光纖通信技術(shù)第六章光通信中的光放大器 (1)

1、6.1 光放大器光放大器 6.2 半導(dǎo)體激光放大器（半導(dǎo)體激光放大器（SOA）6.3 摻鉺光纖放大器摻鉺光纖放大器6.4 光纖喇曼放大器光纖喇曼放大器6.5 放大器的應(yīng)用放大器的應(yīng)用第六章第六章 光纖通信中的光放大器光纖通信中的光放大器 本章簡(jiǎn)介本章簡(jiǎn)介 光放大器是可將微弱光信號(hào)直接進(jìn)行光放大的器件，它的出現(xiàn)使光纖通信技術(shù)產(chǎn)生了質(zhì)的飛躍。本章根據(jù)光放大器的分類(lèi)主要介紹了SOA放大器、摻雜光纖放大器和拉曼光纖放大器這三種光放大器的工作原理、組成結(jié)構(gòu)、評(píng)價(jià)指標(biāo)以及應(yīng)用等內(nèi)容。光放大器的誕生從線路上解決了光纖通信的無(wú)電再生中繼問(wèn)題，它為實(shí)現(xiàn)光纖通信系統(tǒng)的全光化奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。6.1光放大器光放大器

2、 光放大器的發(fā)展最早可追溯到1923年A斯梅爾卡預(yù)示的自發(fā)喇曼散射，而后，科學(xué)家在半個(gè)世紀(jì)的時(shí)間里做了大量研究。1987年英國(guó)南安普敦大學(xué)和美國(guó)AT&T 貝爾實(shí)驗(yàn)室報(bào)道了離子態(tài)的稀土元素鉺在光纖中可以提供1.55m波長(zhǎng)處的光增益，這標(biāo)志著摻鉺光纖放大器（EDFA）的研究取得突破性進(jìn)展。1989年現(xiàn)安捷倫科技有限公司制成首件半導(dǎo)體光放大器（Semi-conductor Optical Amplifier，SOA）產(chǎn)品。 在1999年10月舉辦的日內(nèi)瓦電信展覽會(huì)上，朗訊公司展示了一種喇曼放大系統(tǒng)。2001年光纖喇曼放大器（Fiber Raman Amplifier，F(xiàn)RA）得以更廣泛的應(yīng)用。目前，

3、光放大器在光纖通信系統(tǒng)最重要的應(yīng)用就是促使了波分復(fù)用技術(shù)（Wavelength Division Multiplexing,WDM）走向?qū)嵱没?.1.1 光放大器的概念光放大器的概念 光纖的損耗和色散限制了光纖的傳輸距離，延長(zhǎng)通信距離的方法是采用中繼器，中繼器的放大過(guò)程較為復(fù)雜，它是將輸入的光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，在電信號(hào)上進(jìn)行放大、再生、再定時(shí)等處理后，再將經(jīng)處理后的電信號(hào)轉(zhuǎn)換為光信號(hào)經(jīng)光纖傳送出去，這種中繼方式稱(chēng)為光/電/光中繼方式。 光/電/光中繼器需要光接收機(jī)和光發(fā)送機(jī)來(lái)分別完成光電變換和電光變換，其設(shè)備復(fù)雜，維護(hù)不便。隨著光纖通信的速率不斷提高，這種光電光中繼器的成本也隨之提高，使得光

4、纖通信系統(tǒng)的成本增加，性?xún)r(jià)比下降。 光放大器是可將光纖線路上微弱的光信號(hào)直接放大的器件，它的出現(xiàn)免去了光在放大時(shí)必須經(jīng)過(guò)的光/電/光轉(zhuǎn)換，使光纖通信技術(shù)產(chǎn)生了質(zhì)的飛躍。 光放大器是基于受激輻射或受激散射的原理來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)微弱入射光進(jìn)行放大的，其機(jī)制與激光器類(lèi)似。當(dāng)光介質(zhì)在泵浦電流或泵浦光作用下產(chǎn)生粒子數(shù)反轉(zhuǎn)時(shí)就獲得了光增益。 受激輻射和受激散射光放大器的通用結(jié)構(gòu)和基本原理如圖6-1所示圖6.1 光放大器的通用結(jié)構(gòu) 光放大器是不依賴(lài)比特率和調(diào)制方式的。這樣就使得系統(tǒng)即使在使用了放大器的情況下也可以很容易地升級(jí)到更高的速率或者變換信號(hào)的調(diào)制方式。此外，光放大器具有一個(gè)很寬的增益帶寬，這就保證能夠一次放

5、大整個(gè)DWDM 的頻譜，結(jié)果是極大地降低了長(zhǎng)距離傳輸中的設(shè)備需求數(shù)量。6.1.2 光放大器的分類(lèi)光放大器的分類(lèi) 光放大器可以分為半導(dǎo)體光放大器（SOA）、有源光纖或摻雜光纖放大器（DFA）和拉曼放大器（FRA）三種主要類(lèi)型。所有的放大器都是通過(guò)受激輻射或光功率轉(zhuǎn)移過(guò)程來(lái)實(shí)現(xiàn)入射光功率放大的。 （1）半導(dǎo)體光放大器（）半導(dǎo)體光放大器（SOA） SOA又稱(chēng)作半導(dǎo)體激光放大器（Semiconductor Laser Amplifier，SLA），它由半導(dǎo)體材料制成，和半導(dǎo)體激光器（LD）一樣都是基于光的受激輻射和放大。事實(shí)上，激光器（Laser）的原意就是受激輻射引起的光放大（Laser Ampli

6、fication by Stimulated Emission of Radiation），該名稱(chēng)強(qiáng)調(diào)的是激光材料中由于粒子數(shù)反轉(zhuǎn)產(chǎn)生的受激輻射可以引起光放大。 光放大器的結(jié)構(gòu)與激光器很相似，但它沒(méi)有反饋機(jī)制，而反饋機(jī)制對(duì)于發(fā)射激光是必要的，足夠大的反饋可能引起自激振蕩，即受激輻射所需的初始注入光子可以從LD內(nèi)部產(chǎn)生，例如內(nèi)部的光噪聲；而SOA不能產(chǎn)生自激振蕩，因而受激輻射所需的初始注入光子必須由外部注入，即需要輸入光，因此，光放大器可以放大輸入信號(hào)，但本身不產(chǎn)生相干的光輸出，僅就是對(duì)輸入光進(jìn)行放大。（2）有源光纖或摻雜光纖放大（）有源光纖或摻雜光纖放大（DFA） 有源光纖放大器的有源媒體是稀

7、土族元素（如Er、Pr、Tm、Nd 等），它摻雜在光纖的玻璃基體中，所以也稱(chēng)作摻雜光纖放大器（DFA）。DFA是利用光纖中摻雜稀土元素引起的增益機(jī)制實(shí)現(xiàn)光放大的。 光纖通信系統(tǒng)最適合的摻雜光纖放大器是工作波長(zhǎng)為1550nm摻鉺光纖放大器（EDFA）和工作波長(zhǎng)為1310nm的摻鐠光纖放大器（PDFA）。用于1310nm窗口的PDFA，因受氟化物光纖制作困難和氟化物光纖特性的限制，機(jī)械強(qiáng)度較差，與常規(guī)光纖的熔接較為困難，究進(jìn)展比較緩慢，尚未獲得廣泛應(yīng)用。 目前在線路中使用的光放大技術(shù)主要是采用EDFA，EDFA 屬于摻雜稀有元素的光纖放大器家族中的一種，此外其他可能的摻雜元素還包括釹（通常用于高功

