寬帶光網(wǎng)絡(luò)第11章光放技術(shù)

第11章光放大技術(shù)11.1光放大器概述

11.2摻鉺光纖放大器EDFA11.3半導(dǎo)體光放大器SOA11.4光纖拉曼放大器FRA11.1光放大器概述光放大器的出現(xiàn)，可視為光纖通信發(fā)展史上的重要里程碑。光放大器出現(xiàn)之前，光纖通信的中繼器采用光－電－光(O-E-O)變換方式。裝置復(fù)雜、耗能多、不能同時(shí)放大多個(gè)波長信道，在WDM系統(tǒng)中復(fù)雜性和成本倍增，可實(shí)現(xiàn)1R、2R、3R中繼光放大器（O-O）多波長放大、低成本，只能實(shí)現(xiàn)1R中繼光放大器的原理光放大器的功能：提供光信號(hào)增益，以補(bǔ)償光信號(hào)在通路中的傳輸衰減，增大系統(tǒng)的無中繼傳輸距離。在泵浦能量（電或光）的作用下，實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)（非線性光纖放大器除外），然后通過受激輻射實(shí)現(xiàn)對(duì)入射光的放大。光放大器是基于受激輻射或受激散射原理實(shí)現(xiàn)入射光信號(hào)放大的一種器件。其機(jī)制與激光器完全相同。實(shí)際上，光放大器在結(jié)構(gòu)上是一個(gè)沒有反饋或反饋較小的激光器。光放大器的類型利用稀土摻雜的光纖放大器（EDFA、PDFA）利用半導(dǎo)體制作的半導(dǎo)體光放大器（SOA）利用光纖非線性效應(yīng)制作的非線性光纖放大器（FRA、FBA）幾種光放大器的比較放大器類型原理激勵(lì)方式工作長度噪聲特性與光纖耦合與光偏振關(guān)系穩(wěn)定性摻稀土光纖放大器粒子數(shù)反轉(zhuǎn)光數(shù)米到數(shù)十米好容易無好半導(dǎo)體光放大器粒子數(shù)反轉(zhuǎn)電100m~1mm差很難大差光纖(喇曼)放大器光學(xué)非線性(喇曼)效應(yīng)光數(shù)千米好容易大好光放大器的應(yīng)用線路放大(In-line)：周期性補(bǔ)償各段光纖損耗功率放大(Boost)：增加入纖功率,延長傳輸距離前置預(yù)放大(Pre-Amplify):提高接收靈敏度局域網(wǎng)的功率放大器：補(bǔ)償分配損耗，增大網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)數(shù)研究新熱點(diǎn)展寬帶寬：C-band40nm,L-band再加40nm；均衡功能：針對(duì)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)系統(tǒng)的增益均衡，針對(duì)全光網(wǎng)的功率均衡；監(jiān)控管理功能：在線放大器，全光網(wǎng)路由改變；動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性；其它波段的光纖放大器，如Raman放大器。11.2摻鉺光纖放大器EDFA摻雜光纖放大器利用摻入石英光纖的稀土離子作為增益介質(zhì)，在泵浦光的激發(fā)下實(shí)現(xiàn)光信號(hào)的放大，放大器的特性主要由摻雜元素決定。工作波長為1550nm的鉺(Er)摻雜光纖放大器(EDFA)工作波長為1300nm的鐠(Pr)摻雜光纖放大器(PDFA)工作波長為1400nm的銩(Tm)摻雜光纖放大器(TDFA)目前，EDFA最為成熟，是光纖通信系統(tǒng)必備器件。摻鉺光纖放大器給光纖通信領(lǐng)域帶來的革命EDFA解決了系統(tǒng)容量提高的最大的限制——光損耗補(bǔ)償了光纖本身的損耗，使長距離傳輸成為可能大大增加了功率預(yù)算的冗余，系統(tǒng)中引入各種新型光器件成為可能支持了最有效的增加光通信容量的方式-WDM推動(dòng)了全光網(wǎng)絡(luò)的研究開發(fā)熱潮為什么要用摻鉺光纖放大器工作頻帶正處于光纖損耗最低處(1525-1565nm)；頻帶寬，可以對(duì)多路信號(hào)同時(shí)放大-波分復(fù)用；對(duì)數(shù)據(jù)率/格式透明，系統(tǒng)升級(jí)成本低；增益高(>40dB)、輸出功率大(~30dBm)、噪聲低(4~5dB)；全光纖結(jié)構(gòu)，與光纖系統(tǒng)兼容；增益與信號(hào)偏振態(tài)無關(guān)，故穩(wěn)定性好；所需的泵浦功率低(數(shù)十毫瓦)。EDFA的工作原理EDFA采用摻鉺離子單模光纖為增益介質(zhì)，在泵浦光作用下產(chǎn)生粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，在信號(hào)光誘導(dǎo)下實(shí)現(xiàn)受激輻射放大。Inputsignal1530nm-1570nmAmplifiedoutputsignalPowerlaser(Pump)980nmor1480nmFibercontainingerbiumdopant信號(hào)光與波長較其為短的光波(泵浦光)同沿光纖傳輸，泵浦光的能量被光纖中的稀土元素離子吸收而使其躍遷至更高能級(jí)，并可通過能級(jí)間的受激發(fā)射轉(zhuǎn)移為信號(hào)光的能量。