《光纖通信》課件第5章 光放大器

5.1引言5.2摻鉺光纖放大器EDFA5.3受激拉曼光纖放大器SRA5.4受激布里淵光纖放大器SBA5.5其他光纖放大器5.6半導(dǎo)體光放大器SOA5.7光放大器的應(yīng)用5.8光纖激光器5.9光波長(zhǎng)變換器習(xí)題五第5章光放大器

在光放大器研制成功之前，主要采用光電混合中繼器（或稱再生器）放大光信號(hào)。首先將光纖中送來的光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，然后對(duì)電信號(hào)進(jìn)行放大，最后再將放大了的電信號(hào)轉(zhuǎn)換為光信號(hào)送到光纖中去，如圖5.1所示。根據(jù)不同的要求，可將再生器分為三種類型:只有放大和均衡功能的1R再生器，用于模擬信號(hào)的傳輸;2R再生器，即在1R的基礎(chǔ)上加上數(shù)字信號(hào)處理(如整形(Reshaping))的再生器；3R再生器，即在2R的基礎(chǔ)上再增加重新定時(shí)與判決功能（Retiming）的再生器。它們的功能如圖5.2所示。5.1引言圖5.1傳統(tǒng)的中繼器原理框圖圖5.2三種再生器的功能

盡管這種方式對(duì)于單個(gè)波長(zhǎng)且數(shù)據(jù)速率不太高的通信很適用，但對(duì)于高速率的多個(gè)波長(zhǎng)系統(tǒng)顯然是相當(dāng)復(fù)雜的，每一波長(zhǎng)就需一個(gè)再生器，如有N個(gè)波長(zhǎng)就需要N個(gè)這樣的再生器，造價(jià)是相當(dāng)高的。另一方面，對(duì)于很高的數(shù)據(jù)速率，電放大器的實(shí)現(xiàn)難度很大。因此，人們?cè)噲D對(duì)光信號(hào)直接放大，如果這種放大的帶寬較寬，則可以同時(shí)對(duì)多個(gè)波長(zhǎng)進(jìn)行放大，因而只需一個(gè)放大器即可。人們經(jīng)過很大的努力，終于研制成功了全光放大器，它可同時(shí)對(duì)多個(gè)波長(zhǎng)進(jìn)行放大。光放大器從功能上來看屬于1R再生器。5.2摻鉺光纖放大器EDFA

光纖放大器是提升衰減的光信號(hào)，延長(zhǎng)光纖的傳輸距離的關(guān)鍵器件。光纖放大器的主要特性如下：

(1)增益:是輸出光功率與輸入光功率的比值（以dB為單位）。

(2)增益效率:是增益對(duì)輸入光功率的函數(shù)。

(3)增益帶寬:是放大器放大信號(hào)的有效頻率范圍。(4)增益飽和:一般情況下輸入信號(hào)應(yīng)該足夠大，以便能引起放大器的飽和增益。飽和時(shí)的增益隨信號(hào)功率增加而減小。

(5)增益波動(dòng):是增益帶寬內(nèi)的增益變化范圍（以dB為單位）。

(6)噪聲:與放大光信號(hào)有關(guān)的噪聲包括兩個(gè)方面：光場(chǎng)噪聲和強(qiáng)度/光電流噪聲。光場(chǎng)噪聲指由光譜分析儀（OSA）測(cè)量出的光噪聲譜，如光放大器中輸出的ASE(放大的自發(fā)輻射)噪聲是這種噪聲的主要部分。

強(qiáng)度/光電流噪聲是指與光束相聯(lián)系的功率或光電流的波動(dòng)，這種噪聲的譜寬典型值可達(dá)幾十GHz。常見的強(qiáng)度噪聲類型有:①散粒噪聲；②信號(hào)與自發(fā)輻射差拍噪聲(簡(jiǎn)稱SI-SP噪聲)；③自發(fā)輻射與自發(fā)輻射差拍噪聲(簡(jiǎn)稱SP-SP噪聲)等。

5.2.1EDFA的放大原理

鉺(Er)是一種稀土元素，在制造光纖過程中，設(shè)法向其摻入一定量的三價(jià)鉺離子，便形成了摻鉺光纖（EDF）。除了所摻的鉺以外，這種光纖的構(gòu)造與通信中單模光纖的構(gòu)造一樣，如圖5.3所示。鉺離子位于EDF的纖芯中央地帶，將鉺離子放在這里有利于其最大地吸收泵浦和信號(hào)能量，從而產(chǎn)生好的放大效果。環(huán)繞在纖芯外的折射率較低的玻璃包層則完善了波導(dǎo)結(jié)構(gòu)并提供了抗機(jī)械強(qiáng)度的特性，保護(hù)層的加入則將光纖總直徑增大到250μm。由于它的折射率較包層而言有所增加，因而它可將任何不希望在其包層中傳播的光轉(zhuǎn)移掉。圖5.3摻鉺光纖芯層的幾何模型

圖5.4鉺的能級(jí)圖

鉺的能級(jí)圖如圖5.4所示。其發(fā)光原理可用三能級(jí)系統(tǒng)來解釋，基態(tài)為4I15/2，激發(fā)態(tài)為4I13/2，4I11/2。在泵浦光的激勵(lì)下，4I11/2能級(jí)上的粒子數(shù)不斷增加，又由于其上的粒子不穩(wěn)定，很快躍遷到亞穩(wěn)態(tài)4I13/2能級(jí)，從而實(shí)現(xiàn)了粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。當(dāng)具有1550nm波長(zhǎng)的光信號(hào)通過這段摻鉺光纖時(shí)，亞穩(wěn)態(tài)的粒子以受激輻射的形式躍遷到基態(tài)，并產(chǎn)生出和入射光信號(hào)中的光子一模一樣的光子，從而大大增加了信號(hào)光中的光子數(shù)量，即實(shí)現(xiàn)了信號(hào)光在摻鉺光纖的傳輸過程中不斷被放大的功能，摻鉺光纖放大器也由此得名。

