第10章 光放大器1

第十章光放大器

王立湖南文理學(xué)院電氣工程系

光放大器的重要性影響：光放大器最重要的意義在于促使波分復(fù)用技術(shù)(WDM)

走向?qū)嵱没⒋龠M(jìn)了光接入網(wǎng)的實(shí)用化歷史：以1989年誕生的摻鉺光纖放大器

(ErbiumDopedFiberAmplifier,EDFA)

代表的全光放大技術(shù)是光纖通信技

術(shù)上的一次革命動(dòng)機(jī)：解決電中繼器設(shè)備復(fù)雜、維護(hù)難、成本高的問題

DavidPayne光放大器的類型及其特點(diǎn)(1)半導(dǎo)體放大器：易與其他半導(dǎo)體器件集成，但性能與光偏振方向有關(guān)，器件與光纖的耦合損耗大。結(jié)構(gòu)大體上與激光二極管(LaserDiode,LD)相同

（2）光纖喇曼放大器（FAR）它是利用石英光纖的非線性效應(yīng)而制成。在合適波長(zhǎng)的強(qiáng)光作用下，石英光纖會(huì)出現(xiàn)受激喇曼散射（SRS）效應(yīng)，當(dāng)光信號(hào)沿著這受激發(fā)的一段光纖中傳輸時(shí)，可以使其實(shí)現(xiàn)光放大。FRA具有頻帶寬、增益高、輸出功率大、響應(yīng)快等優(yōu)點(diǎn)；其缺點(diǎn)是需要大功率的半導(dǎo)體激光器作泵浦源（約數(shù)瓦）。

鉺（Er）是一種稀土元素。將它注入到纖芯中，即形成了一種特殊光纖，它在泵浦光的作用下可直接對(duì)某一波長(zhǎng)的光信號(hào)進(jìn)行放大。

EDFA的主要優(yōu)點(diǎn)有：

①工作波長(zhǎng)處在1530～1565nm范圍，與光纖最小損耗窗口一致；

②對(duì)摻鉺光纖進(jìn)行激勵(lì)的泵浦功率低，僅需幾十毫瓦；

③連接損耗低，耦合效率高。因?yàn)樗枪饫w型放大器，因此易于與光纖耦合連接，且連接損耗可低至0.1dB。

④增益高且特性穩(wěn)定、噪聲低、輸出功率大。增益可達(dá)40dB，且在100℃內(nèi)增益特性保持穩(wěn)定，也與偏振無關(guān)。噪聲系數(shù)可低至3～4dB，輸出功率可達(dá)14～40dBm；

⑤對(duì)各種類型、速率與格式的信號(hào)傳輸透明。

（3）摻鉺光纖放大器（EDFA）EDFA的缺點(diǎn)有：①波長(zhǎng)固定，只能放大1550nm左右的光波，可調(diào)節(jié)的波長(zhǎng)有限；②增益帶寬不平坦，在WDM系統(tǒng)中需要采用特殊的手段來進(jìn)行增益譜補(bǔ)償。光放大器的工作原理光放大器與激光器的唯一區(qū)別就是光放大器沒有正反饋機(jī)制(2)受激輻射(1)能量注入摻鉺光纖放大器工作原理結(jié)構(gòu)功率轉(zhuǎn)換效率及增益放大器噪聲系統(tǒng)的應(yīng)用

摻鉺光纖放大器的工作原理1.

摻鉺光纖放大器（EDFA）的基本結(jié)構(gòu)摻鉺光纖放大器主要由摻鉺光纖（EDF）、泵浦光源、光耦合器、光隔離器以及光濾波器等組成。如圖所示。

光隔離器光耦合器光隔離器光濾波器泵浦光源摻鉺光纖輸入光信號(hào)輸出光信號(hào)

摻鉺光纖放大器結(jié)構(gòu)示意圖光隔離器是防止反射光影響光放大器穩(wěn)定工作，保證光信號(hào)只能正向傳輸?shù)钠骷?。光濾波器的作用是濾除光放大器的噪聲、降低噪聲對(duì)系統(tǒng)的影響,提高系統(tǒng)的信噪比.光耦合器是將輸入光信號(hào)和泵浦光源輸出的光波混合起來的無源光器件，一般采用波分復(fù)用器。摻鉺光纖是一段長(zhǎng)度大約為10～100m的石英光纖，將稀土元素鉺離子注入到纖芯中，濃度約為25㎎/㎏。泵浦光源為半導(dǎo)體激光器，輸出的光功率為10～100mW，工作波長(zhǎng)約為980nm或1480nm。按照泵浦光源的泵浦方式不同，EDFA又可有三種不同的結(jié)構(gòu)方式:（1）同向泵浦結(jié)構(gòu)在同向泵浦方案中，泵浦光與信號(hào)光從同一端注入摻鉺光纖。其優(yōu)點(diǎn)是構(gòu)成簡(jiǎn)單，噪聲指數(shù)較小;缺點(diǎn)是輸出較低。（2）反向泵浦結(jié)構(gòu)在反向泵浦方案中，泵浦光與信號(hào)光從不同的方向輸入摻鉺光纖，兩者在摻鉺光纖中反向傳輸。其優(yōu)點(diǎn)是：當(dāng)光信號(hào)放大到很強(qiáng)時(shí)，泵浦光也強(qiáng)，不易達(dá)到飽和，輸出功率比同向泵浦高;缺點(diǎn)是噪聲性能差，如圖所示。

