第6章光放大器

第6章光放大器6.1光放大器概述6.2摻鉺光纖放大器

6.3光纖拉曼放大器

6.4半導(dǎo)體光放大器（SOA）

6.5復(fù)習(xí)思考題

6.6習(xí)題1《光纖通信》原榮楊淑雯肖石林吉建華陳名松6.1光放大器概述

6.1.1光放大器作用和種類(lèi)任何光纖通信系統(tǒng)的傳輸距離都受光纖損耗或色散限制，因此，傳統(tǒng)的長(zhǎng)途光纖傳輸系統(tǒng)需要每隔一定的距離就增加一個(gè)再生中繼器，以便保證信號(hào)的質(zhì)量。這種再生中繼器的基本功能是進(jìn)行光-電-光轉(zhuǎn)換，并在光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)時(shí)進(jìn)行整形、再生和定時(shí)（Reshaping，Regenerating，Retiming，3R）處理，恢復(fù)信號(hào)形狀和幅度，然后再轉(zhuǎn)換回光信號(hào)，沿光纖線路繼續(xù)傳輸，如圖6.1.1a所示。2《光纖通信》原榮楊淑雯肖石林吉建華陳名松再生中繼器的缺點(diǎn)首先，通信設(shè)備復(fù)雜，系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性不高，特別是在多信道光纖通信系統(tǒng)中更為突出，因?yàn)槊總€(gè)信道均需要進(jìn)行波分解復(fù)用，然后光-電-光變換，經(jīng)波分復(fù)用后，再送回光纖信道傳輸，所需設(shè)備更復(fù)雜，費(fèi)用更昂貴。其次，傳輸容量受到一定的限制。3《光纖通信》原榮楊淑雯肖石林吉建華陳名松光放大中繼器的作用是在光路上對(duì)光信號(hào)進(jìn)行直接放大，然后再傳輸，即用一個(gè)全光傳輸中繼器代替目前的這種光-電-光再生中繼器，如圖6.1.1b所示。圖6.1.1光-電-光中繼系統(tǒng)和全光中繼系統(tǒng)的比較a）光-電-光中繼系統(tǒng)b）全光中繼系統(tǒng)4《光纖通信》原榮楊淑雯肖石林吉建華陳名松圖6.1.2中間含有光分插復(fù)用（OADM）器的光-電-光點(diǎn)對(duì)點(diǎn)波分復(fù)用（WDM）系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

通信設(shè)備復(fù)雜，系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性不高，傳輸容量受到一定的限制。5《光纖通信》原榮楊淑雯肖石林吉建華陳名松光放大器出現(xiàn)多年來(lái)，人們一直在探索能否去掉上述光-電-光轉(zhuǎn)換過(guò)程，直接在光路上對(duì)信號(hào)進(jìn)行放大，然后再傳輸，即用一個(gè)全光傳輸中繼器代替目前的這種光-電-光再生中繼器。經(jīng)過(guò)多年的努力，科學(xué)家們已經(jīng)發(fā)明了幾種光放大器，其中摻鉺光纖放大器（EDFA）、分布光纖拉曼放大器（DRA）和半導(dǎo)體光放大器（SOA）技術(shù)已經(jīng)成熟，眾多公司已有商品出售。本章對(duì)這幾種放大器進(jìn)行簡(jiǎn)要的介紹。6《光纖通信》原榮楊淑雯肖石林吉建華陳名松用光放大器取代光-電-光中繼器，作為在線放大器使用。插在光發(fā)射機(jī)之后，來(lái)增強(qiáng)光發(fā)射機(jī)功率，作為功率放大器，可增加傳輸距離（10~100）km。在接收機(jī)之前，插入一個(gè)光放大器，對(duì)微弱光信號(hào)進(jìn)行預(yù)放大，提高接收機(jī)靈敏度，這樣的放大器稱(chēng)為前置放大器，也可以用來(lái)增加傳輸距離。補(bǔ)償局域網(wǎng)（LAN）的分配損耗。6.1.2光放大器應(yīng)用7《光纖通信》原榮楊淑雯肖石林吉建華陳名松6.1.3光放大器增益和噪聲 光放大器增益G（有時(shí)也稱(chēng)放大倍數(shù)）為

G=Pout/Pin

（6.1.1）式中，Pin和Pout分別是正在放大的連續(xù)波（CW）信號(hào)的輸入和輸出功率。8《光纖通信》原榮楊淑雯肖石林吉建華陳名松光放大器噪聲指數(shù)Fn

