第6章光放大器2013Apr3

1第3章光放大器一般概念半導(dǎo)體光放大器摻鉺光纖放大器 光纖拉曼放大器2再生中繼器的缺點(diǎn)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)變?yōu)殡娦盘?hào)時(shí)進(jìn)行再生、整形和定時(shí)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。這種方式有許多缺點(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。3WDM光-電-光轉(zhuǎn)換再生中繼器結(jié)構(gòu)缺點(diǎn):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。Amp4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。半導(dǎo)體光放大器（SOA）摻鉺光纖放大器（EDFA）分布光纖拉曼放大器（DRA）53.1一般概念3.1.1增益和帶寬3.1.2增益飽和3.1.3放大器噪聲3.1.4光放大器應(yīng)用63.1一般概念光放大器通過受激發(fā)射放大入射光信號(hào)，其機(jī)理與激光器的相同。光放大器只是一個(gè)沒有反饋的激光器，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)。

7行波光放大器是一個(gè)沒有反饋的激光器。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。行波半導(dǎo)體光放大器8增益系數(shù)：

當(dāng)入射光頻與原子躍遷頻率相同時(shí)增益最大。增益曲線，洛倫茲（Lorentzian）分布曲線

增益：

3.1.1增益和帶寬9對(duì)于洛倫茲頻譜曲線，增益帶寬與的關(guān)系是：放大器帶寬定義為曲線半最大值的全寬的關(guān)系是：它與增益帶寬10G0為不飽和放大器增益3.1.2增益飽和113.1.3放大器噪聲與電子放大器類似，用放大器噪聲指數(shù)Fn來(lái)量度SNR下降的程度，并定義為：《光纖通信》（第3版）原榮編著12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。3.1.4光放大器應(yīng)用133.2半導(dǎo)體光放大器3.2.1放大器設(shè)計(jì)3.2.2放大器特性3.2.3半導(dǎo)體光放大器的應(yīng)用143.2.1半導(dǎo)體光放大器的設(shè)計(jì)對(duì)于半導(dǎo)體光放大器(SOA)的研究，早在1962年發(fā)明半導(dǎo)體激光器不久就已開始了。然而，只有在上世紀(jì)80年代，在認(rèn)識(shí)到它將在光波系統(tǒng)中具有廣泛應(yīng)用前景的驅(qū)使下，才對(duì)SOA進(jìn)行了廣泛的研究和開發(fā)?！豆饫w通信》（第3版）原榮編著15半導(dǎo)體光放大器外形16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，即通過受激發(fā)射放大入射光信號(hào)。光放大器只是一個(gè)沒有反饋的激光器，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（P49,P2343-20）。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)，該關(guān)系取決于放大器介質(zhì)。《光纖通信》（第3版）原榮編著17行波光放大器是一個(gè)沒有反饋的激光器。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。行波半導(dǎo)體光放大器18半導(dǎo)體激光器由于在介質(zhì)表面存在反射，當(dāng)偏流低于閾值時(shí)，減小腔體界面反射，可使激光器變?yōu)榉糯笃?。F-PSOA的結(jié)構(gòu)和原理19F-P諧振腔反射率R越大，SOA的增益越大。但是，當(dāng)R超過一定值后，光放大器將變?yōu)榧す馄?。?dāng)GsR=1時(shí)，F(xiàn)-P

SOA將變?yōu)闊o(wú)限大，此時(shí)，SOA產(chǎn)生激光發(fā)射。不同反射率時(shí)的F-PSOA的增益頻譜

20角度面或有源區(qū)傾斜結(jié)構(gòu)，反射光束已與前向光束分開。在大多數(shù)情況下，使用抗反射膜和有源區(qū)傾斜，可以使反射率<0.1%減小反射率的方法21插入透明窗口。光束在到達(dá)半導(dǎo)體和空氣界面前，在該窗口區(qū)已發(fā)散，光束經(jīng)界面反射后進(jìn)一步發(fā)散，只有極小部分光耦合進(jìn)薄的有源層。減小反射率的方法223.2.2半導(dǎo)體光放大器的特性增益：芯片3035dB,除810dB的耦合損耗外，還有2225dB的增益。帶寬很寬，可以對(duì)窄至幾個(gè)ps的超窄光脈沖進(jìn)行放大?？膳c光發(fā)射機(jī)和接收機(jī)一起單片集成在一起。23增益頻譜曲線和帶寬(a)法布里-玻羅放大器(FPA)和行波放大器(TWA)的帶寬(b)行波光放大器的增益與波長(zhǎng)的關(guān)系24減小偏振態(tài)對(duì)增益的影響25信號(hào)通過同一個(gè)放大器兩次，但是兩次間的極化旋轉(zhuǎn)了，使得總增益與偏振態(tài)無(wú)關(guān)。26波長(zhǎng)可調(diào)激光器+光放大