信號(hào)光沿光纖長度得到放大，泵浦光沿光纖長度不斷衰減。EDFA中的Er3+能級(jí)結(jié)構(gòu)泵浦波長可以是520、650、800、980、1480nm波長短于980nm的泵浦效率低，因而通常采用980和1480nm泵浦。鉺離子簡化能級(jí)示意圖吸收泵浦光快速非輻射躍遷光放大受激輻射產(chǎn)生噪聲自發(fā)輻射受激吸收基態(tài)能帶泵浦能帶980nm1480nm亞穩(wěn)態(tài)能帶1550nm摻鉺光纖放大器的基本結(jié)構(gòu)摻鉺光纖：當(dāng)一定的泵浦光注入到摻鉺光纖中時(shí)，Er3+從低能級(jí)被激發(fā)到高能級(jí)上，由于在高能級(jí)上的壽命很短，很快以非輻射躍遷形式到較低能級(jí)上，并在該能級(jí)和低能級(jí)間形成粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布。半導(dǎo)體泵浦二極管：為信號(hào)放大提供足夠的能量，使物質(zhì)達(dá)到粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。波分復(fù)用耦合器：將信號(hào)光和泵浦光合路進(jìn)入摻鉺光纖中。光隔離器：使光傳輸具有單向性，放大器不受發(fā)射光影響，保證穩(wěn)定工作。三種泵浦方式的EDFALD2WDM2EDFAPCAPCinoutLD1WDM1LDWDMEDFAPCAPCinoutLDWDMEDFAPCAPCinout同向泵浦(前向泵浦)型：好的噪聲性能反向泵浦(后向泵浦)型：輸出信號(hào)功率高雙向泵浦型：輸出信號(hào)功率比單泵浦源高3dB，且放大特性與信號(hào)傳輸方向無關(guān)MultistageEDFA由于光纖對(duì)1480nm的光損耗較小，所以1480nm泵浦光又常用于遙泵方式。RemotePumpingEDFA的工作特性光放大器的增益放大器的噪聲EDFA的多信道放大特性EDFA的大功率化一、光放大器的增益增益G是描述光放大器對(duì)信號(hào)放大能力的參數(shù)。定義為：G與光放大器的泵浦功率、摻雜光纖的參數(shù)和輸入光信號(hào)有很復(fù)雜的關(guān)系。輸出信號(hào)光功率輸入信號(hào)光功率小信號(hào)增益G＝30dB時(shí)，增益對(duì)輸入光功率的典型依存關(guān)系輸入光功率較小時(shí)，G是一常數(shù)，即輸出光功率PS,OUT與輸入光功率PS,IN成正比例。G0光放大器的小信號(hào)增益。G0飽和輸出功率：放大器增益降至小信號(hào)增益一半時(shí)的輸出功率。3dBPout,sat當(dāng)PS,IN增大到一定值后，光放大器的增益G開始下降。增益飽和現(xiàn)象。飽和區(qū)域增益G與輸入光波長的關(guān)系增益譜G()：增益G與信號(hào)光波長的關(guān)系。光放大器的增益譜不平坦。對(duì)于給定的放大器長度（EDF長度），增益隨泵浦功率在開始時(shí)按指數(shù)增加，當(dāng)泵浦功率超過一定值時(shí)，增益增加變緩，并趨于一恒定值。小信號(hào)增益隨泵浦功率而變的曲線小信號(hào)增益隨放大器長度而變的曲線當(dāng)泵浦功率一定時(shí)，放大器在某一最佳長度時(shí)獲得最大增益，如果放大器長度超過此值，由于泵浦的消耗，最佳點(diǎn)后的摻鉺光纖不能受到足夠泵浦，而且要吸收已放大的信號(hào)能量，導(dǎo)致增益很快下降。因此，在EDFA設(shè)計(jì)中，需要在摻鉺光纖結(jié)構(gòu)參數(shù)的基礎(chǔ)上，選擇合適的泵浦功率和光纖長度，使放大器工作于最佳狀態(tài)。二、放大器的噪聲所有光放大器在放大過程中都會(huì)把自發(fā)輻射（或散射）疊加到信號(hào)光上，導(dǎo)致被放大信號(hào)的信噪比（SNR）下降，其降低程度通常用噪聲指數(shù)Fn來表示，其定義為：主要噪聲源：放大的自發(fā)輻射噪聲（ASE），它源于放大器介質(zhì)中電子空穴對(duì)的自發(fā)復(fù)合。自發(fā)復(fù)合導(dǎo)致了與光信號(hào)一起放大的光子的寬譜背景。EDFA放大1540波長信號(hào)時(shí)產(chǎn)生的影響ASE噪聲疊加在信號(hào)上，導(dǎo)致信噪比下降。寬譜光源ASE噪聲ASE噪聲近似為白噪聲，噪聲功率譜密度為：自發(fā)發(fā)射因子或粒子數(shù)反轉(zhuǎn)因子對(duì)于原子都處于激發(fā)態(tài)或完全粒子數(shù)反轉(zhuǎn)的光放大器，nsp=1;當(dāng)粒子數(shù)不完全反轉(zhuǎn)時(shí)，nsp>1；激發(fā)態(tài)的粒子數(shù)基態(tài)的粒子數(shù)研究發(fā)現(xiàn)，接收機(jī)前接入光放大器后，新增加的噪聲主要來自ASE噪聲與信號(hào)本身的差拍噪聲。噪聲指數(shù)為：表明：即使對(duì)nsp=1的完全粒子數(shù)反轉(zhuǎn)的理想放大器，被放大信號(hào)的SNR也降低了二倍（或3dB）。對(duì)大多數(shù)實(shí)際的放大器Fn均超過3dB，并可能達(dá)到6~8dB。希望放大器的Fn盡可能低。ASE噪聲三、

