第5章 光放大器

1、第第5 5章章 光放大器光放大器 第第5章章 光放大器光放大器 5.1 引言引言 5.2 摻鉺光纖放大器摻鉺光纖放大器EDFA 5.3 受激拉曼光纖放大器受激拉曼光纖放大器SRA 5.4 受激布里淵光纖放大器受激布里淵光纖放大器SBA 5.5 其他光纖放大器其他光纖放大器 5.6 半導(dǎo)體光放大器半導(dǎo)體光放大器SOA 第第5 5章章 光放大器光放大器 5.7 光放大器的應(yīng)用光放大器的應(yīng)用 5.8 光纖激光器光纖激光器 5.9 光波長變換器光波長變換器 習(xí)題五習(xí)題五 第第5 5章章 光放大器光放大器 5.1 引引 言言 在光放大器研制成功之前， 主要采用光電混合中繼器（或稱再生器）放大光信號。 首

2、先將光纖中送來的光信號轉(zhuǎn)換為電信號， 然后對電信號進行放大， 最后再將放大了的電信號轉(zhuǎn)換為光信號送到光纖中去， 如圖5.1所示。 第第5 5章章 光放大器光放大器 根據(jù)不同的要求， 可將再生器分為三種類型: 只有放大和均衡功能的1R再生器， 用于模擬信號的傳輸; 2R再生器， 即在1R的基礎(chǔ)上加上數(shù)字信號處理(如整形(Reshaping)的再生器； 3R再生器， 即在2R的基礎(chǔ)上再增加重新定時與判決功能（Retiming）的再生器。 它們的功能如圖5.2所示。 第第5 5章章 光放大器光放大器 圖5.1 傳統(tǒng)的中繼器原理框圖 光 電 變 換(O/E)放 大 器電 光 變 換(E/O)光 纖光

3、纖光 的 范 圍電 的 范 圍光 的 范 圍第第5 5章章 光放大器光放大器 圖5.2 三種再生器的功能放大均衡:頻率、色散1R1R2R數(shù)字整形噪聲抑制2R3R數(shù)字再生(定時、判決)噪聲抑制第第5 5章章 光放大器光放大器 盡管這種方式對于單個波長且數(shù)據(jù)速率不太高的通信很適用， 但對于高速率的多個波長系統(tǒng)顯然是相當復(fù)雜的， 每一波長就需一個再生器， 如有N個波長就需要N個這樣的再生器， 造價是相當高的。 另一方面， 對于很高的數(shù)據(jù)速率， 電放大器的實現(xiàn)難度很大。 因此， 人們試圖對光信號直接放大， 如果這種放大的帶寬較寬， 則可以同時對多個波長進行放大， 因而只需一個放大器即可。 人們經(jīng)過很大

4、的努力， 終于研制成功了全光放大器， 它可同時對多個波長進行放大。 光放大器從功能上來看屬于1R再生器。 第第5 5章章 光放大器光放大器 5.2 摻鉺光纖放大器摻鉺光纖放大器EDFA 光纖放大器是提升衰減的光信號， 延長光纖的傳輸距離的關(guān)鍵器件。 光纖放大器的主要特性如下： (1) 增益: 是輸出光功率與輸入光功率的比值（以dB為單位）。 (2) 增益效率: 是增益對輸入光功率的函數(shù)。 (3) 增益帶寬: 是放大器放大信號的有效頻率范圍。 第第5 5章章 光放大器光放大器 (4) 增益飽和: 一般情況下輸入信號應(yīng)該足夠大， 以便能引起放大器的飽和增益。 飽和時的增益隨信號功率增加而減小。 (

5、5) 增益波動: 是增益帶寬內(nèi)的增益變化范圍（以 dB為單位）。 (6) 噪聲: 與放大光信號有關(guān)的噪聲包括兩個方面： 光場噪聲和強度/光電流噪聲。 光場噪聲指由光譜分析儀（OSA）測量出的光噪聲譜， 如光放大器中輸出的ASE(放大的自發(fā)輻射)噪聲是這種噪聲的主要部分。 第第5 5章章 光放大器光放大器 強度/光電流噪聲是指與光束相聯(lián)系的功率或光電流的波動， 這種噪聲的譜寬典型值可達幾十 GHz。 常見的強度噪聲類型有: 散粒噪聲； 信號與自發(fā)輻射差拍噪聲(簡稱SI-SP噪聲)； 自發(fā)輻射與自發(fā)輻射差拍噪聲(簡稱SP-SP噪聲)等。 第第5 5章章 光放大器光放大器 5.2.1 EDFA的放大

6、原理 鉺(Er)是一種稀土元素， 在制造光纖過程中， 設(shè)法向其摻入一定量的三價鉺離子， 便形成了摻鉺光纖（EDF）。 除了所摻的鉺以外， 這種光纖的構(gòu)造與通信中單模光纖的構(gòu)造一樣， 如圖5.3所示。 鉺離子位于EDF的纖芯中央地帶， 將鉺離子放在這里有利于其最大地吸收泵浦和信號能量， 從而產(chǎn)生好的放大效果。 第第5 5章章 光放大器光放大器 環(huán)繞在纖芯外的折射率較低的玻璃包層則完善了波導(dǎo)結(jié)構(gòu)并提供了抗機械強度的特性， 保護層的加入則將光纖總直徑增大到 250 m。 由于它的折射率較包層而言有所增加， 因而它可將任何不希望在其包層中傳播的光轉(zhuǎn)移掉。 第第5 5章章 光放大器光放大器 圖5.3 摻

