第六章光放大器

1、第六章第六章 光放大器光放大器 長距離光纖傳輸每隔一長距離光纖傳輸每隔一定距離要增加光中繼器，以定距離要增加光中繼器，以便保證信號質(zhì)量。便保證信號質(zhì)量。光光-電電-光轉(zhuǎn)換再生中繼器結(jié)構(gòu)光轉(zhuǎn)換再生中繼器結(jié)構(gòu)再整形（再整形（re-shaping）再放大再放大(re-amplifying)再定時（再定時（re-timing）典型的數(shù)字光電中繼器原理框圖典型的數(shù)字光電中繼器原理框圖由一個沒有線路碼型變換和反變換的光接收和光發(fā)射相連接的系統(tǒng)由一個沒有線路碼型變換和反變換的光接收和光發(fā)射相連接的系統(tǒng)全光中繼器全光中繼器本章內(nèi)容本章內(nèi)容v光放大器的基本應(yīng)用形式光放大器的基本應(yīng)用形式v半導(dǎo)體光放大器半導(dǎo)體光放

2、大器(SOA)v摻鉺光纖放大器摻鉺光纖放大器(EDFA)v光纖拉曼放大器光纖拉曼放大器(FRA)光放大器在光纖通信系統(tǒng)中的四種用途光放大器在光纖通信系統(tǒng)中的四種用途光光發(fā)發(fā)射射機(jī)機(jī)EDFA光光接接收收機(jī)機(jī)EDFA光光纖纖光光纖纖(a)在在線線放放大大器器在在線線放放大大器器光光發(fā)發(fā)射射機(jī)機(jī)光光接接收收機(jī)機(jī)EDFA光光纖纖(c)前前置置放放大大器器接接收收機(jī)機(jī)前前置置放放大大器器光光發(fā)發(fā)射射機(jī)機(jī)EDFA光光接接收收機(jī)機(jī)光光纖纖(b)功功率率放放大大器器光光發(fā)發(fā)射射機(jī)機(jī)功功率率增增強(qiáng)強(qiáng)器器光光發(fā)發(fā)射射機(jī)機(jī)EDFA光光接接收收機(jī)機(jī)(d)補(bǔ)補(bǔ)償償損損耗耗放放大大器器光光纖纖總總線線節(jié)節(jié)點(diǎn)點(diǎn)在在局局域域

3、網(wǎng)網(wǎng)中中用用于于補(bǔ)補(bǔ)償償分分配配損損耗耗EDFA半導(dǎo)體光放大器半導(dǎo)體光放大器（SOA：Semiconductor Optical Amplifier）注入電流注入電流輸入輸入光信號光信號輸出光信號輸出光信號有源區(qū)有源區(qū)Lz = 0z = Lz z注入電流注入電流輸入輸入光信號光信號輸出光信號輸出光信號有源區(qū)有源區(qū)Lz = z = Lz z反射面反射面R反射面反射面R0TW SOAF-P SOASOA工作機(jī)理工作機(jī)理vSOA是一個具有或不具有端面反射的半導(dǎo)體是一個具有或不具有端面反射的半導(dǎo)體激光器。采用正向偏置的激光器。采用正向偏置的PN結(jié)，對其進(jìn)行電結(jié)，對其進(jìn)行電流注入來激活電子，實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反

4、轉(zhuǎn)分布，當(dāng)流注入來激活電子，實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布，當(dāng)外光場射入時產(chǎn)生受激輻射實(shí)現(xiàn)對入射光功率外光場射入時產(chǎn)生受激輻射實(shí)現(xiàn)對入射光功率的放大。的放大。光放大器光放大器增益分布曲線增益分布曲線g()和相應(yīng)的放大器和相應(yīng)的放大器增益頻譜曲線增益頻譜曲線G()相對增益0.00.20.40.60.81.0-4-2024歸一化失諧G( )g ( )02TAg )/1 (/122200mPPTggsatzPgPPGinout,exp)(介質(zhì)的增益系數(shù)介質(zhì)的增益系數(shù)放大器增益系數(shù)（放大倍數(shù)）：放大器增益系數(shù)（放大倍數(shù)）：)exp()2/ln(2ln(002/10LgGGvvgA放大器帶寬和增益帶寬放大器帶寬和增