EDFA的多信道放大特性EDFA的增益恢復(fù)時(shí)間g~10ms(SOA的g=0.1~1ns),其增益不能響應(yīng)調(diào)制信號(hào)的快速變化，不存在增益調(diào)制，四波混頻效應(yīng)也很小，所以在多信道放大中不引入信道間串?dāng)_(SOA則不然)，是其能夠用于多信道放大的關(guān)鍵所在。EDFA對(duì)信道的插入、分出或無光故障等因素引起的輸入光功率的變化（較低速變化）能產(chǎn)生響應(yīng)--瞬態(tài)特性。在系統(tǒng)應(yīng)用中應(yīng)予以控制--增益鉗制。多信道放大中存在的其它問題：增益平坦增益鉗制高的輸出功率EDFA的級(jí)聯(lián)特性信道間增益競爭，多級(jí)級(jí)連使用導(dǎo)致“尖峰效應(yīng)”15441569典型的EDFA增益譜固有的增益不平坦，增益差隨級(jí)聯(lián)放大而積累增大各信道的信噪比差別增大各信道的接收靈敏度不同增益平坦增益譜的形狀隨信號(hào)功率而變，在有信道上、下的動(dòng)態(tài)情況下，失衡情況更加嚴(yán)重BER接收光功率光功率波長光功率波長光發(fā)射機(jī)光發(fā)射機(jī)光發(fā)射機(jī)光發(fā)射機(jī)N

123光接收機(jī)光接收機(jī)光接收機(jī)光接收機(jī)EDFA1N

321.

濾波器均衡：采用透射譜與摻雜光纖增益譜反對(duì)稱的濾波器使增益平坦,如：薄膜濾波、紫外寫入長周期光纖光柵、周期調(diào)制的雙芯光纖等。

只能實(shí)現(xiàn)靜態(tài)增益譜的平坦，在信道功率突變時(shí)增益譜仍會(huì)發(fā)生變化。

EDFA+均衡器→合成增益增益平坦/均衡技術(shù)(1)2.