8、率的激光器）和鐿（它們通常和鉺一起混合用）等元素。目前已經(jīng)商品化并獲得大量應(yīng)用的是EDFA。（3）拉曼放大器（）拉曼放大器（FRA） FRA的工作原理是基于受激拉曼散射（SRS）的非線性效應(yīng)，在光纖中光功率較高時(shí)就會(huì)產(chǎn)生受激拉曼散射。FRA利用強(qiáng)的光源對(duì)光纖進(jìn)行激發(fā)，使光纖產(chǎn)生非線性效應(yīng)，在受激發(fā)的一段光纖的傳輸過(guò)程中得到放大。它的主要缺點(diǎn)是需要大功率的半導(dǎo)體激光器做泵浦源（約0.5-1w），因而其實(shí)用化受到了一定的限制。6.1.3 光放大器的主要指標(biāo)光放大器的主要指標(biāo) 光放大器工作性能的主要指標(biāo)有放大器的增益系數(shù)與增益帶寬、放大器的增益與帶寬，飽和輸出功率和放大器噪聲。1. 增益系數(shù)與增益帶

9、寬增益系數(shù)與增益帶寬 （1）增益系數(shù)）增益系數(shù) 在泵浦源的激勵(lì)下，媒質(zhì)的外層電子吸收一定的能量后基態(tài)（能級(jí)1）躍遷到高能態(tài)（能級(jí)3）。在高能態(tài)上的電子極不穩(wěn)定，會(huì)快速到達(dá)能量較低的激發(fā)態(tài)（能級(jí)2）。 如圖6.2所示，在一定的條件下，處于激發(fā)態(tài)的電子在入射光的作用下發(fā)生受激輻射后又回到基態(tài)。根據(jù)能量守恒定律，受激輻射過(guò)程所產(chǎn)生的光子能量應(yīng)該等于電子處于激發(fā)態(tài)和基態(tài)時(shí)的能量之差。如果所產(chǎn)生的光子能量與入射光子能量一致，則入射光被放大，這就是光放大器的工作原理。圖6.2 三能級(jí)泵浦結(jié)構(gòu) 如圖6.2所示，在一定的條件下，處于激發(fā)態(tài)的電子在入射光的作用下發(fā)生受激輻射后又回到基態(tài)。根據(jù)能量守恒定律，受激輻

10、射過(guò)程所產(chǎn)生的光子能量應(yīng)該等于電子處于激發(fā)態(tài)和基態(tài)時(shí)的能量之差。如果所產(chǎn)生的光子能量與入射光子能量一致，則入射光被放大，這就是光放大器的工作原理。 光增益不僅與入射光頻率（或波長(zhǎng)）有關(guān)，也與放大器內(nèi)部光束強(qiáng)度有關(guān)。光增益與頻率和強(qiáng)度的具體關(guān)系取決于放大器增益介質(zhì)的特性。 由激光原理可知，對(duì)于均勻展寬二能級(jí)系統(tǒng)模型，其增益系數(shù)為02202( )1()/sggTP P（6.1） 當(dāng)放大器的輸出功率遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于飽和功率時(shí)，即放大器工作在小信號(hào)狀態(tài)時(shí)，式（6.1）中的 項(xiàng)可忽略，增益系數(shù)簡(jiǎn)化為 式（6.2）表明，當(dāng)信號(hào)光頻率 與原子躍遷頻率 相同時(shí)，增益達(dá)到最大；當(dāng) 時(shí)，增益按照洛倫茲曲線下降，即 偏離

11、越遠(yuǎn)，則增益越小。/sP P02202( )1 ()ggT（6.2）000（2）增益帶寬）增益帶寬 增益帶寬定義為增益譜的半高全（FWHM）圖6.3 增益帶寬示意圖對(duì)于洛倫茲分布的增益譜，增益帶寬為22/gT（6.3）或212ggT（6.4）2. 放大器增益與帶寬放大器增益與帶寬（1）放大器增益）放大器增益 放大器的增益（放大倍數(shù)）G定義為 為放大器的輸入光功率， 為放大器的輸出光功率。 0iPGP（6.5）iP0P 放大器增益與增益系數(shù)有關(guān)，在沿光纖方向上，增益系數(shù)和光纖中摻雜的濃度有關(guān)，還和該處信號(hào)光與泵浦光的功率有關(guān)，所以放大器增益應(yīng)該是沿長(zhǎng)度的函數(shù)。 放大器增益與放大器增益系數(shù)之間的關(guān)

12、系為 L為放大器的長(zhǎng)度。由此可看出，放大器的增益也與信號(hào)頻率有關(guān)，當(dāng) 時(shí)，放大器增益最大；當(dāng)出現(xiàn)失諧時(shí)， ，放大器增益將減小。0( )exp ( ) GgL（6.6）00（2）放大器帶寬）放大器帶寬 人們理想的放大器增益應(yīng)在很寬的頻帶內(nèi)與波長(zhǎng)無(wú)關(guān)，這樣在配有放大器的系統(tǒng)中可放寬單個(gè)信道上載波波長(zhǎng)的選擇容限，也可在不降低系統(tǒng)性能的情況下，極大地增加WDM系統(tǒng)的信道個(gè)數(shù)。 但實(shí)際中的放大器都具有一定的工作頻率范圍。放大器的帶寬 定義為放大器增益 的半高全寬，它與增益帶寬 的關(guān)系為 由于 與 成指數(shù)關(guān)系，所以 小于 ，具體的差值與放大器的增益有關(guān)。a( )Gg0ln2()ln2agg L （6.7）

13、( )G( )gag3. 飽和輸出功率飽和輸出功率 在式（6.1）中，當(dāng) 增大至可與 相比擬時(shí)， 降低， 也降低，這種現(xiàn)象叫做增益飽和。通常定義放大器增益降G至最大信號(hào)增益 的一半時(shí)的輸出功率為放大器的飽和輸出功率，用 表示。 PsP( )g( )G0GsoutP 放大器的飽和輸出功率與增益介質(zhì)的飽和功率的關(guān)系為 在一般情況下， ，所以 00ln22soutsGPPG（6.8）02G(ln2)0.69soutssPPP4. 放大器噪聲放大器噪聲 光纖放大器的噪聲主要來(lái)自于自發(fā)輻射。在激光器中，自發(fā)輻射是產(chǎn)生激光振蕩比不可少的條件，而在放大器中，自發(fā)輻射確實(shí)噪聲的主要來(lái)源，它與被放大的信號(hào)光在光

14、纖中一起傳輸、放大到達(dá)接收端，因而降低了信號(hào)光的信噪比(SNR)。 放大器的噪聲系數(shù)可用來(lái)表征自發(fā)輻射對(duì)信噪比帶來(lái)的影響，它定義為輸入信噪比與輸出信噪比的比值，可表示為()()innoutSNRFSNR（6.9） 即使是理想的放大器，輸入信號(hào)的 也被降低一倍（3db），實(shí)際放大器的 都超過(guò)3db，有些放大器的 達(dá)到6-8db。從光纖應(yīng)用的角度來(lái)說(shuō)，光放大器的 應(yīng)越低越好，因?yàn)樗枪饫w通信系統(tǒng)中繼距離的重要限制因素。()inSNRnFnFnF6.2 半導(dǎo)體激光放大器半導(dǎo)體激光放大器(SOA) 半導(dǎo)體激光放大器是一種重要的光放大器，其結(jié)構(gòu)類(lèi)似于激光器，本質(zhì)是工作在閾值以下的InGaAsP激光器。S