5、益帶寬增益飽和增益飽和歸一化放大器增益0.00.20.40.60.81.0歸一化輸出功率10010 210 110110dB15dB30dBG0=PoutPsat/G0G/-satout01expGPPGGGG0為不飽和放大器增益為不飽和放大器增益放大器噪聲放大器噪聲v用放大器噪聲指數(shù)用放大器噪聲指數(shù)Fn來量度來量度SNR下降的程度，定義下降的程度，定義outinnSNRSNRFhfnGfSfSGPfRSRGPfRGPqRGPIspspspinin) 1()(4)(4)(2SNRspin2in22out譜密度自發(fā)輻射引入的噪聲頻spspn212nGGnF122NNNnsp自發(fā)輻射系數(shù)討論受限于

6、散粒噪聲的理想探測器討論受限于散粒噪聲的理想探測器的理想探測器的響應(yīng)度是量子效率為12)(2)()(222hfqRfhfPfRPqRPISNRinininsin例：假如輸入信號功率為300W，在1nm帶寬內(nèi)的輸入噪聲功率是30nW，輸出信號功率是60mW，在 1nm帶寬內(nèi)的輸出噪聲功率增大到20W，計算光放大器的噪聲指數(shù)？5.2dB33. 31031010)()(33或outinnSNRSNRF解：解：光放大器使輸出信噪比下降了，但同時也使輸出功率增光放大器使輸出信噪比下降了，但同時也使輸出功率增加了，所以可容忍加了，所以可容忍SNR的下降。的下降。不同反射率時的不同反射率時的F-P SOA的

7、增益頻譜的增益頻譜頻率頻率增益增益 g GFPAR=0.03R=0.32R=0 0GFPAmaxGFPAmin0+2 0-2 0行波放大器行波放大器( ) 2ss211 RGGR maxFPA)( G / )(sin4)1 ()()1)(1 ()(22122121LmsFPAfffRRGRRGfGRRfG信號增益波長01020301.441.461.481.501.521.54/dBm(TE)橫電模/ 頻率增益 gGFPA00GTWAvvvFPAvTWAFPA與與TWA的帶寬比較的帶寬比較TWA的增益與波長的關(guān)系的增益與波長的關(guān)系增益小的波紋狀，反映出解理面剩余增益小的波紋狀，反映出解理面剩余

8、反射率的影響，此時反射率的影響，此時R約約0.04%。TWA對反射率的要求對反射率的要求v減小端面反射反饋，可制出減小端面反射反饋，可制出TWA。v減小反射率的一個簡單方法是在界面上鍍以抗反射膜減小反射率的一個簡單方法是在界面上鍍以抗反射膜（增透膜）（反射率小于（增透膜）（反射率小于1%）。）。v但但TWA要求要求R0.1%，且最小反射率還取決于放大器，且最小反射率還取決于放大器增益本身。增益本身。17. 021RRG減小反射率的方法（一）減小反射率的方法（一）有有源源區(qū)區(qū)光光輸輸入入光光輸輸出出反反射射角度解理面或有源區(qū)傾斜結(jié)構(gòu)角度解理面或有源區(qū)傾斜結(jié)構(gòu)在大多數(shù)情況下，使用抗反射膜和有源區(qū)傾