新型寬譜帶摻雜光纖：如摻鉺氟化物玻璃光纖（30nm平坦帶寬）、鉺/鋁共摻雜光纖（20nm）等，靜態(tài)增益譜的平坦，摻雜工藝復(fù)雜。3.聲光濾波調(diào)節(jié)：根據(jù)各信道功率，反饋控制放大器輸出端的多通道聲光帶阻濾波器，調(diào)節(jié)各信道輸出功率使之均衡，動(dòng)態(tài)均衡需要解復(fù)用、光電轉(zhuǎn)換、結(jié)構(gòu)復(fù)雜，實(shí)用性受限增益平坦/均衡技術(shù)(2)4.預(yù)失真技術(shù)不靈活，傳輸鏈路變換后，輸入功率也要隨之調(diào)整增益平坦/均衡技術(shù)(3)EDFA對(duì)信道的插入、分出或信道無光故障等因素引起的輸入光功率的變化（較低速變化）能產(chǎn)生響應(yīng)--瞬態(tài)特性瞬態(tài)特性使得剩余信道獲得過大的增益，并輸出過大的功率，而產(chǎn)生非線性，最終導(dǎo)致其傳輸性能的惡化--需進(jìn)行自動(dòng)增益控制對(duì)于級(jí)聯(lián)EDFA系統(tǒng)，瞬態(tài)響應(yīng)時(shí)間可短至幾~幾十s，要求增益控制系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間相應(yīng)為幾~幾十s增益鉗制增益鉗制技術(shù)(1)電控：監(jiān)測EDFA的輸入光功率，根據(jù)其大小調(diào)整泵浦功率，從而實(shí)現(xiàn)增益鉗制，是目前最為成熟的方法。LDPumpInOut泵浦控制均衡放大器（電控）EDFA增益鉗制技術(shù)(2)在系統(tǒng)中附加一波長信道，根據(jù)其它信道的功率，改變附加波長的功率，而實(shí)現(xiàn)增益鉗制。注入激光WDM系統(tǒng)要求EDFA具有足夠高的輸出功率，以保證各信道獲得足夠的光功率。方法：多級(jí)泵浦221916輸出功率（dBm）15401570四、EDFA的大功率化(1)EDFA的大功率化(2)=0.7%=1.3%纖芯內(nèi)包層外包層用于制作大功率EDFA的雙包層光纖結(jié)構(gòu)圖芯層：5m內(nèi)包層：50m芯層(摻鉺)，傳播信號(hào)層(SM)內(nèi)包層，傳播泵浦光(MM)雙包層光纖是實(shí)現(xiàn)EDFA的重要技術(shù)，信號(hào)光在中心的纖芯里以單模傳播，而泵浦光則在內(nèi)包層中以多模傳輸。EDFA的寬帶化長波段（L-band）摻鉺光纖放大器L波段的造價(jià)甚高的原因：低反轉(zhuǎn)水平，需長摻鉺光纖，強(qiáng)泵浦，此波段其它光器件價(jià)格較高。11.3半導(dǎo)體光放大器SOAR1R2I半導(dǎo)體光放大器示意圖SOA也是一種重要的光放大器，其結(jié)構(gòu)類似于普通的半導(dǎo)體激光器。半導(dǎo)體光放大器的放大特性主要決定于激光腔的反射特性與有源層的介質(zhì)特性。根據(jù)光放大器端面反射率和工作偏置條件，將半導(dǎo)體光放大器分為：----法布里－珀羅放大器(FP－SOA)----行波放大器(TW－SOA)多峰值、帶寬窄，不適合通信系統(tǒng)應(yīng)用，只可用于一些信號(hào)處理。F-P半導(dǎo)體光放大器入射光從左端面進(jìn)入，通過具有增益的有源層，到達(dá)右端面后，部分從端面反射，然后反向通過有源層至左端面，部分光從左端面出射，其余部分又從端面反射，再次通過有源層，如此反復(fù)，使入射光得到放大。行波半導(dǎo)體光放大器TW－SOA與FP－SOA的區(qū)別在于端面的反射率大小，TW－SOA具有極低的端面反射率，通常在0.1%以下。降低端面反射方法：傾斜有源區(qū)法、窗面結(jié)構(gòu)。TW－SOA的增益、增益帶寬和噪聲特性都可以滿足光纖通信的要求，但如下兩個(gè)缺點(diǎn)限制著它在光纖通信中的實(shí)際應(yīng)用：對(duì)光信號(hào)偏振態(tài)的敏感性；對(duì)光信號(hào)增益的飽和性。