光纖通信原理與系統(tǒng)-光放大器

光纖通信原理與系統(tǒng)論文題目：光放大器【摘要】：光導(dǎo)纖維通信簡稱光纖通信，原理是利用光導(dǎo)纖維傳輸信號(hào)，以實(shí)現(xiàn)信息傳遞的一種通信方式。實(shí)際應(yīng)用中的光纖通信系統(tǒng)使用的不是單根的光纖，而是許多光纖聚集在一起的組成的光纜。光纖放大器不但可對(duì)光信號(hào)進(jìn)行直接放大，同時(shí)還具有實(shí)時(shí)、高增益、寬帶、在線、低噪聲、低損耗的全光放大功能，是新一代光纖通信系統(tǒng)中必不可少的關(guān)鍵器件?！娟P(guān)鍵字】：光纖放大器放大器類型光纖放大器應(yīng)用【正文】光纖放大器的發(fā)展方向隨著新材料、新技術(shù)的不斷突破，光纖放大器在1292~1660nm波長范圍內(nèi)獲得帶寬為300nm超寬帶將不是夢想，Tbit/s

DWDM光網(wǎng)絡(luò)傳輸系統(tǒng)將一定會(huì)實(shí)現(xiàn)。光纖放大器一般都由增益介質(zhì)、泵浦光和輸入輸出耦合結(jié)構(gòu)組成。目前光纖放大器主要有摻鉺光纖放大器、半導(dǎo)體光放大器和光纖拉曼放大器三種，根據(jù)其在光纖網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用，光纖放大器主要有三種不同的用途：在發(fā)射機(jī)側(cè)用作功率放大器以提高發(fā)射機(jī)的功率；在接收機(jī)之前作光預(yù)放大器以極大地提高光接收機(jī)的靈敏度；在光纖傳輸線路中作中繼放大器以補(bǔ)償光纖傳輸損耗，延長傳輸距離。光放大器不但可對(duì)光信號(hào)進(jìn)行直接放大，同時(shí)還具有實(shí)時(shí)、高增益、寬帶、低噪聲、低損耗的全光放大功能，是新一代光纖通信系統(tǒng)中必不可少的關(guān)鍵器件；由于這項(xiàng)技術(shù)不僅解決了衰減對(duì)光網(wǎng)絡(luò)傳輸速率與距離的限制，更重要的是它開創(chuàng)了1550nm頻段的波分復(fù)用，從而將使超高速、超大容量、超長距離的波分復(fù)用（WDM）、密集波分復(fù)用（DWDM）、全光傳輸、光孤子傳輸?shù)瘸蔀楝F(xiàn)實(shí)，是光纖通信發(fā)展史上的一個(gè)劃時(shí)代的里程碑。在目前實(shí)用化的光纖放大器中主要有摻鉺光纖放大器（EDFA）、半導(dǎo)體（SOA）和光纖拉曼放大器（FRA）等，其中摻鉺光纖放大器以其優(yōu)越的性能現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于長距離、大容量、高速率的光纖通信系統(tǒng)、接入網(wǎng)、光纖CATV網(wǎng)、軍用系統(tǒng)（雷達(dá)多路數(shù)據(jù)復(fù)接、數(shù)據(jù)傳輸、制導(dǎo)等）等領(lǐng)域，作為功率放大器、中繼放大器和前置放大器。2.光纖放大器原理及各類技術(shù)指標(biāo)原理：EDFA的泵浦過程需要使用三能級(jí)系統(tǒng)，在摻鉺光纖中注入足夠強(qiáng)的泵浦光，就可以將大部分處于基態(tài)的Er3+離子抽運(yùn)到激發(fā)態(tài)，處于激發(fā)態(tài)的Er3+離子又迅速無輻射地轉(zhuǎn)移到亞穩(wěn)態(tài)。由于Er3+離子在亞穩(wěn)態(tài)能級(jí)上壽命較長，因此很容易在亞穩(wěn)態(tài)與基態(tài)之間形成粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。當(dāng)信號(hào)光子通過摻鉺光纖時(shí)，與處于亞穩(wěn)態(tài)的Er3+離子相互作用發(fā)生受激輻射效應(yīng)，產(chǎn)生大量與自身完全相同的光子，這時(shí)通過摻鉺光纖傳輸?shù)男盘?hào)光子迅速增多，產(chǎn)生信號(hào)放大作用。Er3+離子處于亞穩(wěn)態(tài)時(shí)，除了發(fā)生受激輻射和受激吸收以外，還要產(chǎn)生自發(fā)輻射(ASE)，它造成EDFA的噪聲。摻鉺光纖放大器(EDFA)具有增益高、噪聲低、頻帶寬、輸出功率高、連接損耗低和偏振不敏感等優(yōu)點(diǎn)，直接對(duì)光信號(hào)進(jìn)行放大，無需轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，能夠保證光信號(hào)在最小失真情況下得到穩(wěn)定的功率放大。EDFA的特性及性能指標(biāo)：增益特性表示了放大器的放大能力，其定義為輸出功率與輸入功率之比，Pout,Pin分別表示放大器輸出端與輸入端的連續(xù)信號(hào)功率。增益系數(shù)是指從泵浦光源輸入1mW泵浦光功率通過光纖放大器所獲得的增益。g0是由泵浦強(qiáng)度定的小信號(hào)增益系數(shù)，由于增益飽和現(xiàn)象，隨著信號(hào)功率的增加，增益系數(shù)下降；Is，Ps分別為飽和光強(qiáng)和飽和光功率，是表明增益物質(zhì)特性的量，與摻雜系數(shù)、熒光時(shí)間和躍遷截面有關(guān)。增益和增益系數(shù)的區(qū)別在于：增益主要是針對(duì)輸入信號(hào)而言的，而增益系數(shù)主要是針對(duì)輸入泵浦光而言的。另外，增益還與泵浦條件(包括泵浦功率和泵浦波長)有關(guān)，目前采用的主要泵浦波長是980nm和1480nm。由于各處的增益系數(shù)是不同的，而增益須在整個(gè)光纖上積分得到，故此特性可用以通過選擇光纖長度得到較為平坦的增益譜。3.幾類光纖放大器摻鉺光纖放大器摻鉺光纖放大器是利用摻鉺光纖這一活性介質(zhì)，當(dāng)泵浦光輸入到EDF中時(shí)，就可以將大部分處于基態(tài)的Er3+抽運(yùn)到激發(fā)態(tài)上，處于激發(fā)態(tài)的Er3+又迅速無輻射地轉(zhuǎn)移到亞穩(wěn)態(tài)上，由于Er3+在亞穩(wěn)態(tài)上的平均停留時(shí)間為10ms，因此很容易在亞穩(wěn)態(tài)與基態(tài)之間形成粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，此時(shí)，信號(hào)光子通過摻鉺光纖，在受激輻射效應(yīng)作用下產(chǎn)生大量與自身完全相同的光子，使信號(hào)光子迅速增多，這樣在輸出端就可以得到被不斷放大的光信號(hào)。自80年代末至90年代初研制成摻鉺光纖放大器（EDFA），并開始應(yīng)用于1.55mm頻段的光纖通信系統(tǒng)以來，推動(dòng)了光纖通信向全光傳輸方向發(fā)展，且目前EDFA的技術(shù)開發(fā)和商品化最成熟；應(yīng)用廣泛的C波段EDFA通常工作在1530~1565nm光纖損耗最低的窗口，具有輸出功率大、增益高、與偏振無關(guān)、噪聲指數(shù)低、放大特性與系統(tǒng)比特率和數(shù)據(jù)格式無關(guān)，且同時(shí)放大多路波長信號(hào)等一系列的特性，在長途光通信系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用。其不足是C-Band

