光纖通信_(tái)第5章 光放大器

1、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 其他光纖放大器其他光纖放大器5.5 半導(dǎo)體光放大器半導(dǎo)體光放大器SOA 5.6光放大器的應(yīng)用光放大器的應(yīng)用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光電混合中繼器繼器（或稱再生器再生器）放大光信號(hào)。 首先將光纖中送來(lái)光纖中送來(lái)的光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，的光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)， 然后對(duì)電信號(hào)進(jìn)行放大，然后對(duì)電信號(hào)進(jìn)行放大， 最最后再將放大了的電信號(hào)轉(zhuǎn)換為后再將放大了的電信號(hào)轉(zhuǎn)換為光信號(hào)送到光纖中去光信號(hào)送到光纖中去， 如圖5.1

2、所示。 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(hào)的傳輸; 2R再生器， 即在1R的基礎(chǔ)上加上數(shù)字信號(hào)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(shí)與判決功能（Retiming）的再生器。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)光纖光纖光的范圍電的范圍光的范圍 盡管這種方式對(duì)于單個(gè)波長(zhǎng)且數(shù)據(jù)速率不太高的單個(gè)波長(zhǎng)且數(shù)據(jù)速率不太高的通信很適用通信很適用， 但對(duì)于高速率的多個(gè)波長(zhǎng)系統(tǒng)顯然是相當(dāng)復(fù)雜的， 每一波長(zhǎng)就需一個(gè)再生器， 如有N個(gè)波長(zhǎng)就需要N個(gè)這樣的再生器，造價(jià)是相當(dāng)高

3、的。另一方面， 對(duì)于很高的數(shù)據(jù)速率高的數(shù)據(jù)速率，電放大器的實(shí)現(xiàn)難度很大電放大器的實(shí)現(xiàn)難度很大。 因此， 人們?cè)噲D對(duì)光信號(hào)直接放大， 如果這種放大的帶寬較寬， 則可以同時(shí)對(duì)多個(gè)波長(zhǎng)進(jìn)行放大，因而只需一個(gè)放大器即可。 人們經(jīng)過(guò)很大的努力， 終于研制成功了全光放大器， 它可同時(shí)對(duì)多個(gè)波長(zhǎng)進(jìn)行放大。 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(hào)， 延長(zhǎng)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: 輸出光功率與輸入光功率的比值（以dB為單位）。 (2) 增益效率: 增益對(duì)輸入光功率的函數(shù)。 (3) 增益帶寬: 放大器放大信號(hào)的有效頻率范圍。 (4)

4、 增益飽和: 輸入信號(hào)足夠大， 引起放大器的飽和增益。 飽和時(shí)的增益隨信號(hào)功率增加而減小。 (5) 增益波動(dòng): 是增益帶寬內(nèi)的增益變化范圍（以 dB為單位）。 5.2.1 EDFA的放大原理 鉺(Er)是一種稀土元素， 在制造光纖過(guò)程中， 設(shè)法向其摻入一定量的三價(jià)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(hào)能量， 從而產(chǎn)生好的放大效果。 圖5.3 摻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

5、 mSiO2包層直徑250 m涂覆層 鉺離子的發(fā)光原理可用三能級(jí)系統(tǒng)來(lái)解釋， 在泵浦光的激勵(lì)下，高能級(jí)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)能級(jí)， 從而實(shí)現(xiàn)了粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。 當(dāng)具有1550 nm波長(zhǎng)的光信號(hào)通過(guò)這段摻鉺光纖時(shí)， 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(hào)中的光子一模一樣的光子， 從而大大增加了信號(hào)光中的光子數(shù)量， 即實(shí)現(xiàn)了信號(hào)光在摻鉺光纖的傳輸過(guò)程中不斷被放大的功能， 摻鉺光纖放大器也由此得名。 在鉺粒子受激輻射的過(guò)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(wú)章的光子， 并在傳播中不斷地得到放大， 從而形成

