光纖通信第5章光網(wǎng)絡(luò)器件

1、satPPTgPg/)(1)(),(22200（5.1.1） )(0g02TPsatPsatPP22200)(1)()(Tgg )()()(zPgdzzdP)(exp)(LgPLPPinout)(exp)(LgPPGinoutdB)PPlg(10Ginout或者由 00)(g)(G1)(2220Tog22/2 Tg2/gg)(gA)(G22Tg2/12ln2lnLgogA(2)gT20.50G()歸一化增益(0)T20.751.000.250.0042024g()經(jīng)計(jì)算，得到（5.1.6）（5.1.7）圖5.1.1 光放大器增益曲線和增益系數(shù)曲線G0GinPPsatPin (dBm)10G0增

2、益(dB)20303dB06050304020100102 增益飽和增益飽和當(dāng)輸入光功率比較小時(shí)， 是一個(gè)常數(shù)，也就是說輸出光功率與輸入光功率成正比，此時(shí)的增益用符號(hào) 表示，稱為光放大器的小信號(hào)增益。但當(dāng) 增大到一定數(shù)值后，光放大器的增益開始下降，這種現(xiàn)象稱為增益飽和，如圖5.1.2所示。圖5.1.2 增益G與輸入光功率的關(guān)系曲線 當(dāng)光放大器的增益降至小信號(hào)增益 的一半，用分貝表示為下降3dB時(shí)，所對(duì)應(yīng)的輸出功率稱為飽和輸出光功率。 產(chǎn)生增益飽和的原理可由（5.1.1）式解釋。當(dāng) 較大時(shí)，分母中 便不能省略。假設(shè) ，則有0GPsatPP/0satPPgPg/1)(),(0satoutGPPGG

3、G) 1(exp0)(exp00LgGoutPGsatsatoutPGGP22ln00 將上式代入（5.1.3）式，并積分，就可以得到大信號(hào)增益(5.1.9)，由上式分析可知，隨著的增加，值將下降。根據(jù)飽和輸出光功率的定義，可求得它的表達(dá)式(5.1.10)（5.1.8）式中3 噪聲系數(shù)噪聲系數(shù)我們知道，光放大器是基于受激輻射或散射的機(jī)理工作。在這個(gè)過程中，絕大多數(shù)受激粒子因受激輻射而被迫躍遷到較低的能帶上，但也有一部分是自發(fā)躍遷到較低能帶上的，它們會(huì)自發(fā)地輻射光子。自發(fā)輻射光子的頻率在信號(hào)光的范圍內(nèi)，但相位和方向卻是隨機(jī)的。那些與信號(hào)光同方向的自發(fā)輻射光子經(jīng)過有源區(qū)時(shí)被放大，所以叫做放大的自發(fā)

4、輻射。因?yàn)樗鼈兊南辔粫r(shí)隨機(jī)的，對(duì)于有用信號(hào)沒有貢獻(xiàn)，就形成了信號(hào)帶寬內(nèi)的噪聲。光放大器的主要噪聲來源是放大的自發(fā)輻射ASE (Amplified Spontaneous Emission)。放大自發(fā)輻射功率等于) 1(2GhnPspASEhGspn122NNNnsp(5.1.11),式中是光子能量， 是放大器增益，是光帶寬， 是自發(fā)輻射因子，它的定義是（5.1.12）2N1N1spnspn 分別是受激高能級(jí)和低能級(jí)上的粒子數(shù)。當(dāng)高能級(jí)上的粒子數(shù)遠(yuǎn)大于低能級(jí)粒子數(shù)時(shí)，自發(fā)輻射因子為最小值。但實(shí)際的在1.4到4之間 自發(fā)輻射噪聲是一種白噪聲，疊加到信號(hào)光上，會(huì)劣化信噪比SNR。信噪比的劣化用噪聲系