+調(diào)制器集成化器件273.2.3半導(dǎo)體光放大器的應(yīng)用SOA存在增益受偏振影響、以及耦合損耗較大等缺點(diǎn)，所以不能作為在線放大器使用。SOA可以在1.3m光纖系統(tǒng)中作為光放大使用，因?yàn)橐话愕腅DFA不能在該窗口使用。SOA芯片具有高達(dá)30~35dB的增益，除輸入和輸出端存在總共8~10dB的耦合損耗外，還有22~25dB的增益。另外行波半導(dǎo)體光放大器具有很寬的帶寬，可以對(duì)窄至幾個(gè)ps的超窄光脈沖進(jìn)行放大。在DWDM光纖通信中，可作為波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換和快速交換器件使用。283.3摻鉺光纖放大器（EDFA）3.3.1EDFA構(gòu)成3.3.2摻鉺光纖結(jié)構(gòu)3.3.3工作原理及其特性3.3.4EDFA的優(yōu)點(diǎn)29光纖放大器增益性介質(zhì)為：摻有稀土離子的光纖光纖放大器的工作頻帶30摻鉺光纖放大器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(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。313.3.1EDFA構(gòu)成《光纖通信》（第3版）原榮編著32EDFA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、摻餌光纖長(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。33(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器件有熔融拉錐形光纖耦合器。(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。343.3.2摻鉺光纖結(jié)構(gòu)摻耳光纖結(jié)構(gòu)、折射率分布、光場(chǎng)分布353.3.3EDFA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。但是激發(fā)態(tài)不穩(wěn)定，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E2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。習(xí)題7-136泵浦光如何將能量轉(zhuǎn)移給信號(hào)光？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。37EDFA三種泵浦方式38ASE自發(fā)輻射《光纖通信》（第3版）原榮編著3940習(xí)題:EDFA增益計(jì)算41EDFA噪聲42習(xí)題噪聲系數(shù)Fn計(jì)算43注意：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)泵浦功率超過一定值后，增益的增加就減小。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)超過這個(gè)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(hào)。選擇適當(dāng)?shù)腖值和PP,，獲得所需要的增益。當(dāng)用1.48m波長(zhǎng)的激光泵浦時(shí)，如泵浦功率5mW，放大器長(zhǎng)度30m，則可獲得35dB的光增益。443.3.4EDFA的優(yōu)點(diǎn)《光纖通信》（第3版）原榮編著45463.4光纖拉曼放大器3.4.1分布式拉曼放大器的工作原理3.4.2拉曼放大技術(shù)應(yīng)用47引言EDFA只能工作在1500~1630nm之間的C波段和L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)和海底光纜系統(tǒng)中。483.4.1分布式拉曼放大器（DRA）的工作原理和特性與EDFA利用摻鉺光纖作為它的增益介質(zhì)不同，分布式拉曼放大器（DRA）利用系統(tǒng)中的傳輸光纖作為它的增益介質(zhì)。DRA是基于非線性光學(xué)效應(yīng)的原理，它利用強(qiáng)泵浦光束通過光纖傳輸時(shí)產(chǎn)生受激拉曼散射，一個(gè)較高能量（較短波長(zhǎng)）的入射泵浦光子產(chǎn)生一個(gè)較低能量（較長(zhǎng)波長(zhǎng)）的光子，剩余的能量以分子振蕩的形式（光聲子）被介質(zhì)吸收。49一個(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，弱信號(hào)光的波長(zhǎng)在泵浦光的拉曼增益帶寬內(nèi)，則強(qiáng)泵浦光的能量通過受激拉曼散射耦合到光纖硅材料的振蕩模中，然后又以較長(zhǎng)的波長(zhǎng)發(fā)射，該波長(zhǎng)就是信號(hào)光的波長(zhǎng)，從而使弱信號(hào)光得到放大，獲得拉曼增益?！豆饫w通信》（第3版）原榮編著50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（較低頻率）的光子。與SOA電泵浦不同，SRS必須光泵浦，與EDFA不同，SRS也不要求粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。SRS是一種非線性現(xiàn)象，它不要求粒子數(shù)在能級(jí)間轉(zhuǎn)移。51拉曼放大器的泵浦方式分布式拉曼放大器（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。52光纖分布式喇曼放大器（DRA）構(gòu)成

-----后向泵浦53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)的信號(hào)放大。分布式光纖喇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，所以它由泵浦光波長(zhǎng)的數(shù)量和種類決定。543.4.2喇曼放大技術(shù)應(yīng)用分布式喇曼放大器不但能夠工作在EDFA常使用到的C波段和L波段，而