6、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)光濾波器光濾波器以降低ASE噪聲對(duì)系統(tǒng)的影響。 目前， 由于980 nm和和1480 nm的泵浦效率高于其他波長(zhǎng)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。 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、泵浦激光、 波分復(fù)用波分復(fù)用(WDM)耦合器、耦合器、 光隔離器和摻鉺光纖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?fù)浣Y(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

7、為泵浦泵浦， 它以980 nm或1480 nm的波長(zhǎng)傳送光能。 泵浦的功率典型范圍是10400 mW。 WDM合波合波/分波器能有效地將信號(hào)光和泵浦光耦分波器能有效地將信號(hào)光和泵浦光耦合進(jìn)合進(jìn)/出摻鉺出摻鉺光纖光纖。 圖5.5 EDFA的基本組成 輸入隔離器熔接頭摻鉺光纖(EDF)WDM耦合器泵浦激光(980 nm或1480 nm) 光隔離器將系統(tǒng)所產(chǎn)生的任何反射回放大器的光減系統(tǒng)所產(chǎn)生的任何反射回放大器的光減小到一個(gè)可接受的水平小到一個(gè)可接受的水平。 如果沒(méi)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、同向泵浦、 反向泵浦和反向

8、泵浦和雙向泵浦雙向泵浦。 (1) 同向泵浦同向泵浦是一種信號(hào)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)，噪聲性能較好。 (2) 反向泵浦反向泵浦是一種信號(hào)光與泵浦光從兩個(gè)不同方向注入摻鉺光纖的結(jié)構(gòu)， 輸出信號(hào)功率高。 （3）雙向泵浦雙向泵浦是同向泵浦與反向泵浦結(jié)合的方式，輸出功率高于單向泵浦，它們的原理框圖分別示于圖5.6（a）、 (b)、 (c)。 圖5.6 EDFA的三種結(jié)構(gòu) (a)(b)鉺光纖輸入光輸出光信號(hào)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(hào)泵浦LDWDM光隔離器偏振器 EDFA有如下優(yōu)點(diǎn)： （1） 轉(zhuǎn)移效率高， 從泵浦源吸收的

9、光功率轉(zhuǎn)移到被放大的光信號(hào)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） 具有較高的飽和輸出光功率， 大約為1025 dBm。 （5） 與光纖的耦合損耗小（1 dB）。 （6） 增益穩(wěn)定性好， 因?yàn)榕c偏振無(wú)關(guān)， 導(dǎo)致了良好的穩(wěn)定性。 當(dāng)然， EDFA也存在ASE噪聲、 串?dāng)_、 增益飽和等問(wèn)題。 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， 其定義為輸輸出功率與輸入功率之比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、摻鉺濃度、 泵浦泵浦光功率、光功率、 光纖

10、長(zhǎng)度、光纖長(zhǎng)度、 泵浦光的波長(zhǎng)泵浦光的波長(zhǎng)等因素有關(guān)聯(lián)。 當(dāng)鉺的濃度超過(guò)一定值時(shí)， 增益反而降低， 其原因是存在增益飽和效應(yīng)， 過(guò)量鉺會(huì)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(shí)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(shí)放大器的增益效率將隨著泵浦功率的增加而下降。 增益隨摻鉺光纖長(zhǎng)度光纖長(zhǎng)度的增加而上升， 但當(dāng)光纖超過(guò)了一定長(zhǎng)度后， 增益反而逐漸下降， 因此存在著一個(gè)可獲得最佳增益的最佳長(zhǎng)度， 但應(yīng)注意， 這一長(zhǎng)度只能是最大增益長(zhǎng)度最大增益長(zhǎng)度， 而不是摻鉺光纖的最佳長(zhǎng)度， 因?yàn)檫€涉及

