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第六章光放大器 概述 光纤通信系统的传输距离受光纤损耗或色散限制 因此 传统的长途光纤传输系统 需要每隔一定的距离 就增加一个再生中继器 以便保证信号的质量 光放大器出现之前 光纤通信的中继器采用光 电 光 O E O 变换方式 光放大器 O O WDM系统光 电 光 O E O 变换方式 通信设备复杂 系统的稳定性和可靠性不高 传输容量受到一定的限制 这种再生中继器的基本功能是进行光 电 光转换 并在光信号转变为电信号时进行再生 整形和定时处理 恢复信号形状和幅度 然后再转换回光信号 沿光纤线路继续传输 光放大器 O O 多年来 人们一直在探索能否去掉上述光 电 光转换过程 直接在光路上对信号进行放大 然后再传输 即用一个全光传输中继器代替目前的这种光 电 光再生中继器 经过多年的努力 科学家们已经发明了几种光放大器 其中掺铒光纤放大器 EDFA 分布光纤喇曼放大器 DRA 和半导体光放大器 SOA 技术已经成熟 众多公司已有商品出售 光放大器的出现 可视为光纤通信发展史上的重要里程碑 光放大器的类型 利用稀土掺杂的光纤放大器 EDFA PDFA 利用半导体制作的半导体光放大器 SOA 利用光纤非线性效应制作的非线性光纤放大器 FRA FBA 6 1一般概念 1 光放大器的放大倍数 增益 增益G是描述光放大器对信号放大能力的参数 定义为 G与光放大器的泵浦功率 掺杂光纤的参数和输入光信号有很复杂的关系 输入光功率较小时 G是一常数 即输出光功率PS OUT与输入光功率PS IN成正比例 此时增益G0为光放大器的小信号增益 G0 6 1一般概念 2 增益饱和 6 1一般概念 3 放大器带宽 6 1一般概念 4 放大器噪声 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Fn来表示 其定义为 主要噪声源 放大的自发辐射噪声 ASEAmplifiedSpontaneousEmission 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 光放大器的应用 线路放大 In line 周期性补偿各段光纤损耗 功率放大 Boost 增加入纤功率 延长传输距离 前置预放大 Pre Amplify 提高接收灵敏度 局域网的功率放大器 补偿分配损耗 增大网络节点数 6 2半导体光放大器SOA 对于半导体光放大器 SOA SemiconductorOpticalAmplifiers 的研究 早在1962年发明半导体激光器不久就已开始了 然而 只有在上世纪80年代 在认识到它将在光波系统中具有广泛应用前景的驱使下 才对SOA进行了广泛的研究和开发 6 2半导体光放大器 半导体光放大器的机理与激光器的相同 即通过受激发射放大入射光信号 光放大器只是一个没有反馈的激光器 其核心是当放大器被光或电泵浦时 使粒子数反转获得光增益 根据光放大器端面反射率和偏置条件 SOA可分为 行波放大器 TW TravelingWave SOA 法布里 珀罗放大器 FP SOA F P谐振腔反射率R越大 SOA的增益越大 但是 当R超过一定值后 光放大器将变为激光器 不同反射率时的F PSOA的增益频谱曲线 减小端面反射反馈 就可以制出行波半导体光放大器 减小反射率的一个简单方法是在界面上镀以抗反射膜 增透膜 然而 对于作为行波放大器的SOA 反射率必须相当小 TW SOA的特性 1 增益 光场限制因子 2 增益带宽 增益带宽宽 约为70nm 有能力放大超窄光脉冲 TW SOA的特性 3 缺点 SOA对极化态非常敏感 增益偏振相关性 不同极化模式 具有不同的增益G 横电模 TE 和横磁模 TM 极化增益差可能达到5 8dB 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 相同结构SOA互相垂直并接 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 相同结构SOA互相垂直串接 SOA的应用 多信道放大中存在问题噪声大信道串扰 交叉增益调制XGM 