光纖通信系統（第3版） 課件 第六章 光放大技術

光纖通信系統2本章要點本章主要介紹光放大器原理、類型和主要實現技術。光放大器是實現高速率大容量光纖通信系統重要的系統元件，可以部分地代替光中繼器，節(jié)約系統成本。

本章教學課時為4學時。36.1光放大器原理

光放大器是一種能在保持光信號特征不變的條件下，增加光信號功率的有源設備。

光放大器的基本工作原理是受激輻射或受激散射效應，其工作機制和激光器的發(fā)光原理非常相似。實際上，也可以將光放大器理解為是一個沒有反饋或反饋較小的激光器。對于某種特定的光學介質，當采用泵浦（電能源或光能源）方法，達到粒子數反轉時就產生了光增益，即可實現光放大。46.1.1光放大器的基本原理半導體光放大器法布里－珀羅諧振腔式光放大器（FPSOA）注入鎖定式光放大器（ILSOA）行波式光放大器（TWSOA）。摻雜稀土元素光放大器EDFA和PDFA光纖布里淵放大器光纖拉曼放大器56.1.2光放大器的主要參數泵浦和增益系數增益譜寬與放大器帶寬增益飽和和飽和輸出功率放大器噪聲61.泵浦和增益系數

光學泵浦提供了所必須的能級間的粒子數反轉，因而也就提供了光學增益，考慮一個均勻加寬的增益介質，其增益系數可以表示為

（6-2）由上式可以確定光放大器的增益譜寬、放大因子和飽和輸出功率等參數。7圖6-1兩種泵浦原理示意圖泵浦泵浦E3E1E2激光發(fā)射（a）三能級泵浦結構（b）四能級泵浦結構E3E1E2E082.增益譜寬與放大器帶寬

小信號或非飽和狀態(tài)時，增益系數可以表示為

可以看出，當ω＝ω0時增益最大。定義增益譜寬為增益譜g(ω)降至最大值一半處的全寬（FWHM）。而放大器的帶寬定義為G(ω)降至最大放大倍數一半（3dB）處的全寬度FWHM。放大器的帶寬比介質增益譜寬窄的多。93.增益飽和和飽和輸出功率增益可以表示為

增益飽和是放大器能力的一種限制因素，通常將放大器增益降至最大小信號增益一半（3dB）時的輸出功率定義為飽和輸出功率。10圖6-2放大器增益隨輸出功率的變化114.放大器噪聲所有光放大器在放大過程中都會把自發(fā)輻射（或散射）疊加到信號光上，導致被放大信號的信噪比（SNR）降低，其降低程度通常用噪聲指數Fn來表示，其定義為

（6-12）式中的SNR是由光接收機測得的，因此所得Fn值也和接收機參數有關。理論分析表明，對于理想放大器而言被放大信號的SNR也降低了2倍（3dB），對大多數實際的放大器Fn均超過3dB，并可能達到6～8dB。126.1.3光放大器分類136.2摻鉺光纖放大器EDFA摻鉺光纖能放大光信號的基本原理在于鉺離子能吸收泵浦光的能量，實現粒子數反轉。

當波長為1.55μm附近的信號光通過已被激活的摻鉺光纖時，亞穩(wěn)態(tài)上的粒子以受激輻射的方式躍遷到基態(tài)。對應于每一次躍遷，都將產生一個與激發(fā)該躍遷的光子完全一樣的光子，從而實現了信號光在摻鉺光纖的傳播過程中不斷放大。6.2.1EDFA的特點工作波長處于1.53~1.56μm范圍，與光纖最小損耗波長窗口一致；對摻鉺光纖進行激勵所需要的泵浦光功率較低，僅需數十mW；增益高、噪聲低、輸出功率高。EDFA的典型小信號增益可達40dB，噪聲系數可低至3~4dB，輸出功率可達14~20dBm；連接損耗低。EDFA是光纖型放大器，其與光纖線路間的連接較為容易，連接損耗可低至0.1dB。14156.2.2EDFA結構及工作原理摻鉺光纖放大器（EDFA，ErbiumDopedFiberAmplifier是目前最成熟的光放大器。EDFA主要由摻鉺光纖（EDF）、泵浦光源、耦合器、隔離器等組成。16圖6-4EDFA的基本組成長度為10m~100m左右的摻鉺光纖，鉺離子的摻雜濃度一般為25mg/kg左右。半導體激光器，輸出功率為10~100mW，工作波長為0.98μm或1.48μm。將信號光和泵浦光耦合在一起。保證信號單向傳輸濾除噪聲，提高信噪比。17鉺離子能級分布泵浦能帶快速非輻射衰變亞穩(wěn)態(tài)能帶圖6-6鉺離子吸收譜1819EDFA泵浦方式EDFA的內部按泵浦方式分，有三種基本的結構：即同向泵浦、反向泵浦和雙向泵浦。同向泵浦信號光與泵浦光以同一方向從摻鉺光纖的輸入端注入的結構，也稱為前向泵浦。

