光纖通信(人郵版)-第07章光放大器

1、第七章 光 放 大 器,7.1 光放大器概述7.2 摻鉺光纖放大器7.3 光纖喇曼放大器7.4 其他光放大器,7.1 光放大器概述,7.1.1 光放大器在現(xiàn)代光纖通信系統(tǒng)中的應(yīng)用光纖通信中用光纖來(lái)傳輸光信號(hào)。光纖的中繼距離受限于光纖的損耗和色散。就損耗而言，目前光纖損耗典型值在1.31μm波段為0.35dB/km左右，在1.55μm波段為0.25dB/km左右。,以1989年誕生的摻鉺光纖放大器(Erbium D

2、oped Fiber Amplifier，EDFA)代表的光放大器技術(shù)可以說是光纖通信技術(shù)上的一次革命。光放大器在光纖通信系統(tǒng)目前最重要的應(yīng)用就是促使了波分復(fù)用技術(shù)(Wavelength Division Multiplexing，WDM)走向?qū)嵱没?光放大器還將促進(jìn)光孤子通信技術(shù)的實(shí)用化。光孤子通信是利用光纖的非線性來(lái)補(bǔ)償光纖的色散作用的一種新型通信方式。7.1.2 光放大器的發(fā)展史光放大器的發(fā)展最早可追溯到1923年

3、A·斯梅卡爾預(yù)示的自發(fā)喇曼散射。1928年印度加爾各答大學(xué)的喇曼觀測(cè)到自發(fā)喇曼效應(yīng)。,7.1.3 光放大器的分類光放大器按原理不同大體上有三種類型。(1) 摻雜光纖放大器，就是利用稀土金屬離子作為激光工作物質(zhì)的一種放大器。,(2) 傳輸光纖放大器，其中有受激喇曼散射(Stimulated Raman Scattering，SRS)光纖放大器、受激布里淵散射(Stimulated Brilliouin Scatte

4、ring，SBS)光纖放大器和利用四波混頻效應(yīng)(FWM)的光放大器等。(3) 半導(dǎo)體激光放大器。其結(jié)構(gòu)大體上與激光二極管(Laser Diode，LD)相同。這幾種類型的光放大器的工作原理和激勵(lì)方式各不相同。,7.1.4 光纖放大器的重要指標(biāo)1. 光放大器的增益(1) 增益G與增益系數(shù)g放大器的增益定義為式中：Pout，Pin分別為放大器輸出端與輸入端的連續(xù)信號(hào)功率。,(2) 放大器的帶寬人們希望放大

5、器的增益在很寬的頻帶內(nèi)與波長(zhǎng)無(wú)關(guān)。這樣在應(yīng)用這些放大器的系統(tǒng)中，便可放寬單信道傳輸波長(zhǎng)的容限，也可在不降低系統(tǒng)性能的情況下，極大地增加WDM系統(tǒng)的信道數(shù)目。,(3) 增益飽和與飽和輸出功率由于信號(hào)放大過程消耗了高能級(jí)上粒子，因而使增益系數(shù)減小，當(dāng)放大器增益減小為峰值的一半時(shí)，所對(duì)應(yīng)的輸出功率就叫飽和輸出功率，這是放大器的一個(gè)重要的參數(shù)，飽和功率用Pouts表示。,2. 放大器噪聲放大器本身產(chǎn)生噪聲，放大器噪聲使信號(hào)的信噪比

6、(Signal-to-Noise Ratio，SNR)下降，造成對(duì)傳輸距離的限制，是光放大器的另一重要指標(biāo)。(1) 光纖放大器的噪聲來(lái)源光纖放大器的噪聲主要來(lái)自它的放大自發(fā)輻射(Amplified Spontaneous Emission，ASE)。,(2) 噪聲系數(shù)由于放大器中產(chǎn)生自發(fā)輻射噪聲，使得放大后的信噪比下降。它定義為輸入信噪比與輸出信噪比之比。(SNR)in和(SNR)out分別代表輸入與輸出的信噪比

7、。它們都是在接收機(jī)端將光信號(hào)轉(zhuǎn)換成光電流后的功率來(lái)計(jì)算的。,7.2 摻鉺光纖放大器,摻鉺光纖放大器是將摻鉺光纖在泵浦源的作用下而形成的光纖放大器。對(duì)這種摻雜光纖放大器影響較大的工作可追溯到1963年對(duì)玻璃激光器的研究。,7.2.1 摻鉺光纖放大器的工作原理第五章已經(jīng)介紹過激光器的工作原理：經(jīng)泵浦源的作用，工作物質(zhì)粒子由低能級(jí)躍遷到高能級(jí)(一般通過另一輔助能級(jí))，在一定泵浦強(qiáng)度下，得到了粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布而具有光放大作用。當(dāng)工作頻