在鉺粒子受激輻射的過程中，有少部分粒子以自發(fā)輻射形式自己躍遷到基態(tài)，產(chǎn)生帶寬極寬且雜亂無章的光子，并在傳播中不斷地得到放大，從而形成了自發(fā)輻射放大ASE(AmplifiedSpontaneousEmission)噪聲，并消耗了部分泵浦功率，因此，需增設(shè)光濾波器以降低ASE噪聲對(duì)系統(tǒng)的影響。目前，由于980nm和1480nm的泵浦效率高于其他波長(zhǎng)的泵浦效率，因此它們得到了廣泛的應(yīng)用，并已完全商用化。

5.2.2EDFA的組成結(jié)構(gòu)

圖5.5顯示了EDFA的基本組成，包括：泵浦激光、波分復(fù)用(WDM)耦合器、光隔離器和摻鉺光纖（EDF）。這些基本組件可以組成許多不同拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的放大器。為了獲得增益，光能必須注入摻鉺光纖中，我們把這種能量稱為泵浦，它以980nm或1480nm的波長(zhǎng)傳送光能。泵浦的功率典型范圍是10～400mW。WDM合波/分波器能有效地將信號(hào)光和泵浦光耦合進(jìn)/出摻鉺光纖。圖5.5EDFA的基本組成

光隔離器將系統(tǒng)所產(chǎn)生的任何反射回放大器的光減小到一個(gè)可接受的水平。如果沒有光隔離器，光反射將降低放大器的增益并附加噪聲，如圖5.5所示。EDFA常用的結(jié)構(gòu)有三種，即同向泵浦、反向泵浦和雙向泵浦。(1)同向泵浦是一種信號(hào)光與泵浦光以同一方向從摻鉺光纖的輸入端注入的結(jié)構(gòu)，也稱為前向泵浦。

(2)反向泵浦是一種信號(hào)光與泵浦光從兩個(gè)不同方向注入摻鉺光纖的結(jié)構(gòu)，也稱為后向泵浦。（3）雙向泵浦是同向泵浦與反向泵浦結(jié)合的方式，它們的原理框圖分別示于圖5.6（a）、(b)、(c)。

圖5.6EDFA的三種結(jié)構(gòu)EDFA有如下優(yōu)點(diǎn)：（1）轉(zhuǎn)移效率高，從泵浦源吸收的光功率轉(zhuǎn)移到被放大的光信號(hào)上的功率效率大于50%。（2）放大的譜寬與目前WDM系統(tǒng)的光譜范圍一致，適合于WDM光纖通信。（3）具有較高的飽和輸出光功率，為1mW(10～25dBm)。（4）動(dòng)態(tài)范圍大。

（5）噪聲指數(shù)?。?～8dB）。（6）與光纖的耦合損耗?。?lt;1dB）。（7）增益穩(wěn)定性好，因?yàn)榕c偏振無關(guān)，導(dǎo)致了良好的穩(wěn)定性。（8）增益時(shí)間常數(shù)較大。當(dāng)然，EDFA也存在ASE噪聲、串?dāng)_、增益飽和等問題。

5.2.3EDFA的增益與帶寬

增益特性代表了放大器的放大能力，其定義為輸出功率與輸入功率之比。EDFA的增益通常為15～40dB。增益大小與多種因素如光纖中的摻鉺濃度、泵浦光功率、光纖長(zhǎng)度、泵浦光的波長(zhǎng)等因素有關(guān)聯(lián)。當(dāng)鉺的濃度超過一定值時(shí)，增益反而降低，其原因是存在增益飽和效應(yīng)，過量鉺會(huì)產(chǎn)生聚合，引起反轉(zhuǎn)濃度減少，因此要控制好鉺的摻入量。泵浦功率小時(shí)輸出光功率增加很快，隨著泵浦功率增加，放大器增益出現(xiàn)飽和，即泵浦功率增加很多，而增益基本保持不變，此時(shí)放大器的增益效率將隨著泵浦功率的增加而下降。

開始時(shí)增益隨摻鉺光纖長(zhǎng)度的增加而上升，但當(dāng)光纖超過了一定長(zhǎng)度后，增益反而逐漸下降，因此存在著一個(gè)可獲得最佳增益的最佳長(zhǎng)度，但應(yīng)注意，這一長(zhǎng)度只能是最大增益長(zhǎng)度，而不是摻鉺光纖的最佳長(zhǎng)度，因?yàn)檫€涉及到其他特性(如噪聲特性等)。另外，增益還與泵浦條件(包括泵浦功率和泵浦波長(zhǎng))有關(guān)，目前采用的主要泵浦波長(zhǎng)是980nm和1480nm。

5.2.4EDFA的噪聲類型

1.放大的自發(fā)輻射(ASE)

光放大器的激活介質(zhì)所產(chǎn)生的噪聲主要是由放大的自發(fā)輻射(ASE)而引起的。這個(gè)現(xiàn)象的物理過程是：絕大多數(shù)受激載流子因受激輻射而被迫落到較低的能帶上，但它們中一部分是自發(fā)輻射落到較低的能帶上的,當(dāng)它們衰變時(shí)，這些載流子自發(fā)地輻射光子;自發(fā)輻射的光子落在與信號(hào)光相同的頻率范圍內(nèi)，但它們?cè)谙辔缓头较蛏鲜请S機(jī)的;

