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)的長途光纖傳輸系統(tǒng)需要每隔一定的距離就增加一個再生中繼器，以便保證信號的質(zhì)量。這種再生中繼器的基本功能是進行光-電-光轉(zhuǎn)換，并在光信號轉(zhuǎn)換為電信號時進行整形、再生和定時（Reshaping，Regenerating，Retiming，3R）處理，恢復(fù)信號形狀和幅度，然后再轉(zhuǎn)換回光信號，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，因為每個信道均需要進行波分解復(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光信號進行直接放大，然后再傳輸，即用一個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-光點對點波分復(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，人們一直在探索能否去掉上述光-電-光轉(zhuǎn)換過程，直接在光路上對信號進行放大，然后再傳輸，即用一個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。本章對這幾種放大器進行簡要的介紹。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)射機之后，來增強光發(fā)射機功率，作為功率放大器，可增加傳輸距離（10~100）km。在接收機之前，插入一個光放大器，對微弱光信號進行預(yù)放大，提高接收機靈敏度，這樣的放大器稱為前置放大器，也可以用來增加傳輸距離。補償局域網(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（有時也稱放大倍數(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，稱為摻鉺光纖放大器(EDFA)。這些離子在光纖制造過程中被摻入光纖芯中，使用泵浦光直接對光信號放大，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)已相當成熟，其性能相當優(yōu)良，已可以提供實際使用。放大器的特性，如工作波長、帶寬由摻雜劑所決定。摻鉺光纖放大器因為工作波長在靠近光纖損耗最小的1.55m波長區(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、放大器長度、芯徑以及泵浦光功率等。(2)泵浦源 對泵浦源的基本要求是高功率和長壽命。它是保證光纖放大器性能的基本因素。幾個波長可有效激勵摻鉺光纖。最先使用1480nm的InGaAs

多量子阱(MQW)激光器，其輸出功率可達100mW，泵浦增益系數(shù)較高。隨后采用980nm波長泵浦，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光進行復(fù)合。對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圖中，E1是基態(tài)，E2是中間能級，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。若信號光的光子能量等于E2和E1之差，則當處于E

2的鉺離子返回E1時則產(chǎn)生信號光子，這就是受激發(fā)射，結(jié)果使信號光得到放大。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E3。從以上分析可知，能級E2和E1之差必須是需要放大信號光的光子能量，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不同波長的光來泵浦EDFA，但是0.98m和1.48m的半導(dǎo)體激光泵浦最有效。使用這兩種波長的光泵浦EDFA時，只用幾毫瓦的泵浦功率就可獲得高達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表示輸出信號功率與泵浦功率的關(guān)系。由圖可見，能量從泵浦光轉(zhuǎn)換成信號光的效率很高，因此EDFA很適合作功率放大器。泵浦光功率轉(zhuǎn)換為輸出信號光功率的效率為92.6%，60mW功率泵浦時，吸收效率為88%。[(信號輸出功率信號輸入功率)/泵浦功率]圖6.2.3輸出信號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小信號增益與泵浦功率的關(guān)系小信號輸入，實際摻鉺光纖增益和泵浦功率的關(guān)系，1.48m泵浦時的增益系數(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小信號增益頻譜將鋁與鍺同時摻入鉺光纖的小信號增益頻譜和大信號增益頻譜特性與圖6.2.2b比較，將鋁與鍺同時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大信號增益頻譜將鋁與鍺同時摻入鉺光纖的小信號增益頻譜和大信號增益頻譜特性與圖6.2.2b比較，將鋁與鍺同時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小信號增益EDFA的增益與鉺離子濃度、摻鉺光纖長度、芯徑和泵浦功率有關(guān)當處于激發(fā)態(tài)E3能級的離子很快返回到E2能級，產(chǎn)生的輻射是自發(fā)輻射，它對信號光放大不起作用。只有鉺離子從E2能級返回E1能級時，發(fā)生的受激發(fā)射才對信號光的放大有貢獻。當忽略自發(fā)輻射和激發(fā)態(tài)吸收時，使用一個簡單兩能級模型，對EDFA的原理可得到更好地理解。該模型假定三能級系統(tǒng)的激活態(tài)能級E3幾乎保持空位，因為泵浦到能級E3的離子數(shù)快速地轉(zhuǎn)移到能級E2。25《光纖通信》原榮楊淑雯肖石林吉建華陳名松對于給定的放大器長度L，放大器增益最初隨泵浦功率按指數(shù)函數(shù)增加，但是當泵浦功率超過一定值后，增益的增加就減小圖6.2.7a小信號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于給定的泵浦功率，放大器的最大增益對應(yīng)一個最佳光纖長度，并且當超過這個最佳值后很快降低。其原因是鉺光纖的剩余部分沒有被泵浦，反而吸收了已放大的信號。圖6.2.7b小信號增益和光纖長度的關(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，放大器增益不隨入射光信號的增加而變化，表現(xiàn)為恒定不變。當輸入信號功率增大到一定值后（一般為20dBm左右），增益開始隨信號功率的增加而下降，這是入射信號導(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）特性當泵浦功率一定時，摻鉺光纖越長飽和程度越深。EDFA的這種增益飽和特性，稱為增益壓縮，使它具有增益自調(diào)整能力，這在EDFA的級聯(lián)應(yīng)用中具有重要的意義。在8.5.2節(jié)還將進一步介紹。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。因為分布式拉曼放大器的增益頻譜只由泵浦波長決定，而與摻雜物的能級電平無關(guān)，所以只要泵浦波長適當，就可以在任意波長獲得信號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)，利用強泵浦光通過光纖傳輸時產(chǎn)生受激拉曼散射，使組成光纖的石英晶格振動和泵浦光之間發(fā)生相互作用，產(chǎn)生比泵浦光波長P還長的散射光（斯托克斯光P–s

