《光纤通信技术》第六章-光通信中的光放大器

光纤通信技术通信与信息工程学院目录第1章绪论第2章光纤光缆第3章光源与光发射系统第4章光探测器与光接收系统第5章光无源器件第6章光通信中的光放大器第7章光纤通信系统与网络通信与信息工程学院2第6章光通信系统中的放大器通信与信息工程学院3本章内容1光放大器概述2光放大器在系统中的应用3半导体激光放大器4掺铒光纤放大器5光纤拉曼放大器通信与信息工程学院46.1光放大器概述光放大器的出现，可视为光纤通信发展史上的重要里程碑。光放大器出现之前，光纤通信的中继器采用光－电－光(O-E-O)变换方式。

装置复杂、耗能多、不能同时放大多个波长信道，在WDM系统中复杂性和成本倍增，可实现1R、2R、3R中继光放大器（O-O）

多波长放大、低成本，只能实现1R中继2022/4/4通信与信息工程学院5光放大器的原理光放大器的功能：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。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。2022/4/4通信与信息工程学院6光放大器的类型利用半导体制作的半导体激光放大器（SOA）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）2022/4/4通信与信息工程学院7几种光放大器的比较放大器原理激励工作长噪声与光与光稳类型方式度特性纤耦偏振关系定性合掺稀土光纤放大器粒子数反光数米到数十米好容易无好转半导体激光放大器粒子数反电100m~差很难大差转1mm光纤(喇曼)放大光学非线光数千米好容易大好性(喇曼)器效应2022/4/4通信与信息工程学院86.2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2022/4/4通信与信息工程学院9研究新热点展宽带宽：C-band40nm,L-band再加40nm；均衡功能：针对点对点系统的增益均衡，针对全光网的功率均衡；监控管理功能：在线放大器，全光网路由改变；动态响应特性；其它波段的光纤放大器，如Raman放大器。2022/4/4通信与信息工程学院106.3半导体激光放大器SOAISOA也是一种R1R2重要的光放大器，其结构类似于普通的半导体激光器。图6-1半导体激光放大器示意图•半导体激光放大器的放大特性主要决定于激光腔的反射特性与有源层的介质特性。•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：----法布里－珀罗放大器(FP－SOA)----行波放大器(TW－SOA)2022/4/4通信与信息工程学院11F-P半导体光放大器入射光从左端面进入，通过具有增益的有源层，到达右端面后，部分从端面反射，然后反向通过有源层至左端面，部分光从左端面出射，其余部分又从端面反射，再次通过有源层，如此反复，使入射光得到放大。多峰值、带宽窄，不适合通信系统应用，只可用于一些信号处理。图6-2半导体激光放大器分析模型图（a）FP腔（b）增益特性2022/4/4通信与信息工程学院行波半导体光放大器TW－SOA与FP－SOA的区别在于端面的反射率大小，TW－SOA具有极低的端面反射率，通常在0.1%以下。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，但如下两个缺点限制着它在光纤通信中的实际应用：

对光信号偏振态的敏感性；

对光信号增益的饱和性。2022/4/4通信与信息工程学院13SOA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；使用方法着手。相同结构SOA互相垂直串接，所得增益将与偏振无关相同结构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9002022/4/4通信与信息工程学院14SOA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。2022/4/4通信与信息工程学院15SOAProduct2022/4/4通信与信息工程学院166.4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。2022/4/4通信与信息工程学院17掺铒光纤放大器给光纤通信领域带来的革命EDFA解决了系统容量提高的最大的限制——光损耗补偿了光纤本身的损耗，使长距离传输成为可能大大增加了功率预算的冗余，系统中引入各种新型光器件成为可能支持了最有效的增加光通信容量的方式-WDM推动了全光网络的研究开发热潮2022/4/4通信与信息工程学院18为什么要用掺铒光纤放大器工作频带正处于光纤损耗最低处(1525-1565nm)；频带宽，可以对多路信号同时放大-波分复用；对数据率/格式透明，系统升级成本低；增益高(>40dB)、输出功率大(~30dBm)、噪声低(4~5dB)；全光纤结构，与光纤系统兼容；增益与信号偏振态无关，故稳定性好；所需的泵浦功率低(数十毫瓦)。2022/4/4通信与信息工程学院19EDFA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。Inputsignal1530nm-1570nmAmplifiedoutputsignal980nmor1480nmPowerlaserFibercontainingerbiumdopant(Pump)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。2022/4/4通信与信息工程学院20EDFA中的Er3+能级结构泵浦波长可以是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。泵浦铒离子简化能带能级示意图快速非辐射跃迁亚稳态能带吸收泵浦光产生噪声光放大自发辐射受激吸收受激辐射980nm1480nm1550nm基态能带2022/4/4通信与信息工程学院21掺铒光纤放大器的基本结构掺铒光纤：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。2022/4/4通信与信息工程学院22三种泵浦方式的EDFALDEDF同向泵浦(前向泵浦)out型：好的噪声性能inAPCWDMAPCEDFLD反向泵浦(后向泵浦)型：输出信号功率高inoutAPCWDMAPCLD1EDFLD2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inoutAPCWDM1WDM2APC2022/4/4通信与信息工程学院23MultistageEDFARemotePumping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。2022/4/4通信与信息工程学院24EDFA的工作特性光放大器的增益放大器的噪声EDFA的多信道放大特性EDFA的大功率化2022/4/4通信与信息工程学院25一、光放大器的增益增益G是描述光放大器对信号放大能力的参数。定义为：Ps,out输出信号光功率G(dB)10log10Ps,in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有很复杂的关系。2022/4/4通信与信息工程学院26小信号增益G＝30dB时，增益对输入光功率的典型依存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。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。3dBPout,sat当PS,IN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2022/4/4通信与信息工程学院27增益G与输入光波长的关系增益谱G()：增益G与信号光波长的关系。光放大器的增益谱不平坦。2022/4/4通信与信息工程学院28小信号增益随泵浦功率而变的曲线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。2022/4/4通信与信息工程学院29小信号增益随放大器长度而变的曲线当泵浦功率一定时，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。2022/4/4通信与信息工程学院30二、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Fn来表示，其定义为：(SNR)Fn