15、OA的增益峰值可通過(guò)改變激活I(lǐng)nGaAsP材料的成分，從O波段的1280nm到U波段的1650nm范圍內(nèi)任意窄波長(zhǎng)通帶內(nèi)選擇。6.2.1 SOA的工作原理的工作原理 半導(dǎo)體光放大器SOA分為法布里-玻羅放大器FPA（Fabry-Perot Amplifier）和行波放大器TWA（Travellig-Wave Amplifier）兩大類(lèi)。 法布里-玻羅放大器FPA兩側(cè)有部分反射鏡面，它是由半導(dǎo)體晶體的解理面形成的，兩端面的解理面構(gòu)成較強(qiáng)的反饋，其自然反射率達(dá)32%。 如圖6.4所示，當(dāng)信號(hào)光進(jìn)入腔體后，在兩個(gè)鏡面間來(lái)回反射并被放大，最后以較高的強(qiáng)度發(fā)射出去。這種放大器受F-P腔的多次反射效應(yīng)影響

16、嚴(yán)重，所以也稱(chēng)為F-P型放大器。圖6.4 法布里-玻羅放大器 如圖6.5，行波放大器TWA在兩個(gè)端面上鍍有增透膜，大大降低了端面的反射系數(shù)，或者存在適當(dāng)?shù)那忻娼嵌龋圆粫?huì)發(fā)生內(nèi)反射，入射光信號(hào)只要通過(guò)一次就會(huì)得到放大。TWA的光帶寬較寬，飽和功率高，偏振靈敏度低，所以用途比FPA更廣泛。圖6.5 行波放大器6.2.2 SOA的特性的特性l信號(hào)放大特性信號(hào)放大特性半導(dǎo)體光放大器的增益 可表示為 與 表示腔體解理面反射率， 為腔體諧振頻率； 為縱模間距（也稱(chēng)F-P腔的自由譜寬）。 表示光波只傳播一次的單程增益。它可由式（6.6）計(jì)算得到。( )FPAG12221212(1)(1) ( )( )(

17、)(1( )4( )sinFPAmLRR GGR R GR R Gv （6.10）1R2RmLv( )G 當(dāng)入射光的頻率 與F-P腔的一個(gè)諧振頻率 相等時(shí)，增益達(dá)到峰值。當(dāng)入射光的頻率偏離 時(shí)增益下降。當(dāng) 時(shí)，可計(jì)算出峰值增益與最小增益分別為mm12RRR2max2(1)( )( )(1( )FPAR GGRG2min2(1)( )( )(1( )FPARGGRG（6.11）（6.12） SOA的增益頻譜是一條振蕩的曲線。在處，增益最大。隨著反射系數(shù)的降低，增益峰值降低，增益振蕩幅度逐漸減小。當(dāng) 時(shí)，增益曲線就變成了行波放大器的增益曲線，且是高斯型曲線。m0R 2. 放大器的帶寬放大器的帶寬

18、放大器帶寬由腔體諧振曲線形狀決定。定義增益減小到峰值增益的一半（3dB）所對(duì)應(yīng)的半高全寬就是放大器的帶寬1211/21221sin4LFPAvG R RvG R R（）（6.13） 為了獲得較大的增益， 應(yīng)盡量接近于1。但由式（6.13）可知，此時(shí)放大器帶寬非常小，只有F-P腔自由譜寬 很小的一部分，因而不適合光纖通信系統(tǒng)中的信號(hào)放大，因此，這類(lèi)F-P放大器只在一些信號(hào)處理應(yīng)用中使用。12G R RLv 當(dāng) 0.17時(shí)，半導(dǎo)體光放大器的特性可以由行波放大器來(lái)描述，從而獲得較大的帶寬，但是，減小端面反射會(huì)存在技術(shù)上的問(wèn)題。為此，人們通過(guò)一些途徑來(lái)減小反饋。12GR R 一種方法是條狀有源區(qū)與正常

19、的解理面傾斜，其結(jié)構(gòu)如圖6.6（a）所示。在這種結(jié)構(gòu)中，有源區(qū)端面具有一定的角度，因而反射得到降低，采用這種角度端面結(jié)構(gòu)與鍍制增透膜相結(jié)合的方法，很容易就可以實(shí)現(xiàn)反率 4010spNRnNN（a）圖6.6 行波放大器的兩種結(jié)構(gòu) 另外一種方法是在有源層端面和解理面之間插入透明窗口區(qū)，其結(jié)構(gòu)如圖6.6（b）所示。在這種結(jié)構(gòu)中，有源區(qū)與端面之間有一個(gè)透明區(qū)，來(lái)自有源區(qū)的光束在經(jīng)端面反射之前發(fā)生發(fā)散，反射之后發(fā)散更嚴(yán)重，所以只有極少部分的光返回到有源區(qū)中，這種結(jié)構(gòu)與鍍膜相結(jié)合，也可以使端面反射率降低至 。410(b)圖6.6 行波放大器的兩種結(jié)構(gòu)3. 噪聲特性噪聲特性 由前面的知識(shí)我們可以知道，噪聲系

20、數(shù)主要取決于自發(fā)輻射，它與粒子數(shù)反轉(zhuǎn)因子 （或稱(chēng)為自發(fā)輻射因子）有關(guān)， 可表示為自發(fā)輻射率對(duì)凈激發(fā)輻射率之比 表示SOA的基態(tài)粒子數(shù)濃度，N表示激發(fā)態(tài)的粒子數(shù)濃度。spnspn0spNnNN（6.14）0N 噪聲系數(shù)的另一個(gè)影響來(lái)自放大器內(nèi)部的非輻射損耗 （即自由載流子吸收或散射損耗），使得可用增益減小到g- 。 考慮到上述這些因素后，放大器的噪聲系數(shù)可以表示為 SOA噪聲指數(shù)的典型值為5-7dB。02()()nNgFNNg（6.15） 由于放大器端面剩余反射率的存在，它會(huì)使噪聲系數(shù)增加到（1+ ）倍，式中 是輸入解理面反射系數(shù)。大多數(shù)行波放大器 ，所以對(duì)噪聲系數(shù)的影響可以忽略。1RG1R11

21、RG4. 信道間串?dāng)_信道間串?dāng)_ 光放大器的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)就是可以同時(shí)對(duì)多信道復(fù)用的信號(hào)進(jìn)行放大，只要信道的載頻位于放大器的帶寬以?xún)?nèi)。在理想的情況下，放大器對(duì)每一信道的信號(hào)增益應(yīng)該是相等的，但實(shí)際上由于SOA內(nèi)存在一些非線性效應(yīng)，例如交叉飽和、四波混頻等使信道之間發(fā)生串?dāng)_，在光纖通信系統(tǒng)中應(yīng)盡量減小這種串?dāng)_。在多信道放大情況下，信道功率可表示為： 表示組合共軛項(xiàng)，M表示信道數(shù)， 和 分別表示第j信道的復(fù)振幅和頻率。 11exp().2MjjjPAjtC C（6.16）.C CjAj 由于多個(gè)不同信道場(chǎng)的相干迭加，式（6.16）表示的光功率包含與時(shí)間相關(guān)的由不同信道差頻決定的分量，即112cos()MM