那些與信號(hào)同方向的自發(fā)輻射光子被激活介質(zhì)放大,這些由自發(fā)輻射產(chǎn)生并經(jīng)放大了的光子組成放大的自發(fā)輻射(ASE),因?yàn)樗鼈冊(cè)谙辔簧鲜请S機(jī)的，它們對(duì)于信號(hào)光沒有貢獻(xiàn)而產(chǎn)生了信號(hào)帶寬內(nèi)的噪聲。沒有外部激發(fā)所產(chǎn)生的自發(fā)輻射依賴于較高和較低能級(jí)上相對(duì)的粒子數(shù)，這很容易理解。自發(fā)輻射因子即粒子數(shù)反轉(zhuǎn)因子(nsp)可以定義為

其中，N2和N1分別是高低能級(jí)上的粒子數(shù)。當(dāng)高能級(jí)粒子數(shù)大大多于低能級(jí)粒子數(shù)時(shí)，則意味著N2／(N2-N1)近似為1，自發(fā)輻射因子達(dá)到其最小值。在這種情況下，我們將會(huì)有一個(gè)理想的放大器，但這種情況從來不會(huì)得到，所以實(shí)際nsp的范圍典型值是1.4～4.0。自發(fā)輻射因子越大，光放大器所產(chǎn)生的放大的自發(fā)輻射的功率也越大。這里要記住的是，光放大器的自發(fā)輻射產(chǎn)生在與信號(hào)放大相同的波帶(頻帶)里。這就是自發(fā)輻射是增加被放大信號(hào)噪聲的主要原因。

放大的自發(fā)輻射的平均總功率PASE滿足下式：(5.1)

其中，hf是光子的能量，G是放大器增益，ΔB是放大器的光帶寬。這個(gè)公式清楚地表達(dá)了這樣一種思想：用nsp定量表示的自發(fā)輻射越大，放大的自發(fā)輻射(ASE)也越大。

2.EDFA的噪聲

EDFA的噪聲主要有四種：信號(hào)光的散粒噪聲；被放大的自發(fā)輻射(ASE)；ASE光譜與信號(hào)光之間的差拍噪聲(指的是信號(hào)和ASE經(jīng)光檢測(cè)器輸出的光生電流表達(dá)式中的交叉項(xiàng))；ASE光譜間的差拍噪聲(指的是ASE的二次項(xiàng))。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性能的重要因素。EDFA噪聲特性可用噪聲系數(shù)來度量，其定義為EDFA的輸入信噪比與輸出信噪比的比值，它與同向傳播的ASE頻譜密度和放大器增益密切相關(guān)。

經(jīng)理論分析表明，在EDFA的開始部分,信號(hào)光功率增加得越快，即粒子數(shù)反轉(zhuǎn)程度越高，則EDFA輸出端ASE就越小，相應(yīng)的噪聲系數(shù)也較小。目前市場(chǎng)上銷售的EDFA一般可達(dá)30dB以上的增益,噪聲系數(shù)一般為4～5dB。EDFA的輸出功率一般為10～17dBm，在1550nm的波長(zhǎng)處，窗口增益帶寬為20～40dB，所以EDFA廣泛應(yīng)用于多信道傳輸系統(tǒng)。5.3受激拉曼光纖放大器SRA

5.3.1SRA的放大原理

拉曼效應(yīng)是在光纖介質(zhì)中傳輸高功率信號(hào)時(shí)發(fā)生的非線性相互作用，它是由介質(zhì)的分子激勵(lì)(聲子)所誘發(fā)的非彈性光子散射。光與聲子相互作用導(dǎo)致斯托克斯(Stokes)線的頻移(與信號(hào)光頻不同)，適當(dāng)?shù)剡x擇光纖介質(zhì)和泵浦頻率，可以將Stokes線調(diào)諧到被放大信號(hào)的頻率上。

受激拉曼散射(SRS)過程可以看成是物質(zhì)分子對(duì)光子的散射過程，或者說光（光子）與物質(zhì)（分子）的相互諧振作用過程。SRS的基本過程是激光束進(jìn)入介質(zhì)以后，光子被介質(zhì)吸收，使介質(zhì)分子由基能級(jí)E1激發(fā)到高能級(jí)E3,E3＝E1＋ωp。這里，H

=h／2π(h是普朗克常量)，ωp是入射光角頻率。但高能級(jí)是一個(gè)不穩(wěn)定狀態(tài)，它將很快躍遷到一個(gè)較低的亞穩(wěn)態(tài)能級(jí)E2并發(fā)射一個(gè)散射光子，其角頻率為ωs,且ωs<ωp，然后馳豫回到基態(tài)，并產(chǎn)生一個(gè)能量為Ω的光學(xué)聲子。光學(xué)聲子的角頻率Ω由分子的諧振頻率決定。這個(gè)非彈性散射過程前后總的能量是守恒的，即

散射光稱為斯托克斯(Stokes)光，其角頻率為ωs。這個(gè)過程如圖5.7(b)所示，這是一個(gè)基本的斯托克斯散射過程。（5.2）

實(shí)際上還可能存在另一個(gè)散射過程，如果少數(shù)分子在吸收光子能量以前已處在激發(fā)態(tài)E2，則它吸收光子能量以后將被激發(fā)到一個(gè)更高的能級(jí)E4上，這個(gè)分子從E4躍遷直接回到基能級(jí)E1，將發(fā)射一個(gè)所謂反斯托克斯(AntiStokes)光子(如圖5.7(c)所示)，則反斯克托斯光的角頻率ωas為

ωas=ωp+Ω

（5.3）

圖5.7給出了SRA的原理性結(jié)構(gòu)示意。頻率為ωp和ωas的泵浦光和信號(hào)光通過WDM合波器輸入至光纖，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。泵浦光和信號(hào)光亦可分別在光纖的兩端輸入，在反向傳輸過程中同樣能實(shí)現(xiàn)弱信號(hào)的放大。圖5.7SRA的原理性結(jié)構(gòu)示意

