第8章光放大器(0)

1、第第8章章 光放大器光放大器8.1 作用作用z=0衰減衰減z=L光放光放大器大器 8.1 作用作用：常規(guī)的常規(guī)的放大光信號時，需要進行：放大光信號時，需要進行：電光轉(zhuǎn)換電光轉(zhuǎn)換光電轉(zhuǎn)換光電轉(zhuǎn)換電放大電放大 再定時再定時脈沖整形脈沖整形光信號光信號光信號光信號電信號電信號電信號電信號電信號電信號 8.1 作用作用 8.2 分類分類 8.3 工作波段工作波段 8.3 工作波段工作波段 8.4 基本概念基本概念 8.4.1 功率放大功率放大 8.4 基本概念基本概念 8.4.2 增益飽和增益飽和輸入光功率較小時，輸入光功率較小時，G是一常數(shù)，即輸出光功率是一常數(shù)，即輸出光功率Pout與輸入光功率與輸

2、入光功率Pin成正成正比例。比例。G0光放大器的小信號增益。光放大器的小信號增益。G0S0outS0ln22GPPG P PS S為飽和功率為飽和功率飽和功率：飽和功率：放大器增益降至小信號增益一半時的放大器增益降至小信號增益一半時的輸出功率。輸出功率。3dBPs當(dāng)當(dāng)Pin增大到一定值后，光放大器的增益增大到一定值后，光放大器的增益G開始下降。開始下降。飽和區(qū)域飽和區(qū)域線性放大線性放大區(qū)域區(qū)域 8.4 基本概念基本概念 8.4.3 放大器噪聲放大器噪聲n半導(dǎo)體光放大器中，受激輻射總是伴隨有自發(fā)輻射的產(chǎn)生，自發(fā)輻射也與信號一起被放大，產(chǎn)生放大自發(fā)輻射噪聲（ASE)。 ASE噪聲是主要的噪聲源。n

3、光放大器在放大過程中都會把ASE噪聲疊加到信號光上，導(dǎo)致被放大信號的信噪比（SNR）下降，其降低程度通常用噪聲指用噪聲指數(shù)數(shù)NF來表示，其定義為：outinSNRSNRdBNF)()(log10)(10hnGSspsp1自發(fā)輻射系數(shù)或自發(fā)輻射系數(shù)或粒子數(shù)反轉(zhuǎn)系數(shù)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)系數(shù)122NNNnspu 對于原子都處于激發(fā)態(tài)或?qū)τ谠佣继幱诩ぐl(fā)態(tài)或 完全粒子數(shù)反轉(zhuǎn)的光放大器，完全粒子數(shù)反轉(zhuǎn)的光放大器， n nspsp=1;=1;u 當(dāng)粒子數(shù)不完全反轉(zhuǎn)時，當(dāng)粒子數(shù)不完全反轉(zhuǎn)時， n nspsp11；激發(fā)態(tài)的粒子數(shù)激發(fā)態(tài)的粒子數(shù)基態(tài)的粒子數(shù)基態(tài)的粒子數(shù)噪聲指數(shù)噪聲指數(shù)為：為：)2lg(10)1(2lg10

4、spspnGnGNF對對n nspsp=1=1的完全粒子數(shù)反轉(zhuǎn)的理想放大器，被放大信號的的完全粒子數(shù)反轉(zhuǎn)的理想放大器，被放大信號的SNRSNR也降低了也降低了二倍二倍（或（或3dB3dB）。）。對大多數(shù)實際的放大器對大多數(shù)實際的放大器NFNF均超過均超過3dB 3dB ，并可能達到，并可能達到6 68dB8dB。希望放大器的希望放大器的NFNF盡可能低盡可能低。 8.5 光放大器類型光放大器類型 8.5.1 摻鉺光纖放大器摻鉺光纖放大器 1 工作原理工作原理 EDFA的核心部件為摻鉺光纖。的核心部件為摻鉺光纖。EDFA 主要由摻鉺光纖主要由摻鉺光纖(EDF)、泵浦光源、耦合器、光隔離器及組成，