22、MjjkjkjkjjkjPPP Pt (6.17)exp()jjjAPijkjk 由于增益和折射率均與載流子濃度N有關(guān)，它們?cè)?頻率點(diǎn)也被調(diào)制。在多信道信號(hào)被同時(shí)放大時(shí)，產(chǎn)生了不希望有的附加增益和折射率指數(shù)光柵。這種光柵引起一個(gè)信道信號(hào)的一部分能量散射到另一個(gè)信道而產(chǎn)生信道串?dāng)_，從而使接收機(jī)SNR下降。 jk SOA存在噪聲大、增益小、對(duì)串?dāng)_和偏振敏感、與光纖耦合損耗大以及工作穩(wěn)定性較差等缺陷，其性能與摻鉺光纖放大器仍有較大的差距，因此，SOA僅在EDFA不能工作的1310nm波段作光放大使用。 但是，SOA在DWDM多波長(zhǎng)光纖通信系統(tǒng)中無(wú)需增益鎖定，還可作為波長(zhǎng)路由器中的波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換和快速交換器

23、件使用，可促成1310nm窗口DWDM系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)。在OTDM中，SOA也可以用作時(shí)鐘恢復(fù)和解復(fù)用器的非線性器件。6.3 摻鉺光纖放大器摻鉺光纖放大器(EDFA) 在EDFA誕生以前，已經(jīng)有了光纖喇曼放大器（FRA）和半導(dǎo)體光放大器（SOA），到20世紀(jì)80年代中期，這幾項(xiàng)技術(shù)已經(jīng)比較成熟。但是，由于自身的一些缺陷，它們?cè)诠饫w通信系統(tǒng)中的應(yīng)用并不令人滿意。EDFA是將摻鉺光纖在泵浦源的作用下，對(duì)某些波長(zhǎng)的信號(hào)光進(jìn)行放大的摻雜型光纖放大器，放大器的增益特性和工作波長(zhǎng)由摻雜粒子決定。 這種摻雜光纖放大器是利用光纖中摻雜稀土離子引起的增益機(jī)制實(shí)現(xiàn)光放大的。許多稀土離子都可被用作摻雜劑而構(gòu)成摻雜光纖放大

24、器，研究的最多的是摻雜 、 （用于1310nm波長(zhǎng)放大）和摻雜 （用于1550nm波長(zhǎng)放大）的光纖放大器，其中尤以摻雜 光纖放大器最為成熟，且在1990年實(shí)現(xiàn)商用化。3dN3rP3rE3rE6.3.1 EDFA的工作原理的工作原理 半導(dǎo)體光放大器利用外部注入電流來(lái)激活電子，使之到達(dá)較高能級(jí)。光纖放大器使用光泵浦來(lái)達(dá)到同一目的，在這個(gè)過(guò)程中，光子直接激勵(lì)電子使其達(dá)到激發(fā)態(tài)。光泵浦過(guò)程需要使用三個(gè)或更多能級(jí)，將電子抽運(yùn)到的頂層能級(jí)一定要在受激輻射能級(jí)之上。 電子到達(dá)激發(fā)態(tài)后，會(huì)釋放一些能量會(huì)很快弛豫到受激輻射能級(jí)，在這個(gè)能級(jí)上，信號(hào)光子觸發(fā)它產(chǎn)生受激輻射，以產(chǎn)生新光子的形式釋放剩余的能量，新光子的

25、波長(zhǎng)等于信號(hào)光的波長(zhǎng)。由于泵浦光能量高于信號(hào)光能量，多以泵浦光波長(zhǎng)比信號(hào)波長(zhǎng)要短一些。 為了對(duì)EDFA的工作過(guò)程有個(gè)直觀的了解，先分析一下餌離子的能級(jí)結(jié)構(gòu)圖。鉺（Er）是一種稀土元素（屬于鑭系元素），原子序數(shù)是68 ，原子量為167.3 。EDFA利用了鑭系元素的4f 能級(jí)，圖6.7 是餌離子的能級(jí)圖。 4I9/2 4I11/2 4I13/2 4I15/2 980nm 1480nm 800nm 1530nm 圖6.7 能級(jí)示意圖 摻鉺光纖中，由于石英基質(zhì)的作用，4f 的每一個(gè)能級(jí)分裂成一個(gè)能帶。圖中，4I15/2能帶稱(chēng)為基態(tài)；4I13/2能帶稱(chēng)為亞穩(wěn)態(tài)，在亞穩(wěn)態(tài)上粒子的平均壽命時(shí)間達(dá)到10ms

26、 ；4I11/2能帶稱(chēng)為泵浦態(tài)，粒子在泵浦態(tài)上的平均壽命為1s 。 由于980nm和1480nm大功率半導(dǎo)體激光器已完全商用化，并且泵浦效率高于其他波長(zhǎng)，故得到最廣泛的應(yīng)用。用1480nm 泵浦源時(shí)泵浦效率高，可以獲得較大的輸出功率；采用980nm泵浦源時(shí)雖然泵浦效率較低，但它引入的噪聲小，可以得到好的噪聲系數(shù)。 EDFA的工作機(jī)理基于受激輻射，需要產(chǎn)生高能級(jí)與低能級(jí)之間的粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。鉺離子吸收泵浦光的能量，由基態(tài)躍遷至處于高能級(jí)的泵浦態(tài)。對(duì)于不同的泵浦波長(zhǎng)，電子躍遷至不同的能級(jí)。 如圖6.8所示，當(dāng)用980 nm 波長(zhǎng)的光泵浦時(shí)，從基態(tài)躍遷至泵浦態(tài)，由于泵浦態(tài)上載流子的壽命時(shí)間只有1s ，電

27、子以非輻射方式由泵浦態(tài)迅速豫馳至亞穩(wěn)態(tài)。在亞穩(wěn)態(tài)上載流子有較長(zhǎng)的壽命（10ms） ，在源源不斷的泵浦下，亞穩(wěn)態(tài)上的粒子數(shù)積累，從而實(shí)現(xiàn)了亞穩(wěn)態(tài)和基態(tài)間的粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布。 當(dāng)有1.55m 信號(hào)光通過(guò)已被激活的摻鉺光纖時(shí)，在信號(hào)光的感應(yīng)下，亞穩(wěn)態(tài)上的粒子以受激輻射的方式躍遷到基態(tài)。對(duì)應(yīng)于每一次躍遷，都產(chǎn)生一個(gè)與感應(yīng)光子完全一樣的光子，從而實(shí)現(xiàn)了信號(hào)光在摻鉺光纖的傳播過(guò)程中的不斷放大。 在放大過(guò)程中，亞穩(wěn)態(tài)的粒子也會(huì)以自發(fā)輻射的方式躍遷到基態(tài)，自發(fā)輻射產(chǎn)生的光子也會(huì)被放大，這種放大的自發(fā)輻射（ASE ：Amplified Spontaneous Emission）會(huì)消耗泵浦功率并引入噪聲。 泵浦光9

