《光纤通信》-光纤通信-06-光放大器

第6章光放大器由于光纤的损耗，光纤的传输距离受到限制。当光纤路径损耗超过可用的功率极限时，需要增加中继器传统的光中继器采用光－电－光结构，这种方式对中等速率的单波长光纤系统很适用，但对于高速并且多波长的系统却相当复杂，而且价格昂贵目前，已经可以采用光放大器在光域对光纤的两个长波长传输窗口的光信号功率进行放大第6章光放大器光放大器是一种可以不经过任何光电、电光的内部转换而直接放大光信号的放大器光放大器不能解决重构信号的问题，但是可以解决因为功率导致的传输距离限制问题光放大器的出现促使了波分复用技术（WDM）走向实用化

在光通信系统中广泛使用的光放大器有两类其一是半导体激光放大器（SOA）其二是光纤放大器部件和功能性部件两大类第6章光放大器6.1光放大器的基本应用与分类6.2半导体光放大器6.3掺铒光纤放大器6.4光纤拉曼放大器6.1光放大器的基本应用与分类以1989年诞生的掺铒光纤放大器（EDFA，ErbiumDopedFiberAmplifier）为代表的光放大器技术可以说是光纤通信技术上的一次革命光放大器在光纤通信系统中最重要的应用就是促使了波分复用技术（WDM）走向实用化光放大器不仅应用于长距离点对点光纤链路，而且在多址接入网中补偿信号分路损耗上也得到广泛应用一、光放大器的基本应用形式光放大器基本应用可以概括为：延长通信距离；与波分复用（WDM）技术结合，迅速简便地实现扩容；在CATV网和局域网中用作功率补偿，扩大网径光纤链路在线放大器前置放大器长途光纤链路LAN功率放大器星形耦合器接收站功率放大器光发送光发送光发送光发送光接收光接收光接收在线光放大用于不需要光再生只需要简单放大的场合在单模链路中，光纤色散的影响较小，限制中继距离的主要因素是光纤衰减，这种链路不一定需要信号的完全再生，简单的光信号放大就足够了因此，对于损耗限制链路，光放大器可以用来补偿传输损耗从而增加再生中继距离光纤链路在线放大器光发送光接收在线光放大在长距离传输系统中，需要应用光放大器周期性地恢复因光纤损耗而减弱的光功率通常在线放大器链中，每个EDFA能恰好补偿前面使用的光纤所带来的信号损耗，但是EDFA中积累的自发辐射（ASE）噪声会造成信噪比的恶化前置光放大在光电检测之前将微弱信号放大，可以抑制接收机中热噪声造成的信噪比下降这种采用EDFA+PIN的光检测方式相比采用雪崩光电二极管APD，有较大的增益系数和较大的带宽前置放大器光发送光接收功率放大在光发送机之后设置一个光放大器，可以增加发送功率，从而增加光纤中继距离由于作为功率放大，直接放在光发射机后面，输入的功率电平一般较高，通常>-8dBm，一般要求有较高的泵浦功率，以获得较高的输出功率长途光纤链路功率放大器光发送光接收为了比放在接收机前作为前置放大器有更多优点，这种放大器的增益要求大于5dB功率补偿放大器在局域网中用做附加的放大器，用于补偿局域网（LAN）中的插入损耗和功率分配损耗，可以有效扩大网径和用户数量给出一个在星形耦合器前放大光信号的例子LAN功率放大器星形耦合器接收站光发送二、光放大器的分类光放大器按原理不同大体上有如下三种类型，后两种也常统称为光纤放大器。半导体激光放大器。其结构大体上与激光二极管（LD）相同，是基于半导体激光器工作原理的。掺杂光纤放大器。在光纤原材料中掺入其它元素，形成掺杂光纤。掺杂光纤放大器是利用稀土金属离子作为激光工作物质的一种放大器传输光纤放大器。它是根据光纤中的非线性效应制成的光放大器。