乍看SRA的工作原理與其他光放大器沒有多大差別，都是靠轉(zhuǎn)移泵浦能量實(shí)現(xiàn)放大的，實(shí)際上是有很大不同的。SOA用電泵浦，需要粒子數(shù)反轉(zhuǎn);SRA是靠非諧振、非線性散射實(shí)現(xiàn)放大功能的，不需要能級(jí)間粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。SRA是靠非線性介質(zhì)的受激散射，一個(gè)入射泵浦光子通過非彈性散射轉(zhuǎn)移其部分能量，產(chǎn)生另一個(gè)低能和低頻光子，稱為斯托克斯頻移光，而剩余的能量被介質(zhì)以分子振動(dòng)(光學(xué)聲子)的形式吸收，完成振動(dòng)態(tài)之間的躍遷。

斯托克斯頻移Ω＝ωp－ωas，它在SRS過程中起著重要作用。Ω由分子振動(dòng)能級(jí)確定，其值決定了產(chǎn)生SRS的頻率范圍。對(duì)非晶態(tài)石英光纖，其分子振動(dòng)能級(jí)融合在一起，形成了一條能帶，因此可在較寬的頻差（ωp－ωas）范圍（40THz）內(nèi)通過SRS效應(yīng)實(shí)現(xiàn)信號(hào)的光放大。SRA最顯著的優(yōu)點(diǎn)是：它能夠提供整個(gè)波段的光放大。通過適當(dāng)改變泵浦激光器的光波波長(zhǎng)就可以得到在任意波段進(jìn)行光放大的寬帶放大器，甚至可在1279～1670nm整個(gè)波段內(nèi)提供放大。目前，SRA已在以下三個(gè)波段取得了成功:

（1）1300nm波段。（2）1400nm波段。（3）1550nm波段。

拉曼光纖放大器的主要問題在于所需泵浦的種類，其次是如何使放大器本身作為一個(gè)諧振腔來獲得高數(shù)量級(jí)的拉曼效應(yīng)。目前，拉曼光纖放大器的小信號(hào)增益為30dB，飽和輸出功率為+25dBm，特別適于作光功率放大級(jí)。5.3.2SRA的性能與應(yīng)用光纖拉曼放大器有兩種類型的應(yīng)用，一種稱為集中式SRA，另一種稱為分布式SRA。

(1)集中式SRA：主要作為高增益、高功率放大，其長(zhǎng)度約為1～2km，泵浦功率為1～2W，可提供30dB的增益和接近泵浦功率大小的輸出功率，放大光信號(hào)的波長(zhǎng)由泵浦采用的波長(zhǎng)決定。通常用1.06μm或1.32μm的Nd：YAG激光器作為泵浦源，放大1.12μm和1.40μm的光信號(hào)。如果采用高階斯托克斯線作為泵浦，由1.06μm激光器產(chǎn)生的三階斯托克斯線可泵浦放大1.3μm的信號(hào)。(2)分布式SRA：主要作為光纖傳輸系統(tǒng)中傳輸光纖損耗的分布式補(bǔ)償放大，實(shí)現(xiàn)光纖通信系統(tǒng)光信號(hào)的透明傳輸，即增益與損耗相等，輸出功率與輸入功率相等。分布式SRA主要在1.3μm和1.5μm光纖通信系統(tǒng)中用作多路信號(hào)和高速超短光脈沖信號(hào)耗的補(bǔ)償放大，亦可作為光接收機(jī)的前置放大器。當(dāng)用作損耗補(bǔ)償放大時(shí)，光纖既是增益介質(zhì)，又是傳輸介質(zhì)，光纖既存在損耗，又產(chǎn)生增益，增益補(bǔ)償損耗，實(shí)現(xiàn)凈增益為零的無損透明傳輸。鑒于這種應(yīng)用特點(diǎn)，在1.5μm光纖通信系統(tǒng)中，

均采用泵浦效率比較低的1.48μm

半導(dǎo)體激光器作為泵浦光源，其典型值為幾毫瓦至十幾毫瓦，通常傳輸距離可達(dá)幾十至一百千米。為了實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)距離通信，每經(jīng)幾十千米后需再注入泵浦功率，構(gòu)成分布式級(jí)聯(lián)光纖拉曼放大。采用這種方案，貝爾實(shí)驗(yàn)室用SRA補(bǔ)償光孤子脈沖的傳輸損耗，實(shí)驗(yàn)結(jié)果是：采用環(huán)路試驗(yàn)系統(tǒng)，每隔41.7km重復(fù)注入泵浦功率，使55ps的光孤子脈沖穩(wěn)定傳輸了6000km。

5.4.1SBA的放大原理

當(dāng)一個(gè)窄線寬、高功率信號(hào)沿光纖傳輸時(shí)，將產(chǎn)生一個(gè)與輸入光信號(hào)同向的聲波，此聲波波長(zhǎng)為光波長(zhǎng)的一半，且以聲速傳輸。理解非線性布里淵效應(yīng)的一個(gè)簡(jiǎn)單方法是將此聲波想像為一個(gè)把入射光反射回去的移動(dòng)布拉格光柵，由于光柵向前移動(dòng)，因此反射光經(jīng)多普勒頻移后變?yōu)橐粋€(gè)較低的頻率值，圖5.8顯示了這個(gè)效應(yīng)。對(duì)于工作于1.55μm的二氧化硅光纖，布里淵頻偏約為11GHz，且決定于光纖中的聲速，反射光線寬取決于聲波的損耗，它可在幾十至幾百兆赫茲的范圍內(nèi)變動(dòng)。5.4受激布里淵光纖放大器SBA