11、到其他特性(如噪聲特性等)。 另外， 增益還與泵浦條件(包括泵浦功率和泵浦波長(zhǎng))有關(guān)， 目前采用的主要泵浦波長(zhǎng)是980 nm和1480 nm。 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(hào)時(shí)發(fā)生的非線性相互作用， 適當(dāng)?shù)剡x擇光纖介質(zhì)和泵浦頻率適當(dāng)?shù)剡x擇光纖介質(zhì)和泵浦頻率， 可以將新產(chǎn)生信號(hào)的頻率調(diào)諧到被放大信號(hào)的頻率上。 一定頻率的信號(hào)光和泵浦光通過(guò)WDM合波器輸入至光纖， 當(dāng)這兩束光在光纖中一起傳輸時(shí)， 泵浦光的能量通過(guò)受激拉曼效應(yīng)轉(zhuǎn)移給信號(hào)光， 使信號(hào)光得到放大。 泵浦光和信號(hào)光亦可分別在光纖的兩端輸入， 在反向傳輸

12、過(guò)程中同樣能實(shí)現(xiàn)弱信號(hào)的放大。 SRA的工作原理與其它光放大器都是靠轉(zhuǎn)移泵浦能量實(shí)現(xiàn)放大的， 實(shí)際上是有很大不同的。 SOA用電泵浦，用電泵浦，EDFA用光泵浦，需要粒子數(shù)反用光泵浦，需要粒子數(shù)反轉(zhuǎn)轉(zhuǎn); SRA是靠非線性介質(zhì)的受激散射實(shí)現(xiàn)放大功能的，是靠非線性介質(zhì)的受激散射實(shí)現(xiàn)放大功能的， 不需要能級(jí)間粒子數(shù)反轉(zhuǎn)不需要能級(jí)間粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。 SRA最顯著的優(yōu)點(diǎn)是：能夠提供整個(gè)波段的光放能夠提供整個(gè)波段的光放大大。 通過(guò)適當(dāng)改變泵浦激光器的光波波長(zhǎng)就可以得到改變泵浦激光器的光波波長(zhǎng)就可以得到在任意波段進(jìn)行光放大的寬帶放大器在任意波段進(jìn)行光放大的寬帶放大器， 甚至可在12791670 nm整個(gè)波段內(nèi)提

13、供放大。 目前， SRA已在以下三個(gè)波段取得了成功: （1） 1300 nm波段。 （2） 1400 nm波段。 （3） 1550 nm波段。 5.4 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(duì)1550 nm波段的光信號(hào)進(jìn)行放大，為了能對(duì)1310 nm波段的光信號(hào)進(jìn)行放大， 人們?cè)诠饫w中摻入鐠。PDFA具有高的增益（約具有高的增益（約30 dB）和高的飽和功率和高的飽和功率（20 dBm），適用于EDFA不能放大的光波波段，對(duì)現(xiàn)有的光纖線路的升級(jí)和擴(kuò)容有重要的意義。 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的98

14、0 nm和1480 nm的泵浦光源， 而是采用1017 nm的泵浦激光的泵浦激光，離實(shí)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氟化物光纖中摻入鐠物光纖中摻入鐠來(lái)對(duì)光信號(hào)進(jìn)行放大的， 它與EDFA相比具有如下特點(diǎn)： （1） 工作在1.3 m波長(zhǎng)（12801340 nm）。 （2） 高的增益（約30 dB）。 （3） 高的輸出功率（達(dá)300 mW)。 （4） 泵浦光源波長(zhǎng)為1017 nm。 2. 摻鋁(AL)EDFA 為了使EDFA本身具有平坦的增益平坦的增益，人們已嘗試了多種改善EDFA特性的方法。在纖芯中摻鉺的同時(shí)摻入鋁，是當(dāng)前應(yīng)用最普遍的方法，這樣可改變玻璃的組成成分