四波混频FWM 增益饱和引起信号畸变其他应用 光波长转换 XGM XPM FWM 光开关 直接调制SOA的注入电流实现光的通断 特点 高速 无损光信号处理器件 波长可调激光器 光放大 调制器集成化器件 SOAProduct 6 2半导体光放大器 半导体光放大器的机理与激光器的相同 即通过受激发射放大入射光信号 光放大器只是一个没有反馈的激光器 其核心是当放大器被光或电泵浦时 使粒子数反转获得光增益 根据光放大器端面反射率和偏置条件 SOA可分为 行波放大器 TW TravelingWave SOA 法布里 珀罗放大器 FP SOA F P谐振腔反射率R越大 SOA的增益越大 但是 当R超过一定值后 光放大器将变为激光器 不同反射率时的F PSOA的增益频谱曲线 减小端面反射反馈 就可以制出行波半导体光放大器 减小反射率的一个简单方法是在界面上镀以抗反射膜 增透膜 然而 对于作为行波放大器的SOA 反射率必须相当小 TW SOA的特性 1 增益 光场限制因子 SOA对极化态非常敏感 增益偏振相关性 不同极化模式 具有不同的增益G 横电模 TE 和横磁模 TM 极化增益差可能达到5 8dB TW SOA的特性 2 增益带宽 增益带宽宽 约为70nm 有能力放大超窄光脉冲 SOA的应用 多信道放大噪声大信道串扰 交叉增益调制XGM 四波混频FWM 增益饱和引起信号畸变其他应用 光波长转换 XGM XPM FWM 光开关 直接调制SOA的注入电流实现光的通断 特点 高速 无损光信号处理器件 6 3光纤拉曼放大器FRA 拉曼 Raman 现象在1928年被发现 拉曼放大技术从1984年开始研究并应用 90年代早期 掺铒光纤放大器取代它成为焦点 光纤拉曼放大器 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 泵浦功率大转换效率低 只能工作在1530 1564nm之间的C波段 6 3光纤拉曼放大器FRA 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 特别是高功率二极管泵浦激光器的迅猛发展 又为FRA的实现奠定了坚实的基础 6 3 1分布式拉曼放大器工作原理和特性 1 工作原理 受激拉曼散射 SRS StimulatedRamanScattering 以频率振动的原子将作为振源发射频率为的声波 与之对应 一个声子的能量为 当光波通过这种振动的原子时将被其调制 这样 对应于频域 被调制的光波 即散射波 将在其载频两侧出现上边频和下边频 这两条谱线在光谱学上分别称为斯托克斯波 Stokes 和反斯托克斯波 其频移量为 从物理实质上讲 散射是由原子振动引起的一种光调制现象 6 3 1分布式拉曼放大器工作原理和特性 1 工作原理 受激拉曼散射 SRS StimulatedRamanScattering 斯托克斯波 反斯托克斯波 6 3 1分布式拉曼放大器工作原理和特性 1 工作原理 增益介质 系统传输光纤 工作原理 非线性光学效应 受激拉曼散射SRS A 光纤拉曼散射效应一个入射光子 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声子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 光纤拉曼放大器 光纤 a 无泵激光的1550nm传输 如果一个弱信号和一个强泵浦光同时在光纤中传输 并使弱信号波长置于泵浦光的拉曼增益带宽内 则弱信号即可被放大 这种基于SRS机制的光放大器称为光纤拉曼放大器FRA 光纤拉曼放大器 WDM耦合器 同向泵浦 反向泵浦 6 3 1分布式拉曼放大器工作原理和特性 2 拉曼增益和带宽 斯托克斯 Stokes 频差 R P s 在SRS过程中扮演着重要角色 由分子振动能级确定的 R值决定了SRS的频率 或波长 范围 由于玻璃的非结晶性 硅分子的振动能级汇合在一起就构成一个能带 结果使信号光在很宽的范围内 约20THz 通过SRS仍可获得放大 硅光纤拉曼增益系数频谱曲线 增益带宽 FWHM 可以达到约8THz 泵浦功率为200mW时 最大增益值为7 78dB泵浦功率为100mW时 最大增益值为3 