9《光纖通信》原榮楊淑雯肖石林吉建華陳名松例6.1.1光放大器噪聲指數(shù)計(jì)算10《光纖通信》原榮楊淑雯肖石林吉建華陳名松6.2摻鉺光纖放大器（EDFA）使用鉺離子作為增益介質(zhì)的光纖放大器，稱(chēng)為摻鉺光纖放大器(EDFA)。這些離子在光纖制造過(guò)程中被摻入光纖芯中，使用泵浦光直接對(duì)光信號(hào)放大，提供光增益。雖然摻雜光纖放大器早在1964年就有研究，但是直到1985年才首次研制成功摻鉺光纖。1988年低損耗摻鉺光纖技術(shù)已相當(dāng)成熟，其性能相當(dāng)優(yōu)良，已可以提供實(shí)際使用。放大器的特性，如工作波長(zhǎng)、帶寬由摻雜劑所決定。摻鉺光纖放大器因?yàn)楣ぷ鞑ㄩL(zhǎng)在靠近光纖損耗最小的1.55m波長(zhǎng)區(qū)，它比其它光放大器更引人注意。11《光纖通信》原榮楊淑雯肖石林吉建華陳名松6.2.1EDFA構(gòu)成12《光纖通信》原榮楊淑雯肖石林吉建華陳名松EDFA產(chǎn)品13《光纖通信》原榮楊淑雯肖石林吉建華陳名松EDFA產(chǎn)品14《光纖通信》原榮楊淑雯肖石林吉建華陳名松EDFA各部分作用(1)摻鉺光纖 光纖放大器的關(guān)鍵部件是具有增益放大特性的摻鉺光纖，因而使摻鉺光纖的設(shè)計(jì)最佳化是主要的技術(shù)關(guān)鍵。EDFA的增益與許多參數(shù)有關(guān)，如鉺離子濃度、放大器長(zhǎng)度、芯徑以及泵浦光功率等。(2)泵浦源 對(duì)泵浦源的基本要求是高功率和長(zhǎng)壽命。它是保證光纖放大器性能的基本因素。幾個(gè)波長(zhǎng)可有效激勵(lì)摻鉺光纖。最先使用1480nm的InGaAs

多量子阱(MQW)激光器，其輸出功率可達(dá)100mW，泵浦增益系數(shù)較高。隨后采用980nm波長(zhǎng)泵浦，效率高,噪聲低，現(xiàn)已廣泛使用。15《光纖通信》原榮楊淑雯肖石林吉建華陳名松980nm

泵浦LD

雙光纖布拉格光柵波長(zhǎng)穩(wěn)定600mW輸出功率16《光纖通信》原榮楊淑雯肖石林吉建華陳名松(3)波分復(fù)用器

其作用是使泵浦光與信號(hào)光進(jìn)行復(fù)合。對(duì)它的要求是插入損耗低，因而適用的WDM器件主要有熔融拉錐形光纖耦合器和干涉濾波器。(4)光隔離器

在輸入、輸出端插入光隔離器是為了抑制光路中的反射，從而使系統(tǒng)工作穩(wěn)定可靠、降低噪聲。對(duì)隔離器的基本要求是插入損耗低、反向隔離度大。EDFA各部分作用17《光纖通信》原榮楊淑雯肖石林吉建華陳名松

6.2.2EDFA工作原理及其特性在摻鉺離子的能級(jí)圖中，E1是基態(tài)，E2是中間能級(jí)，E3代表激發(fā)態(tài)。若泵浦光的光子能量等于E3與E1之差，鉺離子吸收泵浦光后，從E1升至E3。但是激活態(tài)是不穩(wěn)定的，激發(fā)到E3的鉺離子很快返回到E2。若信號(hào)光的光子能量等于E2和E1之差，則當(dāng)處于E

