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第4部分光放大器 光纤通信系统 1 一 光放大器基本概述 常规的光电混合中继器放大光信号时 需要进行光电转换 电放大 再定时 脉冲整形以及电光转换 这种方式已经满足不了现代通信传输的要求 提供光信号增益 以补偿光信号在通路中的传输衰减 增大系统的无中继传输距离 z 0 z L 光放大器的作用 2 半导体光放大器 SOA 利用半导体制作的半导体光放大器 SOA 小型化 容易与其他半导体器件集成 性能与光偏振方向有关 器件与光纤的耦合损耗大光纤放大器 OFA 利用稀土掺杂的光纤放大器 EDFA PDFA 利用光纤非线性效应制作的非线性光纤放大器 FRA FBA 性能与光偏振方向无关 器件与光纤的耦合损耗很小 光放大器的分类 3 几种光放大器的比较 4 电流 输入光信号 输出光信号 输出光信号 掺杂光纤 输入光信号 泵浦光 波分复用器 输出光信号 纯石英光纤 输入光信号 泵浦光 波分复用器 a 半导体光放大器 b 掺杂光纤放大器 c 受激散射光纤放大器 光放大器的基本工作原理 在泵浦能量 电或光 的作用下 实现粒子数反转 非线性光纤放大器除外 然后通过受激辐射实现对入射光的放大 光放大器是基于受激辐射或受激散射原理实现入射光信号放大的一种器件 其机制与激光器完全相同 实际上 光放大器在结构上是一个没有反馈或反馈较小的激光器 5 光放大器的参数 增益 指信号放大的倍数增益饱和 增益饱和是放大器放大能力的一种限制因素 接近饱和时 增益成非线性 达到饱和后 信号便无法再放大 噪声指数 用来量化经放大器后的信噪比比劣化指标 6 光放大器之增益频谱和带宽 增益G是描述光放大器对信号放大能力的参数 定义为 输出信号光功率 输入信号光功率 G与光放大器的泵浦功率 掺杂光纤的参数和输入光信号关系 G 与g 间存在指数依存关系 当 0时 放大器的增益G 和增益系数g 均达到最大 L光纤长度 g 增益系数 7 两能级光放大器增益谱及其相应介质的洛伦兹增益谱特性 光放大器之增益频谱和带宽 8 增益饱和 输入光功率较小时 G是一常数 即输出光功率Pout与输入光功率Pin成正比例 G0光放大器的小信号增益 G0 饱和输出功率 放大器增益降至小信号增益一半时的输出功率 3dB 当Pin增大到一定值后 光放大器的增益G开始下降 增益饱和现象 饱和区域 9 放大器的噪声 所有光放大器在放大过程中都会把自发辐射 或散射 叠加到信号光上 导致被放大信号的信噪比 SNR 下降 其降低程度通常用噪声指数NF来表示 其定义为 主要噪声源 放大的自发辐射噪声 ASE 它源于放大器介质中电子空穴对的自发复合 自发复合导致了与光信号一起放大的光子的宽谱背景 ASE AmplifiedSpontaneousEmission 10 EDFA放大1540波长信号时产生的影响 ASE噪声叠加在信号上 导致信噪比下降 宽谱光源 11 ASE噪声 ASE噪声近似为白噪声 噪声功率谱密度为 对于原子都处于激发态或完全粒子数反转的光放大器 nsp 1 当粒子数不完全反转时 nsp 1 12 研究发现 接收机前接入光放大器后 新增加的噪声主要来自ASE噪声与信号本身的差拍噪声 噪声指数为 表明 即使对nsp 1的完全粒子数反转的理想放大器 被放大信号的SNR也降低了二倍 或3dB 对大多数实际的放大器Fn均超过3dB 并可能达到6 8dB 希望放大器的Fn尽可能低 ASE噪声 13 自发辐射的影响是增加一些起伏到放大后的功率上 在光电探测过程中该功率又转变成电流的起伏 研究结果表明 