7、鉺光纖芯層的幾何模型 摻鉺高密度帶(1002000 ppm)直徑36 m摻鍺的纖芯直徑125 mSiO2包層直徑250 m涂覆層第第5 5章章 光放大器光放大器 圖5.4 鉺的能級圖 4I11/2泵浦980 nm4I15/21550 nm4I13/2泵浦1480 nm受激輻射亞穩(wěn)態(tài)高能態(tài)基 態(tài)第第5 5章章 光放大器光放大器 鉺的能級圖如圖5.4所示。 其發(fā)光原理可用三能級系統(tǒng)來解釋， 基態(tài)為4I15/2， 激發(fā)態(tài)為4I13/2， 4I11/2。 在泵浦光的激勵下，4I11/2能級上的粒子數(shù)不斷增加， 又由于其上的粒子不穩(wěn)定， 很快躍遷到亞穩(wěn)態(tài)4I13/2能級， 從而實現(xiàn)了粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。 第第5

8、 5章章 光放大器光放大器 當具有1550 nm波長的光信號通過這段摻鉺光纖時， 亞穩(wěn)態(tài)的粒子以受激輻射的形式躍遷到基態(tài)， 并產(chǎn)生出和入射光信號中的光子一模一樣的光子， 從而大大增加了信號光中的光子數(shù)量， 即實現(xiàn)了信號光在摻鉺光纖的傳輸過程中不斷被放大的功能， 摻鉺光纖放大器也由此得名。 第第5 5章章 光放大器光放大器 在鉺粒子受激輻射的過程中， 有少部分粒子以自發(fā)輻射形式自己躍遷到基態(tài)， 產(chǎn)生帶寬極寬且雜亂無章的光子， 并在傳播中不斷地得到放大， 從而形成了自發(fā)輻射放大ASE(Amplified Spontaneous Emission)噪聲， 并消耗了部分泵浦功率， 因此， 需增設(shè)光濾波

9、器以降低ASE噪聲對系統(tǒng)的影響。 目前， 由于980 nm和1480 nm的泵浦效率高于其他波長的泵浦效率， 因此它們得到了廣泛的應(yīng)用， 并已完全商用化。 第第5 5章章 光放大器光放大器 5.2.2 EDFA的組成結(jié)構(gòu) 圖5.5顯示了EDFA的基本組成， 包括： 泵浦激光、 波分復(fù)用(WDM)耦合器、 光隔離器和摻鉺光纖（EDF）。 這些基本組件可以組成許多不同拓撲結(jié)構(gòu)的放大器。 為了獲得增益， 光能必須注入摻鉺光纖中， 我們把這種能量稱為泵浦， 它以980 nm或1480 nm的波長傳送光能。 泵浦的功率典型范圍是10400 mW。 WDM合波/分波器能有效地將信號光和泵浦光耦合進/出摻鉺

10、光纖。 第第5 5章章 光放大器光放大器 圖5.5 EDFA的基本組成 輸 入隔 離 器熔 接 頭摻 鉺 光 纖(EDF)W DM耦 合 器泵 浦 激 光(980 nm或 1480 nm)第第5 5章章 光放大器光放大器 光隔離器將系統(tǒng)所產(chǎn)生的任何反射回放大器的光減小到一個可接受的水平。 如果沒有光隔離器， 光反射將降低放大器的增益并附加噪聲， 如圖5.5所示。 EDFA常用的結(jié)構(gòu)有三種， 即同向泵浦、 反向泵浦和雙向泵浦。 第第5 5章章 光放大器光放大器 (1) 同向泵浦是一種信號光與泵浦光以同一方向從摻鉺光纖的輸入端注入的結(jié)構(gòu)， 也稱為前向泵浦。 (2) 反向泵浦是一種信號光與泵浦光從兩

11、個不同方向注入摻鉺光纖的結(jié)構(gòu)， 也稱為后向泵浦。 （3） 雙向泵浦是同向泵浦與反向泵浦結(jié)合的方式， 它們的原理框圖分別示于圖5.6（a）、 (b)、 (c)。 第第5 5章章 光放大器光放大器 圖5.6 EDFA的三種結(jié)構(gòu) (a)(b)鉺光纖輸入光輸出光信號泵浦LDWDM鉺光纖輸入光泵浦LDWDM輸出光(c)鉺光纖輸入光泵浦LDWDM輸出光信號泵浦LDWDM光隔離器偏振器第第5 5章章 光放大器光放大器 EDFA有如下優(yōu)點： （1） 轉(zhuǎn)移效率高， 從泵浦源吸收的光功率轉(zhuǎn)移到被放大的光信號上的功率效率大于50%。 （2） 放大的譜寬與目前WDM系統(tǒng)的光譜范圍一致， 適合于WDM光纖通信。 （3）