15、，迫使鉺的放大能級(jí)分布改變， 加寬可放大的頻率。通過(guò)對(duì)對(duì)EDFA摻鋁可以擴(kuò)大摻鋁可以擴(kuò)大1550 nm波長(zhǎng)區(qū)波長(zhǎng)區(qū)。如果進(jìn)一步提高鋁的摻雜濃度，不管是對(duì)小信號(hào)功率，還是對(duì)大信號(hào)功率都能提高在1540 nm時(shí)的增益，因而可減小增益差以達(dá)到平坦增益的目的。 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(lì)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、 摻鉺光纖為主體而構(gòu)成的光纖放大器。 F-EDFA的特點(diǎn)是： （1） 有寬的增益平坦度（約30 nm）。對(duì)多波長(zhǎng)光傳輸系統(tǒng)中的應(yīng)用

16、具有相當(dāng)大的潛力。 （2） 氟化物光纖有吸水性，不能與石英光纖熔接， 需采用機(jī)械連接方法。 （3） 氟化物光纖放大器只能用1480 nm泵浦，使得噪聲比980 nm泵浦的石英摻鉺光纖放大器高。 5. 寬帶碲化物EDFA 應(yīng)用摻碲化物光纖制作放大器可實(shí)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(zhǎng)波長(zhǎng)一側(cè)移動(dòng)。其特點(diǎn)為： 5.5 半導(dǎo)體光放大器半導(dǎo)體光放大器SOA 在研究開發(fā)光纖通信的初期，人們就已著手研制SOA。目前，可批量生產(chǎn), 成本低, 壽命長(zhǎng), 功耗小等優(yōu)點(diǎn)， 且SOA具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，便于集成， 可望制作出1310 nm和1540

17、nm波段的寬帶放大器，以覆蓋EDFA、 PDFA的應(yīng)用窗口。 SOA在波長(zhǎng)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。 5.5.1 SOA的放大原理 半導(dǎo)體光放大器是利用受激輻射受激輻射來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)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(jī)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(duì)其進(jìn)行電流注入， 實(shí)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(méi)有反饋機(jī)制沒(méi)有反饋機(jī)制， 而反饋機(jī)制對(duì)產(chǎn)生相干的激光是很必要的。 因此SOA只能放大光信號(hào)， 但不能產(chǎn)生相干的光輸出。 SOA的基本工作原理如圖5.9所示，其中激活介質(zhì)（有源區(qū)）吸收了外部泵浦提供的能量

18、，電子獲得了能量躍遷到較高的能級(jí)，產(chǎn)生粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。輸入光信號(hào)會(huì)通過(guò)受激輻射過(guò)程激活這些電子，使其躍遷到較低的能級(jí)，從而產(chǎn)生一個(gè)放大的光信號(hào)。 圖5.9 SOA的基本工作原理 有源層光輸入信號(hào)光纖ARAR光纖放大的光輸出信號(hào)AR：防反射涂層泵浦源電流注入(1) 具有可靠的高增益(20 dB)。 (2) 輸出飽和功率范圍是510 dBm。 (3) 具有大的帶寬。 (4) 工作在0.85 m， 1.30 m和1.55 m波長(zhǎng)范圍。 (5)是小型化的半導(dǎo)體器件， 易于和其他器件集成。 5.5.2 SOA的性能與應(yīng)用 1. 光信號(hào)放大器 因?yàn)樵谑澜绶秶鷥?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

19、.30 m波段， 并需要周期性的在線放大器， 而工作波長(zhǎng)為1.30 m的PDFA目前尚未達(dá)到實(shí)用化的水平， 所以仍然需要SOA。 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(diǎn)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(cè)器)的基片上。 3. 光開關(guān) 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?yàn)榘雽?dǎo)體在有泵浦時(shí)可以產(chǎn)生放大， 而在沒(méi)有泵浦時(shí)產(chǎn)生吸收。 其運(yùn)轉(zhuǎn)很簡(jiǎn)單， 當(dāng)提供電流泵浦時(shí)信號(hào)通過(guò)， 而需要信號(hào)阻斷時(shí)將泵浦源斷開 。5.6 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) 在線放大器在