光隔離器光耦合器光隔離器光濾波器泵浦光源摻鉺光纖輸入光信號(hào)輸出光信號(hào)圖

反向泵浦式摻鉺光纖放大器結(jié)構(gòu)（3）雙向泵浦結(jié)構(gòu)在雙向泵浦方案中，有兩個(gè)泵浦光源，其中一個(gè)泵浦光與信號(hào)光以同一方向注入摻鉺光纖，另一個(gè)泵浦光從相反方向注入摻鉺光纖。這種方式結(jié)合了同向泵浦和反向泵浦的優(yōu)點(diǎn)，使泵浦光在光纖中均勻分布，從而使其增益在光纖中均勻分布，輸出功率最大.如圖所示。

光隔離器輸入光信號(hào)摻鉺光纖光耦合器光隔離器光濾波器泵浦光源輸出光信號(hào)光耦合器泵浦光源

雙向泵浦式摻鉺光纖放大器結(jié)構(gòu)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(zhǎng)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(a)轉(zhuǎn)換效率的比較

(b)噪聲系數(shù)與放大器輸出功率的關(guān)系

(c)噪聲系數(shù)與摻鉺光纖長(zhǎng)度之間的關(guān)系不同泵浦方式下輸出功率及噪聲特性比較2.

摻鉺光纖放大器的工作原理摻鉺光纖放大器的工作原理與半導(dǎo)體激光器的工作原理相同，它之所以能放大光信號(hào)，簡(jiǎn)單地說，是在泵浦源的作用下，在摻鉺光纖中出現(xiàn)了粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布，產(chǎn)生了受激輻射，從而使光信號(hào)得到放大。由于EDFA具有細(xì)長(zhǎng)的纖形結(jié)構(gòu),使得有源區(qū)的能量密度很高,光和物質(zhì)的作用區(qū)很長(zhǎng),這樣可以降低對(duì)泵浦源功率的要求。摻鉺光纖放大器的工作原理

EDFA：EribiumDopedOptical-FiberAmplifier

在摻鉺光纖（EDF）中，鉺離子有三個(gè)能級(jí)：基態(tài)E1、亞穩(wěn)態(tài)E2和激發(fā)態(tài)E3。當(dāng)泵浦光的光子能級(jí)等于E3和E1的能量差時(shí)，鉺離子吸收泵浦光的光能從基態(tài)躍遷到激發(fā)態(tài)，但激發(fā)態(tài)不穩(wěn)定，電子很快返回到E2，若輸入的信號(hào)光的光子能量等于E2和E1之間能量差，則電子從E2躍遷到E1，產(chǎn)生受激輻射光，故光信號(hào)被放大。

在摻鉺光纖中如何形成離子數(shù)翻轉(zhuǎn)

EDFA模塊元件40/32/16通道DWDM用C-BandEDFA實(shí)物圖980nm泵浦激光器組件

3

摻鉺光纖放大器的特性1)．

功率增益功率增益反映摻鉺光纖放大器的放大能力，定義為輸出信號(hào)光功率Pout與輸入信號(hào)光功率Pin之比，一般以分貝（dB）來表示。

EDFA的功率轉(zhuǎn)換效率輸出能量不超過原有信號(hào)能量與注入的泵浦能量之和功率轉(zhuǎn)換效率極限情況下泵浦光都用于放大信號(hào)光，那么此時(shí)：EDFA的輸入、輸出功率可以用能量守恒原則表示：EDFA的增益：隨輸入功率的變化假設(shè)沒有自發(fā)輻射，由能量守恒原則有：當(dāng)輸入功率非常大時(shí)，即Ps,in

>>(lp/ls)Pp,in

，放大器增益是1，即對(duì)信號(hào)無放大↑↓EDFA的增益：隨增益介質(zhì)長(zhǎng)度變化當(dāng)泵浦光足夠強(qiáng)時(shí)，長(zhǎng)為L(zhǎng)的EDFA最大增益為：其中r為稀土元素的濃度，se是信號(hào)發(fā)射截面0L吸收區(qū)增益降低同向泵浦2)．