12、 具有較高的飽和輸出光功率， 為1 mW(1025 dBm)。 （4） 動態(tài)范圍大。 第第5 5章章 光放大器光放大器 （5） 噪聲指數(shù)?。?8 dB）。 （6） 與光纖的耦合損耗?。? dB）。 （7） 增益穩(wěn)定性好， 因為與偏振無關(guān)， 導(dǎo)致了良好的穩(wěn)定性。 （8） 增益時間常數(shù)較大。 當然， EDFA也存在ASE噪聲、 串擾、 增益飽和等問題。 第第5 5章章 光放大器光放大器 5.2.3 EDFA的增益與帶寬 增益特性代表了放大器的放大能力， 其定義為輸出功率與輸入功率之比。 EDFA的增益通常為1540 dB。 增益大小與多種因素如光纖中的摻鉺濃度、 泵浦光功率、 光纖長度、 泵浦光的

13、波長等因素有關(guān)聯(lián)。 當鉺的濃度超過一定值時， 增益反而降低， 其原因是存在增益飽和效應(yīng)， 過量鉺會產(chǎn)生聚合， 引起反轉(zhuǎn)濃度減少， 因此要控制好鉺的摻入量。 泵浦功率小時輸出光功率增加很快， 隨著泵浦功率增加， 放大器增益出現(xiàn)飽和， 即泵浦功率增加很多， 而增益基本保持不變， 此時放大器的增益效率將隨著泵浦功率的增加而下降。 第第5 5章章 光放大器光放大器 開始時增益隨摻鉺光纖長度的增加而上升， 但當光纖超過了一定長度后， 增益反而逐漸下降， 因此存在著一個可獲得最佳增益的最佳長度， 但應(yīng)注意， 這一長度只能是最大增益長度， 而不是摻鉺光纖的最佳長度， 因為還涉及到其他特性(如噪聲特性等)。

14、另外， 增益還與泵浦條件(包括泵浦功率和泵浦波長)有關(guān)， 目前采用的主要泵浦波長是980 nm和1480 nm。 第第5 5章章 光放大器光放大器 5.2.4 EDFA的噪聲類型 1. 放大的自發(fā)輻射(ASE) 光放大器的激活介質(zhì)所產(chǎn)生的噪聲主要是由放大的自發(fā)輻射(ASE)而引起的。 這個現(xiàn)象的物理過程是： 絕大多數(shù)受激載流子因受激輻射而被迫落到較低的能帶上， 但它們中一部分是自發(fā)輻射落到較低的能帶上的, 當它們衰變時， 這些載流子自發(fā)地輻射光子; 自發(fā)輻射的光子落在與信號光相同的頻率范圍內(nèi)， 但它們在相位和方向上是隨機的; 第第5 5章章 光放大器光放大器 那些與信號同方向的自發(fā)輻射光子被激

15、活介質(zhì)放大, 這些由自發(fā)輻射產(chǎn)生并經(jīng)放大了的光子組成放大的自發(fā)輻射(ASE), 因為它們在相位上是隨機的， 它們對于信號光沒有貢獻而產(chǎn)生了信號帶寬內(nèi)的噪聲。 沒有外部激發(fā)所產(chǎn)生的自發(fā)輻射依賴于較高和較低能級上相對的粒子數(shù)， 這很容易理解。 自發(fā)輻射因子即粒子數(shù)反轉(zhuǎn)因子(nsp)可以定義為122NNNnsp第第5 5章章 光放大器光放大器 其中， N2和N1分別是高低能級上的粒子數(shù)。 當高能級粒子數(shù)大大多于低能級粒子數(shù)時， 則意味著N2(N2-N1)近似為1， 自發(fā)輻射因子達到其最小值。 在這種情況下， 我們將會有一個理想的放大器， 但這種情況從來不會得到， 所以實際nsp的范圍典型值是1.44

16、.0。 自發(fā)輻射因子越大， 光放大器所產(chǎn)生的放大的自發(fā)輻射的功率也越大。 這里要記住的是， 光放大器的自發(fā)輻射產(chǎn)生在與信號放大相同的波帶(頻帶)里。 這就是自發(fā)輻射是增加被放大信號噪聲的主要原因。 第第5 5章章 光放大器光放大器 放大的自發(fā)輻射的平均總功率PASE滿足下式： BGhfnPspASE2(5.1) 其中， hf是光子的能量， G是放大器增益， B是放大器的光帶寬。 這個公式清楚地表達了這樣一種思想： 用nsp定量表示的自發(fā)輻射越大， 放大的自發(fā)輻射(ASE)也越大。 第第5 5章章 光放大器光放大器 2. EDFA的噪聲 EDFA的噪聲主要有四種： 信號光的散粒噪聲； 被放大的自