SOA增益偏振相關(guān)性起因：由于半導(dǎo)體有源層的橫截面呈扁長方形，對(duì)橫向（長方形的寬邊方向）和豎向（長方形的窄邊方向）的光場約束不同，光場在豎向的衍射泄漏強(qiáng)于橫向，因而豎向的光增益弱于橫向。因此光信號(hào)的偏振方向取橫向時(shí)的增益大，取豎向時(shí)的增益小。解決方法：采用寬、厚可比擬的有源層設(shè)計(jì)；使用方法著手。相同結(jié)構(gòu)SOA互相垂直并接，在輸入端采用偏振分束器將信號(hào)分成TE和TM偏振信號(hào),分別輸入至相互垂直的SOA，然后將兩只SOA放大的TE和TM偏振信號(hào)合成，得到與輸入光同偏振態(tài)的放大信號(hào)。輸入光信號(hào)往返兩次通過同一SOA，但反向通過前，采用法拉第旋轉(zhuǎn)器使返回光旋轉(zhuǎn)900相同結(jié)構(gòu)SOA互相垂直串接，所得增益將與偏振無關(guān)SOA的應(yīng)用多信道放大中存在問題噪聲大信道串?dāng)_(交叉增益調(diào)制XGM、四波混頻FWM)增益飽和引起信號(hào)畸變其他應(yīng)用：光波長轉(zhuǎn)換（XGM,XPM,FWM）光開關(guān)：直接調(diào)制SOA的注入電流實(shí)現(xiàn)光的通斷。特點(diǎn)：高速、無損光信號(hào)處理器件。SOAProduct11.4光纖拉曼放大器FRA拉曼現(xiàn)象在1928年被發(fā)現(xiàn)。90年代早期，EDFA取代它成為焦點(diǎn)，F(xiàn)RA受到冷遇。隨著光纖通信網(wǎng)容量的增加，對(duì)放大器提出新的要求，傳統(tǒng)的EDFA已很難滿足，F(xiàn)RA再次成為研究的熱點(diǎn)。特別是高功率二極管泵浦激光器的迅猛發(fā)展，又為FRA的實(shí)現(xiàn)奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。人們對(duì)FRA的興趣來源于這種放大器可以提供整個(gè)波長波段的放大。通過適當(dāng)改變泵浦激光波長，就可以達(dá)到在任意波段進(jìn)行寬帶光放大，甚至可在1270～1670nm整個(gè)波段內(nèi)提供放大。光纖拉曼放大器光纖(a)無泵激光的1550nm傳輸光功率(dB)波長1550nm波長光功率(dB)1550nm1450nm光纖(b)有泵激光的1550nm傳輸1550nm經(jīng)光纖傳輸衰減的光1450nm1550nm如果一個(gè)弱信號(hào)和一個(gè)強(qiáng)泵浦光同時(shí)在光纖中傳輸，并使弱信號(hào)波長置于泵浦光的拉曼增益帶寬內(nèi)，則弱信號(hào)即可被放大。這種基于SRS機(jī)制的光放大器稱為光纖拉曼放大器FRA。FRA原理簡介：物理機(jī)制：A.光纖拉曼散射效應(yīng)（SRS)一個(gè)入射光子（pump)的湮滅，產(chǎn)生一個(gè)下移stokes頻率的光子和另一個(gè)具有相當(dāng)能量和動(dòng)量的光學(xué)光子B.與pump光子相差stokes頻率的信號(hào)光子，經(jīng)受激散射過程被放大FRA是靠非線性散射實(shí)現(xiàn)放大功能，不需要能級(jí)間粒子數(shù)反轉(zhuǎn)光纖拉曼放大器原理簡介(1)頻率為p和s的泵浦光和信號(hào)光通過耦合器輸入光纖，當(dāng)這兩束光在光纖中一起傳輸時(shí)，泵浦光的能量通過SRS效應(yīng)轉(zhuǎn)移給信號(hào)光，使信號(hào)光得到放大。峰值增益頻移：～13.2THz反向泵浦為主，也可同向泵浦支撐技術(shù):14nm的大功率泵浦激光器，目前以取得實(shí)用化光纖拉曼放大器原理簡介(2)PropertiesofRamanSc