在接收机噪声中占统治地位的是来自自发辐射与信号本身的拍频噪声 即自发辐射与放大后的信号在光电探测器相干混频 并产生光电流的外差成份 ASE噪声 14 二 掺铒光纤放大器 以掺铒光纤为增益介质 1985年 南安普敦大学的Mears等人制成了EDFA 1986年 他们用Ar离子激光器做泵浦源又制造出工作波长为1540nmnm的EDFA 90年代初 波长1 55 m的EDFA宣告研制成功并能实际推广应用 1994年开始 EDFA进入商用 包括Corning Lucent和JDSUniphase等许多著名公司 我国研究EDFA起步比较晚 是从上世纪90年代开始的 掺铒光纤放大器简介 15 掺铒光纤放大器特性 高增益 30dB 宽带 约100nm 低噪声 4 6dB 偏振不敏感高输出功率 16dBm 16 EDFA一般由掺铒光纤 EDF 泵浦光 PUMP LD 光无源器件 控制单元和通信接口五个部分组成 掺铒光纤放大器的基本组成 正向泵浦时由于在输入端具有很高的粒子数反转 噪声指数最小 反向泵浦时由于能在输出端提供较强的泵浦功率以延迟增益饱和现象的发生 转换效率较高 输出功率较高 噪声指数最大 双向泵浦时由于泵浦光沿铒光纤长度泵浦比较均匀 因而它兼具高功率及低噪声指数的特性 17 EDFA中的Er3 能级结构 铒离子简化能级示意图 泵浦波长可以是520 650 800 980 1480nm 波长短于980nm的泵浦效率低 980nm和1480nm的LD已经商品化 因而通常采用980和1480nm泵浦 Flash演示04 01 18 EDFA的工作原理 EDFA采用掺铒离子单模光纤为增益介质 在泵浦光作用下产生粒子数反转 在信号光诱导下实现受激辐射放大 信号光与波长较其为短的光波 泵浦光 同沿光纤传输 泵浦光的能量被光纤中的稀土元素离子吸收而使其跃迁至更高能级 并可通过能级间的受激发射转移为信号光的能量 信号光沿光纤长度得到放大 泵浦光沿光纤长度不断衰减 19 增益随着EDF长度的增加先增大 在达到增益最大值后 增益开始随着EDF长度的增加逐渐变小 这说明了EDFA优化设计中存在最佳铒光纤长度问题 这是因为泵浦光激发基态粒子到上能级 通过受激辐射实现光信号放大 当泵浦光沿EDF传输时 将因受激吸收而不断衰减 导致反转粒子数不断减少 当长度超过最佳长度后 泵浦光就不能让信号光得到充分的放大 同时信号光也被吸收 此时增益下降 不管是正向泵浦还是反向泵浦 1480nmnm泵浦得到的噪声指数和增益都高于980nmnm泵浦所得 反向泵浦的噪声指数和增益大于正向泵浦 长度越长 这种差别就越明显 因此 人们在设计混合泵浦EDFA时候 通常把1480nm激光作为反向泵浦 980nm作为正向泵浦 掺铒光纤放大器的基本特性 20 增益均衡问题不同信道之间存在强烈的竞争 从而导致系统出现误码 当多个波长的光信号通过EDFA时 不同信道的增益会有所不同 而且这种增益差还会随着级联放大而累积增大 导致某些信道的增益剧增而另一些信道的增益剧减 低电平信道信号的SNR恶化 高电平信道信号也因为光纤非线性效应而使信号特性恶化 信道数目的变化将造成剩余信道总功率的随机变化从而影响系统的稳定性 掺铒光纤放大器的多通道放大 21 解决方案光纤本征型 选用不同掺杂即光纤基质成分 从而改善EDFA的特性 如研制蹄化物玻璃材料光纤 用增益谱反转的各种无源滤波器补偿型 如利用Bragg光纤光栅 双锥光纤 周期调制的双芯光纤等等 用增益谱反转的各种有源滤波器补偿型 如利用集成电光M Z干涉仪 声光滤波器 用不同掺杂材料和掺杂量的光纤进行混合组合EDFA型 对铒光纤进行周期性弯曲来改变EDFA的增益谱和噪声指数 