17、發(fā)輻射(ASE)； ASE光譜與信號光之間的差拍噪聲(指的是信號和ASE經(jīng)光檢測器輸出的光生電流表達式中的交叉項)； ASE光譜間的差拍噪聲(指的是ASE的二次項)。 以上四種噪聲中， 后兩種影響最大， 尤其是第三種噪聲是決定EDFA性能的重要因素。 EDFA噪聲特性可用噪聲系數(shù)來度量， 其定義為EDFA的輸入信噪比與輸出信噪比的比值， 它與同向傳播的ASE頻譜密度和放大器增益密切相關(guān)。 第第5 5章章 光放大器光放大器 經(jīng)理論分析表明， 在EDFA的開始部分, 信號光功率增加得越快， 即粒子數(shù)反轉(zhuǎn)程度越高， 則EDFA輸出端ASE就越小， 相應(yīng)的噪聲系數(shù)也較小。 目前市場上銷售的EDFA一般

18、可達30 dB以上的增益, 噪聲系數(shù)一般為45 dB。 EDFA的輸出功率一般為1017 dBm， 在1550 nm的波長處， 窗口增益帶寬為2040 dB， 所以EDFA廣泛應(yīng)用于多信道傳輸系統(tǒng)。 第第5 5章章 光放大器光放大器 5.3 受激拉曼光纖放大器受激拉曼光纖放大器SRA 5.3.1 SRA的放大原理 拉曼效應(yīng)是在光纖介質(zhì)中傳輸高功率信號時發(fā)生的非線性相互作用， 它是由介質(zhì)的分子激勵(聲子)所誘發(fā)的非彈性光子散射。 光與聲子相互作用導(dǎo)致斯托克斯(Stokes)線的頻移(與信號光頻不同)， 適當?shù)剡x擇光纖介質(zhì)和泵浦頻率， 可以將Stokes線調(diào)諧到被放大信號的頻率上。 第第5 5章章

19、 光放大器光放大器 受激拉曼散射(SRS)過程可以看成是物質(zhì)分子對光子的散射過程， 或者說光（光子）與物質(zhì)（分子）的相互諧振作用過程。 SRS的基本過程是激光束進入介質(zhì)以后， 光子被介質(zhì)吸收，使介質(zhì)分子由基能級E1激發(fā)到高能級E3, E3E1p。 這里，H =h2(h是普朗克常量)， p是入射光角頻率。 但高能級是一個不穩(wěn)定狀態(tài)， 它將很快躍遷到一個較低的亞穩(wěn)態(tài)能級E2并發(fā)射一個散射光子， 其角頻率為s, 且s15 dB）， 因此這種應(yīng)用受到限制。 第第5 5章章 光放大器光放大器 SBA的窄帶寬放大特性， 使其能放大信號的比特率比較低， 一般小于100 Mbs。 所以， 在一般光波通信系統(tǒng)中

20、， SBA的應(yīng)用價值并不大。 但SBA的窄帶放大特性可作為一種選頻放大器， 在相干和多信道光波通信系統(tǒng)中有一定用處。例如在相干通信系統(tǒng)中， 可用 SBA有選擇性地放大光載波而不放大調(diào)制邊帶， 利用放大后的光載波作為本振光， 實現(xiàn)零差檢測。 若采用這種方案， 對一個80 Mbs的比特流進行放大， 則載波得到的放大量比調(diào)制邊帶高 30 dB。 第第5 5章章 光放大器光放大器 在多信道通信系統(tǒng)中， 可在接收端注入一泵浦光， 與多信道光信號的傳播方向相反， 通過調(diào)節(jié)泵浦頻率就可選擇不同信道的信號進行放大。 但是由于其窄帶特性， 一般每信道的比特率亦限制在100 Mbs以內(nèi)。 在實際的多信道通信系統(tǒng)中

21、， SBS過程通常要限制信道間隔和通道數(shù)， 同時限制信號功率和通信距離， 因此通常應(yīng)設(shè)法降低這種影響。 第第5 5章章 光放大器光放大器 5.5 其他光纖放大器其他光纖放大器 1. 摻鐠光纖放大器（PDFA） EDFA光纖放大器只能對1550 nm波段的光信號進行放大， 為了能對1310 nm波段的光信號進行放大， 人們在光纖中摻入鐠。 PDFA具有高的增益（約30 dB）和高的飽和功率（20 dBm）， 適用于EDFA不能放大的光波波段， 對現(xiàn)有的光纖線路的升級和擴容有重要的意義。 第第5 5章章 光放大器光放大器 PDFA需采用氟化物光纖（常規(guī)通信光纖主要是玻璃光纖）， 泵浦光源也不是常用

22、的980 nm和1480 nm的泵浦光源， 而是采用1017 nm的泵浦激光， 離實用還有一段距離。 摻鐠光纖放大器（PDFA）是在非石英光纖如氟化物光纖中摻入鐠來對光信號進行放大的， 它與EDFA相比具有如下特點： 第第5 5章章 光放大器光放大器 （1） 工作在1.3 m波長（12801340 nm）。 （2） 高的增益（約30 dB）。 （3） 高的飽和輸出（約20 dBm）。 （4） 高的輸出功率（達300 mW)。 （5） 泵浦光源波長為1017 nm。 第第5 5章章 光放大器光放大器 2. 摻鋁(AL)EDFA 為了使EDFA本身具有平坦的增益， 人們已嘗試了多種改善EDFA特性