5、數(shù) 表示，其定義 nFoutinnSNRSNRF)()(5.1.11)inPinRPI 22)(inRPIBIqs22qBRPBRPqRPSNRinininin2)(2)()(2（1） 輸入信噪比光放大器輸入端的信號(hào)功率經(jīng)光檢測(cè)器轉(zhuǎn)化為光電流為式中，R為光檢測(cè)器的響應(yīng)度。 由于信號(hào)光的起伏，光放大器輸入端噪聲的考慮以光檢測(cè)器的散粒噪聲為限制，它可以表示為式中q為電子電荷，B為光檢測(cè)器的電帶寬。由（5.1.12）式和（5.1.13）式可以得到輸入信噪比 （5.1.14）（5.1.12）則表示檢測(cè)的電功率。（5.1.13）相應(yīng)的光檢測(cè)器電功率就是 。光放大器的輸出噪聲主要由兩部分組成，一是放大后的

6、散粒噪聲， 二是由自發(fā)輻射與信號(hào)光產(chǎn)生的差拍噪聲。由于信號(hào)光和ASE具有不同的光頻，落在光檢測(cè)器帶寬的差拍噪聲功率為（2） 輸出信噪比光放大器增益為G，輸入光功率inPinGP2)(inRGPBRGPqin)(2)(42BRSRGPASEinASESASES) 1(212)(4)(2)()(2GnGqBRPBRSRGPBRGPqRGPSNRspinASEinininoutGGnFspn) 1(21SPnnF2經(jīng)光放大器放大后的輸出為 式中為放大自發(fā)輻射的功率譜，由此可得輸出信噪比所以噪聲系數(shù)當(dāng)光放大器的增益比較大時(shí)，噪聲系數(shù)可用自發(fā)輻射因子表示(5.1.18)（5.1.15）（5.1.16）（

7、5.1.17）(a) 法布里珀羅放大器泵浦電流反射面反射面有源區(qū)輸入光信號(hào)輸出光信號(hào)Z=0Z=L泵浦電流增透膜增透膜有源區(qū)輸入光信號(hào)輸出光信號(hào)Z=0Z=L(b) 行波放大器5.1.2 半導(dǎo)體光放大器 半導(dǎo)體光放大器SOA(Semiconductor Optical Amplifier)分成法布里珀羅腔放大器FPA(Fabry-Perot Amplifier)和行波放大器TWA(Traveling-Wave Amplifier)兩大類。法布里珀羅腔放大器兩側(cè)有部分反射鏡面，它是由半導(dǎo)體晶體的解理面形成的。其自然反射率達(dá)32%。當(dāng)信號(hào)光進(jìn)入腔體后，在兩個(gè)鏡面間來回反射并被放大，最后以較高的強(qiáng)度發(fā)射

8、出去，見圖5.1.3(a)。行波放大器在兩個(gè)端面上有增透膜以大大降低端面的反射系數(shù)，或者有適當(dāng)?shù)那忻娼嵌?，所以不?huì)發(fā)生內(nèi)反射，入射光信號(hào)只要通過一次就會(huì)得到放大，見圖5.1.3(b)。它的光帶寬較寬，飽和功率高，偏振靈敏度低。所以用途比法布里珀羅腔放大器更廣。圖5.1.3半導(dǎo)體光放大器的結(jié)構(gòu)和機(jī)理)/()(sin4)1 ()1 ()(0222ncLRGRGGRGSSSFPARSGLnnc/SGG0增益頻率0GFPAmaxGFPAminR=0.3R=0.03R=0 (行波放大器增益)1. 光放大器的增益光放大器的增益法布里珀羅放大器的增益可以表示為式中為反射面的反射系數(shù)，稱為單程功率放大因子，為

9、有源區(qū)長(zhǎng)度，為折射率。即為光在有源區(qū)的速度。 是一個(gè)與頻率有關(guān)的參量。假設(shè)它與頻率關(guān)系為高斯型。由（5.1.19）式可作出圖5.1.4。圖5.1.4 SOA放大器的增益頻譜(5.1.19)22max)1 ()1 (SSFPARGGRG22min)1 ()1 (SSFPARGGRGLNN22nc00R)(STWAGG)exp(LgGSg圖中、 分別對(duì)應(yīng)著（5.1.19）式分母中的正弦項(xiàng)為0和1。由圖可見，法布里珀羅放大器的增益譜是一條振蕩的曲線。峰值頻率式中，在處，增益最大。隨著反射系數(shù)的降低，增益振蕩幅度逐漸減小，當(dāng)時(shí)，增益譜就為高斯型曲線，即成了行波放大器的增益曲線。我們將行波放大器的增益寫