自引入激射光的增益锁定控制 掺铒光纤放大器的多通道放大 22 利用光纤非线性效应中的SRS原理进行光放大 无需利用掺杂的光纤作为增益介质 直接使用传输的光纤即可获得增益 获得增益之波長约为泵浦源波长往长波长方向移位100nm 只要挑选对所需之泵浦源的波長 即可放大光纤低损耗带宽內的任意波段信号 利用多个不同波长的泵浦源组合可以获得超宽带 增益平坦的放大器 三 光纤拉曼放大器 拉曼放大器的简介 23 拉曼现象在1928年被发现 90年代早期 EDFA取代它成为焦点 FRA受到冷遇 随着光纤通信网容量的增加 对放大器提出新的要求 传统的EDFA已很难满足 FRA再次成为研究的热点 高功率二极管泵浦激光器的迅猛发展 为FRA的实现奠定了坚实的基础 人们对FRA的兴趣来源于这种放大器可以提供整个波长波段的放大 通过适当改变泵浦激光波长 就可以达到在任意波段进行宽带光放大 甚至可在1270 1670nm整个波段内提供放大 拉曼放大器的简介 24 2019 12 27 25 分立式FRA采用拉曼增益系数较高的特种光纤 如高掺锗光纤等 这种光纤长度一般为几公里 泵浦功率要求很高 一般为数瓦 可产生40dB以上的高增益 用于实现EDFA无法实现的波段的集总式放大 分布式RFA主要作为传输系统中传输光纤损耗的分布式补偿放大 实现光纤通信系统光信号的透明传输 主要用于1 3 m和1 5 m光纤通信系统中作为多路信号和高速超短光脉冲信号传输损耗的补偿放大 亦可作为光接收机的前置放大器 拉曼放大器的简介 26 FRA原理简介 物理机制 A 光纤拉曼散射效应 SRS 一个入射光子 pump 的湮灭 产生一个下移stokes频率的光子和另一个具有相当能量和动量的光学光子B 与pump光子相差stokes频率的信号光子 经受激散射过程被放大 FRA是靠非线性散射实现放大功能 不需要能级间粒子数反转 光纤拉曼放大器原理简介 1 27 频率为 p和 s的泵浦光和信号光通过耦合器输入光纤 当这两束光在光纤中一起传输时 泵浦光的能量通过SRS效应转移给信号光 使信号光得到放大 峰值增益频移 13 2THz反向泵浦为主 也可同向泵浦支撑技术 14 nm的大功率泵浦激光器 目前以取得实用化 光纤拉曼放大器原理简介 2 28 0 输入信号功率对泵浦光功率的比例 拉曼增益常数 有效光纤截面积 泵浦光的光纤衰减常数 输入的泵浦光功率 信号光的功率 泵浦光的频率 信号光的频率 拉曼放大器的特性 放大增益 饱和增益 噪声指数同EDFA 29 拉曼放大器的特性 特性 在所有类型光纤中都会发生峰值增益频移 13THz 60 100nm 增益具有偏振依赖性 当泵浦光与信号光偏振方向平行时增益最大 垂直时增益最小为零增益谱很宽 125nm 但并不平坦 Advantages 理论上可以得到任意波长的增益 前提是需要合适的泵浦源 分布或分立放大均能实现 使用光纤作为放大介质意味着在线放大的可能 可以减少噪声的积累 Disadvantages 泵浦功率高 500mW 30 SOA具有快的动态增益特性 价格低 能耗小 宽的带宽 可以工作在0 6 1 6 m任意波段 易于与其他器件集成等优点 早在1962年发明半导体激光器不久 人们就已开始了SOA的研究 由于80年代末期EDFA的出现并迅速成为光纤通信的主流 SOA的研发和应用曾相对处于低谷 直到90年代后 人们进一步认识到SOA可以用于实现波长转换 WDM与TDM转换等功能 才又对SOA进行了广泛地研究和开发 四 半导体光放大器 半导体光放大器的简介 31 1 法布里 珀罗 Fabry PerotAmplifier FPA 将一般的FP半导体激光器当作光放大器使用 