23、的方法。 在纖芯中摻鉺的同時摻入鋁， 是當前應(yīng)用最普遍的方法， 這樣可改變玻璃的組成成分， 迫使鉺的放大能級分布改變， 加寬可放大的頻率。 通過對EDFA摻鋁可以擴大1550 nm波長區(qū)。 如果進一步提高鋁的摻雜濃度， 不管是對小信號功率， 還是對大信號功率都能提高在1540 nm時的增益， 因而可減小增益差以達到平坦增益的目的。 第第5 5章章 光放大器光放大器 3. 摻釔(Y)EDFA 在EDFA中摻釔作為鉺的激活劑， 以工作在792 nm附近的高功率激光器作為激勵源， 可以制成釔光纖放大器。 4. 氟化物EDFA 氟化物摻鉺光纖放大器(F-EDFA)是以氟化物為主要材料、 摻鉺光纖為主體

24、而構(gòu)成的光纖放大器。 F-EDFA的特點是： 第第5 5章章 光放大器光放大器 （1） 有寬的增益平坦度（約30 nm）。 對多波長光傳輸系統(tǒng)中的應(yīng)用具有相當大的潛力。這主要是因為在15301560 nm波段的ASE噪聲功率波動低于石英功率波動， 可保證平坦增益。 （2） 氟化物光纖有吸水性， 不能與石英光纖熔接， 需采用機械連接方法。 （3） 氟化物光纖放大器只能用1480 nm泵浦， 使得噪聲系數(shù)至少比980 nm泵浦的石英摻鉺光纖放大器高1 dB。 （4） 可靠性有待研究。 第第5 5章章 光放大器光放大器 5. 寬帶碲化物EDFA 碲化物光纖折射率高， 能提供的受激發(fā)射截面比氟化物和石

25、英大。 在1600 nm波長時， EDFA在碲化物中的受激發(fā)射面是氟化物和石英的兩倍。 碲化物材料輻射壽命短， 不到氟化物光纖和石英光纖的1/2， 它反射的受激發(fā)射截面也小。 所以， 應(yīng)用摻碲化物光纖制作放大器可實現(xiàn)寬帶放大。 用這種光纖制作EDFA， 其增益特性平坦， 可放大的頻帶特別寬， 而且與石英系光纖相比， 頻帶向長波長一側(cè)移動。 其特點為： 第第5 5章章 光放大器光放大器 （1） 寬的增益平坦度（30 nm）。 如對1500 nm波長區(qū)的寬帶信號放大， 最高帶寬已達到80 nm， 是EDFA最佳數(shù)據(jù)的兩倍。 在15301610 nm的波長區(qū)， 得到了20 dB以上的增益， 增益平坦

26、度達1.5 dB。 （2） 放大波段向長波長移動。 硅和氟EDFA大約在超過1627 nm波長時不能放大光信號， 而碲化物EDFA可以工作到1634 nm， 這是碲化物EDFA的固有優(yōu)點。 第第5 5章章 光放大器光放大器 5.6 半導(dǎo)體光放大器半導(dǎo)體光放大器SOA 究開發(fā)光纖通信的初期就已著手研制SOA了， 但受噪聲、 偏振相關(guān)性、 連接損耗、 非線性失真等因素的影響， 其性能達不到實用化要求。 應(yīng)用量子阱材料的SOA具有結(jié)構(gòu)簡單， 可批量生產(chǎn), 成本低, 壽命長, 功耗小等優(yōu)點， 并且便于與其他部件一塊集成， 可望制作出1310 nm和1540 nm波段的寬帶放大器， 以覆蓋EDFA、 P

27、DFA的應(yīng)用窗口。 SOA在波長變換器中的應(yīng)用現(xiàn)已引起廣泛重視， 并將逐步得到應(yīng)用。 第第5 5章章 光放大器光放大器 5.6.1 SOA的放大原理 半導(dǎo)體光放大器的工作原理與所有的光放大器一樣， 也是利用受激輻射來實現(xiàn)對入射光功率的放大的， 產(chǎn)生受激輻射所需的粒子數(shù)反轉(zhuǎn)機制與半導(dǎo)體激光器中使用的完全相同， 即采用正向偏置的PN結(jié)， 對其進行電流注入， 實現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布。 SOA與半導(dǎo)體激光器的結(jié)構(gòu)相似， 但它沒有反饋機制， 而反饋機制對產(chǎn)生相干的激光是很必要的。 因此SOA只能放大光信號， 但不能產(chǎn)生相干的光輸出。 第第5 5章章 光放大器光放大器 SOA的基本工作原理如圖5.9所示， 其

28、中激活介質(zhì)（有源區(qū)）吸收了外部泵浦提供的能量， 電子獲得了能量躍遷到較高的能級， 產(chǎn)生粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。 輸入光信號會通過受激輻射過程激活這些電子， 使其躍遷到較低的能級， 從而產(chǎn)生一個放大的光信號。 第第5 5章章 光放大器光放大器 圖5.9 SOA的基本工作原理 有 源 層光 輸 入 信 號光 纖ARAR光 纖放 大 的 光 輸 出 信 號AR： 防 反 射 涂 層泵 浦 源電 流 注 入第第5 5章章 光放大器光放大器 SOA有兩種主要結(jié)構(gòu)， 即法布里-珀羅放大器（FPA）和非諧振的行波放大器（TWA）。 在FPA中， 形成PN結(jié)有源區(qū)的晶體的兩個解理面作為法布里-珀羅腔的部分反射鏡， 其自然

