噪聲,SOA的分類(lèi),容易制作，但光信號(hào)增益對(duì)放大器溫度及入射光頻率變化都很敏感,帶寬寬、飽和功率高以及偏振靈明度低，因此使用更為廣泛,SOA的主要特性 (1) 它們與偏振有關(guān)， 因此需要保偏光纖。 (2) 它們具有可靠

11、的高增益(20 dB)。 (3) 它們的輸出飽和功率范圍是510 dBm。 (4) 它們具有大的帶寬。 (5) 它們工作在0.85 m， 1.30 m和1.55 m波長(zhǎng)范圍。 (6) 它們是小型化的半導(dǎo)體器件， 易于和其他器件集成。 (7) 幾個(gè)SOA可以集成為一個(gè)陣列。 但是， 由于非線(xiàn)性現(xiàn)象(四波混頻)， SOA的噪聲指數(shù)高， 串?dāng)_電平高。,SOA的性能與應(yīng)用 SOA的應(yīng)用主要集中在以下幾個(gè)方面。 1. 光信號(hào)放大器 因?yàn)樵谑澜绶秶鷥?nèi)已鋪設(shè)了大量的常規(guī)單模光纖， 還有很多系統(tǒng)工作在1.31 m波段， 并需要周期性的在線(xiàn)放大器， 而工作波長(zhǎng)為1.31m的EDFA目前尚未達(dá)到實(shí)用化的水平， 所

12、以仍然需要SOA。,2. 光電集成器件 半導(dǎo)體放大器可與光纖放大器相抗衡的優(yōu)點(diǎn)是體積小、 成本低以及可集成性, 即可以集成在含有很多其它光電子器件(例如激光器和檢測(cè)器)的基片上。,3. 光開(kāi)關(guān) 除了能提供增益外， 半導(dǎo)體放大器在光交換系統(tǒng)中可以作為高速開(kāi)關(guān)元件使用。 因?yàn)榘雽?dǎo)體在有泵浦時(shí)可以產(chǎn)生放大， 而在沒(méi)有泵浦時(shí)產(chǎn)生吸收。 其運(yùn)轉(zhuǎn)很簡(jiǎn)單， 當(dāng)提供電流泵浦時(shí)信號(hào)通過(guò)， 而需要信號(hào)阻斷時(shí)將泵浦源斷開(kāi)。 通過(guò)的信號(hào)因半導(dǎo)體中載流子數(shù)反轉(zhuǎn)而得到放大， 而受阻的信號(hào)則因半導(dǎo)體沒(méi)有達(dá)到載流子反轉(zhuǎn)數(shù)而被吸收。 值得注意的是， 只有半導(dǎo)體放大器才能夠完成高速交換， 在光纖放大器中由于載流子壽命太長(zhǎng)而難以做到這一點(diǎn)。,4. 全光波長(zhǎng)變換器AOWC SOA的一個(gè)主要應(yīng)用是利用SOA中發(fā)生的交叉增益調(diào)制、 交叉相位調(diào)制和四波混頻效應(yīng)來(lái)實(shí)現(xiàn)波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換。,圖5.14 SOA-XGM的基本結(jié)構(gòu)和原理 (a) 基本結(jié)構(gòu)； (b) 原理,優(yōu)點(diǎn)：可以對(duì)40 Gb/s的信號(hào)進(jìn)行波長(zhǎng)轉(zhuǎn)變換 對(duì)信號(hào)的