28、80 nm能 級(jí) 1 （0ev）sp=1s泵浦光1480 nm受激輻射信號(hào)光（15001600 nm）自發(fā)輻射光（15001600 nm）ASE能級(jí)2（0.80ev）能級(jí)3（1.27ev）sp=10ms圖6.8EDFA的工作原理圖 如圖6.8所示，當(dāng)采用1480nm波長(zhǎng)泵浦源時(shí)，它可以直接鉺離子將從能級(jí)1激發(fā)到能級(jí)2上去實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，而不需像980nm泵浦源要先將鉺離子抽運(yùn)到能級(jí)3后，再自發(fā)輻射到亞穩(wěn)態(tài)能級(jí)2上。 當(dāng)能量相當(dāng)于從基態(tài)到亞穩(wěn)態(tài)間帶隙能量的信號(hào)光子流通過(guò)摻鉺光纖放大器時(shí)，會(huì)產(chǎn)生兩種類(lèi)型的躍遷。第一，處在基態(tài)的離子將吸收一小部分外部光子躍遷到亞穩(wěn)態(tài)；第二，在受激輻射過(guò)程中，信號(hào)光子

29、觸發(fā)激發(fā)態(tài)離子下降到基態(tài)，從而發(fā)射出一個(gè)與輸入信號(hào)光子具有相同能量、相同波矢量以及相同偏振態(tài)的新光子。 根據(jù)摻鉺光纖的能級(jí)特點(diǎn)，EDFA的泵浦波長(zhǎng)有1.48m、0.98m、0.807m、0.655m和0.514m。選用哪個(gè)波長(zhǎng)取決于泵浦波長(zhǎng)的泵浦效率和光源是否容易獲取。 所謂泵浦效率，是指放大器增益與泵浦功率之比。泵浦效率高，說(shuō)明泵浦光功率的轉(zhuǎn)換效率高。在這些泵浦波長(zhǎng)中，0.98m泵浦效率最高，其次是1.48m。由于1.48m的大功率泵浦源最先研制成功，因此早期的EDFA產(chǎn)品普遍使用1.48泵浦源。 目前，0.98m泵浦源已經(jīng)研制成功，在新的EDFA產(chǎn)品中逐步取代1.48m泵浦源。使用這兩種波

30、長(zhǎng)的光泵浦EDFA時(shí)，只用幾毫瓦的泵浦功率就可獲得高達(dá)30-40dB的放大器增益。6.3.2 EDFA的結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu) EDFA 主要由摻鉺光纖(EDF)、泵浦光源、耦合器、光隔離器及光濾波器組成。光耦合器的作用是將信號(hào)光和泵浦光復(fù)合在一起，注入到摻鉺光纖中，一般采用波分復(fù)用器來(lái)實(shí)現(xiàn)。 摻鉺光纖是一段長(zhǎng)度大約為10-100m的石英光纖，將稀土鉺離子注入到纖芯中，濃度約為25mg/kg。泵浦光源為半導(dǎo)體激光器，輸出光功率約為10-100mw，工作波長(zhǎng)約為0.98m。光隔離器是用來(lái)抑制光反射，防止光放大器自激，確保工作穩(wěn)定。 光濾波器的作用濾除光放大器的噪聲，降低噪聲對(duì)系統(tǒng)的影響，提高系統(tǒng)的信噪比。當(dāng)

31、較弱的信號(hào)光與較強(qiáng)的泵浦光一起輸入EDF時(shí)，泵浦光激活EDF中的鉺離子，躍遷到高能級(jí)態(tài)；在信號(hào)光的誘導(dǎo)下，受激輻射，躍遷到基態(tài)，產(chǎn)生與信號(hào)光相同的光子，實(shí)現(xiàn)輸入信號(hào)光的放大。 EDFA的結(jié)構(gòu)由于采用的泵浦方式不同而有三種，它們分別稱(chēng)為前向泵浦方式、反向泵浦方式和雙向泵浦方式。 在前向泵浦結(jié)構(gòu)中，泵浦光與信號(hào)光從同一端注入摻鉺光纖，在摻鉺光纖的輸入端，泵浦光較強(qiáng)，粒子反轉(zhuǎn)激勵(lì)也強(qiáng)，其增益系數(shù)大，信號(hào)一進(jìn)入光纖即得到了較強(qiáng)的放大。但由于吸收，泵浦光將沿著光纖長(zhǎng)度衰減，這會(huì)使在一定的光纖長(zhǎng)度上，因而達(dá)到增益飽和而使噪聲增加。 信號(hào)光 耦合器 光隔離器 摻鉺光纖 光隔離器 光濾波器 輸出光 泵浦光 前

32、向泵浦方式 在反向泵浦結(jié)構(gòu)中，泵浦光與信號(hào)光從不同的方向輸入摻雜光纖，兩者下?lián)姐s光纖中方向傳輸，當(dāng)光信號(hào)放大到很強(qiáng)時(shí)，泵浦光也很強(qiáng)，不易達(dá)到飽和噪聲性能較好。 信號(hào)光 耦合器 光隔離器 EDF 光隔離器 光濾波器 輸出光 泵浦光 反向泵浦方式 為了使摻鉺光纖中的餌離子能夠得到充分的激勵(lì)，必須提高泵浦功率。可采用多個(gè)泵浦源從多個(gè)方向激勵(lì)光纖，幾個(gè)泵浦源可部分前向泵浦，部分后向泵浦，這種泵浦方式稱(chēng)為雙向泵浦。 信號(hào)光 耦合器 光隔離器 EDF 光隔離器 光濾波器 輸出光 泵浦光 泵浦光 耦合器 雙向泵浦方式 雙向泵浦方式結(jié)合了同向泵浦和反向泵浦的優(yōu)點(diǎn)，使泵浦光在光纖中均勻分布，從而使增益在光纖中均

33、勻分布。 從輸出功率上來(lái)看，單泵浦的的輸出功率可達(dá)14dBm，而雙泵浦的輸出功率可17dBm。 三種泵浦結(jié)構(gòu)的性能比較可參考表6.1。表6.1 三種泵浦方式的摻鉺光纖放大器性能比較6.3.3 EDFA的主要指標(biāo)的主要指標(biāo) EDFA的性能可用增益特性、增益飽和特性與噪聲特性三個(gè)主要指標(biāo)來(lái)反映。1. 增益特性增益特性 功率增益反映摻鉺光纖放大器的放大能力，功率增益系數(shù)定義為輸出信號(hào)光功率與輸入信號(hào)光功率的比值，G的大小與泵浦功率、光纖長(zhǎng)度、餌離子濃度等因素有關(guān)，一般以分貝（dB）來(lái)表示，即10lg()outinPGdBP（6.18） 對(duì)于一定的摻鉺光纖長(zhǎng)度，只要泵浦功率達(dá)到某一值時(shí)，就可將大部分的