10、為單程增益用光放大器的參數(shù)可表示為式中，為限制系數(shù)，它反映了有源區(qū)波導(dǎo)結(jié)構(gòu)對(duì)輻射光子的引導(dǎo)作用。（5.1.20）（5.1.21）(5.1.22)g和 是有源區(qū)每單位長(zhǎng)度的增益系數(shù)和損耗系數(shù)，單位是1/m，L為激活區(qū)長(zhǎng)度。SOA增益典型值為2030dB。需要說明的是SOA的增益依賴于輸入信號(hào)的偏振狀態(tài)，不同的極化模式具有不同的增益。造成增益對(duì)偏振依賴的原因是由于有源區(qū)的矩形形狀和晶體結(jié)構(gòu)所致，使得增益系數(shù)和限制系數(shù)與偏振方向有關(guān)，由此造成的偏振增益差可達(dá)57dB。 減小SOA的偏振增益的差可采用幾種方法，一種是使有源區(qū)的橫截面成正方形；另一種是通過串聯(lián)或是并聯(lián)兩個(gè)SOA來補(bǔ)償增益差。這些方法的使

11、用可以使偏振增益差降至0.5dB。 作為行波放大器的條件。行波放大器的帶寬用下式進(jìn)行估算 ，通過改變泵浦電流可以改變有源區(qū)折射率，從而改變其振蕩特性，便能實(shí)現(xiàn)可調(diào)諧的濾波。理想行波放大器的反射系數(shù)R0。但實(shí)際上是很難做到的。一般用關(guān)系式 ，而典型的WDM網(wǎng)絡(luò)帶寬是30nm，即3.746THz，所以FPA是無法應(yīng)用在這樣的系統(tǒng)中的。FPA常用在有源濾波器、構(gòu)造光子開關(guān)、光波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換器和路由器等場(chǎng)合。以有源濾波器為例，由于FPA的增益具有周期性特點(diǎn)，各振蕩峰間距2. 光放大器的帶寬光放大器的帶寬法布里珀羅放大器的帶寬在圖5.1.4上為振蕩主峰對(duì)應(yīng)的頻寬。根據(jù)光放大器帶寬的定義，由（5.1.19）式可

12、知，增益減小到峰值一半時(shí)，2)(0)2/()1(sin)/(21SSFPARGRGL83. 517. 0sRG)(2cnLcLN222217. 0RGSRRGLcSTWA/)1 (2nm值就是帶寬，由此求得上式成立要滿足條件：通常FPA的帶寬值不超過10GHz。對(duì)應(yīng)1550nm的工作波長(zhǎng)，允許的信道寬度約為0.08nm(5.1.25)TWA的帶寬大約是40 。圖5.1.5畫出了FPA與TWA的帶寬比較。顯然，F(xiàn)PA增益較大，而帶寬較?。籘WA增益略小，帶寬較大。(5.1.23)(5.1.24)圖5.1.5FPA與TWA的帶寬比較G0增益頻率0GFPAGTWATWAPFAspn0NNNnspg)

13、(20ggNNNFn3. 噪聲系數(shù)噪聲系數(shù)在前面已經(jīng)提到，噪聲指數(shù)主要取決于自發(fā)輻射因子，對(duì)于SOA，N是SOA的載流子濃度，N0是透明載流子濃度?？紤]到內(nèi)部損耗使得可用增益減小到，所以噪聲系數(shù)可以表示為 SOA噪聲系數(shù)的范圍時(shí)從6dB到9dB，（5.1.26）)(3trE光隔離器光隔離器波分復(fù)用器輸入光信號(hào)輸出光信號(hào)濾波器熔接點(diǎn)摻鉺光纖EDFA泵浦源5.1.3 摻雜光纖放大器 摻雜光纖放大器是利用光纖中摻雜稀土引起的增益機(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的摻鉺光纖放大器和工作波長(zhǎng)為1300nm的摻鐠光纖放大器。目前已商品化并獲得大量應(yīng)用的是EDFA。