EDFA的增益帶寬只有35nm，僅覆蓋石英單模光纖低損耗窗口的一部分，制約了光纖固有能夠容納的波長信道數(shù)；然而隨著因特網(wǎng)技術(shù)的迅速發(fā)展，要求光纖傳輸系統(tǒng)的傳輸容量要不斷地?cái)U(kuò)大，面對(duì)傳輸容量的擴(kuò)大，目前主要有三種解決途徑：增加每個(gè)波長的傳輸速率；減少波長間距；增加總的傳輸帶寬。對(duì)于第一種辦法，如果速率提高到10Gbit/s將帶來新的色散補(bǔ)償問題，況且現(xiàn)在的電子系統(tǒng)還存在著所謂"電子瓶頸"效應(yīng)問題。第二種辦法如果將信號(hào)間距從100GHz降低到50GHz或25GHz將給系統(tǒng)帶來四波混頻（FWM）等非線性效應(yīng)，且要求系統(tǒng)采用波長穩(wěn)定技術(shù)。從而研究新的光纖放大器如L波段的EDFA是增加總的傳輸帶寬的一種，它將EDFA工作波長由C波段1530~1560nm擴(kuò)展到L波段1570~1605nm，使EDFA的放大增益譜擴(kuò)展了一倍。盡管L波段EDFA的波長覆蓋了EDF增益譜的尾部，但仍可與性能先進(jìn)的C波段EDFA產(chǎn)品相媲美：例如兩者的基本結(jié)構(gòu)相類似，大多數(shù)C波段EDFA的設(shè)計(jì)和制造技術(shù)仍可應(yīng)用于L波段EDFA研制；L波段EDFA有較小的輻射和吸收以及較低的平均反轉(zhuǎn)因子，增益波動(dòng)系數(shù)遠(yuǎn)小于C波段EDFA，所存在的是L波段EDFA的EDF較長帶來無源光纖損耗較大。半導(dǎo)體光放大器