34、餌離子泵浦到高能級(jí)上，G也會(huì)隨泵浦功率的增長(zhǎng)按指數(shù)增長(zhǎng)，由于餌離子數(shù)目是有限的，當(dāng)泵浦功率超過(guò)某一值時(shí)，增長(zhǎng)就會(huì)變得緩慢，并趨于一恒定值，此后再增加泵浦功率不能再使增益增大。 圖6.10表示了不同長(zhǎng)度的放大器增益隨泵浦功率的變化情況。圖6.10 放大器增益與泵浦功率的關(guān)系 對(duì)于一定的泵浦功率，當(dāng)光線長(zhǎng)度較短時(shí)，增益增加很快；當(dāng)超過(guò)某一長(zhǎng)度后，增益反而下降。這是因?yàn)殡S著長(zhǎng)度的增加，光纖中的泵浦光功率下降，而且摻鉺光纖受到較大的吸收衰減，從而導(dǎo)致增益系數(shù)下降。 圖6.11表示了不同泵浦功率下，放大器增益與放大器長(zhǎng)度的關(guān)系。當(dāng)光線達(dá)到某一長(zhǎng)度時(shí)可獲得最大增益，這個(gè)長(zhǎng)度稱(chēng)為最佳增益長(zhǎng)度。圖6.11 摻

35、鉺光纖長(zhǎng)度與泵浦功率的關(guān)系 在設(shè)計(jì)EDFA時(shí)，要在摻鉺光纖結(jié)構(gòu)參數(shù)的基礎(chǔ)上，選擇合適的泵浦功率和最佳常速，以使放大器工作在最佳長(zhǎng)度。例如采用1.480m的泵浦光源時(shí)，當(dāng)泵浦功率為5mw時(shí)，摻鉺光纖長(zhǎng)度為30m時(shí)，可獲得35dB增益；采用1.5m的泵浦光源時(shí)，當(dāng)泵浦功率為5mw時(shí)，摻鉺光纖長(zhǎng)度為30m時(shí)，可獲得30dB增益；EDF再長(zhǎng)已經(jīng)沒(méi)有意義。2. 增益飽和特性增益飽和特性 當(dāng)光纖長(zhǎng)度一定時(shí)，增益隨泵浦功率的增加而迅速增加。但當(dāng)泵浦功率增加到一定值以后，增益隨泵浦功率的增加變得緩慢，甚至不變，這種現(xiàn)象稱(chēng)為增益飽和。這是泵浦功率導(dǎo)致的EDFA出現(xiàn)增益飽和的緣故。 在泵浦功率一定時(shí)， 輸入信號(hào)功

36、率較小時(shí)，放大器增益不隨輸入光信號(hào)的增加而變化；當(dāng)輸入信號(hào)功率增大到一定值后，增益開(kāi)始隨信號(hào)功率的增加而下降，這是輸入信號(hào)導(dǎo)致EDFA出現(xiàn)增益飽和的緣故。 EDFA的最大輸出功率常用3dB飽和輸出功率來(lái)表示。如圖6.12所示，當(dāng)飽和增益下降到3dB時(shí)所對(duì)應(yīng)的的輸出功率值為3dB飽和輸出功率。它代表了摻鉺光纖放大器的最大輸出能力。圖6.12 EDFA的飽和增益特性3. 噪聲特性噪聲特性 EDFA的噪聲主要來(lái)自它的自發(fā)輻射。自發(fā)輻射產(chǎn)生的光與被放大的信號(hào)光在光纖中一起傳播、放大，由于ASE 占有整個(gè)放大帶寬，故不可能將其全部濾除。一般用噪聲系數(shù)（NF ：Noise Figure）來(lái)衡量一個(gè)EDFA

37、 的噪聲特性，其定義為放大器輸入信噪比和輸出信噪比之比。一般來(lái)時(shí)，噪聲系數(shù)越小越好。 對(duì)于不同的泵浦波長(zhǎng)，NF是有差異的。當(dāng)使用1480nm泵浦時(shí)，由于泵浦態(tài)和亞穩(wěn)態(tài)處在同一個(gè)能帶中，該能帶中的粒子服從玻耳茲曼分布規(guī)律，所以始終有部分粒子保持在泵浦態(tài)上，使得基態(tài)粒子不能全部反轉(zhuǎn)，其反轉(zhuǎn)程度小于980nm泵浦。 正因如此，后者泵浦的EDFA的NF優(yōu)于前者。理論上證明，對(duì)于任何利用受激輻射進(jìn)行放大的放大器，其N(xiāo)F的最小值為3dB，這個(gè)極限被稱(chēng)為NF 的量子極限。對(duì)于980nm泵浦，其N(xiāo)F可以接近量子極限，而對(duì)于1480nm泵浦，報(bào)道的最小NF約為4dB 。 EDFA 的有三種基本泵浦結(jié)構(gòu)方式，即同

38、向泵浦、反向泵浦和雙向泵浦。三種泵浦結(jié)構(gòu)的EDFA 在性能上略有差異。采用同向泵浦，可獲得較好的噪聲性能；采用反向泵浦，可獲得較高的輸出功率；采用雙向泵浦，可使EDFA的增益和噪聲性能都優(yōu)于單向泵浦，但由于增加了一個(gè)泵浦源，EDFA的成本也增加很多。 在這些基本結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，EDFA向著多級(jí)化復(fù)合結(jié)構(gòu)發(fā)展。研究表明，在摻鉺光纖中插入合適的光學(xué)器件可以平坦放大器的增益、抑制反向ASE和瑞利散射；還可以實(shí)現(xiàn)增益控制和輸出限制放大器，充分利用泵浦光功率等等。所有這些方法都以增加放大器的復(fù)雜程度來(lái)?yè)Q取其性能的提高。6.4.3 EDFA的特點(diǎn)的特點(diǎn)摻鉺光纖放大器的主要優(yōu)點(diǎn)有以下五個(gè)方面：（1）工作波長(zhǎng)處

39、在1.51.6，與光纖的最小損耗窗口一致；（2）摻鉺光纖放大器的主體是一段光纖，它與傳輸光纖的耦合損耗低，可低至0.1dB；（3）增益高可達(dá)30-40dB；飽和輸出功率大，為10-15dBm；增益特性與光偏振態(tài)無(wú)關(guān)；（4）噪聲指數(shù)小，一般為4-7dB；用于多信道傳輸時(shí)，隔離度大，無(wú)串?dāng)_，適用于波分復(fù)用系統(tǒng)；（5）對(duì)摻鉺光纖進(jìn)行激勵(lì)的泵浦功率低，僅需幾十毫瓦。 摻鉺光纖放大器也有其缺點(diǎn)，主要表現(xiàn)在以下兩個(gè)方面：（1）波長(zhǎng)固定，只能放大1.55附近的光波。換用不同基制的光纖時(shí)，餌離子能級(jí)也只能發(fā)生很小的變化，可調(diào)節(jié)的波長(zhǎng)有限，只能換用摻雜其他元素來(lái)改善。（2）增益帶寬不平坦。在WDM系統(tǒng)中需要采用

40、特殊的手段來(lái)進(jìn)行增益譜補(bǔ)償。6.4 光纖喇曼放大器光纖喇曼放大器(FRA) EDFA實(shí)現(xiàn)了對(duì)一根光纖中傳輸?shù)亩嗦饭庑盘?hào)同時(shí)放大，不僅降低了中繼， 高了傳輸效率，而且還具有高速率、高增益和低噪聲等優(yōu)點(diǎn)，因此它被成功地用于WDM光纖系統(tǒng)中，極大地增加了光纖傳輸系統(tǒng)的信息容量。 隨著WDM的通道數(shù)越來(lái)越多，工作波長(zhǎng)的范圍也不斷增大，工作波長(zhǎng)已經(jīng)逐漸地從C波段擴(kuò)展到L波段甚至是S波段。因此，WDM傳輸系統(tǒng)對(duì)光放大器的帶寬要求也越來(lái)越高。 而EDFA只能實(shí)現(xiàn)在C波段約35nm帶寬內(nèi)信號(hào)的放大，采用單一的EDFA不能夠同時(shí)放大兩個(gè)波段的光信號(hào)，所以必須尋求一種寬帶放大的解決方案。 為此利用光纖的非線性效應(yīng)