14、摻鐠光纖放大器的工作波段在1310nm，并與G652光纖的零色散點(diǎn)相吻合，在已建立的1310nm光纖通信系統(tǒng)中有著巨大的市場(chǎng)。但由于摻鐠光纖的機(jī)械強(qiáng)度較差，與常規(guī)光纖的熔接較為困難，故尚未獲得廣泛的應(yīng)用。另一摻雜光纖放大器摻銩放大器工作的波段為光傳輸開辟了新的波段資源。我們首先討論摻鉺放大器的工作機(jī)制。1. EDFA結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)摻鉺光纖放大器EDFA（Erbium Doped Fiber Amplifier）是利用摻鉺 光纖作為增益介質(zhì)、使用激光器二極管發(fā)出的泵浦光對(duì)信號(hào)光進(jìn)行放大的器件。圖5.1.6畫出了摻鉺光纖放大器的結(jié)構(gòu)。圖5.1.6 EDFA的典型結(jié)構(gòu)光隔離器光隔離器波分復(fù)用器輸入光信號(hào)輸

15、出光信號(hào)濾波器EDFA泵浦源熔接點(diǎn)摻鉺光纖(a) 反向泵浦光隔離器光隔離器波分復(fù)用器輸入光信號(hào)輸出光信號(hào)濾波器EDFA泵浦源熔接點(diǎn)摻鉺光纖(a) 雙向泵浦波分復(fù)用器泵浦源圖5.1.7 EDFA的泵浦方式泵浦光功率Fn反向泵浦雙向泵浦輸出光功率同向泵浦輸出光功率摻鉺光纖長(zhǎng)度雙向泵浦反向泵浦同向泵浦Fn反向泵浦同向泵浦雙向泵浦(a)轉(zhuǎn)換效率的比較 (b)噪聲系數(shù)與放大器輸出功率的關(guān)系 (c)噪聲系數(shù)與摻鉺光纖長(zhǎng)度之間的關(guān)系圖5.1.8 不同泵浦方式下輸出功率及噪聲特性比較 其中圖(a)為輸出光信號(hào)功率與泵浦光功率之間的關(guān)系，三種泵浦方式的微分轉(zhuǎn)換效率分別為61%和76%和77%。圖(b)為噪聲系數(shù)

16、與放大器輸出功率的關(guān)系，隨著輸出功率的增加，粒子反轉(zhuǎn)數(shù)將下降，結(jié)果是使噪聲指數(shù)增大。圖(c)為噪聲系數(shù)與摻鉺光纖長(zhǎng)度之間的關(guān)系，由圖可見，不管摻鉺光纖的長(zhǎng)度如何，同向泵浦方式的EDFA噪聲最小。 圖5.1.7中，波分復(fù)用器也稱為合波器，它的功能是將980/1550nm或1480/1550nm波長(zhǎng)的泵浦光和信號(hào)光合路后送入摻鉺光纖，對(duì)它的要求是插入損耗小，而且對(duì)光的偏振不敏感。 光隔離器的功用是使光的傳輸具有單向性，防止光反射回原器件，因?yàn)檫@種反射會(huì)增加放大器的噪聲并降低放大效率。 光濾波器的作用是濾掉工作帶寬之外光放大器中的噪聲，以提高系統(tǒng)的信噪比。2EDFA工作原理工作原理（1）能級(jí)與泵浦E

17、DFA的工作機(jī)理基于受激輻射。我們首先討論激活介質(zhì)摻鉺石英的能級(jí)圖，圖5.1.9示出了摻鉺石英的能級(jí)圖，這里用三能級(jí)表示。鉺離子從能級(jí)2到能級(jí)1的躍遷產(chǎn)生的受激輻射光，其波長(zhǎng)范圍從1500nm到1600nm，這是EDFA得到廣泛應(yīng)用的原因。為了實(shí)現(xiàn)受激輻射，需要產(chǎn)生能級(jí)2與能級(jí)1之間的粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，即需要泵浦源將鉺離子從能級(jí)1激發(fā)到能級(jí)2。有兩種波長(zhǎng)的泵浦源可以滿足要求，一種是980nm波長(zhǎng)的泵浦。泵浦光980 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=1