2的鉺離子返回E1時(shí)則產(chǎn)生信號(hào)光子，這就是受激發(fā)射，結(jié)果使信號(hào)光得到放大。18《光纖通信》原榮楊淑雯肖石林吉建華陳名松泵浦光是如何將能量轉(zhuǎn)移給信號(hào)的為了提高放大器的增益，應(yīng)盡可能使基態(tài)鉺離子激發(fā)到激發(fā)態(tài)能級(jí)E3。從以上分析可知，能級(jí)E2和E1之差必須是需要放大信號(hào)光的光子能量，而泵浦光的光子能量也必須保證使鉺離子從基態(tài)E1躍遷到激活態(tài)E3。EDFA的增益特性與泵浦方式及其光纖摻雜劑有關(guān)?？墒褂枚喾N不同波長(zhǎng)的光來(lái)泵浦EDFA，但是0.98m和1.48m的半導(dǎo)體激光泵浦最有效。使用這兩種波長(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。19《光纖通信》原榮楊淑雯肖石林吉建華陳名松圖6.2.2摻鉺光纖放大器的工作原理（a）硅光纖中鉺離子的能級(jí)圖（b）EDFA的吸收和增益頻譜20《光纖通信》原榮楊淑雯肖石林吉建華陳名松圖6.2.3表示輸出信號(hào)功率與泵浦功率的關(guān)系。由圖可見(jiàn)，能量從泵浦光轉(zhuǎn)換成信號(hào)光的效率很高，因此EDFA很適合作功率放大器。泵浦光功率轉(zhuǎn)換為輸出信號(hào)光功率的效率為92.6%，60mW功率泵浦時(shí)，吸收效率為88%。[(信號(hào)輸出功率信號(hào)輸入功率)/泵浦功率]圖6.2.3輸出信號(hào)功率與泵浦功率的關(guān)系21《光纖通信》原榮楊淑雯肖石林吉建華陳名松圖6.2.4小信號(hào)增益與泵浦功率的關(guān)系小信號(hào)輸入，實(shí)際摻鉺光纖增益和泵浦功率的關(guān)系，1.48m泵浦時(shí)的增益系數(shù)是6.3dB/mW。22《光纖通信》原榮楊淑雯肖石林吉建華陳名松圖6.2.5小信號(hào)增益頻譜將鋁與鍺同時(shí)摻入鉺光纖的小信號(hào)增益頻譜和大信號(hào)增益頻譜特性與圖6.2.2b比較，將鋁與鍺同時(shí)摻入鉺光纖可獲得比純摻鍺更平坦的增益頻譜。23《光纖通信》原榮楊淑雯肖石林吉建華陳名松圖6.2.6大信號(hào)增益頻譜將鋁與鍺同時(shí)摻入鉺光纖的小信號(hào)增益頻譜和大信號(hào)增益頻譜特性與圖6.2.2b比較，將鋁與鍺同時(shí)摻入鉺光纖可獲得比純摻鍺更平坦的增益頻譜。24《光纖通信》原榮楊淑雯肖石林吉建華陳名松3.EDFA小信號(hào)增益EDFA的增益與鉺離子濃度、摻鉺光纖長(zhǎng)度、芯徑和泵浦功率有關(guān)當(dāng)處于激發(fā)態(tài)E3能級(jí)的離子很快返回到E2能級(jí)，產(chǎn)生的輻射是自發(fā)輻射，它對(duì)信號(hào)光放大不起作用。只有鉺離子從E2能級(jí)返回E1能級(jí)時(shí)，發(fā)生的受激發(fā)射才對(duì)信號(hào)光的放大有貢獻(xiàn)。當(dāng)忽略自發(fā)輻射和激發(fā)態(tài)吸收時(shí)，使用一個(gè)簡(jiǎn)單兩能級(jí)模型，對(duì)EDFA的原理可得到更好地理解。該模型假定三能級(jí)系統(tǒng)的激活態(tài)能級(jí)E3幾乎保持空位，因?yàn)楸闷值侥芗?jí)E3的離子數(shù)快速地轉(zhuǎn)移到能級(jí)E2。25《光纖通信》原榮楊淑雯肖石林吉建華陳名松對(duì)于給定的放大器長(zhǎng)度L，放大器增益最初隨泵浦功率按指數(shù)函數(shù)增加，但是當(dāng)泵浦功率超過(guò)一定值后，增益的增加就減小圖6.2.7a小信號(hào)增益和泵浦功率的關(guān)系26《光纖通信》原榮楊淑雯肖石林吉建華陳名松對(duì)于給定的泵浦功率，放大器的最大增益對(duì)應(yīng)一個(gè)最佳光纖長(zhǎng)度，并且當(dāng)超過(guò)這個(gè)最佳值后很快降低。其原因是鉺光纖的剩余部分沒(méi)有被泵浦，反而吸收了已放大的信號(hào)。圖6.2.7b小信號(hào)增益和光纖長(zhǎng)度的關(guān)系27《光纖通信》原榮楊淑雯肖石林吉建華陳名松4.增益飽和（或壓縮）特性在EDFA泵浦功率一定的情況下，輸入功率較小時(shí)，放大器增益不隨入射光信號(hào)的增加而變化，表現(xiàn)為恒定不變。當(dāng)輸入信號(hào)功率增大到一定值后（一般為20dBm左右），增益開(kāi)始隨信號(hào)功率的增加而下降，這是入射信號(hào)導(dǎo)致EDFA出現(xiàn)增益飽和的緣故。28《光纖通信》原榮楊淑雯肖石林吉建華陳名松4.增益飽和（或壓縮）特性當(dāng)泵浦功率一定時(shí)，摻鉺光纖越長(zhǎng)飽和程度越深。EDFA的這種增益飽和特性，稱(chēng)為增益壓縮，使它具有增益自調(diào)整能力，這在EDFA的級(jí)聯(lián)應(yīng)用中具有重要的意義。在8.5.2節(jié)還將進(jìn)一步介紹。29《光纖通信》原榮楊淑雯肖石林吉建華陳名松6.3光纖拉曼放大器EDFA只能工作在1530~1564nm之間的C波段；光纖拉曼放大器可用于全波光纖工作窗口。因?yàn)榉植际嚼糯笃鞯脑鲆骖l譜只由泵浦波長(zhǎng)決定，而與摻雜物的能級(jí)電平無(wú)關(guān)，所以只要泵浦波長(zhǎng)適當(dāng)，就可以在任意波長(zhǎng)獲得信號(hào)光的增益光纖拉曼放大器已成功地應(yīng)用于DWDM系統(tǒng)和無(wú)中繼海底光纜系統(tǒng)中。30《光纖通信》原榮楊淑雯肖石林吉建華陳名松6.3.1分布式光纖拉曼放大器的工作原理增益介質(zhì)：系統(tǒng)傳輸光纖；工作原理：基于非線性光學(xué)效應(yīng)，利用強(qiáng)泵浦光通過(guò)光纖傳輸時(shí)產(chǎn)生受激拉曼散射，使組成光纖的石英晶格振動(dòng)和泵浦光之間發(fā)生相互作用，產(chǎn)生比泵浦光波長(zhǎng)P還長(zhǎng)的散射光（斯托克斯光P–s