2 行波式光放大器 Travelling WaveAmplifier TWA 在Fabry Perot激光器的两端面上涂上抗反射膜 以获得宽带 高输出 低噪声的放大光 半导体光放大器的分类 根据光放大器端面反射率和工作偏置条件 将半导体光放大器分为 32 行波半导体光放大器 TW SOA具有极低的端面反射率 通常在0 1 以下 入射信号只能单程放大 行波 降低端面反射方法 倾斜有源区法 窗面结构 TW SOA的增益 增益带宽和噪声特性都可以满足光纤通信的要求 但如下缺点限制着它在光纤通信中的实际应用 对偏振 亦即极化态 非常敏感 不同的偏振模式 具有不同的增益G 如横电模 TE 和横磁模 TM 的增益差可达5 8dB 33 SOA增益偏振相关性 起因 由于半导体有源层的横截面呈扁长方形 对横向 长方形的宽边方向 和竖向 长方形的窄边方向 的光场约束不同 光场在竖向的衍射泄漏强于横向 因而竖向的光增益弱于横向 因此光信号的偏振方向取横向时的增益大 取竖向时的增益小 解决方法 采用宽 厚可比拟的有源层设计 使用方法上解决 相同结构SOA互相垂直并接 在输入端采用偏振分束器将信号分成TE和TM偏振信号 分别输入至相互垂直的SOA 然后将两只SOA放大的TE和TM偏振信号合成 得到与输入光同偏振态的放大信号 输入光信号往返两次通过同一SOA 但反向通过前 采用法拉第旋转器使返回光旋转900第二次放大后 用耦合器取出输出光信号 相同结构SOA互相垂直串接 所得增益将与偏振无关 34 五 几种新型放大器 掺铥光纤放大器波导放大器光子晶体光纤放大器 35 TDFA的能级泵浦图 掺铥光纤放大器 第一级泵浦通过基态吸收将Tm3 由基态泵浦到3H4能级 并由于多量子驰豫衰减到亚稳态3F4第二级泵浦将Tm3 从能级3F4泵浦到3H4 第二级泵浦减少了3F4能级的粒子数 同时增加了3H4的粒子数 从而实现了粒子数反转 36 利用TDFA和EDFA进行三波段超宽带DWDM传输实验系统 掺铥光纤放大器 TDFA的主要应用是DWDM系统 它的研制成功 可以和EDFA进行多波段合波的传输 从而解决了通信容量的问题 37 EDWA结构示意图 波导放大器 光波导放大器可以在较小的器件尺寸内获得较大的增益 有可能为集成光路引进多种有源 无源器件 可以像电路集成一样将光波导放大器 光源 光滤波器 光探测器等有源 无源器件集成在一片芯片中 进行光电子集成 掺钕光波导放大器 NDWA 其中心工作波长为1060nm 掺铒光波导放大器 EDWA 其中心工作波长为1550nm 38 a 光子晶体光纤 b 空芯光子晶体光纤 光子晶体光纤的电子扫描显微图 光子晶体光纤放大器 光子晶体光纤 PCF 又被称为微结构光纤或多孔光纤 它是一种由单一介质构成 通常为熔融硅或聚合物 在二维方向上紧密排列 通常为周期性六角形 而在第三维方向 光纤的轴向 基本保持不变的波长量级的空气孔构成微结构包层的新型光纤 它可以视为一种芯层为破坏了周期结构的缺陷的二维光子晶体 且其芯层可以为实芯材料或空气 39 类似于EDFA和RFA PCFA也可以分为光子晶体光纤拉曼放大器和掺铒光子晶体光纤放大器 然而到目前为止 PCFA还处在研究阶段 光子晶体光纤放大器 PCF的结构易于设计 容易控制光的行为 设计一种自身具有色散控制 非线性效应小 泵浦功率小 体积小且宽带的光子晶体光放大器是完全有可能的 近年来国内外许多学者开始了光子晶体光纤放大器 PCFA 的研究 40 六 光放大器的测试 测试参数的定义掺铒光纤放大器拉曼光纤放大器半导体光放大器 41 动态范围 定义为放大器工作于饱和区时 保持恒定信号输出功率 0 5dB