18、0ms圖5.1.9 石英光纖中鉺離子的能級(jí)在這種情況下，鉺離子受激不斷地從能級(jí)1轉(zhuǎn)移到能級(jí)3上，見圖5.1.9，在能級(jí)3上停留很短的時(shí)間（生存期），約1us，然后無輻射地落到能級(jí)2上。由于鉺離子在能級(jí)2上的生存期約為10ms，所以能級(jí)2上的鉺離子不斷積累，形成了能級(jí)1、2之間的粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。在輸入光子（信號(hào)光）的激勵(lì)下，鉺離子從能級(jí)2躍遷到能級(jí)1上，這種受激躍遷將伴隨著與輸入光子具有相同波長(zhǎng)，方向和相位的受激輻射，使得信號(hào)光得到了有效的放大；另一方面，也有少數(shù)粒子以自發(fā)輻射方式從能級(jí)2躍遷到能級(jí)1，產(chǎn)生自發(fā)輻射噪聲，并且在傳輸?shù)倪^程中不斷得到放大，成為放大的自發(fā)輻射。放大自發(fā)輻射噪聲的總功率由（

19、5.1.11）式表示。另一種是1480nm波長(zhǎng)的泵浦，它可以直接將鉺離子從能級(jí)1激發(fā)到能級(jí)2上去，實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。 （2）增益EDFA的輸出功率含信號(hào)功率和噪聲功率兩部分，噪聲功率是放大的自發(fā)輻射產(chǎn)生的，記它為 ，則EDFA的增益用分貝表示(dB)(5.1.27)式中， 、 分別是輸出光信號(hào)和輸入光信號(hào)功率。EDFA的增益不是簡(jiǎn)單一個(gè)常數(shù)或解析式，它與摻鉺光纖的長(zhǎng)度、鉺離子濃度、泵浦功率等因素有關(guān)。泵浦光和信號(hào)光在通過摻鉺光纖時(shí)，其光功率是變化的，它們相互之間滿足下式（5.1.28a） (5.1.28b)式中， 、 分別表示信號(hào)光功率和泵浦光功率， 、 分別是泵浦頻率、信號(hào)頻率處受激吸收和受激

20、發(fā)射截面， 、 分別是摻鉺光纖對(duì)信號(hào)光和泵浦光的損耗，N2、N1分別是能級(jí)2和能級(jí)1的粒子數(shù)。由方式（5.1.28）可以知道增益GE與摻鉺光纖長(zhǎng)度L與泵浦功率之間的關(guān)系。由于式(5.1.28)是一個(gè)超越方程，所以經(jīng)常用數(shù)值解或圖形來反映增益與泵浦功率或摻鉺光纖長(zhǎng)度的關(guān)系。見圖5.1.10。ASEPinASEoutEPPPGlg10outPinPSSSPNNdzdP)(12PPPPNdzdP1SPPPSSP 圖5.1.10 增益與摻鉺光纖長(zhǎng)度的關(guān)系由圖5.1.10可以看出，隨著摻鉺光纖長(zhǎng)度的增加，增益經(jīng)歷了從增加到減小的過程，這是因?yàn)殡S著光纖長(zhǎng)度的增加，光纖中的泵浦功率將下降，使得粒子反轉(zhuǎn)數(shù)降低

21、，最終在低能級(jí)上的鉺離子數(shù)多于高能級(jí)上的鉺離子數(shù)，粒子數(shù)恢復(fù)到正常的數(shù)值。由于摻鉺光纖本身的損耗，造成信號(hào)光中被吸收掉的光子多于受激輻射產(chǎn)生的光子，引起增益下降。由上面的討論可知，對(duì)于某個(gè)確定的入射泵浦功率，存在著一個(gè)摻鉺光纖的最佳長(zhǎng)度，使得增益GE最大。圖5.1.10也顯示了不同泵浦功率下增益與摻鉺光纖長(zhǎng)度的關(guān)系。如，當(dāng)泵浦功率為5mW時(shí)，鉺纖長(zhǎng)為30m的放大器可以產(chǎn)生35dB的增益。經(jīng)常用關(guān)系式 (5.1.29)來估算增益，式中 和 分別表示泵浦波長(zhǎng)和信號(hào)波長(zhǎng)，而 和 則為泵浦光和信號(hào)光的入射功率。單位為mW。圖5.1.11示出了EDFA增益和噪聲與輸入光信號(hào)功率之間的關(guān)系。當(dāng)輸入光信號(hào)功