二、光放大器的分类光放大器的基本原理是受激辐射或受激散射效应，其基本机制和激光器的发光原理非常相似，但没有反馈机制，因而可以放大信号但不能产生相干光输出一般来说，光增益不仅与入射光频率（波长）有关，也与放大器内部光束强度有关光增益与频率和强度的关系取决于放大器增益介质的特性二、光放大器的分类半导体光放大器SOA虽然先于掺铒光纤放大器（EDFA）产生，但目前，波长为1550nm的掺铒光纤放大器得到最为广泛的应用非线性效应的光放大器，尤其是光纤拉曼放大器（FRA）近来发展很快，其优越的性能正越来越多地引起人们的重视6.2半导体光放大器利用处于粒子反转状态的半导体PN结对光的增益效应可以实现对光信号的放大半导体激光放大器（SOA，SemiconductorOpticalAmplifier）利用受激辐射来实现对入射光功率的放大，产生受激辐射所需的粒子数反转机制与半导体激光器中使用的完全相同SOA与半导体激光器的结构相似，但它没有反馈机制6.2半导体光放大器SOA的基本工作原理激活介质（有源区）吸收了外部泵浦提供的能量，电子获得了能量跃迁到较高的能级，产生粒子数反转输入光信号通过受激辐射过程激活这些电子，使其跃迁到较低的能级，从而产生一个放大的光信号6.2半导体光放大器SOA有两种主要结构，即法布里－珀罗放大器（FPA）非谐振的行波放大器（TWA）法布里－珀罗放大器（FPA）在FPA中，形成PN结有源区的晶体的两个解理面作为法布里－珀罗腔的部分反射镜为了提高反射率，可在两个端面上镀多层介电薄膜FPA的制作容易，但要求注入电流和温度的稳定性较高，光信号的输出对放大器的温度和入射光的频率变化敏感非谐振的行波放大器（TWA）TWA的结构与FPA的基本相同，但两个端面上镀的是增透膜，习惯称为防反射膜或涂层AR镀防反射涂层的目的是为了减少SOA与光纤之间的耦合损耗，因此有源区不会发生内反射，但只要注入的电流在阈值以上，在腔内仍可获得增益，入射光信号只需通过一次TWA就会得到放大TWA的功率输出高，对偏振的灵敏度低，带宽宽，因而它比FPA使用更广6.2半导体光放大器要特别注意的是，TWA在1300nm窗口用作放大器，在1550窗口则用作波长变换器。SOA最大的优点是它使用InGaAsP来制造，因此体积小、紧凑，可以与其它半导体和元件集成在一起6.3掺铒光纤放大器掺铒光纤放大器（EDFA，ErbiumDopedFiberAmplifier）是目前最成熟的光放大器EDFA是直接对光信号放大，那么增大中继距离，实现超长距离传输（如海底光纤通信）成为可能实现波分复用提高系统传输速率成为现实实现光时分复用以至光孤子传输前景更加明朗在接入网中应用，能有效地补偿光功率分配损耗，扩大覆盖范围，降低成本造价6.3掺铒光纤放大器EDFA具有高增益、宽带宽、低噪声、对偏振不敏感等一系列优点最重要的是其放大的光谱范围在1550nm波段，正好与石英光纤的最低损耗波长区吻合，对速率调制透明EDFA这些近乎理想的特性带来了光纤通信技术的巨大进步一、EDFA的放大机理在常规的光纤中掺入一定的其它元素，如铒、镨等，在某一波段上，对激光有放大作用铒（Er）是一种稀土元素，在制造光纤过程中，设法向其掺入一定量的三价铒离子，便形成了掺铒光纤（EDF）除了所掺的铒以外，这种光纤的构造与通信中单模光纤的构造一样一、EDFA的放大机理掺铒光纤Er3+的简单能级图和不同能级的跃迁过程基态激发态亚稳态一、EDFA的放大机理通过使用光泵浦，用光子直接激励电子，使其达到激发态；电子到达激发态后，会释放一些能量而降到受激辐射能级（亚稳态）；在这个能级上，信号光子触发电子产生受激辐射，并且产生与信号光子波长相同的新的光子而释放出剩余能量，从而得到信号光的放大由于泵浦光能量高于信号光能量，所以泵浦光波长比信号波长短一些一、EDFA的放大机理位于亚稳态的电子，在没有外部激励光子时，一部分会衰变回到基态，即产生自发辐射自发辐射产生带宽极宽且杂乱无章的光子，并在传播中不断地得到放大，从而形成了自发辐射放大（ASE，AmplifiedSpontaneousEmission）噪声，并消耗了部分泵浦功率一、EDFA的放大机理当能量相当于从基态到亚稳态间带隙能量的信号光子通过器件时，会产生两种类型的跃迁其一，处在基态的粒子将吸收一小部分光子，从而跃迁到亚稳态，即产生受激吸收，如图6-3中的过程⑤其二，信号光子触发激发态的电子回到基态，产生受激辐射，从而发射出一个与信号光子具有相同能量和波长的新的光子，实现光的放大二、EDFA的结构EDFA由掺杂光纤、一个或多个泵浦光源、光耦合器、光隔离器等组成二、EDFA的结构如果泵浦光与信号光沿同一方向注入光纤放大器，称为同向泵浦同向泵浦的噪声性能较好二、EDFA的结构也可以采用反向泵浦反向泵浦可以获得较高的增益二、EDFA的结构双向泵浦结构，典型的增益值是+35dB三、EDFA主要特性参数掺铒光纤放大器的主要特性有增益特性带宽特性噪声特性1．增益特性增益定义为输出功率与输入功率之比增益表示了放大器的光放大能力，增益的大小与泵浦光功率以及光纤长度等诸因素有关1．增益特性EDFA的输入、输出功率可以应用能量守恒原理表示为物理意义是EDFA输出信号能量不能超过注入的泵浦能量可以看出，最大输出信号功率与比率λp/λs有关为了使泵浦系统能够工作，必须有λp<λs，为了得到适当的增益，又必须满足Ps,in<<Pp,in

1．增益特性假设没有自发辐射，应用式（6-2），EDFA的增益可以表示为给出了信号输入功率和增益间的一个重要关系可以看出，为了达到一个给定的增益G，输入信号功率必须满足1．增益特性放大器增益与泵浦功率之间的关系曲线可以看出，随着泵浦功率的增加，放大器增益也

增加，但当泵浦功率达到一定值后，放大器的功率增益出现饱和另外，输入信号功率过大会导致增益下降1．增益特性除泵浦功率外，增益还与光纤长度有关，图中泵浦波长为1480nm，信号波长为1550nm可以看出，在一定光纤长度以后，放大器增益开

始下降，这是由于泵浦没有足够的能量在放大器的后部产生粒子数反转2．带宽特性由于受激辐射发生在Er3+的亚稳态能带和基态能带之间，决定了EDFA的放大波长窗口在1550nm一般掺铒光纤放大波长区域为1530~1560nm，约30nm，但习惯简称为1550nm2．带宽特性波长增益曲线光纤在1550nm低损耗区具有200nm带宽，而目前使用的EDFA增益带宽还不能覆盖到整个低损耗区3．噪声特性EDFA的输出光中，除了有信号光外，还有自发辐射光，它们一起被放大，形成了影响信号光的噪声源EDFA的噪声主要有以下四种：信号光的散粒噪声被放大的自发辐射光的散粒噪声自发辐射光与信号光之间的差拍噪声自发辐射光谱间的差拍噪声3．噪声特性由于自发辐射的随机性导致的宽谱背景，在光信号经过放大之后通常都放置一个带通滤波器，用来抑制ASE噪声功率这样，以上四种噪声中，后两种影响最大，尤其是第三种噪声是决定EDFA性能的主要因素3．噪声特性衡量EDFA的噪声特性可用噪声系数（NF）来度量，其定义为EDFA的输入信噪比与输出信噪比的比值，它表示信号通过放大器后信噪比降低的程度，即3．噪声特性NF与同向传输的自发辐射频谱密度和放大器增益密切相关，与输入信号功率、泵浦功率和泵浦方式等有关。表现为：在输入小信号情况下，光放大器的噪声系数（NF）随着输入信号光功率的增大而略有减小；而EDFA处于饱和状态时，噪声系数（NF）随信号功率的增大而增大噪声系数（NF）随着泵浦功率的增加而减小信噪比恶化基本相同，但是当掺铒光纤长度增大时，同向泵浦形式输出的ASE功率最小，因而噪声系数最低；双向泵浦形式的噪声系数居中；反向泵浦形式的噪声系数最高3．