几种光纤放大器的比较

几种光放大器的比较一、引言光纤放大器的研制成功是光纤通信史上的一个重要里程碑，是新一代光纤通信系统中不可缺少的关键技术，它解决了衰减对光网络传输距离的限制，又开创了1550nm波段的波分复用系统。从而将使超高速、超大容量、超长距离的波分复用（WDM）、密集波分复用（DWDM）、全光网络传输等成为现实，自从1987年第一台EDFA光纤放大器开发成功以来，光纤放大器在光通信系统中应用越来越广泛。目前光纤放大器要有三类：掺稀土类光放大器（如EDFA，PDFA，TDFA等）、半导体光纤放大器（SOA、非线性效应光放大器（如喇曼光纤放大器.布里渊光纤放大器等）。二、掺铒光纤放大器（EDFA）掺铒光纤放大器（EDFA）是目前应用最为广泛的光纤放大器，主要由掺饵光纤（EDF）、泵浦光源、光耦合器、光隔离器.光滤波器等组成，如图1所示。掺铒为增益介质，光耦合器的作用是把输入光信号和泵浦光耦合进掺铒光纤，通过掺铒光纤的作用把泵浦光的能量转移到输入光信号中，实现光信号的能量放大。光隔离器的作用是抑制反射光，保证光放大器工作稳定。光滤波器的作用是滤除铒离子由于自发辐射产生的噪声（ASE）。光信号输出光信号输出光信号图一EDFA的基本组成光隔离器光耦合器EDF光隔离器EDF、、光滤波器—一I—I一I。——►光信号信号输出图二、双级EDFA结构其工作原理是利用波长为980nm或1480nm的泵浦光源，使饵离子Er3+粒子数反转，信号光入射使亚稳态Er3+粒子受激辐射，产生信号放大。EDFA的结构现已发展成很多类型，由单级结构发展到双级和多级结构（如图二为双级结构），多级结构主要应用于中级接入，目的是实现监控、OADM、DCM等功能。EDFA的优点是：1）通常工作在1530—l565nm光纤损耗最低的窗口；2）增益高，通常为10-35dB；且在较宽的波段内提供较为平坦的增益，3）噪声系数较低，980nm泵浦为3.2—3.4dB，接近3dB的量子极限，1480nm泵浦，噪声系数通常为4—8dB，各个信道间的串扰极小，可级联多个放大器；4）与线路耦合损耗小（小于1dB）；5）具有透明性，放大特性与系统比特率、信号格式和编码无关；6）成本低，与再生电路相比，EDFA具有较大的成本优势。7）结构简单，与传输光纤易耦合。缺点是：1）能够提供的增益带宽不够宽，增益带宽最多只有80nm左右，目前商用化的通常只有30nm，制约了光纤能够容纳的波长信道数；2）不便于查找故障，泵浦源寿命不长；3）存在输出功率的控制和不同波长通道的增益均衡问题。EDFA是目前光放大器市场的主流品种，在DWDM系统、接入网和有线电视领域得到广泛应用，在CATV系统中通常作为功率放大器，以提高发射机的功率，波长为1550nm的外调制光发射机的输出功率一般为4—7dBm，采用不同增益的EDFA，使输出功率通常在13--24dBm，再经过光分路器，使发射机覆盖的用户数大大增加，，也可作为光纤线路的中继放大器，以补偿光分路器及线路损耗，使传输距离大大增加，一般认为1310nm系统的传输距离在30公里左右，而1550nm系统通过EDFA放大后传输距离达70公里以上。EDFA主要采用的技术有增益平坦技术、增益可调技术.滤波技术.高功率输出技术等多种技术，EDFA今后的发展，主要有以下几点：。提高性能(宽带宽，高功率，高增益，增益平坦，低噪声；多功能(中级接入，大动态范围增益可调，快速的瞬态响应控制等)与FRA配合使用。.三、喇曼光纤放大器(FRA)FRA也是一种技术较为成熟的光放大器，它是在近几年来大功率半导体激光器研制成功后才真正走向实用的。喇曼光纤放大器(FRA)的工作原理是基于光纤的受激喇曼散射(SRS)效应。光纤中的SRS源于光纤的三阶非线性效应，表现为泵浦光子、Stokes光子与光学支声子之间的相互作用：泵浦光子被介质分子吸收，电子从基态越迁到至虚能级，虚能级的大小是由泵浦光的能量决定，然后虚能级的电子在信号光的感应下，回到振动态的高能级，同产生一个与信号光相同频率、相同相位、相同方向的光子，称为Stokes光子。