22、率增大到一定值后，增益開始下降，出現(xiàn)了增益飽和現(xiàn)象，與此同時(shí)，噪聲增加。inSinPSPinSoutSEPPPPG,1PSinPP,inSP,8GEFn輸入功率（dBm）Fn(dB)GE(dB)765430252015105-45-40-35-30-25-20-15-10-5圖 5.1.11 增益和噪聲與輸入光信號(hào)功率的關(guān)系（3）噪聲系數(shù)噪聲系數(shù)的計(jì)算關(guān)系用（5.1.17）式。實(shí)際上它也與摻鉺光纖長(zhǎng)度和泵浦功率有關(guān)。理論分析還表明，噪聲系數(shù)與泵浦源波長(zhǎng)有關(guān)，使用980nm泵浦源的噪聲特性優(yōu)于1480nm泵浦源。EDFA噪聲系統(tǒng)的變化范圍在3.5dB到9dB之間。3. EDFA增益平坦性增益平坦

23、性增益平坦性是指增益與波長(zhǎng)的關(guān)系，很顯然，我們所希望的EDFA應(yīng)該在我們所需要的工作波長(zhǎng)范圍具有較為平坦的增益，特別是在WDM系統(tǒng)中使用時(shí)，要求對(duì)所有信道的波長(zhǎng)都具有相同的放大倍數(shù)。但是作為EDFA的核心部件摻鉺光纖的增益平坦性卻不理想，如圖5.1.12所示。圖5.1.12 摻鉺光纖增益系數(shù)與波長(zhǎng)的關(guān)系為了獲得較為平坦的增益特性，增大EDFA的帶寬，有兩種方法可以采用。一種是采用新型寬譜帶摻雜光纖，如在纖芯中再摻入鋁離子；另一種方法是在摻鉺光纖鏈路上放置均衡濾波器。如圖5.1.13所示，該均衡濾波器的傳輸特性恰好補(bǔ)償摻鉺光纖增益的不均勻。10增益系數(shù)(dB/m)8642波長(zhǎng)（nm）148015

24、00152015401560波長(zhǎng)摻鉺光纖增益波長(zhǎng)濾波器特性波長(zhǎng)放大器增益均衡濾波器摻鉺光纖摻鉺光纖圖5.1.13 EDFA中的均衡濾波器作用4. EDFA的性能指標(biāo)的性能指標(biāo) 這里我們給出三種型號(hào)（16通道）摻鉺光纖放大器性能指標(biāo)。見表5. 2除了光通道技術(shù)指標(biāo)外，還有表明工作電壓及功耗的電氣性能以及溫度、濕度的環(huán)境要求，在使用時(shí)都應(yīng)注意。5. 摻鐠光纖放大器摻鐠光纖放大器目前已鋪設(shè)的光纖大都工作在1310nm窗口，而EDFA只能用于1550nm的系統(tǒng)，所以工作在1310 nm波段上的摻鐠光纖放大器PDFA具有較大的實(shí)用價(jià)值。與EDFA不同的是，摻鐠光纖是在氟化物玻璃而不是石英玻璃中摻入鐠離子

25、()制作的。目前已研制出的PDFA模塊所采用泵浦波長(zhǎng)為1017nm，在1310nm波長(zhǎng)處放大器的增益可達(dá)24dB，噪聲系數(shù)為6.6。在3 dBm輸入時(shí)放大波段為1281nm1381nm，放大帶寬達(dá)37nm。圖5.1.14示出了PDFA的增益和噪聲與波長(zhǎng)的關(guān)系曲線, 圖中取輸入信號(hào)功率為30 dBm。圖5.1.14 增益和噪聲與波長(zhǎng)的關(guān)系波長(zhǎng) （m）20Fn(dB)增益(dB)2015105510151.281.301.321.34Fn增益6. 摻銩光纖放大器摻銩光纖放大器摻銩光纖是在氟化物玻璃中摻入銩離子()制作的，其工作波長(zhǎng)范圍為1450nm1480nm，增益可達(dá)22dB，噪聲指數(shù)在6dB以