圖5.8布里淵散射效應(yīng)SBA利用強(qiáng)激光與光纖中的彈性聲波場(chǎng)相互作用產(chǎn)生的后向散射光來實(shí)現(xiàn)對(duì)光信號(hào)的放大。其主要特點(diǎn)是高增益、低噪聲、窄帶寬，因而可以形成分布式放大，用作光濾波器。SBA可以應(yīng)用于：（1）高增益、低噪聲的光前置放大器，可提高接收機(jī)的靈敏度。（2）多通道的相干光通信（第6章介紹），能有選擇性地放大光載波，抑制調(diào)制產(chǎn)生的邊頻，這樣放大后的光載波可以用作本振光，實(shí)現(xiàn)零差檢測(cè)。（3）多通道光選擇器，如SCM（副載波調(diào)制）、WDM光纖通信系統(tǒng)。5.4.2SBA的性能與應(yīng)用

SBA是一種高增益、低功率輸出、窄帶寬放大器。高增益、低功率輸出特性使其可用作接收機(jī)的前置放大器，提高接收機(jī)的靈敏度。但是由于室溫下高的聲學(xué)聲子數(shù)，使SBA的噪聲指數(shù)過大（>15dB），因此這種應(yīng)用受到限制。SBA的窄帶寬放大特性，使其能放大信號(hào)的比特率比較低，一般小于100Mb／s。所以，在一般光波通信系統(tǒng)中，SBA的應(yīng)用價(jià)值并不大。但SBA的窄帶放大特性可作為一種選頻放大器，在相干和多信道光波通信系統(tǒng)中有一定用處。例如在相干通信系統(tǒng)中，可用SBA有選擇性地放大光載波而不放大調(diào)制邊帶，利用放大后的光載波作為本振光，實(shí)現(xiàn)零差檢測(cè)。若采用這種方案，對(duì)一個(gè)80Mb／s的比特流進(jìn)行放大，則載波得到的放大量比調(diào)制邊帶高30dB。

在多信道通信系統(tǒng)中，可在接收端注入一泵浦光，與多信道光信號(hào)的傳播方向相反，通過調(diào)節(jié)泵浦頻率就可選擇不同信道的信號(hào)進(jìn)行放大。但是由于其窄帶特性，一般每信道的比特率亦限制在100Mb／s以內(nèi)。在實(shí)際的多信道通信系統(tǒng)中，SBS過程通常要限制信道間隔和通道數(shù)，同時(shí)限制信號(hào)功率和通信距離，因此通常應(yīng)設(shè)法降低這種影響。5.5其他光纖放大器 1.摻鐠光纖放大器（PDFA）

EDFA光纖放大器只能對(duì)1550nm波段的光信號(hào)進(jìn)行放大，為了能對(duì)1310nm波段的光信號(hào)進(jìn)行放大，人們?cè)诠饫w中摻入鐠。PDFA具有高的增益（約30dB）和高的飽和功率（20dBm），適用于EDFA不能放大的光波波段，對(duì)現(xiàn)有的光纖線路的升級(jí)和擴(kuò)容有重要的意義。PDFA需采用氟化物光纖（常規(guī)通信光纖主要是玻璃光纖），泵浦光源也不是常用的980nm和1480nm的泵浦光源，而是采用1017nm的泵浦激光，離實(shí)用還有一段距離。（1）工作在1.3μm波長(zhǎng)（1280～1340nm）。（2）高的增益（約30dB）。（3）高的飽和輸出（約20dBm）。（4）高的輸出功率（達(dá)300mW)。（5）泵浦光源波長(zhǎng)為1017nm。摻鐠光纖放大器（PDFA）是在非石英光纖如氟化物光纖中摻入鐠來對(duì)光信號(hào)進(jìn)行放大的，它與EDFA相比具有如下特點(diǎn)：

2.摻鋁(AL)EDFA

為了使EDFA本身具有平坦的增益，人們已嘗試了多種改善EDFA特性的方法。在纖芯中摻鉺的同時(shí)摻入鋁，是當(dāng)前應(yīng)用最普遍的方法，這樣可改變玻璃的組成成分，迫使鉺的放大能級(jí)分布改變，加寬可放大的頻率。通過對(duì)EDFA摻鋁可以擴(kuò)大1550nm波長(zhǎng)區(qū)。如果進(jìn)一步提高鋁的摻雜濃度，不管是對(duì)小信號(hào)功率，還是對(duì)大信號(hào)功率都能提高在1540nm時(shí)的增益，因而可減小增益差以達(dá)到平坦增益的目的。3.摻釔(Y)EDFA

在EDFA中摻釔作為鉺的激活劑，以工作在792nm附近的高功率激光器作為激勵(lì)源，可以制成釔光纖放大器。

4.氟化物EDFA

氟化物摻鉺光纖放大器(F-EDFA)是以氟化物為主要材料、摻鉺光纖為主體而構(gòu)成的光纖放大器。F-EDFA的特點(diǎn)是：

（1）有寬的增益平坦度（約30nm）。對(duì)多波長(zhǎng)光傳輸系統(tǒng)中的應(yīng)用具有相當(dāng)大的潛力。這主要是因?yàn)樵?530～1560nm波段的ASE噪聲功率波動(dòng)低于石英功率波動(dòng)，可保證平坦增益。（2）氟化物光纖有吸水性，不能與石英光纖熔接，需采用機(jī)械連接方法。（3）氟化物光纖放大器只能用1480nm泵浦，使得噪聲系數(shù)至少比980nm泵浦的石英摻鉺光纖放大器高1dB。（4）可靠性有待研究。5.寬帶碲化物EDFA