噪聲特性摻鉺光纖放大器的噪聲主要來自它的自發(fā)輻射。在激光器中，自發(fā)輻射是產(chǎn)生激光振蕩所不可缺少的，而在放大器中它卻成了有害噪聲的來源。

它與被放大的信號(hào)在光纖中一起傳播、放大、在檢測(cè)器中檢測(cè)時(shí)便得到下列幾種形式的噪聲：①自發(fā)輻射的散彈噪聲；②自發(fā)輻射的不同頻率光波間的差拍噪聲；③信號(hào)光與自發(fā)輻射光間的差拍噪聲；④信號(hào)光的散彈噪聲。由于本身產(chǎn)生的噪聲，使放大后信號(hào)的信噪比下降，造成對(duì)傳輸距離的限制，因而是放大器的一項(xiàng)重要指標(biāo)。衡量摻鉺光纖放大器噪聲特性可用噪聲系數(shù)F來表示，它定義為放大器的輸入信噪比與輸出信噪比之比。

(SNR)in和(SNR)out分別代表輸入和輸出信噪比，一般噪聲系數(shù)越小越好。光放大器的基本應(yīng)用和類型在線光放大：用于不需要光再生只需要簡(jiǎn)單放大的場(chǎng)合前置光放大：用于提高接收機(jī)的靈敏度功率放大：增加發(fā)送功率，從而增加光纖中繼距離、補(bǔ)償插入損耗和功率分配損耗(如PON中)系統(tǒng)應(yīng)用：EDFA的應(yīng)用功率放大器直接放在光發(fā)射機(jī)后面，輸入一般在-8dBm左右，輸出功率根據(jù)系統(tǒng)需求而定例：考慮一個(gè)用作功放的EDFA，增益為10dB，假設(shè)從發(fā)射機(jī)獲得的輸入為0dBm，泵浦波長(zhǎng)為980nm，那么為了在1540nm處獲得10dBm的輸出，泵浦功率至少應(yīng)為：在線放大器在線放大器主要用在長(zhǎng)距離傳輸系統(tǒng)中周期性地恢復(fù)因光纖損耗而減弱的光功率。每個(gè)EDFA能恰好補(bǔ)償前面通過長(zhǎng)為L(zhǎng)的光纖中的功率損耗，即G=exp(-aL)。但補(bǔ)償過程中積累的ASE噪聲會(huì)造成信噪比的惡化，它可以通過損傷因子衡量：級(jí)聯(lián)EDFA系統(tǒng)的OSNR在線放大器增益控制長(zhǎng)距離傳輸系統(tǒng)中光纜損耗的變化或者前置光放大器功能減弱會(huì)引起鏈路功率發(fā)生波動(dòng)。此時(shí)，保持在線放大的輸出功率不變是非常必要的。自動(dòng)補(bǔ)償這種變化的一個(gè)辦法就是使放大器工作在增益飽和區(qū)：輸入功率減小時(shí)增益變大，輸入功率增加時(shí)增益變小。前置放大器前置放大器用來提高由于熱噪聲限制的直接檢測(cè)接收機(jī)的靈敏度。定義Smin和S*min分別為沒有和有前置放大器時(shí)所要求的最小光功率，二者的比值即為檢測(cè)靈敏度的改善量：其中N為接收機(jī)噪聲電功率，N*為光前置放大器中由ASE引入的噪聲多信道應(yīng)用SOA中的非線性效應(yīng)嚴(yán)重，易產(chǎn)生信道間干擾，不宜使用EDFA的優(yōu)勢(shì)：經(jīng)過補(bǔ)償和處理，EDFA可在1530–1600nm波長(zhǎng)范圍提供平坦增益，使各個(gè)信道保持相近的信噪比10.3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(zhǎng)波段的放大。通過適當(dāng)改變泵浦激光波長(zhǎng)，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(zhǎng)1550nm波長(zhǎng)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(zhǎng)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(jiǎn)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(jiǎn)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(jiǎn)介(2)FRA以傳輸光纖作為放大介質(zhì)－分布式放大，從而實(shí)現(xiàn)一種“無損耗”傳輸（可降低入纖光功率，避免非線性效應(yīng)）光纖拉曼放大器－超低噪聲放大原理脈沖幅度z集中放大NonlinearEffectsNoiseHigh分布放大缺點(diǎn)：泵浦功率大(W),對(duì)光纖損害.光纖拉曼放大器的泵浦要求高能量輸出。拉曼散射增益具有偏振依賴性泵浦波長(zhǎng)至關(guān)重要。信號(hào)光在1300nm波段時(shí)，最佳泵浦波長(zhǎng)約在1220～1240nm，