9、斜，可在大多數(shù)情況下，使用抗反射膜和有源區(qū)傾斜，可以使反射率小于以使反射率小于 0.1%減小反射率的方法（二）減小反射率的方法（二）透透明明區(qū)區(qū)有有源源區(qū)區(qū)光光輸輸入入光光輸輸出出增增透透膜膜有源區(qū)端面和解理面之間插入透明窗口區(qū)有源區(qū)端面和解理面之間插入透明窗口區(qū)SOA的優(yōu)點(diǎn)的優(yōu)點(diǎn)可可調(diào)調(diào)諧諧光光柵柵濾濾波波器器增增益益區(qū)區(qū)D DB BR R調(diào)調(diào)諧諧半半導(dǎo)導(dǎo)體體光光放放大大探探測測E EA A調(diào)調(diào)制制抗抗反反射射膜膜高高反反射射膜膜后后鏡鏡面面前前鏡鏡面面I ISOA的缺點(diǎn)的缺點(diǎn)v與光纖耦合損耗大；與光纖耦合損耗大；v噪聲指數(shù)的典型值為噪聲指數(shù)的典型值為5-7dB； （噪聲機(jī)理：自發(fā)輻射、有源

10、區(qū)的吸收和散射損耗、（噪聲機(jī)理：自發(fā)輻射、有源區(qū)的吸收和散射損耗、剩余解理面的反射率）剩余解理面的反射率）v穩(wěn)定性差，因增益與偏振態(tài)、溫度等因素有關(guān)。穩(wěn)定性差，因增益與偏振態(tài)、溫度等因素有關(guān)。減小偏振態(tài)對減小偏振態(tài)對SOA增益影響的三種結(jié)構(gòu)增益影響的三種結(jié)構(gòu)偏振分光器放大器(a)(b) 兩個放大器并接TETM兩個結(jié)平面相互垂直的放大器串接偏振合光器TMTE反射鏡法拉第旋轉(zhuǎn)器放大器芯片偏振控制輸出輸入45(c) 光信號通過同一個放大器兩次, 極化旋轉(zhuǎn)了o90,使總增益與偏振態(tài)無關(guān)o摻鉺光纖放大器結(jié)構(gòu)摻鉺光纖放大器結(jié)構(gòu)EDFA-Erbium Doped Fiber Amplifier輸入信號輸入信

11、號泵浦泵浦光隔離器光隔離器光隔離器光隔離器波分復(fù)用器波分復(fù)用器摻鉺光纖摻鉺光纖輸出信號輸出信號熔接熔接摻鉺光纖（摻鉺光纖（EDF-Erbium Doped Fiber)2b2aEr3+-Al203-Ge02-Si02F-Si02 Ge02-Si02 ErEr直徑125直徑125硅包層硅包層 m徑向分布場徑向分布場 摻鍺區(qū) 摻鍺區(qū)（直徑3 )（直徑3 ) m 0.010.04 6 6 摻鉺區(qū) 摻鉺區(qū)（濃度1100 2500ppm)（濃度1100 2500ppm) 00.20.40.60.81.0010002000300040005000b/appm-wt鉺鉺離離子子濃濃度度圖圖 7.1.1 鉺離

12、子濃度鉺離子濃度與與 b/a值的關(guān)系值的關(guān)系圖圖 7.1.2 摻鉺光纖結(jié)構(gòu)摻鉺光纖結(jié)構(gòu)和折射率分布和折射率分布EDFA工作原理工作原理1530nm980nm980nm泵浦光泵浦光放大后放大后的信號光的信號光.1E2E3E信號光信號光1550nm1550nm0能級能級 3rE0.80eV1.27eV鉺離子能級圖鉺離子能級圖泵浦光是如何將能量轉(zhuǎn)移給信號的泵浦光是如何將能量轉(zhuǎn)移給信號的?EDFA工作機(jī)理工作機(jī)理v在泵浦源在泵浦源(980nm或或1480nm)的作用下，在摻鉺的作用下，在摻鉺光纖中出現(xiàn)了粒子數(shù)的反轉(zhuǎn)分布。通過輸入信光纖中出現(xiàn)了粒子數(shù)的反轉(zhuǎn)分布。通過輸入信號光的誘導(dǎo)，使處于粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布