碲化物光纖折射率高，能提供的受激發(fā)射截面比氟化物和石英大。在1600nm波長(zhǎng)時(shí)，EDFA在碲化物中的受激發(fā)射面是氟化物和石英的兩倍。碲化物材料輻射壽命短，不到氟化物光纖和石英光纖的1/2，它反射的受激發(fā)射截面也小。所以，應(yīng)用摻碲化物光纖制作放大器可實(shí)現(xiàn)寬帶放大。用這種光纖制作EDFA，其增益特性平坦，可放大的頻帶特別寬，而且與石英系光纖相比，頻帶向長(zhǎng)波長(zhǎng)一側(cè)移動(dòng)。其特點(diǎn)為：

（1）寬的增益平坦度（30nm）。如對(duì)1500nm波長(zhǎng)區(qū)的寬帶信號(hào)放大，最高帶寬已達(dá)到80nm，是EDFA最佳數(shù)據(jù)的兩倍。在1530～1610nm的波長(zhǎng)區(qū)，得到了20dB以上的增益，增益平坦度達(dá)1.5dB。（2）放大波段向長(zhǎng)波長(zhǎng)移動(dòng)。硅和氟EDFA大約在超過1627nm波長(zhǎng)時(shí)不能放大光信號(hào)，而碲化物EDFA可以工作到1634nm，這是碲化物EDFA的固有優(yōu)點(diǎn)。

究開發(fā)光纖通信的初期就已著手研制SOA了，但受噪聲、偏振相關(guān)性、連接損耗、非線性失真等因素的影響，其性能達(dá)不到實(shí)用化要求。應(yīng)用量子阱材料的SOA具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可批量生產(chǎn),成本低,壽命長(zhǎng),功耗小等優(yōu)點(diǎn)，并且便于與其他部件一塊集成，可望制作出1310nm和1540nm波段的寬帶放大器，以覆蓋EDFA、PDFA的應(yīng)用窗口。SOA在波長(zhǎng)變換器中的應(yīng)用現(xiàn)已引起廣泛重視，并將逐步得到應(yīng)用。5.6半導(dǎo)體光放大器SOA

5.6.1SOA的放大原理

半導(dǎo)體光放大器的工作原理與所有的光放大器一樣，也是利用受激輻射來實(shí)現(xiàn)對(duì)入射光功率的放大的，產(chǎn)生受激輻射所需的粒子數(shù)反轉(zhuǎn)機(jī)制與半導(dǎo)體激光器中使用的完全相同，即采用正向偏置的PN結(jié)，對(duì)其進(jìn)行電流注入，實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布。SOA與半導(dǎo)體激光器的結(jié)構(gòu)相似，但它沒有反饋機(jī)制，而反饋機(jī)制對(duì)產(chǎn)生相干的激光是很必要的。因此SOA只能放大光信號(hào)，但不能產(chǎn)生相干的光輸出。

SOA的基本工作原理如圖5.9所示，其中激活介質(zhì)（有源區(qū)）吸收了外部泵浦提供的能量，電子獲得了能量躍遷到較高的能級(jí)，產(chǎn)生粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。輸入光信號(hào)會(huì)通過受激輻射過程激活這些電子，使其躍遷到較低的能級(jí)，從而產(chǎn)生一個(gè)放大的光信號(hào)。

圖5.9SOA的基本工作原理SOA有兩種主要結(jié)構(gòu)，即法布里-珀羅放大器（FPA）和非諧振的行波放大器（TWA）。在FPA中，形成PN結(jié)有源區(qū)的晶體的兩個(gè)解理面作為法布里-珀羅腔的部分反射鏡，其自然反射率達(dá)到32%。為了提高反射率，可在兩個(gè)端面上鍍多層介電薄膜。當(dāng)光信號(hào)進(jìn)入腔內(nèi)后，它在兩個(gè)端面來回反射并得到放大，直至以較高的功率發(fā)射出去。FPA的制作容易，但要求注入電流和溫度的穩(wěn)定性較高，光信號(hào)的輸出對(duì)放大器的溫度和入射光的頻率變化敏感。TWA的結(jié)構(gòu)與FPA的基本相同，但兩個(gè)端面上鍍的是增透膜，習(xí)慣稱為防反射膜或涂層AR。鍍防反射涂層的目的是為了減少SOA與光纖之間的耦合損耗，因此有源區(qū)不會(huì)發(fā)生內(nèi)反射，但只要注入的電流在閾值以上，在腔內(nèi)仍可獲得增益，入射光信號(hào)只需通過一次TWA就會(huì)得到放大。TWA的功率輸出高，對(duì)偏振的靈敏度低，光帶寬寬，因而它比FPA使用得更廣。SOA最大的優(yōu)點(diǎn)是它使用InGaAsP來制造，因此體積小、緊湊，可以與其他半導(dǎo)體和元件集成在一起。SOA的主要特性是：(1)它們與偏振有關(guān)，因此需要保偏光纖。(2)它們具有可靠的高增益(20dB)。(3)它們的輸出飽和功率范圍是5～10dBm。(4)它們具有大的帶寬。(5)它們工作在0.85μm，1.30μm和1.55μm波長(zhǎng)范圍。(6)它們是小型化的半導(dǎo)體器件，易于和其他器件集成。(7)幾個(gè)SOA可以集成為一個(gè)陣列。 但是，由于非線性現(xiàn)象(四波混頻)，SOA的噪聲指數(shù)高，串?dāng)_電平高。

5.6.2SOA的性能與應(yīng)用

SOA的應(yīng)用主要集中在以下幾個(gè)方面。

1.光信號(hào)放大器因?yàn)樵谑澜绶秶鷥?nèi)已鋪設(shè)了大量的常規(guī)單模光纖，還有很多系統(tǒng)工作在1.30μm波段，并需要周期性的在線放大器，而工作波長(zhǎng)為1.30μm的EDFA目前尚未達(dá)到實(shí)用化的水平，所以仍然需要SOA。

