第6章光放大器new.ppt

第六章光放大器,6.1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）,6.2一般概念,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。,G0,6.2一般概念,2.增益饱和,6.2一般概念,3.放大器带宽,6.2一般概念,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,6.3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。,6.3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1.55m波长区，它比其它光放大器更引人注意。,6.3.1掺铒光纤结构,6.3.2EDFA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。,6.3.2EDFA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。,6.3.2EDFA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。,6.3.2EDFA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,6.3.2EDFA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。,6.3.2EDFA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。,6.3.2EDFA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。,6.3.2EDFA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。,6.3.2EDFA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,6.3.2EDFA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68dB。希望放大器的Fn尽可能低。,6.3.2EDFA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。,6.3.3EDFA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47dB（4）增益高，约2040dB，饱和输出功率大，约815dBm（5）频带宽，在1550nm窗口有2040nm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）,6.3.4EDFA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（2040nm），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。,6.3.5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,增益平坦/均衡技术,4.预失真技术,不灵活，传输链路变换后，输入功率也要随之调整,增益平坦/均衡技术,EDFA对信道的插入、分出或信道无光故障等因素引起的输入光功率的变化（较低速变化）能产生响应-瞬态特性瞬态特性使得剩余信道获得过大的增益，并输出过大的功率，而产生非线性，最终导致其传输性能的恶化-需进行自动增益控制对于级联EDFA系统，瞬态响应时间可短至几几十s，要求增益控制系统的响应时间相应为几几十s,二、增益钳制,增益钳制技术(1),电控：监测EDFA的输入光功率，根据其大小调整泵浦功率，从而实现增益钳制，是目前最为成熟的方法。,LD,Pump,In,Out,泵浦控制均衡放大器（电控）,EDFA,增益钳制技术(2),在系统中附加一波长信道，根据其它信道的功率，改变附加波长的功率，而实现增益钳制。,注入激光,WDM系统要求EDFA具有足够高的输出功率，以保证各信道获得足够的光功率。,方法：多级泵浦,三、EDFA的大功率化(1),EDFA的大功率化(2),用于制作大功率EDFA的双包层光纤结构图,芯层：5m内包层：50m芯层(掺铒)，传播信号层(SM)内包层，传播泵浦光(MM),双包层光纤是实现EDFA的重要技术，信号光在中心的纤芯里以单模传播，而泵浦光则在内包层中以多模传输。,6.4.1掺镨光纤放大器PDFA,EDFA只能用于1.55um光纤通信系统，但是现在世界上有众多工作在1.3um得光纤通信系统和CATV网络。于是科学家们开发了工作在1.3um的波段的掺镨光纤放大器，要求泵浦波长是1.01um。这种放大器的增益可达38dB，饱和输出功率达20mW。但泵浦效率相当低，典型值小于0.2dB/mW，而EDFA高达11dB/mW。所以要从掺镨光纤放大器获得30dB的增益，需要高达1W的泵浦功率。,6.4.2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，TravelingWaveSOA),-法布里珀罗放大器(FPSOA),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58dB,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,6.4.3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15301564nm之间的C波段,6.4.3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12701670nm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。,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。,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,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,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78THz。,分布式拉曼放大器工作原理和特性,3.增益饱和,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