13、狀態(tài)下的號光的誘導(dǎo)，使處于粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布狀態(tài)下的高能級電子躍遷到低能級，并釋放出與入射光高能級電子躍遷到低能級，并釋放出與入射光子一樣的一個光子，即產(chǎn)生了受激輻射，從而子一樣的一個光子，即產(chǎn)生了受激輻射，從而使光信號（使光信號（1530nm-1560nm)得到放大。得到放大。EDFA結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)vEDFA由摻鉺光纖、一個或多個泵浦光源、光波分復(fù)由摻鉺光纖、一個或多個泵浦光源、光波分復(fù)用器、光隔離器等組成。用器、光隔離器等組成。v1.同向泵浦結(jié)構(gòu)同向泵浦結(jié)構(gòu)v2.反向泵浦結(jié)構(gòu)反向泵浦結(jié)構(gòu)v3.雙向泵浦結(jié)構(gòu)雙向泵浦結(jié)構(gòu)同向泵浦結(jié)構(gòu)同向泵浦結(jié)構(gòu)輸入信號輸入信號泵浦泵浦光隔離器光隔離器光隔離器光隔離器摻鉺

14、光纖摻鉺光纖輸出信號輸出信號熔接熔接波分復(fù)用器波分復(fù)用器EDFA主要特性主要特性v泵浦特性泵浦特性008020406020406080泵浦功率輸出信號功率轉(zhuǎn)換效率92.6%(mW)(mW)00401020305101520泵浦功率小信號增益增益系數(shù)(dB)(mW)6.3dB/mW對于給定的放大器長度對于給定的放大器長度v增益頻譜增益頻譜.1 4801 520 1 540 1 5600246810吸收或增益波長1 500/nm/(dB/m)10-25m2吸收增益截面2461E980 nm泵浦光放大后的信號光信號光1 550 nm1 550 nm0能級3rE1 530 nm980 nm2E3E0.

15、80eV1.27eV 增益帶寬（增益帶寬（FWHM）大于大于10nm纖芯中摻入纖芯中摻入鋁離子鋁離子，帶寬還可增大且增益頻譜相當(dāng)平坦。，帶寬還可增大且增益頻譜相當(dāng)平坦。1.52025101520(dB)1.541.56波長( )m1.58大信號增益1.52040102030小信號增益1.541.56波長( )m1.58(dB)小信號增益小信號增益EDFA的增益的增益 與鉺離子濃度、芯徑、摻雜光纖長度和泵浦功率有關(guān)。與鉺離子濃度、芯徑、摻雜光纖長度和泵浦功率有關(guān)。對于給定的放大器長度對于給定的放大器長度（EDFEDF長度），增益隨長度），增益隨泵泵浦功率浦功率在開始時按指數(shù)增在開始時按指數(shù)增加，

16、當(dāng)泵浦功率超過一定加，當(dāng)泵浦功率超過一定值時，增益增加變緩，并值時，增益增加變緩，并趨于一恒定值。趨于一恒定值。0-1010302040增益02468102015105mL=(mW)泵浦功率(dB)增益01030200-1010 20 30 40 5040(m)(dB)3mWPP=24561789鉺光纖長度小信號增益小信號增益0-1010302040增益02468102015105mL=(mW)泵浦功率(dB)增益01030200-1010 20 30 40 5040(m)(dB)3mWPP=24561789鉺光纖長度當(dāng)泵浦功率一定時，放大當(dāng)泵浦功率一定時，放大器在某一器在某一最佳長度最佳長度