）。該散射光與波長(zhǎng)相同的信號(hào)光(P–s

)重疊，從而使弱信號(hào)光放大，獲得拉曼增益。就石英玻璃而言，泵浦光波長(zhǎng)與待放大信號(hào)光波長(zhǎng)之間的頻率差大約為13THz，在1.5m波段，由附錄G可知，它相當(dāng)于約100nm的波長(zhǎng)差，即有100nm的增益帶寬。

31《光纖通信》原榮楊淑雯肖石林吉建華陳名松分布式拉曼放大器（DRA）的

工作原理采用拉曼放大時(shí)，放大波段只依賴于泵浦光的波長(zhǎng)，沒(méi)有像EDFA那樣的放大波段的限制。從原理上講，只要采用合適的泵浦光波長(zhǎng)，就完全可以對(duì)任意輸入光進(jìn)行放大。分布式光纖拉曼放大器（DRA）采用強(qiáng)泵浦光對(duì)傳輸光纖進(jìn)行泵浦，可以采用前向泵浦，也可以采用后向泵浦，因后向泵浦減小了泵浦光和信號(hào)光相互作用的長(zhǎng)度，從而也就減小了泵浦噪聲對(duì)信號(hào)的影響，所以通常采用后向泵浦。圖6.3.1為采用前向泵浦的分布式光纖拉曼放大器的構(gòu)成和能級(jí)圖。32《光纖通信》原榮楊淑雯肖石林吉建華陳名松如果一個(gè)弱信號(hào)光與一個(gè)強(qiáng)泵浦光同時(shí)在一根光纖中傳輸，并且弱信號(hào)光的波長(zhǎng)在泵浦光的拉曼增益帶寬內(nèi)，產(chǎn)生比泵浦光波長(zhǎng)還長(zhǎng)的散射光（斯托克斯光）。該散射光與波長(zhǎng)相同的信號(hào)光重疊，從而使弱信號(hào)光放大，獲得拉曼增益。