2.光電集成器件半導(dǎo)體放大器可與光纖放大器相抗衡的優(yōu)點(diǎn)是體積小、成本低以及可集成性,即可以集成在含有很多其它光電子器件(例如激光器和檢測(cè)器)的基片上。

3.光開關(guān)

除了能提供增益外，半導(dǎo)體放大器在光交換系統(tǒng)中可以作為高速開關(guān)元件使用。因?yàn)榘雽?dǎo)體在有泵浦時(shí)可以產(chǎn)生放大，而在沒有泵浦時(shí)產(chǎn)生吸收。其運(yùn)轉(zhuǎn)很簡(jiǎn)單，當(dāng)提供電流泵浦時(shí)信號(hào)通過，而需要信號(hào)阻斷時(shí)將泵浦源斷開。通過的信號(hào)因半導(dǎo)體中載流子數(shù)反轉(zhuǎn)而得到放大，而受阻的信號(hào)則因半導(dǎo)體沒有達(dá)到載流子反轉(zhuǎn)數(shù)而被吸收。值得注意的是，只有半導(dǎo)體放大器才能夠完成高速交換，在光纖放大器中由于載流子壽命太長(zhǎng)而難以做到這一點(diǎn)。

4.全光波長(zhǎng)變換器AOWC

SOA的一個(gè)主要應(yīng)用是利用SOA中發(fā)生的交叉增益調(diào)制、交叉相位調(diào)制和四波混頻效應(yīng)來實(shí)現(xiàn)波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換。其具體的介紹參見5.9節(jié)相應(yīng)的內(nèi)容。5.7光放大器的應(yīng)用

光放大器在不同的光纖通信系統(tǒng)中均有應(yīng)用。圖5.10給出了其四種基本的應(yīng)用。

(1)在線放大器：如圖5.10(a)所示，即用在線放大器代替光電光混合中繼器。當(dāng)光纖色散和放大器自發(fā)輻射噪聲累積尚未使系統(tǒng)性能惡化到不能工作時(shí)，這種代替是完全可行的，特別是對(duì)多信道光波系統(tǒng)更有誘惑力，可以節(jié)約大量的設(shè)備投資。

圖5.10光放大的四種應(yīng)用情形在線放大器；(b)后置放大器；(c)前置放大器；(d)功率補(bǔ)償放大器(2)后置放大器：如圖5.10(b)所示，即將光放大器接在光發(fā)送機(jī)后，以提高光發(fā)送機(jī)的發(fā)送功率，增加傳輸距離。這種放大器又稱為功率放大器。

(3)前置放大器：如圖5.10(c)所示,即將光放大器接在光接收機(jī)前，以提高接收功率和信噪比，增加通信距離。(4)功率補(bǔ)償放大器：如圖5.10(d)所示,即將光放大器用于補(bǔ)償局域網(wǎng)中的分配損耗，以增大網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)數(shù)，還可以將光放大器用于光子交換系統(tǒng)等多種場(chǎng)合，這種放大器亦稱為功率放大器。在光波系統(tǒng)中，不同的應(yīng)用對(duì)光放大器有不同的要求。從四種放大器的性能看，摻鉺光纖放大器(EDPA)最適合光波通信系統(tǒng)。5.8光纖激光器

利用摻雜光纖（如稀土元素的鉺、鐠等）或光纖中的受激拉曼散射SRA、受激布里淵散射SBA可制成各種光纖激光器來產(chǎn)生激光。光纖激光器具有如下優(yōu)點(diǎn)：（1）進(jìn)行光放大無需光電轉(zhuǎn)換。光纖激光器的實(shí)質(zhì)是一個(gè)波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換器，它將泵浦光的波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換為所需的波長(zhǎng)的光信號(hào)，因而不改變?cè)行盘?hào)的格式，可適應(yīng)模擬與數(shù)字傳輸及混合傳輸。

（2）是容易實(shí)現(xiàn)低泵浦功率下連續(xù)波（CW）輸出的激光器。（3）其本身的圓柱幾何尺寸與光纖易耦合，輸出光功率很容易耦合到光纖中去。

(4）與光纖光柵結(jié)合可制成窄線寬、可調(diào)諧的激光器。 （5）由于其輸出波長(zhǎng)由摻雜決定，因而可選用價(jià)格低廉的泵浦激光器，只需其波長(zhǎng)與稀土元素吸收譜相對(duì)應(yīng)。

(6）可以輸出超窄光脈沖，如數(shù)十、數(shù)百飛秒（fs）寬度的脈沖，這種脈沖可用作孤子通信的光源。5.8.1摻鉺光纖激光器可用于制造光纖激光器的稀土元素有Er3+、Nd3+等，其中Er3+的放大帶在1550nm窗口，Nd3+的放大帶在8500nm和1300nm窗口，它們構(gòu)成的激光器的結(jié)構(gòu)基本相同。下面主要以摻鉺光纖激光器為例介紹。摻鉺光纖激光器的基本結(jié)構(gòu)包括由一對(duì)平面反射鏡構(gòu)成的諧振腔和EDF摻鉺光纖。EDF提供光放大，諧振腔有選擇性地為輸出波長(zhǎng)的激光提供反饋增益來克服腔內(nèi)的光損耗。實(shí)際的激光器的構(gòu)成要復(fù)雜一些，平面反射鏡構(gòu)成的腔用得也不如環(huán)形腔多。圖5.11給出了一個(gè)實(shí)際的摻鉺光纖激光器的結(jié)構(gòu)。圖中，光隔離器和濾波器保證光的單向傳輸，兩束泵浦激光通過WDM耦合器對(duì)鉺光纖泵浦。圖5.11鉺光纖激光器的結(jié)構(gòu)5.8.2光纖光柵激光器光纖光柵激光器是光纖通信系統(tǒng)中一種很有前途的光源，它的優(yōu)點(diǎn)主要有：