5、泵浦光源、耦合器、光隔離器及組成，結(jié)構(gòu)如圖所示。結(jié)構(gòu)如圖所示。 泵浦光除了泵浦光除了980nm和和1480nm外，外，514nm、532nm、667nm和和800nm EDFA的工作原理的工作原理：Er+3吸收泵浦能量，由基態(tài)躍遷到高能級泵浦態(tài)，對于不同的泵浦波長，電子躍遷至不同的能級，當(dāng)用980nm波長泵浦時， Er+3從基態(tài)躍遷至泵浦態(tài)，由于泵浦態(tài)載流子的壽命時間只有1us，電子以非輻射方式由泵浦態(tài)迅速預(yù)馳至亞穩(wěn)態(tài)，在亞穩(wěn)態(tài)上載流子有較長的壽命，在源源不斷的泵浦作用下，亞穩(wěn)態(tài)上的粒子數(shù)積累，從而實現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布。當(dāng)由1550nm光信號通過已被激活的摻鉺光纖時，在光信號的感應(yīng)下，亞穩(wěn)態(tài)上的

6、粒子以受激輻射的方式躍遷到基態(tài)。對應(yīng)于每一次躍遷，都將產(chǎn)生一個與感應(yīng)光子完全一樣的光子，從而實現(xiàn)了利用泵浦光能作用，通過摻鉺光纖的餌離子受激輻射使光信號在傳播過程中不斷得到放大。EDFA的主要優(yōu)點有：的主要優(yōu)點有： 工作波長正好落在光纖通信最佳波段工作波長正好落在光纖通信最佳波段(15001600 nm)； 其主體是一段光纖(EDF)，與傳輸光纖的耦合損耗很小， 可達0.1 dB。 增益高增益高，約為3040 dB; 飽和輸出光功率大， 約為1015 dBm； 增益特性與光偏振狀態(tài)無關(guān)。 噪聲指數(shù)小噪聲指數(shù)小， 一般為47 dB； 用于多信道傳輸時， 隔離度大，無串?dāng)_，適用于波分復(fù)用系統(tǒng)。 頻

7、帶寬頻帶寬，在1550 nm窗口，頻帶寬度為2040 nm， 可進行多信道傳輸，有利于增加傳輸容量。EDFA也有固有的缺點：(1) 波長固定波長固定，只能放大1.55m左右的光波，換用不同基質(zhì)的光纖時，鉺離子能級也只能發(fā)生很小的變化，可調(diào)節(jié)的波長有限，只能換用其他元素；(2) 增益帶寬不平坦增益帶寬不平坦，在WDM系統(tǒng)中需要采用特殊的手段來進行增益譜補償。 2 工作特性工作特性輸入功率小，增益大；輸入功率大，增益就會出現(xiàn)飽和。輸入功率小，增益大；輸入功率大，增益就會出現(xiàn)飽和。即：即：輸入功率隨著輸入功率的增加而降低輸入功率隨著輸入功率的增加而降低。 （1） 增益與輸出功率增益與輸出功率幾米長的

8、短摻鉺光纖，幾米長的短摻鉺光纖，最大增益最大增益的波長位于的波長位于1530nm1535nm1530nm1535nm光功率沿著光纖長度而增加，增益是可以光功率沿著光纖長度而增加，增益是可以累計累計的。的。 （2） 工作波長工作波長C C波段放大器的波長范圍波段放大器的波長范圍1530nm1565nm1530nm1565nm，摻鉺，摻鉺L L波段放大器的波長范圍波段放大器的波長范圍1570nm1605nm1570nm1605nm，鉺，鉺- -鋁共摻鋁共摻 （3） 增益均衡增益均衡EDFAEDFA在其在其整個工作波長范圍的增益是不均衡的。在其在其整個工作波長范圍的增益是不均衡的。解決解決EDFAE

9、DFA的增益不均衡的問題的解決辦法：的增益不均衡的問題的解決辦法：1 1）增加光濾波器來減小最強光譜線的功率；）增加光濾波器來減小最強光譜線的功率；2 2）利用不同類型的光放大器，如拉曼光纖放大器。）利用不同類型的光放大器，如拉曼光纖放大器。 （4） 噪聲系數(shù)噪聲系數(shù)EDFAEDFA的噪聲主要包括：的噪聲主要包括：1 1）信號光的散粒噪聲；）信號光的散粒噪聲；2 2）放大的）放大的自發(fā)輻射光的散粒噪聲；自發(fā)輻射光的散粒噪聲；3 3）自發(fā)輻射光譜與信號光之間的）自發(fā)輻射光譜與信號光之間的差拍噪聲；差拍噪聲；4 4）自發(fā)輻射光譜間的差拍噪聲。）自發(fā)輻射光譜間的差拍噪聲。EDFAEDFA的噪聲系數(shù)與