6dB 在增益峰值附近的增益带宽约为7 8THz 6 3 1分布式拉曼放大器工作原理和特性 3 增益饱和 6 3 1分布式拉曼放大器工作原理和特性 4 噪声指数 分布放大 FRA以传输光纤作为放大介质 是分布式获得增益的 分布式放大 其等效噪声要比集中式放大器的小 6 3 1分布式拉曼放大器工作原理和特性 5 多波长泵浦增益带宽 FRA的增益波长由泵浦波长决定 选择适当的泵浦光波长 可以得到任意波长的信号放大 多波长泵浦 6 3 1分布式拉曼放大器工作原理和特性 5 多波长泵浦增益带宽 进行多波长泵浦时 FRA的增益频谱是每个波长泵浦光单独产生的增益频谱叠加的结果 FRA使用多个泵浦源 增益带宽可达到132nm 它是目前唯一能实现1290 1660nm光谱放大的器件 光纤拉曼放大器特性 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 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 6 3 2拉曼放大技术的应用 分布式光纤拉曼放大器 DRA 噪声系数小 与掺铒光纤放大器的组合使用 可明显地提高长距离光纤通信系统的总增益 降低系统的总噪声指数 使用分布式拉曼放大 减小入纤光功率 降低光纤的非线性的影响 从而避免四波混频效应的影响 可使DWDM系统的信道间隔减小 也就是说相当于扩大了系统的带宽容量 另外 由于四波混频效应影响的减小 允许使用靠近光纤的零色散点窗口 光纤的可用窗口也扩大了 通过选择泵浦光波长 可以实现任意波长的光放大 它是目前唯一能实现1290 1660nm光谱放大的器件 6 4光纤布里渊放大器FBA 激光通过光纤时 不但产生受激拉曼散射 而且也产生受激布里渊散射 SBS StimulatedBrillouimScattering 受激拉曼散射 SRS 是光学声子参与的过程 而受激布里渊散射 SBS 是声学声子参与的过程 6 5掺铒光纤放大器EDFA 掺杂光纤放大器利用掺入石英光纤的稀土离子作为增益介质 在泵浦光的激发下实现光信号的放大 放大器的特性主要由掺杂元素决定 工作波长为1550nm的铒 Er 掺杂光纤放大器 EDFA 工作波长为1300nm的镨 Pr 掺杂光纤放大器 PDFA 工作波长为1400nm的铥 Tm 掺杂光纤放大器 TDFA 目前 EDFA最为成熟 是光纤通信系统必备器件 6 5掺铒光纤放大器EDFA 使用铒离子 作为增益介质的光纤放大器 称为掺铒光纤放大器 EDFA Erbium dopedfiberamplifier 这些离子在光纤制造过程中被掺入光纤芯中 使用泵浦光直接对光信号放大 提供光增益 虽然掺杂光纤放大器早在1964年就有研究 但是直到1985年才首次研制成功掺铒光纤 1988年低损耗掺铒光纤技术已相当成熟 其性能相当优良 已可以提供实际使用 掺铒光纤放大器因为工作波长在靠近光纤损耗最小的1 55 m波长区 它比其它光放大器更引人注意 6 5 1掺铒光纤结构 6 5 2EDFA工作原理及其特性 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 6 5 2EDFA工作原理及其特性 1 泵浦特性 EDFA的增益特性与泵浦方式及其光纤掺杂剂有关 泵浦波长可以是520 650 800 980 1480nm波长短于980nm的泵浦效率低 因而通常采用980和1480nm泵浦 6 5 2EDFA工作原理及其特性 1 泵浦特性 能量从泵浦光转换成信号光的效率很高 因此EDFA很适合做功率放大器 6 5 2EDFA工作原理及其特性 2 增益频谱 硅的非结晶性和其他同时掺入光纤芯内的物质 如锗和铝一起影响着EDFA的增益频谱特性 增益带宽 FWHM 大于10nm 6 5 2EDFA工作原理及其特性 2 增益频谱 纤芯中掺入铝离子 带宽还可增大且增益频谱相当平坦 6 5 2EDFA工作原理及其特性 3 小信号增益 EDFA的增益与铒离子浓度 芯径 掺杂光纤长度和泵浦功率有关 对于给定的放大器长度 EDF长度 增益随泵浦功率在开始时按指数增加 当泵浦功率超过一定值时 增益增加变缓 并趋于一恒定值 6 5 2EDFA工作原理及其特性 