17、時獲得時獲得最大增益，如果放大器長最大增益，如果放大器長度超過此值，由于泵浦的度超過此值，由于泵浦的消耗，最佳點(diǎn)后的摻鉺光消耗，最佳點(diǎn)后的摻鉺光纖不能受到足夠泵浦，而纖不能受到足夠泵浦，而且要吸收已放大的信號能且要吸收已放大的信號能量，導(dǎo)致增益很快下降。量，導(dǎo)致增益很快下降。增益飽和（或壓縮）特性增益飽和（或壓縮）特性增益/dBm輸入功率/dB0102015-355-30 -20 -15 -10 -5 0 5-25工作點(diǎn)增益(dB)01020155-40-10-5253035/dBm輸入功率-35 -30 -20 -15 -10 -5 0-25輸出功率(dB)(dBm)噪聲指數(shù)13m9m長增益

18、線性區(qū) 增益壓縮區(qū)AB長在在EDFAEDFA泵浦功率一定的情況下，泵浦功率一定的情況下，輸入功率較小時，放大器的增輸入功率較小時，放大器的增益不隨入射信號的增加而變化。益不隨入射信號的增加而變化。當(dāng)輸入信號增大到一定值后，當(dāng)輸入信號增大到一定值后，增益開始隨信號功率的增加而增益開始隨信號功率的增加而下降，這是入射信號導(dǎo)致下降，這是入射信號導(dǎo)致EDFAEDFA出現(xiàn)增益飽和的緣故。出現(xiàn)增益飽和的緣故。放大器噪聲放大器噪聲v放大器的噪聲指數(shù)與放大器放大器的噪聲指數(shù)與放大器長度長度L和和泵浦功率泵浦功率Pp有關(guān)。有關(guān)。噪聲指數(shù)051508020604010010(m)(dB)2mWPP=3510鉺光纖

19、長度Fn放大器增益0203010(dB)10mWPP=235080206040100(m)鉺光纖長度40-10泵浦光功率Fn反向泵浦雙向泵浦輸出光功率同向泵浦輸出光功率摻鉺光纖長度雙向泵浦反向泵浦同向泵浦Fn反向泵浦同向泵浦雙向泵浦EDFA的優(yōu)點(diǎn)的優(yōu)點(diǎn)1. 工作波長與光纖最小損耗窗口一致。工作波長與光纖最小損耗窗口一致。2.耦合效率高。耦合效率高。4.增益高，噪聲低。增益高，噪聲低。5.增益特性對溫度和光偏振狀態(tài)不敏感。增益特性對溫度和光偏振狀態(tài)不敏感。EDFA的缺點(diǎn)的缺點(diǎn)v波長固定，明顯存在著工作波段和增益帶寬的局限性。波長固定，明顯存在著工作波段和增益帶寬的局限性?？烧{(diào)節(jié)的波長有限，只能換

20、用其他摻雜光纖?？烧{(diào)節(jié)的波長有限，只能換用其他摻雜光纖。v增益帶寬不平坦。在增益帶寬不平坦。在WDM系統(tǒng)中需要采用特殊的手段系統(tǒng)中需要采用特殊的手段來進(jìn)行增益譜補(bǔ)償。來進(jìn)行增益譜補(bǔ)償。v自發(fā)輻射噪聲的影響，尤其是當(dāng)系統(tǒng)級聯(lián)時，自發(fā)輻自發(fā)輻射噪聲的影響，尤其是當(dāng)系統(tǒng)級聯(lián)時，自發(fā)輻射噪聲的影響會大大降低系統(tǒng)接收端的信噪比。射噪聲的影響會大大降低系統(tǒng)接收端的信噪比。光纖拉曼放大器光纖拉曼放大器FRAv拉曼拉曼(Raman)現(xiàn)象在現(xiàn)象在1928年被發(fā)現(xiàn)，拉曼放大技術(shù)從年被發(fā)現(xiàn)，拉曼放大技術(shù)從1984年年開始開始研究并應(yīng)用。研究并應(yīng)用。v90年代早期，年代早期，EDFA取代它成為焦點(diǎn)，光纖拉曼放大器取代