噪声特性理论与实践已经证明，利用受激辐射进行放大的光放大器，其噪声系数最小值为3dB，这是光放大器噪声系数的量子极限通常情况下，用980nm泵浦的EDFA，在泵浦功率足够大时，噪声系数可以接近3dB；用1480nm泵浦时，噪声系数在5~6dB所以EDFA的噪声性能优于SOA四、EDFA的特点与应用EDFA得到迅速的发展，源于它的一系列优点：①工作波长与光纤最小损耗窗口一致②耦合效率高③能量转换效率高④增益高，噪声低⑤增益特性不敏感⑥可实现信号的透明传输四、EDFA的特点与应用EDFA也有固有的缺点：如，波长固定，明显存在着工作波段和带宽的局限性，只能放大1550nm左右的光波再者，增益带宽不平坦，在WDM系统中需要采用特殊的手段来进行增益谱补偿另外是自发辐射噪声的影响，尤其是当系统级联时，自发辐射噪声的影响会大大降低系统接收端的信噪比四、EDFA的特点与应用EDFA在DWDM系统中作为线路放大、功率放大、前置放大是EDFA的典型应用四、EDFA的特点与应用EDFA应用于有线电视传输系统（HFC系统）的示例6.4光纤拉曼放大器EDFA为光纤的最低损耗区即C波段（1530~1565nm）提供了很好的放大，也可适当设计使其用于L波段（1565~1625nm）信号放大而光纤拉曼放大器（FRA，FiberRamanAmplifier）可以用于其它波段的放大6.4光纤拉曼放大器光纤拉曼放大器是基于光纤中的非线性效应受激拉曼散射（SRS）实现光信号的放大拉曼放大器具有全波段放大特性和可利用传输光纤作为在线放大以及优良的噪声特性等优点，发展迅速并已经走向商用一、拉曼放大器工作原理拉曼散射是由光学声子参与引起的光子散射，所谓声子就是晶体或分子的振动在许多非线性光学介质中，高能量（波长较短）的泵浦光散射，将一小部分入射功率转移到另一频率下移的光波，频率下移量由介质的振动模式决定，此过程称为拉曼效应一、拉曼放大器工作原理量子力学描述为：入射光波的一个光子被一个分子散射成为另一个低频光子，同时分子完成振动态之间的跃迁，入射光作为泵浦光产生了称为斯托克斯（Stokes）波的频移光频率下移量等于相应的声子频率，称为斯托克斯频移或拉曼频移，满足斯托克斯频移斯托克斯波（散射波）频率入射光频率一、拉曼放大器工作原理拉曼散射与泵浦光的功率大小有关，泵浦光较弱时，产生自发拉曼散射自发拉曼散射只能将一小部分（约10-6）入射光功率转变到一个频率下移的光束中，而且自发散射光是非相干光泵浦光超过某个阈值，是很强的相干光时，产生受激拉曼散射，利用受激拉曼散射可以实现光信号放大一、拉曼放大器工作原理如果将两个光束送入光纤，其中的一个为强泵浦光，一个为信号光泵浦光为信号光提供放大的能量，频率为fp，信号光频率为fs，泵浦光将分子提升到激发态，信号光激励处于激发态的分子，使之发射与信号同频率、同相位的光子，由此信号光得到放大一、拉曼放大器工作原理实际上，拉曼散射并不仅仅发生在13.2THz单一频率上，而是大约有6THz的带宽（波长范围约45nm）如果一个弱信号与一强泵浦光波同时在光纤中传输，并使弱信号波长置于泵浦光的拉曼增益带宽内，弱信号光即可得到放大一、拉曼放大器工作原理在连续波的工作条件下，并忽略泵浦光消耗，光纤拉曼放大器的增益可由式（6-7）表示拉曼增益系数泵浦光功率Leff为放大器有效长度，由式（6-8）表示泵浦光在光纤中的衰减常数传输距离有效面积二、拉曼放大器结构拉曼放大器结构和EDFA十分相似图