29、反射率達到32%。 為了提高反射率， 可在兩個端面上鍍多層介電薄膜。 當光信號進入腔內(nèi)后， 它在兩個端面來回反射并得到放大， 直至以較高的功率發(fā)射出去。 FPA的制作容易， 但要求注入電流和溫度的穩(wěn)定性較高， 光信號的輸出對放大器的溫度和入射光的頻率變化敏感。 第第5 5章章 光放大器光放大器 TWA的結(jié)構(gòu)與FPA的基本相同， 但兩個端面上鍍的是增透膜， 習(xí)慣稱為防反射膜或涂層AR。鍍防反射涂層的目的是為了減少SOA與光纖之間的耦合損耗， 因此有源區(qū)不會發(fā)生內(nèi)反射， 但只要注入的電流在閾值以上， 在腔內(nèi)仍可獲得增益， 入射光信號只需通過一次TWA就會得到放大。 TWA的功率輸出高， 對偏振的靈

30、敏度低， 光帶寬寬， 因而它比FPA使用得更廣。 SOA最大的優(yōu)點是它使用InGaAsP來制造， 因此體積小、 緊湊， 可以與其他半導(dǎo)體和元件集成在一起。 SOA的主要特性是： 第第5 5章章 光放大器光放大器 (1) 它們與偏振有關(guān)， 因此需要保偏光纖。 (2) 它們具有可靠的高增益(20 dB)。 (3) 它們的輸出飽和功率范圍是510 dBm。 (4) 它們具有大的帶寬。 (5) 它們工作在0.85 m， 1.30 m和1.55 m波長范圍。 (6) 它們是小型化的半導(dǎo)體器件， 易于和其他器件集成。 (7) 幾個SOA可以集成為一個陣列。 但是， 由于非線性現(xiàn)象(四波混頻)， SOA的噪

31、聲指數(shù)高， 串擾電平高。 第第5 5章章 光放大器光放大器 5.6.2 SOA的性能與應(yīng)用 SOA的應(yīng)用主要集中在以下幾個方面。 1. 光信號放大器 因為在世界范圍內(nèi)已鋪設(shè)了大量的常規(guī)單模光纖， 還有很多系統(tǒng)工作在1.30 m波段， 并需要周期性的在線放大器， 而工作波長為1.30 m的EDFA目前尚未達到實用化的水平， 所以仍然需要SOA。 第第5 5章章 光放大器光放大器 2. 光電集成器件 半導(dǎo)體放大器可與光纖放大器相抗衡的優(yōu)點是體積小、 成本低以及可集成性, 即可以集成在含有很多其它光電子器件(例如激光器和檢測器)的基片上。 第第5 5章章 光放大器光放大器 3. 光開關(guān) 除了能提供增

32、益外， 半導(dǎo)體放大器在光交換系統(tǒng)中可以作為高速開關(guān)元件使用。 因為半導(dǎo)體在有泵浦時可以產(chǎn)生放大， 而在沒有泵浦時產(chǎn)生吸收。 其運轉(zhuǎn)很簡單， 當提供電流泵浦時信號通過， 而需要信號阻斷時將泵浦源斷開。 通過的信號因半導(dǎo)體中載流子數(shù)反轉(zhuǎn)而得到放大， 而受阻的信號則因半導(dǎo)體沒有達到載流子反轉(zhuǎn)數(shù)而被吸收。 值得注意的是， 只有半導(dǎo)體放大器才能夠完成高速交換， 在光纖放大器中由于載流子壽命太長而難以做到這一點。 第第5 5章章 光放大器光放大器 4. 全光波長變換器AOWC SOA的一個主要應(yīng)用是利用SOA中發(fā)生的交叉增益調(diào)制、 交叉相位調(diào)制和四波混頻效應(yīng)來實現(xiàn)波長轉(zhuǎn)換。 其具體的介紹參見5.9節(jié)相應(yīng)的

33、內(nèi)容。 第第5 5章章 光放大器光放大器 5.7 光放大器的應(yīng)用光放大器的應(yīng)用 光放大器在不同的光纖通信系統(tǒng)中均有應(yīng)用。 圖5.10給出了其四種基本的應(yīng)用。 (1) 在線放大器： 如圖5.10(a)所示， 即用在線放大器代替光電光混合中繼器。 當光纖色散和放大器自發(fā)輻射噪聲累積尚未使系統(tǒng)性能惡化到不能工作時， 這種代替是完全可行的， 特別是對多信道光波系統(tǒng)更有誘惑力， 可以節(jié)約大量的設(shè)備投資。 第第5 5章章 光放大器光放大器 圖5.1 光放大的四種應(yīng)用情形在線放大器； (b) 后置放大器； (c) 前置放大器； (a) (d) 功率補償放大器(a)光 TX光 RXG光纖鏈路光 TX光 RXG