21、它成為焦點(diǎn)，光纖拉曼放大器（FRA）受到）受到冷遇冷遇。v隨著光纖通信網(wǎng)容量的增加，對放大器提出新的要求，隨著光纖通信網(wǎng)容量的增加，對放大器提出新的要求，傳統(tǒng)的傳統(tǒng)的EDFA已很難滿足，已很難滿足，F(xiàn)RA再次成為再次成為研究的熱點(diǎn)研究的熱點(diǎn)。光纖拉曼放大器光纖拉曼放大器FRA光纖中的非線性效應(yīng)光纖中的非線性效應(yīng)SRS受激拉曼散射受激拉曼散射實(shí)現(xiàn)光信號的放大實(shí)現(xiàn)光信號的放大增益介質(zhì)：增益介質(zhì)：系統(tǒng)傳輸光纖系統(tǒng)傳輸光纖振動態(tài)基態(tài)ps傳輸光纖信號光泵浦光濾波器信號光pss耦合器WDM基于非線性光學(xué)效應(yīng)，利用強(qiáng)泵浦光通過光纖傳輸時產(chǎn)生受基于非線性光學(xué)效應(yīng)，利用強(qiáng)泵浦光通過光纖傳輸時產(chǎn)生受激拉曼散射，使

22、組成光纖的石英晶格振動和泵浦光之間發(fā)生激拉曼散射，使組成光纖的石英晶格振動和泵浦光之間發(fā)生相互作用，產(chǎn)生比泵浦光波長相互作用，產(chǎn)生比泵浦光波長 P還長的散射光（斯托克斯光還長的散射光（斯托克斯光 P s ）。）。該散射光與波長相同的信號光該散射光與波長相同的信號光( P s )重疊，從而使弱信號重疊，從而使弱信號光放大，獲得拉曼增益。光放大，獲得拉曼增益。就石英玻璃而言，泵浦光波長與待放大信號光波長之間的頻就石英玻璃而言，泵浦光波長與待放大信號光波長之間的頻率差大約為率差大約為13 THz。FRA(a)(a)無泵激光的無泵激光的1550nm1550nm傳輸傳輸(b)(b)有泵激光的有泵激光的1

23、550nm1550nm傳輸傳輸經(jīng)光纖傳經(jīng)光纖傳輸衰減輸衰減如果一個弱信號和一個強(qiáng)如果一個弱信號和一個強(qiáng)泵浦光同時在光纖中傳輸，泵浦光同時在光纖中傳輸，并使弱信號波長置于泵浦并使弱信號波長置于泵浦光的拉曼增益帶寬內(nèi)，則光的拉曼增益帶寬內(nèi)，則弱信號即可被放大。這種弱信號即可被放大。這種基于基于SRSSRS機(jī)制的光放大器機(jī)制的光放大器稱為光纖拉曼放大器稱為光纖拉曼放大器FRAFRA。喇曼增益波長0510 15 20 2501234561443 1470 1500 1530 1560 1590 162078200mW泵浦功率泵浦光和信號光的頻率差泵浦C(THz)（nm）0.00.20.40.60.81

24、.0頻率差0 6 1218243036(THz)喇曼增益系數(shù)m/W10131mp=spRRg13.2THzgv泵浦功率100mW(dB)波段窗口硅光纖拉曼增益系數(shù)頻譜曲線硅光纖拉曼增益系數(shù)頻譜曲線增益帶寬（增益帶寬（FWHM）可以達(dá)到約可以達(dá)到約8THz喇喇曼曼增增益益波波長長051015202501234561443 1470 1500 1530 1560 1590 162078200mW泵泵浦浦功功率率泵泵浦浦光光和和信信號號光光的的頻頻率率差差泵泵浦浦C(THz)（nm）泵泵浦浦功功率率100mW(dB)波波段段窗窗口口v泵浦功率為泵浦功率為200mW200mW時，時，最大增益值為最大增益值為7.78 7.78 dBdBv泵浦功率為泵浦功率為100 mW100 mW時，最大增益值為時，最大增益值為3.6 dB3.6 dB