半導(dǎo)體光放大器（SOA）是采用通信用激光器相類似的工藝制作而成的一種行波放大器，當(dāng)偏置電流低于振蕩閾值時(shí)，激光二極管就能對(duì)輸入相干光實(shí)現(xiàn)光放大作用。由于半導(dǎo)體放大器具有體積小、結(jié)構(gòu)較為簡單、功耗低、壽命長、易于同其它光器件和電路集成、適合批量生產(chǎn)、成本低，可實(shí)現(xiàn)增益兼開關(guān)功能等特性，在全光波長變換、光交換、譜反轉(zhuǎn)、時(shí)鐘提取、解復(fù)用中的應(yīng)用受到了廣泛的重視，特別是目前應(yīng)變量子阱材料的半導(dǎo)體光放大器的研制成功，已引起人們對(duì)SOA的廣泛研究興趣。國內(nèi)武郵院與華中科技大學(xué)合作成功地研制開發(fā)了在光網(wǎng)絡(luò)中的關(guān)鍵器件--半導(dǎo)體光放大器，并很快實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)品化，成為繼Alcatel公司之后能夠批量供應(yīng)國際市場應(yīng)用于光開關(guān)的半導(dǎo)體光放大器的供貨商，這標(biāo)志著我國自行研制的應(yīng)變量子阱器件邁出了商品化生產(chǎn)的關(guān)鍵一步。但半導(dǎo)體光放大器與摻鉺光纖放大器相比存在著噪聲大、功率較小、對(duì)串?dāng)_和偏振敏感、與光纖耦合時(shí)損耗大，工作穩(wěn)定性較差等缺陷，迄今為止，其性能與摻鉺光纖放大器仍有較大的差距。又由于半導(dǎo)體光放大器覆蓋了1300~1600nm波段，既可用于1300nm窗口的光放大器，也可以用于1550nm窗口的光放大器，且在DWDM多波長光纖通信系統(tǒng)中，無需增益鎖定，那么它不僅可作為光放大器一種有益的選擇方案，而且還可以促成1310nm窗口DWDM系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)。光纖拉曼放大器

受激拉曼散射（SRS）是光纖中的一種非線性現(xiàn)象，它將一小部分入射光功率轉(zhuǎn)移到頻率比其低的斯托克斯波上；如果一個(gè)弱信號(hào)與一強(qiáng)泵浦光波同時(shí)在光纖中傳輸，并使弱信號(hào)波長置于泵浦光的拉曼增益帶寬內(nèi)，弱信號(hào)光即可以得到放大，這種基于受激拉曼散射機(jī)制的光放大器即稱為光纖拉曼放大器（FRA）。近年來光纖拉曼放大器倍受關(guān)注，已成為研制開發(fā)的熱點(diǎn)，它具有許多優(yōu)點(diǎn)：增益介質(zhì)為普通傳輸光纖，與光纖系統(tǒng)具有良好的兼容性；增益波長由泵浦光波長決定，不受其它因素的限制，理論上只要泵浦源的波長適當(dāng)，就可以放大任意波長的信號(hào)光；（3）增益高、串?dāng)_小、噪聲指數(shù)低、頻譜范圍寬、溫度穩(wěn)定性好。

正因?yàn)楣饫w拉曼放大器有這么多的優(yōu)點(diǎn)，它可以放大摻鉺光纖放大器所不能放大的波段，并可在1292~1660nm光譜范圍內(nèi)進(jìn)行光放大，獲得比EDFA寬得多的增益帶寬；再次增益介質(zhì)為普通光纖，可制作分立式或分布式FRA，分布式光纖拉曼放大器可以對(duì)信號(hào)光進(jìn)行在線放大，增加光放大的傳輸距離，應(yīng)用于40Gbit/s的高速光網(wǎng)絡(luò)中，也特別適用于海底光纜通信系統(tǒng)，而且因?yàn)榉糯笫茄刂饫w分布而不是集中作用，所以輸入光纖的光功率大為減少，從而非線性效應(yīng)尤其是四波混頻效應(yīng)大大減少，這對(duì)于大容量DWDM系統(tǒng)是十分適用的。FRA是EDFA的補(bǔ)充，而不是代替，兩者結(jié)合起來可獲得大于100nm增益平坦寬帶，這就是采用分布式光纖拉曼放大器的好處。