反向泵浦信號光與泵浦光從兩個不同方向注入進摻鉺光纖的結構，也稱后向泵浦。雙向泵浦同向泵浦和反向泵浦同時泵浦的結構。20三種不同泵浦方式EDFA結構不同泵浦方式性能差異21226.2.3EDFA性能參數功率增益輸出功率特性噪聲特性231.功率增益定義為輸出功率與輸入功率之比。EDFA的增益大小與多種因素有關，通常為15～40dB。24圖6-14增益（G）與摻鉺光纖長度的關系252.輸出功率對于EDFA而言，當輸入功率增加時，受激輻射加快，以至于減少了粒子反轉數，使受激輻射光減弱，輸出功率趨于平穩(wěn)。衡量EDFA的輸出功率特性通常使用3dB飽和輸出功率，其定義為飽和增益下降3dB時所對應的輸出功率值。263.噪聲EDFA的輸出光中，除了有信號光外，還有自發(fā)輻射光，它們一起被放大，形成了影響信號光的噪聲源，EDFA的噪聲主要有以下四種：①信號光的散粒噪聲；②被放大的自發(fā)輻射光的散粒噪聲；③自發(fā)輻射光譜與信號光之間的差拍噪聲；④自發(fā)輻射光譜間的差拍噪聲。以上四種噪聲中，后兩種影響最大，尤其是第三種噪聲是決定EDFA性能的主要因素。

理論分析表明，EDFA的噪聲指數Fn的極限值是3dB。這表明在即使是在理想情況下，每經過一個EDFA，信噪比也會下降一半。276.2.4EDFA的應用在長距離、大容量、高速率光纖通信系統中，EDFA有多種應用形式，其基本作用是：（1）延長中繼距離，使無中繼傳輸達數百公里。（2）與波分復用技術結合，可迅速簡便地實現擴容。（3）與光孤子技術結合，可實現超大容量、超長距離光纖通信。（4）與CATV等技術結合，對視頻傳播和ISDN具有積極作用。28EDFA應用形式296.3光纖拉曼放大器FRA拉曼放大具有廣闊的光譜范圍。拉曼放大器FRA是唯一能在1260nm到1675nm的光譜上進行放大的器件。拉曼放大器適合于任何類型的光纖，且成本較低。FRA可采用同向、反向或雙向泵浦，增益帶寬可達6THz。分布式受激拉曼散射放大器能增加放大器之間的距離，因而可以在速率高達40Gbit/s的高速光網絡中發(fā)揮重要作用。306.3.1受激拉曼散射原理在許多非線性介質中，受激拉曼散射將一小部分入射功率由一光束轉移到另一頻率下移的光束，頻率下移量由介質的振動模式決定，此過程稱為受激拉曼效應。

量子力學描述為入射光波的一個光子被一個分子散射成為另一個低頻光子，同時分子完成振動態(tài)之間的躍遷，入射光作為泵浦光產生稱為斯托克斯波的頻移光。31圖6-17受激拉曼散射的工作原理32圖6-18泵浦波長為1μm時測得的拉曼增益譜336.3.2FRA結構光纖拉曼放大器的基本結構如圖6-19所示。在輸入端和輸出端各有一個隔離器，目的是使信號光單向傳輸。泵浦激光器用于提供能量。近年來，FRA的泵浦源共有三個方案：一是大功率半導體激光器（LD）及其組合，二是Raman光纖激光器（RFL）；三是半導體泵浦固體激光器（DPSSL）。34圖6-19FRA基本結構示意圖35FRA不同配置FRA特點帶寬較寬。拉曼放大器的增益譜寬可達40THz，其可用平坦增益范圍有30nm，因此拉曼放大器可作為寬帶放大器，同時對多個不同波長進行放大；SRS效應可在任意光纖中發(fā)生，即使在普通單模光纖中，也可獲得一定增益，因此利用拉曼放大器可在原有光纖基礎上直接擴容，可以減少投資；低噪聲。光纖拉曼放大器具有優(yōu)良的噪聲特性，其自發(fā)輻射噪聲優(yōu)于EDFA，附加噪聲也很??；可以通過靈活排列泵浦光的頻率來對信號進行放大。3637表6-1FRA與EDFA比較EDFA拉曼放大器放大帶寬20nm48nm增益20dB可達30dB飽和功率取決于發(fā)射功率和介質材料取決于泵浦光的功率放大頻帶決定于媒介決定于泵浦波長設計復雜簡單泵浦源980nm或1480nm比信號峰值低100nm的任何波長386.3.4拉曼放大器的噪聲特性光纖拉曼放大器中主要有三種噪聲，一是放大器自發(fā)輻射（ASE）噪聲，二是串話噪聲，三是瑞利散射噪聲。另外，拉曼放大器還會受非線性和受激布里淵散射造成的噪聲影響。396.3.5混合拉曼/摻鉺光纖放大器拉曼放大器和摻鉺光纖放大器各有其獨特的特點，將FRA和EDFA結合起來構成混合拉曼/摻鉺光纖放大器（HFA），也是提高拉曼放大器性能的一種重要方法。使用混合拉曼/EDFA放大器，可以獲得更加平坦的增益譜，從而提高系統的帶寬，改善光信噪比（OSNR）。設計HFA的基本思想就是將摻鉺光纖放大器和拉曼放大器級聯，組成混合放大器，獲得的總增益為兩個放大器增益的疊加。40信號輸入信號輸出泵浦LDWDM傳輸光纖鉺摻雜光纖光隔離器混合EDFA/FRA結構6.4新型光纖放大器

光放大器的出現極大地提升了光纖通信系統應用的靈活性，也有力地推動了大容量、長距離、多信道的光纖通信系統的迅速普及。例如，為了確保多信道光纖通信系統的傳輸質量，要求使用的光放大器具有足夠的