）。該散射光與波長相同的信號光(P–s

)重疊，從而使弱信號光放大，獲得拉曼增益。就石英玻璃而言，泵浦光波長與待放大信號光波長之間的頻率差大約為13THz，在1.5m波段，由附錄G可知，它相當于約100nm的波長差，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，放大波段只依賴于泵浦光的波長，沒有像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，就完全可以對任意輸入光進行放大。分布式光纖拉曼放大器（DRA）采用強泵浦光對傳輸光纖進行泵浦，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光相互作用的長度，從而也就減小了泵浦噪聲對信號的影響，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)成和能級圖。32《光纖通信》原榮楊淑雯肖石林吉建華陳名松如果一個弱信號光與一個強泵浦光同時在一根光纖中傳輸，并且弱信號光的波長在泵浦光的拉曼增益帶寬內(nèi)，產(chǎn)生比泵浦光波長還長的散射光（斯托克斯光）。該散射光與波長相同的信號光重疊，從而使弱信號光放大，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)另一個相同的光子發(fā)射而沒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)生了另一個較低能量（較長波長）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測量到的拉曼增益系數(shù)頻譜增益帶寬可以達到約8THz。光纖拉曼放大器相當大的帶寬使它們在光纖通信應(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小信號光在長光纖內(nèi)的拉曼增益由圖可見，又一次實驗證明，信號光和泵浦光的頻率差為13.2THz時，拉曼增益達到最大36《光纖通信》原榮楊淑雯肖石林吉建華陳名松多波長泵浦增益帶寬增益波長由泵浦光波長決定，選擇適當?shù)谋闷止獠ㄩL，可得到任意波長的光信號放大。分布式光纖拉曼放大器的增益頻譜是每個波長的泵浦光單獨產(chǎn)生的增益頻譜疊加的結(jié)果，所以它是由泵浦光波長的數(shù)量和種類決定的。37《光纖通信》原榮楊淑雯肖石林吉建華陳名松該圖表示6個泵浦波長單獨泵浦時，產(chǎn)生的增益頻譜和總的增益頻譜曲線。由圖可見，當泵浦光波長逐漸向長波長方向移動時，增益曲線峰值也逐漸向長波長方向移動。圖6.3.4多波長泵浦增益頻譜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光相互作用的長度，從而也就減小了泵浦噪聲對信號的影響，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

機理半導(dǎo)體光放大器的機理與激光器的相同，即通過受激發(fā)射放大入射光信號。光放大器只是一個沒有反饋的激光器，其核心是當放大器被光或電泵浦時，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的頻率（或波長）有關(guān)，而且與放大器內(nèi)任一點的局部光強有關(guān)，該頻率和光強與光增益的關(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沒有反饋的激光器。其核心是當放大器被光或電泵浦時，使粒子數(shù)反轉(zhuǎn)獲得光增益。