圖6.3.1分布式拉曼放大器的工作原理33《光纖通信》原榮楊淑雯肖石林吉建華陳名松受激拉曼散射

(SRS)本質(zhì)上

與受激光發(fā)射(SOA)不同在受激發(fā)射中，入射光子激發(fā)另一個(gè)相同的光子發(fā)射而沒(méi)有損失它自己的能量；但在SRS中，入射泵浦光子放棄了它自己的能量，產(chǎn)生了另一個(gè)較低能量（較長(zhǎng)波長(zhǎng)）的光子。與SOA電泵浦不同，SRS必須光泵浦，也不要求粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。事實(shí)上，SRS是一種非諧振非線性現(xiàn)象，它不要求粒子數(shù)在能級(jí)間轉(zhuǎn)移。34《光纖通信》原榮楊淑雯肖石林吉建華陳名松6.3.2拉曼增益和帶寬圖6.3.2測(cè)量到的拉曼增益系數(shù)頻譜增益帶寬可以達(dá)到約8THz。光纖拉曼放大器相當(dāng)大的帶寬使它們?cè)诠饫w通信應(yīng)用中具有極大的吸引力。35《光纖通信》原榮楊淑雯肖石林吉建華陳名松圖6.3.3小信號(hào)光在長(zhǎng)光纖內(nèi)的拉曼增益由圖可見(jiàn)，又一次實(shí)驗(yàn)證明，信號(hào)光和泵浦光的頻率差為13.2THz時(shí)，拉曼增益達(dá)到最大36《光纖通信》原榮楊淑雯肖石林吉建華陳名松多波長(zhǎng)泵浦增益帶寬增益波長(zhǎng)由泵浦光波長(zhǎng)決定，選擇適當(dāng)?shù)谋闷止獠ㄩL(zhǎng)，可得到任意波長(zhǎng)的光信號(hào)放大。分布式光纖拉曼放大器的增益頻譜是每個(gè)波長(zhǎng)的泵浦光單獨(dú)產(chǎn)生的增益頻譜疊加的結(jié)果，所以它是由泵浦光波長(zhǎng)的數(shù)量和種類(lèi)決定的。37《光纖通信》原榮楊淑雯肖石林吉建華陳名松該圖表示6個(gè)泵浦波長(zhǎng)單獨(dú)泵浦時(shí)，產(chǎn)生的增益頻譜和總的增益頻譜曲線。由圖可見(jiàn)，當(dāng)泵浦光波長(zhǎng)逐漸向長(zhǎng)波長(zhǎng)方向移動(dòng)時(shí)，增益曲線峰值也逐漸向長(zhǎng)波長(zhǎng)方向移動(dòng)。圖6.3.4多波長(zhǎng)泵浦增益頻譜38《光纖通信》原榮楊淑雯肖石林吉建華陳名松 可以采用前向泵浦,也可以采用后向泵浦，因后向泵浦減小了泵浦光和信號(hào)光相互作用的長(zhǎng)度，從而也就減小了泵浦噪聲對(duì)信號(hào)的影響，所以通常采用后向泵浦。光纖分布式喇曼放大器（DRA）構(gòu)成

-----后向泵浦39《光纖通信》原榮楊淑雯肖石林吉建華陳名松6.4半導(dǎo)體光放大器（SOA）40《光纖通信》原榮楊淑雯肖石林吉建華陳名松半導(dǎo)體

光放大器的

機(jī)理半導(dǎo)體光放大器的機(jī)理與激光器的相同，即通過(guò)受激發(fā)射放大入射光信號(hào)。光放大器只是一個(gè)沒(méi)有反饋的激光器，其核心是當(dāng)放大器被光或電泵浦時(shí)，使粒子數(shù)反轉(zhuǎn)獲得光增益。該增益通常不僅與入射信號(hào)的頻率（或波長(zhǎng)）有關(guān)，而且與放大器內(nèi)任一點(diǎn)的局部光強(qiáng)有關(guān)，該頻率和光強(qiáng)與光增益的關(guān)系又取決于放大器介質(zhì)。41《光纖通信》原榮楊淑雯肖石林吉建華陳名松行波光放大器是一個(gè)沒(méi)有反饋的激光器。其核心是當(dāng)放大器被光或電泵浦時(shí)，使粒子數(shù)反轉(zhuǎn)獲得光增益。