in(SNR)out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。AmplifiedSpontaneousEmission2022/4/4通信与信息工程学院31EDFA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2022/4/4通信与信息工程学院322022/4/4通信与信息工程学院33ASE噪声ASE噪声近似为白噪声，噪声功率谱密度为：Ssp

G1nsph自发发射因子或粒子数反转因子N2•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;nsp

N2N1•当粒子数不完全反转时，nsp>1；激发态的粒子数基态的粒子数2022/4/4通信与信息工程学院34ASE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ASE噪声与信号本身的差拍噪声。噪声指数为：G1Fn2nsp2nspG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。2022/4/4通信与信息工程学院35三、EDFA的多信道放大特性EDFA的增益恢复时间g~10ms(SOA的g=0.1~1ns),其增益不能响应调制信号的快速变化，不存在增益调制，四波混频效应也很小，所以在多信道放大中不引入信道间串扰(SOA则不然)，是其能够用于多信道放大的关键所在。EDFA对信道的插入、分出或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。在系统应用中应予以控制--增益钳制。2022/4/4通信与信息工程学院36EDFA的级联特性多信道放大中存在的其它问题：信道间增益竞争，多级级连使用导致“尖峰效应”

增益平坦

增益钳制

高的输出功率2022/4/4通信与信息工程学院37增益平坦固有的增益不平坦，增益差随级联放大而积累增大各信道的信噪比差别增大15441569各信道的接收灵敏度不同图6-3典型的EDFA增益谱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2022/4/4通信与信息工程学院38光发射机

1光发射机

2光发射机

3光发射机

N

1光接收机EDFA

2

3光接收机光接收机

3光接收机

N光接收机光功率BER光功率波长波长接收光功率2022/4/4通信与信息工程学院39增益平坦/均衡技术(1)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。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。EDFA+均衡器→合成增益2022/4/4通信与信息工程学院40增益平坦/均衡技术(2)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2022/4/4通信与信息工程学院41增益平坦/均衡技术(3)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2022/4/4通信与信息工程学院42增益钳制•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s2022/4/4通信与信息工程学院43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。InOutEDFALDPump泵浦控制均衡放大器（电控）2022/4/4通信与信息工程学院44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2022/4/4通信与信息工程学院45四、EDFA的大功率化(1)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2219输出功率（dBm）16154015702022/4/4通信与信息工程学院46EDFA的大功率化(2)双包层光纤是实现EDFA的纤芯内包层外包层重要技术，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。=1.3%芯层：5m内包层：50m芯层(掺铒)，传播信号层(SM)=0.7%内包层，传播泵浦光(MM)图6-4用于制作大功率EDFA的双包层光纤结构图2022/4/4通信与信息工程学院47EDFA的宽带化2022/4/4通信与信息工程学院48长波段（L-band）掺铒光纤放大器L波段的造价甚高的原因：低反转水平，需长掺铒光纤，强泵浦，此波段其它光器件价格较高。2022/4/4通信与信息工程学院496.5光纤拉曼放大器FRA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。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。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。2022/4/4通信与信息工程学院50光纤拉曼放大器1550nm光纤1550nm经光纤传输(dB)光功率波长衰减的光(a)无泵激光的1550nm传输1450nm1450nm如果一个弱信号和一个强泵浦1550nm1550nm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(dB)光功率波长(b)有泵激光的1550nm传输2022/4/4通信与信息工程学院512022/4/4通信与信息工程学院52光纤拉曼放大器原理简介(1)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，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经受激散射过程被放大2022/4/4通信与信息工程学院53光纤拉曼放大器原理简介(2)•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:14nm的大功率泵浦激光器，目前以取得实用化2022/4/4通信与信息工程学院54PropertiesofRamanScatteringinFibers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2022/