41、受激拉曼散射（SRS）進(jìn)行光放大的拉曼光纖放大器應(yīng)運(yùn)而生。當(dāng)適當(dāng)波長(zhǎng)的泵浦光注入到光纖中，拉曼頻移處的光信號(hào)將得到放大，基于這種原理的放大器稱(chēng)之為拉曼光纖放大器（RFA）。 與摻鉺光纖放大器（EDFA）和半導(dǎo)體光放大器（SOA）相比，拉曼光纖放大器優(yōu)勢(shì)明顯： 增益波長(zhǎng)由泵浦波長(zhǎng)決定，理論上可以實(shí)現(xiàn)任意波長(zhǎng)信號(hào)的放大；可以實(shí)現(xiàn)分布式放大，增益介質(zhì)就是傳輸光纖本身；信號(hào)間差拍噪聲小，噪聲指數(shù)低；可以通過(guò)多波長(zhǎng)泵浦，實(shí)現(xiàn)寬帶放大。 隨著10Gbit/s DWDM 長(zhǎng)距離傳輸系統(tǒng)的大量應(yīng)用和40Gbit/s 技術(shù)的日趨成熟，拉曼光纖放大器的重要性日漸顯露，并逐步進(jìn)入商用。光器件制造商競(jìng)相研制出了性能優(yōu)

42、良的拉曼光纖放大器，主要是希望利用拉曼光纖放大器特有的分布式放大、可降低非線性影響、噪聲特性好等特點(diǎn)，進(jìn)一步推動(dòng)高速、大容量、長(zhǎng)距離光纖傳輸系統(tǒng)的發(fā)展。6.4.1 FRA的工作原理的工作原理 光纖喇曼放大器是利用光纖的受激喇曼散射效應(yīng)制成的。我們先來(lái)了解一下喇曼散射效應(yīng)：物質(zhì)內(nèi)部的分子無(wú)時(shí)無(wú)刻不在振動(dòng)著，但它們只能在某幾個(gè)固定的頻率上振動(dòng)，這些頻率叫喇曼頻率，不同的頻率對(duì)應(yīng)著不同的分子能量。 當(dāng)外界光照射時(shí)，外來(lái)光子能與振動(dòng)分子發(fā)生能量交換，這時(shí)在入射光光譜線（母線）兩邊出現(xiàn)一些強(qiáng)度很弱的新譜線，這種效應(yīng)稱(chēng)為喇曼散射效應(yīng)。 這些新出現(xiàn)的譜線叫伴線，其中比母線波長(zhǎng)長(zhǎng)的叫斯托克斯線，比母線波長(zhǎng)短的

43、叫反斯托克斯線。它們兩個(gè)與母線波長(zhǎng)的間隔相等，其值等于相應(yīng)的分子振動(dòng)頻率，約為十幾太赫茲。自發(fā)喇曼散射效應(yīng)很弱，散射光的強(qiáng)度一般只有入射光強(qiáng)度的百萬(wàn)分之一或億萬(wàn)分之一。 DRA 工作的基本原理是受激拉曼散射（SRS）效應(yīng)，當(dāng)足夠強(qiáng)的短波長(zhǎng)泵浦光以一定強(qiáng)度與信號(hào)光同時(shí)進(jìn)入光纖后，信號(hào)在光纖中被放大。即將一小部分入射功率由一光束轉(zhuǎn)移到另外一個(gè)頻率下移的光束，頻率下移量由非線性介質(zhì)的振動(dòng)模式?jīng)Q定。 當(dāng)波長(zhǎng)較短（與信號(hào)波長(zhǎng)相比）的泵浦光饋入光纖時(shí)，發(fā)生此類(lèi)效應(yīng)。泵浦光光子釋放其自身的能量，釋放出基于信號(hào)光波長(zhǎng)的光子，將其能量疊加在信號(hào)光上，從而完成對(duì)信號(hào)光的放大。 泵浦光子的能量產(chǎn)生了一個(gè)與信號(hào)光同頻

44、的光子和一個(gè)聲子（vibration energy），如圖6.13 所示圖6.13 自激喇曼散射效應(yīng) 圖6.13中，基態(tài)上方存在一個(gè)范圍較寬的振動(dòng)態(tài)，為信號(hào)光提供增益。由于振動(dòng)態(tài)（vibrational states）與基態(tài)（ground state）間的寬度很大，也就提供了多種增益的可能，這可由圖6.13中的陰影區(qū)域看出。 光纖喇曼放大器就是利用額石英光纖中的受激喇曼效應(yīng)實(shí)現(xiàn)光放大的，將一個(gè)長(zhǎng)波長(zhǎng)弱信號(hào)光與一個(gè)短波長(zhǎng)強(qiáng)泵浦光波同時(shí)在光纖中傳輸，泵浦光功率超過(guò)受激喇曼散射閾值功率且弱信號(hào)光位于泵浦光的喇曼增益譜帶寬之內(nèi)，則弱信號(hào)光被該光纖放大。 石英光纖中喇曼增益有一個(gè)很寬的頻率范圍（達(dá)40T

45、Hz），并且頻移為13.2THz附近有一個(gè)較寬的主峰，如圖6.14所示。 頻移/THz 0 5 10 15 20 25 30 頻移/THz 增益(10-13m/W) 1 0.8 0.6 0.4 0.2 0 圖6.14 光纖的喇曼增益譜 這些性質(zhì)和光纖的非晶性有關(guān)。在熔石英等非晶材料中，分子的振動(dòng)頻率展寬成頻帶，這些頻帶交疊并產(chǎn)生連續(xù)態(tài)。因此和大多數(shù)介質(zhì)中在特定頻率上產(chǎn)生喇曼增益的情況不同，光纖中的喇曼增益頻譜是一個(gè)連續(xù)的寬帶譜，這就是光纖可以用作寬帶放大器的原因。 圖6.14中的橫軸（頻移）表示泵浦光與斯托克斯光的頻率差。6.4.2 FRA的結(jié)構(gòu)和特點(diǎn)的結(jié)構(gòu)和特點(diǎn) FRA的結(jié)構(gòu)如圖6.15所示

46、。信號(hào)光在光纖內(nèi)正向傳輸，泵浦光通過(guò)WDM耦合進(jìn)傳輸光纖，泵浦光可以正向注入也可以反向注入。為了減少泵浦光噪聲對(duì)信號(hào)的影響，一般采用反向注入。圖6.15 FRA的結(jié)構(gòu)示意圖 FRA能夠提供一個(gè)單一、簡(jiǎn)化的放大平臺(tái)從而來(lái)滿足長(zhǎng)途和超長(zhǎng)傳輸?shù)男枰?。FRA的種類(lèi)很多，根據(jù)泵浦方式可以分為前向、后向和雙向泵浦的喇曼放大器。如果按結(jié)構(gòu)來(lái)分，拉曼放大器主要分為兩大類(lèi)：分立式拉曼放大器和分布式拉曼放大器。1. 分立式喇曼放大器分立式喇曼放大器 分立式拉曼放大器是指用一個(gè)集中的單元來(lái)提供增益，這一點(diǎn)與分布式FRA完全不同，在分立式FRA中，所有的泵浦功率都被限制在一個(gè)由隔離器作為邊界的集中單元中。 如圖6.1