34、(b)(c)(d)光 TX光 RXG光 RX光 RX光 TX光 RXG第第5 5章章 光放大器光放大器 (2) 后置放大器： 如圖5.10(b)所示， 即將光放大器接在光發(fā)送機后， 以提高光發(fā)送機的發(fā)送功率， 增加傳輸距離。 這種放大器又稱為功率放大器。 (3) 前置放大器： 如圖5.10(c)所示, 即將光放大器接在光接收機前， 以提高接收功率和信噪比， 增加通信距離。 第第5 5章章 光放大器光放大器 (4) 功率補償放大器： 如圖5.10(d)所示, 即將光放大器用于補償局域網(wǎng)中的分配損耗， 以增大網(wǎng)絡(luò)節(jié)點數(shù)， 還可以將光放大器用于光子交換系統(tǒng)等多種場合， 這種放大器亦稱為功率放大器。

35、在光波系統(tǒng)中， 不同的應(yīng)用對光放大器有不同的要求。 從四種放大器的性能看， 摻鉺光纖放大器(EDPA)最適合光波通信系統(tǒng)。 第第5 5章章 光放大器光放大器 5.8 光光 纖纖 激激 光光 器器 利用摻雜光纖（如稀土元素的鉺、 鐠等）或光纖中的受激拉曼散射SRA、 受激布里淵散射SBA可制成各種光纖激光器來產(chǎn)生激光。 光纖激光器具有如下優(yōu)點： （1） 進行光放大無需光電轉(zhuǎn)換。 光纖激光器的實質(zhì)是一個波長轉(zhuǎn)換器， 它將泵浦光的波長轉(zhuǎn)換為所需的波長的光信號， 因而不改變原有信號的格式， 可適應(yīng)模擬與數(shù)字傳輸及混合傳輸。 第第5 5章章 光放大器光放大器 （2） 是容易實現(xiàn)低泵浦功率下連續(xù)波（CW）

36、輸出的激光器。 （3） 其本身的圓柱幾何尺寸與光纖易耦合， 輸出光功率很容易耦合到光纖中去。 (4） 與光纖光柵結(jié)合可制成窄線寬、 可調(diào)諧的激光器。 第第5 5章章 光放大器光放大器 （5） 由于其輸出波長由摻雜決定， 因而可選用價格低廉的泵浦激光器， 只需其波長與稀土元素吸收譜相對應(yīng)。 (6） 可以輸出超窄光脈沖， 如數(shù)十、 數(shù)百飛秒（fs）寬度的脈沖， 這種脈沖可用作孤子通信的光源。第第5 5章章 光放大器光放大器 5.8.1 摻鉺光纖激光器 可用于制造光纖激光器的稀土元素有Er3+、 Nd3+等， 其中Er3+的放大帶在1550 nm窗口， Nd3+的放大帶在8500 nm 和1300

37、nm窗口， 它們構(gòu)成的激光器的結(jié)構(gòu)基本相同。 下面主要以摻鉺光纖激光器為例介紹。摻鉺光纖激光器的基本結(jié)構(gòu)包括由一對平面反射鏡構(gòu)成的諧振腔和EDF摻鉺光纖。 第第5 5章章 光放大器光放大器 EDF提供光放大， 諧振腔有選擇性地為輸出波長的激光提供反饋增益來克服腔內(nèi)的光損耗。 實際的激光器的構(gòu)成要復(fù)雜一些， 平面反射鏡構(gòu)成的腔用得也不如環(huán)形腔多。 圖5.11給出了一個實際的摻鉺光纖激光器的結(jié)構(gòu)。 圖中， 光隔離器和濾波器保證光的單向傳輸， 兩束泵浦激光通過WDM耦合器對鉺光纖泵浦。 第第5 5章章 光放大器光放大器 圖 5.11 鉺光纖激光器的結(jié)構(gòu) 泵 浦 激 光鉺 光 纖 EDFW DM耦 合

38、 器泵 浦 激 光W DM耦 合 器偏 振 控 制 器光 濾 波 器輸 出 激 光耦 合 器第第5 5章章 光放大器光放大器 5.8.2 光纖光柵激光器 光纖光柵激光器是光纖通信系統(tǒng)中一種很有前途的光源， 它的優(yōu)點主要有： (1) 半導(dǎo)體激光器的波長較難符合ITU-T建議的WDM波長標準， 且成本很高， 而稀土摻雜光纖光柵激光器利用光纖光柵能非常準確地確定波長， 且成本低； (2) 用作增益的稀土摻雜光纖制作工藝比較成熟； (3) 有可能采用靈巧緊湊且效率高的泵浦源； (4) 光纖光柵激光器具有波導(dǎo)式光纖結(jié)構(gòu)， 可以在光纖芯層產(chǎn)生較高的功率密度； 第第5 5章章 光放大器光放大器 (5) 可以