10、輸入信號功率、泵浦方的噪聲系數(shù)與輸入信號功率、泵浦方式和泵浦波長有關(guān)。式和泵浦波長有關(guān)。1 1）在小信號情況下，）在小信號情況下，EDFAEDFA的噪聲系數(shù)隨著的噪聲系數(shù)隨著輸入信號光功率的增加而略微減小輸入信號光功率的增加而略微減小，而在，而在EDFAEDFA處在飽和狀態(tài)時，噪聲系數(shù)隨著信號處在飽和狀態(tài)時，噪聲系數(shù)隨著信號功率的增加而增大。功率的增加而增大。2 2） EDFA EDFA的噪聲系數(shù)會的噪聲系數(shù)會隨泵浦功率的增加隨泵浦功率的增加而減小而減小。3 3）當(dāng)摻鉺光纖長度增長時，）當(dāng)摻鉺光纖長度增長時，同向泵浦方式的噪聲系數(shù)最小同向泵浦方式的噪聲系數(shù)最小，雙向居中，雙向居中，反向泵浦最大

11、。反向泵浦最大。4 4）980nm980nm泵浦激光器采用的是泵浦激光器采用的是三能級三能級工作方式，具有比較高的反轉(zhuǎn)水平，工作方式，具有比較高的反轉(zhuǎn)水平，良好的噪聲性能良好的噪聲性能。1480nm1480nm泵浦的是二能級工作方式，噪聲性能比較差，泵浦的是二能級工作方式，噪聲性能比較差，輸出功率較大。輸出功率較大。 1）前向泵浦：具有良好的噪聲性能）前向泵浦：具有良好的噪聲性能2）反向泵浦：輸出功率高；）反向泵浦：輸出功率高；3）雙向泵浦：良好的增益和噪聲性能，成本高。）雙向泵浦：良好的增益和噪聲性能，成本高。 3 應(yīng)用應(yīng)用 （1） 泵浦方式泵浦方式多級泵浦Er3+ Doped FiberP

12、umpPumpInput SignalOutput SignalOpticalIsolator第一級同向泵浦第一級同向泵浦: : 得到低的噪聲指數(shù)得到低的噪聲指數(shù)第二級反向泵浦第二級反向泵浦: : 得到高的輸出功率得到高的輸出功率 3 泵浦方式泵浦方式（2） 基本應(yīng)用基本應(yīng)用EDFA具體的應(yīng)用形式：具體的應(yīng)用形式：后置后置放大器、放大器、在線在線放大器、放大器、前置前置放大器和放大器和補償器件損耗補償器件損耗放大器。放大器。EDFA的增益平坦技術(shù)：應(yīng)用可調(diào)光衰減器的增益平坦技術(shù)：應(yīng)用可調(diào)光衰減器EDFA的增益鎖定技術(shù)：通過功率監(jiān)測和自動反饋控制的增益鎖定技術(shù)：通過功率監(jiān)測和自動反饋控制系統(tǒng)以解

13、決系統(tǒng)以解決EDFA的增益競爭的增益競爭EDFA的增益競爭：的增益競爭：EDFA的輸入波道發(fā)生變化時，導(dǎo)致輸入光的輸入波道發(fā)生變化時，導(dǎo)致輸入光功率的變化，會使功率的變化，會使EDFA的增益能量重新分配。的增益能量重新分配。1.1. 濾波器均衡：濾波器均衡： 采用透射譜與摻雜光纖增益譜反對稱的濾波器使增益平采用透射譜與摻雜光纖增益譜反對稱的濾波器使增益平坦坦, , 如：如：薄膜濾波、紫外寫入長周期光纖光柵、周期調(diào)制的薄膜濾波、紫外寫入長周期光纖光柵、周期調(diào)制的雙芯光纖等。雙芯光纖等。 只能實現(xiàn)靜態(tài)增益譜的平坦，在信道功率突變只能實現(xiàn)靜態(tài)增益譜的平坦，在信道功率突變時增益譜仍會發(fā)生變化。時增益譜