47、6 給出了一個(gè)典型的采用集中泵浦的拉曼放大器。在圖中后向傳輸?shù)谋闷止夤β释ㄟ^(guò)使用隔離器被集中在一個(gè)單元中。相比于分布式FRA 應(yīng)用而言，圖中的FRA基本沒(méi)有泵浦功率進(jìn)入到外部傳輸線路中。 圖6.16 分立式拉曼放大器工作原理 分立式拉曼放大器采用拉曼增益系數(shù)較高的特種光纖（如高摻鍺光纖等），這種光纖長(zhǎng)度一般為幾公里。泵浦功率要求很高，一般在數(shù)瓦。分立式拉曼放大器可產(chǎn)生40dB 以上的高增益，其應(yīng)用方式和EDFA完全一樣是用來(lái)對(duì)信號(hào)進(jìn)行集總式放大，因此主要用于實(shí)現(xiàn)EDFA 無(wú)法放大的波段。2. 分布式喇曼放大器分布式喇曼放大器 分布式的拉曼放大器（DRA）是一種可以對(duì)傳輸光纖進(jìn)行泵浦放大的一種放

48、大器。分布式放大器可以使光傳輸系統(tǒng)的性能得到極大的改善，而以目前的技術(shù)來(lái)看只有拉曼放大技術(shù)才能實(shí)現(xiàn)在光傳輸過(guò)程中的分布式放大，因此分布式拉曼放大器在系統(tǒng)中的應(yīng)用前景正日益重要起來(lái)。 分布式拉曼放大器所用的光纖比較長(zhǎng)，一般為幾十公里，泵源功率可降低到幾百毫瓦，主要輔助EDFA 用于提高DWDM 通信系統(tǒng)的性能，抑制非線性效應(yīng)，提高信噪比。 在DWDM系統(tǒng)中，傳輸容量，尤其是復(fù)用波長(zhǎng)數(shù)目的增加，使光纖中傳輸?shù)墓夤β试絹?lái)越大，引起的非線性效應(yīng)也越來(lái)越強(qiáng)，容易產(chǎn)生信道串?dāng)_，使信號(hào)失真。采用分布式光纖拉曼放大輔助傳輸可大大降低信號(hào)的入射功率，同時(shí)保持適當(dāng)?shù)墓庑盘?hào)信噪比（OSNR）。這種分布式拉曼放大技術(shù)

49、由于系統(tǒng)傳輸容量提升的需要而得到快速的發(fā)展。 分布式光纖拉曼放大輔助傳輸系統(tǒng)的典型結(jié)構(gòu)如圖6.17 所示，DRA 就利用了傳輸網(wǎng)絡(luò)中已有的傳輸光纖作為拉曼增益介質(zhì)來(lái)進(jìn)行放大。這是一個(gè)很典型的放大結(jié)構(gòu)：即后向傳輸?shù)睦闷峙c分立式放大器（如EDFA）結(jié)合起來(lái)組成的混合放大器。 圖6.17 采用分布式拉曼輔助傳輸?shù)腤DM 系統(tǒng) 拉曼泵浦光在DWDM系統(tǒng)的每個(gè)傳輸單元的末端注入光纖，并與信號(hào)傳輸方向相反，以傳輸光纖為增益介質(zhì)，對(duì)信號(hào)進(jìn)行分布式放大。如此，分布式光纖拉曼放大器與摻鉺光纖放大器混合使用，同時(shí)對(duì)信號(hào)進(jìn)行在線放大。值得注意的是，這種后向拉曼泵浦由于傳輸單元末端的光信號(hào)功率微弱，不會(huì)因?yàn)槔?/p>

50、大而引起附加的光纖非線性效應(yīng)。 分布式拉曼放大器可作為預(yù)放，置于接收機(jī)或EDFA 的前面，以提高光傳輸系統(tǒng)的光信噪比OSNR，增加傳輸跨距（Span）長(zhǎng)度。在長(zhǎng)距離傳輸光纖中，信號(hào)被分布式放大，接收端信號(hào)的信噪比得到改善。喇曼放大器的特點(diǎn)如下：喇曼放大器的特點(diǎn)如下： （1）喇曼放大器利用石英光纖的固有屬性（SRS）來(lái)獲得信號(hào)放大，傳輸光纖可以用來(lái)作為放大媒質(zhì)，構(gòu)成分布式放大器（DRA） ，即光信號(hào)在傳輸?shù)耐瑫r(shí)被放大。（2）工作波長(zhǎng)取決于泵浦波長(zhǎng)，F(xiàn)RA可以工作在1.3m 波段，也可以在1.5m 波段，增益帶寬的位置能夠通過(guò)調(diào)諧泵浦波長(zhǎng)來(lái)進(jìn)行調(diào)整，增益范圍靈活，可調(diào)整。（3）在不同波長(zhǎng)泵浦下的喇

51、曼增益譜形狀幾乎不變，而且之間可以相互重疊，這樣可以利用多個(gè)泵浦提供寬帶、平坦增益譜，并可根據(jù)需要調(diào)整增益譜的范圍，即通過(guò)多波長(zhǎng)泵浦實(shí)現(xiàn)寬帶放大。已經(jīng)報(bào)道的采用多波長(zhǎng)泵浦的光纖喇曼放大器中，增益平坦帶寬已達(dá)到80nm以上，整個(gè)增益帶寬可達(dá)到120 nm左右。（4）喇曼放大器具有優(yōu)良的噪聲性能，在超長(zhǎng)距離傳輸時(shí)，可以保持好的OSNR。目前，數(shù)千千米的高速系統(tǒng)一般都要采用喇曼放大器。喇曼放大器的不足之處為：喇曼放大器的不足之處為：（1）喇曼光纖放大器所需要的泵浦光功率高，分立式要用幾瓦到幾時(shí)瓦，實(shí)現(xiàn)起來(lái)非常困難。而分布式則降低到幾百毫瓦。（2）不適合短距離的光放大，因?yàn)樗饔镁嚯x太長(zhǎng)，增益系數(shù)偏低。分立式FRA作用距離為幾公里，放大可達(dá)40dB；而分布式作用距離為幾十到上百公里，增益只有幾分貝到十幾分貝，這就決定了它只能適合于長(zhǎng)途干線網(wǎng)的低噪聲放大。（3）對(duì)偏振敏感。泵浦光與信號(hào)光方向的振動(dòng)方向平行時(shí)增益最大，垂直時(shí)增益最小為0。6.5光放大器的應(yīng)用光放大器的應(yīng)用6.5.1摻鉺光纖放大器摻鉺光纖放大器EDFA的應(yīng)用的應(yīng)用 EDFA的工作波長(zhǎng)處在1550nm的光纖低損耗窗口上，該窗口的光纖損耗系數(shù)較1310nm窗口低。現(xiàn)已商用的EDFA噪聲低、增益曲線好、與WDM系統(tǒng)兼容，泵浦效率高、工作性能穩(wěn)定、技術(shù)成熟，在光纖通信傳輸系統(tǒng)中備受青睞。EDFA主要的