如果一个信号光与一个强泵浦光波同时在光纤中传输，并且信号光波长位于泵浦光波的喇曼增益谱带宽之内，则此信号光可被该光纤放大。FRA可分为集总式LRA和分布式DRA，前者所用的光纤增益介质一般在10km以内，对泵浦功率要求很高，一般在几到十几瓦，可产生40dB以上的高增益，用来对信号光进行集中放大，主要用于EDFA无法放大的波段；后者所用的光纤比较长，一般为几十公里，泵源功率可降到几百毫瓦，主要辅助EDFA用于DWDM通信系统性能的提高，抑制非线性效应，降低信号的入射功率，提高信噪比，进行在线放大。FRA的优点：Raman增益系数是信号与泵浦光波长的函数，并且依赖于光纤纤芯中的GeO2的掺杂浓度。因此可为任何波长提供增益，这使得FRA可以在EDFA所不能放大的波段实现放大，并可在l292一l660nm光谱范围内进行光放大、使用多个泵源还可得到比EDFA宽得多的增益带宽。放大介质就是传输光纤本身，不需要特殊掺杂作为放大介质，因而成本比EDFA更低。FRA增益介质为传输光纤本身，实现分布式在线放大。由于能量的分布作用，有效地抑制非线性尤其是四波混频(FWM)，提高信噪比，提高传输距离，实现超长距离无中继传输。4）FRA的有效噪声系数（NF）比EDFA要低，典型值为-2dB，使其与EDFA混合使用时，可大大降低系统的噪声系数，增加传输距离。FRA的不足之处在于需要特大功率的泵浦激光器，因而只在近几年大功率半导体激光器开发成功后才开始商用化。FRA的应用：1）与EDFA混合使用，可以使增益谱和噪声谱平坦化，提高信噪比，塑造整体增益曲线。也可实现全喇曼放大LRA十DRA，实现真正连续宽带。2）补偿色散补偿光纤（DCF）的损耗色散补偿光纤的损耗远比G.652光纤来得大，如果只用EDFA进行补偿，则要求EDFA的增益较大，而EDFA的自发辐射噪声功率（P）与增益成指数关系，将会降低信噪比。因此，在色散补ASE偿光纤后加上FRA不但可以补偿损耗，还可以提高信噪比。3）由于FRA的有效噪声系数（NF）比EDFA要低，因而在系统升级（如从2.5Gb/s向10Gb/s升级），更能保证系统的误码率不变。4）用于放大EDFA无法放大的频段，在宽带DWDM系统中，EDFA的放大频带宽度不够宽，限制了信道数目，而FRA能够弥补这一点，可在一个很宽的范围内，实现平坦放大。FRA的今后发展方向:1）发展各种波段的FRA，实现宽频谱、大功率输出；2）与EDFA配合使用，分布式FRA作为EDFA的辅助，应用到DWDM系统中。3）集总式FRA在对信号放大的同时，对系统色散补偿。四、半导体光纤放大器（SOA）SOA的放大机原与半导体激光器是相类似的，它是偏置电流靠近振荡阈值但在阈值之下半导体激光二极管，其放大特性主要取决于有源层的介质特性和激光腔的特性。SOA的优点主要有：1）具有很大的增益带宽（1300nm—1600nm）覆盖1310nm与1550nm两外窗口，比较好的增益平坦性。2）SOA能够动态波长转换，能够接受输入信号光改变它频率，同样对其进行放大。3）体积小，泵浦简单、可批量年产、成本低等。但SOA的缺点也是明显的，主要有两点：1）具有对信号光偏振敏感的特性；2）对信号光增益的饱和性，表现无论输入光功率多大，经历多少级光放大，最终得到的输出功率可能达到的最大值被限制在某一水平。这两点限制它在光纤通信中的应用，此外，在非线性区有增益串扰问题，如果SOA工作在非线性区（如饱和态），则快速的增益动态变化将会引起多信道之间的串扰；噪声系数较大，一般在6--9dB；与光纤耦合时损耗很大，一般大于5dB。因此，SOA与EDFA、FRA相比，还有较大的差距，不太适合应用在高速率、大容量、长距离传输中，但由于其具有快速的响应时间（ns量级），可用作光开关。除此之外SOA还可用作半导体光波长转换器，也可作为光放大器应用于短距离的DWDM系统中。五结束语EDFA目前还是光纤放大器的主要选择，在长途骨干网和城域网、CATV网络中发挥着关键性作用。但EDFA存在级联噪声过大以及增益带宽受限等弱点。与EDFA相比，FRA具有增益带宽宽，能在全波范围内进行光放大，以及有效噪声低等优点，使其具有后来居上的