26、下。主要與EDFA配合應(yīng)用在DWDM系統(tǒng)中。5.1.4 喇曼光纖放大器 回顧一下第2章中光纖非線性效應(yīng)的內(nèi)容?；谑芗だ⑸錂C(jī)理，可以制造出喇曼光纖放大器RFA(Raman Fiber Amplifier)。 如果將頻率為 的小功率信號(hào)光與一個(gè)頻率為 的大功率泵浦光同時(shí)注入光纖，并且它們的頻差 (也稱作頻移)落在喇曼增益譜帶寬范圍之內(nèi)，則信號(hào)光沿著光纖傳輸時(shí)將得到有效的放大。對(duì)于固定的泵浦光頻率，由于喇曼增益譜寬度很大，見圖2.3.7，所以利用SRS效應(yīng)可以在相當(dāng)寬的波長(zhǎng)范圍對(duì)信號(hào)光進(jìn)行放大。由圖可知，當(dāng)=13.2THz時(shí)，喇曼增益達(dá)到最大。該頻差對(duì)應(yīng)的信號(hào)光（1550nm）要比泵浦光的波長(zhǎng)

27、長(zhǎng)100nm。SSP 1.增益增益 泵浦光與信號(hào)光之間的能量交換描述見公式(2.3.40)。在小信號(hào)放大的情況下，因?yàn)樾盘?hào)光強(qiáng) 比泵浦光強(qiáng) 小很多，所以可以忽略泵浦光因?qū)π盘?hào)光放大而產(chǎn)生的衰減。在長(zhǎng)為L(zhǎng)的光纖輸出端，信號(hào)光功率可由(2.3.42)式表示，重寫如下 （2.3.42） 是信號(hào)光的輸入功率。 是泵浦光的輸出功率。 是喇曼增益系數(shù)。 是光纖對(duì)信號(hào)光的衰減系數(shù)。 和 分別為光纖有效面積和有效長(zhǎng)度。若沒有喇曼放大，經(jīng)光纖輸出的信號(hào)為 ，故喇曼放大器的小信號(hào)增益定義為 （5.1.30）隨著信號(hào)光的增強(qiáng)，泵浦光的減弱，增益會(huì)逐漸降低達(dá)到飽和。設(shè)由(2.3.40a) 式 和(2.3.40b) 式

28、可算得飽和增益(5.1.31) （5.1.32）式中 為由（5.1.30）定義的小信號(hào)增益。SIPILLAPgPLPSeffeffPRSS)0(exp)0()()0(SP)0(PPRgSeffAeffL)exp()0(LPSS)0(exp)exp()0()(effeffPRSSSRALPgLPLPGPS)1 (exp10000rGrrGRR)0()0(0PSSPPPrRG 1.帶寬帶寬 光纖的SRS增益與喇曼增益系數(shù)之間的關(guān)系是 ， 是泵浦光強(qiáng)度，因此有 （5.1.33）它與喇曼增益系數(shù)的形狀相似，圖5.1.15畫出了泵浦功率分別為100mw和200mw的SRS增益，由喇曼增益譜曲線可見，在增

29、益峰值附近的增益帶寬約為6THz7THz。如果采用不同波長(zhǎng)的多個(gè)泵浦源同時(shí)作用，則可獲得更為平坦的，帶寬更寬的增益特性。目前喇曼放大器的帶寬已達(dá)132nm。圖5.1.15 喇曼增益PRIgg)()(PIeffpRAPgg)()( 上述喇曼光纖放大器帶光輸出光監(jiān)控，面板為數(shù)字可控式，內(nèi)置集成化泵浦光與信號(hào)光復(fù)用器，具有低噪聲，增益平坦性能好的特點(diǎn)。它可應(yīng)用在超長(zhǎng)距離DWDM、40Gb/sDWDM等系統(tǒng)中。5.1.5 光放大器的應(yīng)用光放大器的類型很多，不同的使用場(chǎng)合對(duì)光放大器參數(shù)的要求是不一樣的.這就要求我們除了知道光放大器的一些基本特性外，還要對(duì)它的實(shí)際應(yīng)用有所了解。根據(jù)光放大器在光鏈路中所處位