3 小信号增益 EDFA的增益与铒离子浓度 芯径 掺杂光纤长度和泵浦功率有关 当泵浦功率一定时 放大器在某一最佳长度时获得最大增益 如果放大器长度超过此值 由于泵浦的消耗 最佳点后的掺铒光纤不能受到足够泵浦 而且要吸收已放大的信号能量 导致增益很快下降 因此 在EDFA设计中 需要在掺铒光纤结构参数的基础上 选择合适的泵浦功率和光纤长度 使放大器工作于最佳状态 6 5 2EDFA工作原理及其特性 4 增益饱和 或压缩 特性 对于给定的放大器长度 EDF长度 增益随泵浦功率在开始时按指数增加 当泵浦功率超过一定值时 增益增加变缓 甚至出现饱和 趋于一恒定值 在EDFA泵浦功率一定的情况下 输入功率较小时 放大器的增益不随入射信号的增加而变化 当输入信号增大到一定值后 增益开始随信号功率的增加而下降 这是入射信号导致EDFA出现增益饱和的缘故 6 5 2EDFA工作原理及其特性 5 放大器噪声 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放大的自发辐射噪声 ASE AmplifiedSpontaneousEmission 噪声与信号本身的差拍噪声 噪声指数为 自发辐射系数 5 放大器噪声 6 5 2EDFA工作原理及其特性 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 6 5 2EDFA工作原理及其特性 5 放大器噪声 放大器的噪声指数与放大器长度L和泵浦功率Pp有关 6 5 3EDFA的优点 1 工作波长恰好落在光纤通信的最佳波长区 1 5um 2 EDFA的主体是一段光纤 耦合损耗小 0 1dB 3 噪声指数低 一般为4 7dB 4 增益高 约20 40dB 饱和输出功率大 约8 15dBm 5 频带宽 在1550nm窗口有20 40nm带宽 可进行多信道传输 便于扩大传输容量 从而节约成本 6 增益特性与光纤极化状态无关 放大特性与光信号传输方向也无关 可以实现双向放大 无隔离器时 6 5 4EDFA的应用 1 一般应用 功率放大 在线放大 前置放大以及补偿分配损耗 2 多信道应用 带宽宽 20 40nm 可同时放大多个信道 且不存在四波混频的影响 3 超窄光脉冲放大 可以放大短至皮秒 ps 级的光脉冲而无畸变 6 5 5实用EDFA的构成 掺铒光纤 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上 由于在高能级上的寿命很短 很快以非辐射跃迁形式到较低能级上 并在该能级和低能级间形成粒子数反转分布 半导体泵浦二极管 为信号放大提供足够的能量 使物质达到粒子数反转 波分复用耦合器 将信号光和泵浦光合路进入掺铒光纤中 光隔离器 使光传输具有单向性 放大器不受发射光影响 保证稳定工作 三种泵浦方式的EDFA 同向泵浦 前向泵浦 型 好的噪声性能 反向泵浦 后向泵浦 型 输出信号功率高 双向泵浦型 输出信号功率比单泵浦源高3dB 且放大特性与信号传输方向无关 MultistageEDFA 由于光纤对1480nm的光损耗较小 所以1480nm泵浦光又常用于遥泵方式 RemotePumping 多信道放大中存在的其它问题 增益平坦增益钳制高的输出功率 EDFA的级联特性 信道间增益竞争 多级级联使用导致 尖峰效应 1544 1569 典型的EDFA增益谱 固有的增益不平坦 增益差随级联放大而积累增大 各信道的信噪比差别增大 各信道的接收灵敏度不同 一 增益平坦 增益谱的形状随信号功率而变 在有信道上 下的动态情况下 失衡情况更加严重 1 滤波器均衡 采用透射谱与掺杂光纤增益谱反对称的滤波器使增益平坦 如 薄膜滤波 紫外写入长周期光纤光栅 周期调制的双芯光纤等 EDFA 均衡器 合成增益 增益平坦 均衡技术 只能实现静态增益谱的平坦 在信道功率突变时增益谱仍会发生变化 2 新型宽谱带掺杂光纤 如掺铒氟化物玻璃光纤 30nm平坦带宽 铒 铝共掺杂光纤 20nm 等 静态增益谱的平坦 掺杂工艺复杂 3 声光滤波调节 根据各信道功率 反馈控制放大器输出端的多通道声光带阻滤波器 调节各信道输出功率使之均衡 动态均衡需要解复用 光电转换 结构复杂 实用性受限