但光纖拉曼放大器有一個(gè)主要的缺點(diǎn)就是需要特大功率的泵浦激光器，解決這個(gè)問題的主要途徑有：一是研究降低閾值功率的泵浦激光器，使得普通的大功率半導(dǎo)體激光器能作為拉曼泵浦使用；其二是提高獲得更大輸出功率泵浦激光器的研制水平；其三是將多個(gè)泵浦源激光器的波長采用列陣、單片組合的方法復(fù)用在一起，獲得一個(gè)大功率輸出的泵浦激光器，此種方法不但可提供一個(gè)寬帶的增益譜，而且還可以通過調(diào)節(jié)單個(gè)激光器的功率來調(diào)整增益斜率。4.光纖放大器應(yīng)用EDFA在功能應(yīng)用上可以分為用作遠(yuǎn)距離傳輸?shù)木€路放大器、用作光發(fā)射機(jī)輸出的功率放大器和用作接收機(jī)前端的前置放大器。(1)功率放大器把EDFA置于光發(fā)射機(jī)半導(dǎo)體激光器之后，光信號(hào)經(jīng)EDFA放大后進(jìn)入光纖線路，從而使光纖傳輸?shù)臒o中繼距離增大，可達(dá)200km以上。具有輸出功率大、輸出穩(wěn)定、噪聲小、增益頻帶寬、易于監(jiān)控等優(yōu)點(diǎn)。(2)線路放大器處于功率放大器之后，用于周期性地補(bǔ)償線路傳輸損耗，一般要求比較小的噪聲指數(shù)，較大的輸出光功率。EDFA作為線路放大器有許多特殊功能是電子線路放大器不可比擬的。(3)前置放大器處于分波器之前，線路放大器之后，用于信號(hào)放大，提高接收機(jī)的靈敏度。EDFA具有接近量子極限的低噪聲優(yōu)點(diǎn)，因而可用作接收機(jī)的前置放大器以提高接收靈敏度，要求噪聲指數(shù)很小，對(duì)輸出功率沒有太大的要求。把EDFA置于光接收機(jī)PIN光檢側(cè)器的前面，來自光纖的信號(hào)經(jīng)EDFA放大后再由PIN檢測。強(qiáng)大的光信號(hào)使電子放大器的噪聲可以忽略，用EDFA作預(yù)放的光接收機(jī)具有更高的靈敏度。如果綜合上述各種應(yīng)用，一個(gè)EDFA用作接收機(jī)前置放大器，另一個(gè)EDFA用作發(fā)送機(jī)的功率提升放大器，就可以實(shí)現(xiàn)長距離的無中繼傳輸。這類系統(tǒng)主要用于海底光纖通信系統(tǒng)。EDFA作前置放大器時(shí)，放在光接收機(jī)之前，以提高光接收機(jī)的靈敏度，一般工作于小信號(hào)或線性狀態(tài)，信號(hào)輸入功率約一40dBm。要求EDFA的增益足夠高，噪聲系數(shù)則越小越好。EDFA用作線路放大器時(shí)，可以直接插入到光纖傳輸鏈路中作為光中繼放大器，省去了電中繼器的光／電／光轉(zhuǎn)換過程，直接放大光信號(hào)，以補(bǔ)償傳輸線路損耗，延長中繼距離。一般工作在近飽和區(qū)，信號(hào)輸入功率約一20dBm。要求EDFA同時(shí)具有較高的增益和輸出光功率，還應(yīng)有對(duì)其工作狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)控。EDFA作為功率放大器時(shí)，裝在光發(fā)送機(jī)之后，對(duì)光源發(fā)出的光信號(hào)進(jìn)行放大，以補(bǔ)償無源光器件的損耗和提高發(fā)送光功率。通常工作于深飽和區(qū)，要求EDFA在保持適中的增益和噪聲系數(shù)下，能提供盡可能高的輸出光功率，必要時(shí)可用雙泵浦。5.光放大器常見問題及解決方案

光放大器，面板顯示和實(shí)際輸出是同步的，如果面板顯示正常，則說明光放大器輸出正常，如果這種情況下測試光放大器時(shí)光功率下降或不夠，最大的可能性有以下幾種：

5.1.光功率計(jì)不準(zhǔn)，國產(chǎn)的光功率計(jì)只能測試光功率輸出較小的設(shè)備，不能測試大功率輸出的EDFA，測試光放大器的光功率計(jì)必須原裝進(jìn)口，不能把不準(zhǔn)確的儀器當(dāng)作標(biāo)準(zhǔn)來使用。

5.2.輸出口的法蘭損壞，這個(gè)可能性較小。

5.3.用戶使用不當(dāng)，在機(jī)器工作時(shí)插拔尾纖