14、仍會發(fā)生變化。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，從而實現(xiàn)增益鉗制，是目前最為成熟的方法。泵浦控制均衡放大器（電控）泵浦控制均衡放大器（電控）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，而實現(xiàn)增益鉗制。 8.5 光放大器類型光放大器類型 8.5.2 拉曼光纖放大器（拉曼光纖放大器（FRA) 1 工作原理工作原理 頻率為頻率為 p p和和 s s的泵浦光和信號光通過耦合器輸入光纖；的泵浦光和信號光通過耦合器輸入光纖； 泵浦光和光纖介質(zhì)發(fā)生受激拉曼散射，產(chǎn)生頻移量為泵浦光和光纖介質(zhì)發(fā)生受激拉曼散射，產(chǎn)生頻移量為介質(zhì)振動頻

15、率的介質(zhì)振動頻率的散散射光；射光； 當(dāng)信號光頻率等于散射光頻率，信號光得到放大。當(dāng)信號光頻率等于散射光頻率，信號光得到放大。FRAFRA是靠非線性散射實現(xiàn)放大功能，不需要能級間粒子數(shù)反轉(zhuǎn)是靠非線性散射實現(xiàn)放大功能，不需要能級間粒子數(shù)反轉(zhuǎn)EDFA 波長范圍波長范圍35nm (1530-1565nm)拉曼放大器拉曼放大器 波長范圍波長范圍400nm （1270nm-1670nm）ppoRapgeG)1(1oGGoos 0：輸入信號功輸入信號功率對泵浦光功率率對泵浦光功率的比例的比例)0()0(psspoPPff拉曼拉曼增益常數(shù)增益常數(shù)Rgppa有效光纖截面積有效光纖截面積 泵浦光的光纖衰減常數(shù)泵浦

16、光的光纖衰減常數(shù) 輸入的泵浦光功率輸入的泵浦光功率 pfopsf)0(sP信號信號光的功率光的功率 泵浦泵浦光的光的頻率頻率 信號信號光的光的頻率頻率 8.5.2 拉曼光纖放大器拉曼光纖放大器 2 工作特性工作特性FRAFRA增益介質(zhì)為傳輸光纖、增益波長由泵浦波長決定。增益介質(zhì)為傳輸光纖、增益波長由泵浦波長決定。u 峰值增益頻移：峰值增益頻移：100 nm100 nm。（增益波長由泵浦光波長決定）。（增益波長由泵浦光波長決定）u 反向泵浦為主，也可同向泵浦。（拉曼增益與泵浦功率成正比）反向泵浦為主，也可同向泵浦。（拉曼增益與泵浦功率成正比）u 支撐技術(shù)支撐技術(shù): : 大功率泵浦激光器，目前已取

17、得實用化。大功率泵浦激光器，目前已取得實用化。 受激布里淵散射原理受激布里淵散射原理 當(dāng)一個窄線寬、 高功率信號沿光纖傳輸時， 將產(chǎn)生一個與輸入光信號同向的聲波， 此聲波波長為光波長的一半， 且以聲速傳輸。 理解非線性布里淵效應(yīng)的一個簡單方法是將此聲波想像為一個把入射光反射回去的移動布拉格光柵， 由于光柵向前移動， 因此反射光經(jīng)多普勒頻移后變?yōu)橐粋€較低的頻率值。 對于工作于1.3434 m的二氧化硅光纖， 布里淵頻偏約為11 GHz， 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。 8.5 光放大器類型光放大器類型 8.5.3 布里淵光纖放大器布里淵

18、光纖放大器(SBR)布里淵散射效應(yīng) 輸入信號(0194 THz)反射信號(0B)0.53 m光纖纖芯A5.8 mm / s聲波：B11 GHz SBA利用強激光與光纖中的彈性聲波場相互作用利用強激光與光纖中的彈性聲波場相互作用產(chǎn)生的產(chǎn)生的后向散射光后向散射光來實現(xiàn)對光信號的放大。來實現(xiàn)對光信號的放大。 其主要特點是高增益、其主要特點是高增益、 低噪聲、低噪聲、 窄帶寬窄帶寬， 因而可因而可以形成分布式放大，以形成分布式放大， 用作光濾波器用作光濾波器 8.5 光放大器類型光放大器類型 8.5.3 布里淵光纖放大器布里淵光纖放大器 8.5 光放大器類型光放大器類型 8.5.3 布里淵光纖放大器布