30、置的不同，將其應(yīng)用分成三個(gè)類型。1.在線放大在線放大(in-line amplifier)在單模光纖通信系統(tǒng)中，光纖的色散影響較小，限制傳輸距離的主要因素是光纖的衰減，所以用光放大器可以補(bǔ)償傳輸損耗。它適用于超長(zhǎng)距離傳輸?shù)南到y(tǒng)。見圖5.1.16(a)。圖5.1.16 光放大器的幾種應(yīng)用光放大器光發(fā)射機(jī)(a)光接收機(jī)光纖鏈路光放大器光發(fā)射機(jī)(b)光接收機(jī)光纖鏈路光放大器光發(fā)射機(jī)(c)光接收機(jī)光纖鏈路每個(gè)在線放大器的增益必須恰好補(bǔ)償前面一段光纖中的信號(hào)損耗。在設(shè)計(jì)光纖系統(tǒng)時(shí)，還要考慮放大器噪聲等因素的影響，使用多個(gè)在線放大器,光纖鏈路中會(huì)積累ASE噪聲，它隨著信號(hào)光一起傳輸，最終影響輸出端的信噪比

31、,造成信噪比下降。當(dāng)k個(gè)放大器級(jí)聯(lián)時(shí)，考慮ASE噪聲影響的噪聲指數(shù) (5.1.34)式中 表示兩個(gè)放大器之間的鏈路損耗， 表示放大器的噪聲指數(shù)和增益。如果放大器之間鏈路長(zhǎng)度相等，每個(gè)放大器的噪聲指數(shù)和增益也相等，記為F、G，且每個(gè)放大器的增益恰好補(bǔ)償與前一個(gè)放大器之間的鏈路損耗，即 （5.1.35）可見噪聲指數(shù)大大提高了，因而輸出信噪比 劣化了。通過放大器增益和級(jí)聯(lián)數(shù)目的選擇，可以得到總增益和 的最佳組合。一般而言，選擇在線放大器的輸入信號(hào)標(biāo)稱范圍從增益大于15dB。kknknnnLGGLGLFLGLFLFF 12211211211iLiiGFkFGLkFFnn11ninoutFSNRSNR/

32、)()(outSNR)()125(9)5 . 2(26WdBmWdBm3. 功率放大（功率放大（power boaster）功率放大指的是在光發(fā)射機(jī)后安裝一個(gè)光放大器見圖5.1.16(c)所示，以提高發(fā)射功率，一般可使傳輸距離增加10km100km。如果同時(shí)使用前置放大，即可實(shí)現(xiàn)200km250km的無中繼海底傳輸。由于功率放大器直接放置于光發(fā)射機(jī)后，其輸入功率較高，要求的泵浦功率也較大。其輸入一般要在8dBm以上，具有的增益必須大于5dB。例5.1.1用EDFA做功率放大器，設(shè)其增益為20dB，泵浦波長(zhǎng)為=980nm，輸入光信號(hào)的功率為0dBm，波長(zhǎng)為1550nm，求所用的泵浦源功率為多少？解：入射功率0dBm，即為1mw。由功率放大器增益表達(dá)式(b) 4端口耦合器4312分路器合路器(a) 3端口耦合器(c) 星形耦合器NM112212(d) 3波分復(fù)用器21)(sin22czPPin)(cos221czPPPPinin)()(22102221WKaWdKVaUncjoutkiniPPL,lg10jjoutinePPL,lg1021log10PPPLine%100212PPPSRincPPL3lg10光濾波器k(固定)光濾波器i(可調(diào))1，2，n1 2 n(nm)傳輸特性（dB）00.5 dB/4空氣/4/4空氣高折射率低折射率低折射率/)(