(1)半導(dǎo)體激光器的波長(zhǎng)較難符合ITU-T建議的WDM波長(zhǎng)標(biāo)準(zhǔn)，且成本很高，而稀土摻雜光纖光柵激光器利用光纖光柵能非常準(zhǔn)確地確定波長(zhǎng)，且成本低；

(2)用作增益的稀土摻雜光纖制作工藝比較成熟；

(3)有可能采用靈巧緊湊且效率高的泵浦源；

(4)光纖光柵激光器具有波導(dǎo)式光纖結(jié)構(gòu)，可以在光纖芯層產(chǎn)生較高的功率密度；(5)可以通過摻雜不同的稀土離子，獲得寬帶的激光輸出，且波長(zhǎng)選擇可調(diào)諧；

(6)高頻調(diào)制下的頻率啁啾效應(yīng)小，可抗電磁干擾，溫度膨脹系數(shù)較半導(dǎo)體激光器小。

利用紫外光（UV）光寫入技術(shù)可制作多種光纖光柵，可使用不同的泵浦源，實(shí)現(xiàn)多種特性的激光器，如單波長(zhǎng)激光器、多波長(zhǎng)激光器。圖5.12給出了它們的結(jié)構(gòu)。圖5.12單/多波長(zhǎng)光纖光柵激光器的基本組成

(a)單波長(zhǎng)；(b)多波長(zhǎng)

5.8.3光纖受激拉曼和受激布里淵激光器光纖受激拉曼和受激布里淵激光器利用了光纖中的線性效應(yīng)，其最大的優(yōu)點(diǎn)是比稀土元素?fù)诫s光纖激光器具有更高的飽和功率和沒有泵浦源的限制。目前這種技術(shù)還不成熟，有許多問題需要解決。

光波長(zhǎng)變換技術(shù)是指把輸入波長(zhǎng)上載運(yùn)的信息轉(zhuǎn)移到新的輸出波長(zhǎng)上的技術(shù)。相應(yīng)的器件或裝置稱為波長(zhǎng)變換器。常規(guī)的波長(zhǎng)變換技術(shù)是指光—電—光的轉(zhuǎn)換形式，如圖5.13所示。這種變換形式會(huì)帶來性能畸變,低效,結(jié)構(gòu)不緊湊，兼容性差等不適應(yīng)高速大容量光纖通信系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)要求的問題。而全光波長(zhǎng)變換技術(shù)能直接把輸入波長(zhǎng)的信息轉(zhuǎn)移到輸出波長(zhǎng)上，不必經(jīng)過光電轉(zhuǎn)換，這就有利于避免電速度的“瓶頸”效應(yīng)。5.9光波長(zhǎng)變換器圖5.13常規(guī)的波長(zhǎng)變換器

目前，人們已經(jīng)研制了各種各樣的全光波長(zhǎng)變換技術(shù)，如基于半導(dǎo)體光放大器(SOA)的全光波長(zhǎng)變換(AOWC)技術(shù)、基于半導(dǎo)體激光器的AOWC技術(shù)和基于其他波導(dǎo)介質(zhì)(如光纖、鈮酸鋰波導(dǎo))的AOWC技術(shù)。其中，基于SOA的AOWC技術(shù)是最為成功的波長(zhǎng)變換技術(shù)，它主要利用SOA中的交叉增益調(diào)制(XGM)技術(shù)、交叉相位調(diào)制(XPM)技術(shù)和四波混頻(FWM)技術(shù)。5.9.1半導(dǎo)體光放大器(SOA)中的交叉增益調(diào)制(XGM)技術(shù)

SOA中的XGM技術(shù)的基本結(jié)構(gòu)及原理分別示于圖5.14(a)和圖5.14(b)。

CW探測(cè)波(λc)和泵浦波(λs)經(jīng)耦合器注入SOA，SOA對(duì)入射光功率存在增益飽和特性：當(dāng)信號(hào)光強(qiáng)度增加時(shí)，SOA的增益變小；當(dāng)信號(hào)光強(qiáng)度減弱時(shí)，SOA的增益變大。因而當(dāng)有調(diào)制信息（“1”或“0”）的泵浦波注入SOA時(shí)，泵浦信號(hào)將調(diào)制SOA的載流子密度，從而調(diào)制增益（“無”或“有”）。同時(shí)，注入的CW探測(cè)波的強(qiáng)度變化也受增益變化影響而按泵浦信號(hào)的調(diào)制規(guī)律變化，用帶通濾波器取出變換后的λs信號(hào)，即可實(shí)現(xiàn)從λp到λs的AOWC。圖5.14SOA-XGM的基本結(jié)構(gòu)和原理

(a)基本結(jié)構(gòu)；(b)原理SOA-XGM方式的主要特點(diǎn)在于有寬的連續(xù)波長(zhǎng)變換范圍（約50nm），高的變換效率，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。其主要缺點(diǎn)是，對(duì)于上變換，消光比變壞，信號(hào)是倒相輸出的，TE模增益比TM模增益高約5～6dB，這會(huì)使波長(zhǎng)變換性能與輸出信號(hào)偏振態(tài)相關(guān)。同時(shí)也存在一些技術(shù)可以改善這些不足。

5.9.2半導(dǎo)體光放大器中的交叉相位調(diào)制（XPM）技術(shù)當(dāng)泵浦光入射到SOA中時(shí)，載流子的變化將引起SOA兩方面的變化：一是SOA增益的變化；