19、里淵光纖放大器 工作原理工作原理 頻率為頻率為 p p和和 s s的泵浦光和信號光通過耦合器輸入光纖；的泵浦光和信號光通過耦合器輸入光纖； 泵浦光和光纖介質(zhì)發(fā)生受激布里淵散射，產(chǎn)生頻移量為泵浦光和光纖介質(zhì)發(fā)生受激布里淵散射，產(chǎn)生頻移量為布里淵頻移量布里淵頻移量的的散射光；散射光； 當(dāng)信號光頻率等于布里淵頻移的光頻率，信號光得到放大。當(dāng)信號光頻率等于布里淵頻移的光頻率，信號光得到放大。pn外加正向偏壓實現(xiàn)結(jié)區(qū)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)泵浦導(dǎo)致受激輻射，信號光被放大內(nèi)部的自發(fā)輻射產(chǎn)生自發(fā)輻射噪聲(ASE)，它也會被放大沒有諧振腔的選擇，SOA將同時輸出放大的光信號和自發(fā)輻射噪聲與半導(dǎo)體激光器工作原理類似。 8.5

20、 光放大器類型光放大器類型 8.5.4 半導(dǎo)體光放大器半導(dǎo)體光放大器 8.5 光放大器類型光放大器類型 8.5.4 半導(dǎo)體光放大器半導(dǎo)體光放大器 TWSOA與FPSOA的區(qū)別在于端面的反射率大小， TWSOA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)。 TWSOA的增益、增益帶寬和噪聲特性都可以滿足光纖通信的要求，但如下兩個缺點限制著它在光纖通信中的實際應(yīng)用： 對光信號偏振態(tài)的敏感性； 對光信號增益的飽和性。 由于半導(dǎo)體有源層的橫截面呈扁長方形，對橫向（長方形的由于半導(dǎo)體有源層的橫截面呈扁長方形，對橫向（長方形的寬邊方向）和豎向（長方形的窄邊方向）的

21、光場約束不同，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于橫向，因而光場在豎向的衍射泄漏強于橫向，因而豎向的光增益弱于橫豎向的光增益弱于橫向向。 采用寬、厚可比擬的有源層設(shè)計；采用寬、厚可比擬的有源層設(shè)計； 采用張應(yīng)變；采用張應(yīng)變； 使用方法上解決。使用方法上解決。 相同結(jié)構(gòu)相同結(jié)構(gòu)SOASOA互互相相垂直并接垂直并接，在，在輸入端采用偏振輸入端采用偏振分束器將信號分束器將信號分分成成TETE和和TMTM偏振偏振信號信號, ,分別輸入至分別輸入至相互垂直的相互垂直的SOASOA，然后將兩只然后將兩只SOASOA放大的放大的TETE和和TMTM偏振信號合成，偏振信

22、號合成，得到與輸入光同得到與輸入光同偏振態(tài)的放大信偏振態(tài)的放大信號。號。輸入光信號輸入光信號往返兩次往返兩次通過同一通過同一SOASOA，但反向通過前，但反向通過前，采用法拉第旋轉(zhuǎn)器使返回光旋轉(zhuǎn)采用法拉第旋轉(zhuǎn)器使返回光旋轉(zhuǎn)90900 0第二次放大后，用第二次放大后，用耦合器取出輸出光信號。耦合器取出輸出光信號。相同結(jié)構(gòu)相同結(jié)構(gòu)SOASOA互相互相垂直串接垂直串接，所得增益所得增益將與偏振將與偏振無關(guān)無關(guān)。 半導(dǎo)體光放大器的半導(dǎo)體光放大器的：。 半導(dǎo)體光放大器的半導(dǎo)體光放大器的：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) 增益飽和引起信號畸變 152015251530153515401545155015551560-40-30-20-1001020Wavelength/nmP/dBm152015251530153515401545155015551560-30-25-20-15-10-5051015Wavelength/nmP/dBm (a) Pin=-30dBm (b) Pin=-10dBm 、不同輸入光功率的情況下SOA的正向出射譜其他應(yīng)用：光波長轉(zhuǎn)換（XGM, XPM, FWM）光開關(guān)：直接調(diào)制SOA的注入電流實現(xiàn)光的通斷。特點：高速、無損光信號處理器件。 SOA中的增益飽和特性 基于XGM效應(yīng)的波長轉(zhuǎn)換裝置圖 8.5 光放