39、通過摻雜不同的稀土離子， 獲得寬帶的激光輸出， 且波長選擇可調(diào)諧； (6) 高頻調(diào)制下的頻率啁啾效應(yīng)小， 可抗電磁干擾， 溫度膨脹系數(shù)較半導(dǎo)體激光器小。 利用紫外光（UV）光寫入技術(shù)可制作多種光纖光柵， 可使用不同的泵浦源， 實現(xiàn)多種特性的激光器， 如單波長激光器、 多波長激光器。 圖5.12給出了它們的結(jié)構(gòu)。 第第5 5章章 光放大器光放大器 圖 5.12 單/多波長光纖光柵激光器的基本組成 (a) 單波長； (b) 多波長泵浦激光隔離器光柵光柵輸出摻鉺光纖(EDF)泵浦激光隔離器光柵光柵輸出(a)光柵光柵EDFEDF(b)第第5 5章章 光放大器光放大器 5.8.3 光纖受激拉曼和受激布里

40、淵激光器 光纖受激拉曼和受激布里淵激光器利用了光纖中的線性效應(yīng)， 其最大的優(yōu)點是比稀土元素摻雜光纖激光器具有更高的飽和功率和沒有泵浦源的限制。 目前這種技術(shù)還不成熟， 有許多問題需要解決。 第第5 5章章 光放大器光放大器 5.9 光波長變換器光波長變換器 光波長變換技術(shù)是指把輸入波長上載運的信息轉(zhuǎn)移到新的輸出波長上的技術(shù)。 相應(yīng)的器件或裝置稱為波長變換器。 常規(guī)的波長變換技術(shù)是指光電光的轉(zhuǎn)換形式， 如圖5.13所示。 這種變換形式會帶來性能畸變, 低效, 結(jié)構(gòu)不緊湊， 兼容性差等不適應(yīng)高速大容量光纖通信系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)要求的問題。 而全光波長變換技術(shù)能直接把輸入波長的信息轉(zhuǎn)移到輸出波長上， 不必經(jīng)

41、過光電轉(zhuǎn)換，這就有利于避免電速度的“瓶頸”效應(yīng)。 第第5 5章章 光放大器光放大器 圖5.13 常規(guī)的波長變換器 輸 入 波 長i光 檢 測 器放 大 器光 發(fā) 送 (E/O)激 光 器j輸 出 波 長j第第5 5章章 光放大器光放大器 目前， 人們已經(jīng)研制了各種各樣的全光波長變換技術(shù)， 如基于半導(dǎo)體光放大器(SOA)的全光波長變換(AOWC)技術(shù)、 基于半導(dǎo)體激光器的AOWC技術(shù)和基于其他波導(dǎo)介質(zhì)(如光纖、 鈮酸鋰波導(dǎo))的AOWC技術(shù)。 其中， 基于SOA的AOWC技術(shù)是最為成功的波長變換技術(shù)， 它主要利用SOA中的交叉增益調(diào)制(XGM)技術(shù)、 交叉相位調(diào)制(XPM)技術(shù)和四波混頻(FWM)

42、技術(shù)。 第第5 5章章 光放大器光放大器 5.9.1 半導(dǎo)體光放大器(SOA)中的交叉增益調(diào)制(XGM)技術(shù) SOA中的XGM技術(shù)的基本結(jié)構(gòu)及原理分別示于圖5.14(a)和圖5.14(b)。 CW探測波(c)和泵浦波(s)經(jīng)耦合器注入SOA， SOA對入射光功率存在增益飽和特性： 當信號光強度增加時， SOA的增益變小； 第第5 5章章 光放大器光放大器 當信號光強度減弱時， SOA的增益變大。 因而當有調(diào)制信息（“1”或“0”）的泵浦波注入SOA時， 泵浦信號將調(diào)制SOA的載流子密度， 從而調(diào)制增益（“無”或“有”）。 同時， 注入的CW探測波的強度變化也受增益變化影響而按泵浦信號的調(diào)制規(guī)律

43、變化， 用帶通濾波器取出變換后的s信號， 即可實現(xiàn)從p到s的AOWC。 第第5 5章章 光放大器光放大器 圖5.14 SOA-XGM的基本結(jié)構(gòu)和原理 (a) 基本結(jié)構(gòu)； (b) 原理探測光s泵浦光pSOA偏流變換后輸出s濾波器SOA的增益變換輸出輸入光功率(b)(a)第第5 5章章 光放大器光放大器 SOA-XGM方式的主要特點在于有寬的連續(xù)波長變換范圍（約50 nm）， 高的變換效率， 結(jié)構(gòu)簡單。 其主要缺點是， 對于上變換， 消光比變壞， 信號是倒相輸出的， TE模增益比TM模增益高約56 dB， 這會使波長變換性能與輸出信號偏振態(tài)相關(guān)。 同時也存在一些技術(shù)可以改善這些不足。 第第5 5章章 光放大器光放大器 5.9.2 半導(dǎo)體光放大器中的交叉相位調(diào)制（XPM）技術(shù) 當泵浦光入射到SOA中時， 載流子的變化將引起SOA兩方面的變化： 一是SOA增益的變化； 二是SOA折射率的變化。 根據(jù)SOA中增益變化的原理， 人們制成了基于SOA中XGM型的全光波長變換器。 根據(jù)泵浦光造成的SOA中折射率變化的原理， 人們制成了基于SOA中交叉相位調(diào)制(XPM)的全光波長變換器。 如圖5.15所示， SOA1和SOA2被放置在MZI干涉儀的兩個臂上， 造成兩臂的相位差不相同。