8、帶范圍內(nèi)的信號(hào)光輸入時(shí)便得到放大。這也就是摻鉺光纖放大器的基本工作原理。,只是EDFA(及其他摻雜光纖放大器)細(xì)長(zhǎng)的纖形結(jié)構(gòu)使得有源區(qū)能量密度很高，光與物質(zhì)的作用區(qū)很長(zhǎng)，有利于降低對(duì)泵浦源功率的要求。泵浦效率Wp可以用來(lái)衡量泵浦的有效性，其表達(dá)式如下：Wp=放大器增益(dB)/泵浦功率(mW),7.2.2 摻鉺光纖放大器的結(jié)構(gòu)1. 同向泵浦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。2. 反向泵浦反向泵

9、浦，泵浦光與信號(hào)光從不同的方向輸入摻雜光纖，兩者在摻鉺光纖中反向傳輸。,3. 雙向泵浦為了使摻鉺光纖中的鉺離子能夠得到充分的激勵(lì)，必須提高泵浦功率。4. 三種泵浦方式比較(1) 信號(hào)輸出功率(2) 噪聲特性圖7.5所示表示噪聲指數(shù)與輸出光功率之間的關(guān)系。(3) 飽和輸出特性同向泵浦式EDFA的飽和輸出光功率最小。,圖7.5 噪聲指數(shù)與輸出功率之間的關(guān)系,7.2.3EDFA的重要指標(biāo)1. EDFA的增益

10、特性增益系數(shù)g(z)與高能級(jí)和低能級(jí)的粒子數(shù)目差及泵浦功率有關(guān)，對(duì)增益系數(shù)g(z)在整個(gè)摻鉺光纖長(zhǎng)度上進(jìn)行積分，就可求出光纖放大器的增益G，所以，放大器的增益應(yīng)與泵浦強(qiáng)度及光纖的長(zhǎng)度有關(guān)。,2. EDFA的帶寬圖7.9所示是摻鉺硅光纖的g-λ曲線，從圖中可以看出增益系數(shù)隨著波長(zhǎng)的不同而不同。EDFA實(shí)現(xiàn)寬頻帶和增益平坦度經(jīng)過了3個(gè)階段，如表7.1所示。光纖在1.55μm低損耗區(qū)具有200nm帶寬，而目前使用的EDFA

11、增益帶寬僅為35nm左右。,圖7.9 摻鉺離子硅光纖的g-λ曲線,3. EDFA的噪聲系數(shù)EDFA的噪聲系數(shù)Fn決定于自發(fā)輻射，即噪聲系數(shù)與粒子反轉(zhuǎn)差ΔN有關(guān)。7.2.4 摻鉺光纖放大器的系統(tǒng)應(yīng)用1. EDFA用作前置放大器由于EDFA的低噪聲特性，使它很適于作接收機(jī)的前置放大器。,2. EDFA用作功率放大器功率放大器是將EDFA直接放在光發(fā)射機(jī)之后用來(lái)提升輸出功率。3. EDFA用作線路放大器EDFA

12、用作線路放大器是它在光纖通信系統(tǒng)的一個(gè)重要應(yīng)用。4. EDFA在本地網(wǎng)中的應(yīng)用EDFA可在寬帶本地網(wǎng)，特別在電視分配網(wǎng)中得到應(yīng)用。,7.2.5 摻鉺光纖放大器的優(yōu)缺點(diǎn)EDFA之所以得到迅速的發(fā)展，源于它的一系列優(yōu)點(diǎn)。(1) 工作波長(zhǎng)與光纖最小損耗窗口一致，可在光纖通信中獲得廣泛應(yīng)用。(2) 耦合效率高。因?yàn)槭枪饫w型放大器，易于光纖耦合連接，也可用熔接技術(shù)與傳輸光纖熔接在一起，損耗可降至0.1dB，這樣的熔接反射損

13、耗也很小，不易自激。,(3) 能量轉(zhuǎn)換效率高。激光工作物質(zhì)集中在光纖芯子，且集中在光纖芯子中的近軸部分，而信號(hào)光和泵浦光也是在近軸部分最強(qiáng)，這使得光與物質(zhì)作用很充分。(4) 增益高，噪聲低。輸出功率大，增益可達(dá)40dB，輸出功率在單向泵浦時(shí)可達(dá)14dBm，雙向泵浦時(shí)可達(dá)17dBm，甚至可達(dá)20dBm，充分泵浦時(shí)，噪聲系數(shù)可低至3~4dB，串話也很小。,(5) 增益特性不敏感。首先是EDFA增益對(duì)溫度不敏感，在100°C內(nèi)

14、增益特性保持穩(wěn)定，另外，增益也與偏振無(wú)關(guān)。(6) 可實(shí)現(xiàn)信號(hào)的透明傳輸，即在波分復(fù)用系統(tǒng)中可同時(shí)傳輸模擬信號(hào)和數(shù)字信號(hào)，高速率信號(hào)和低速率信號(hào)，系統(tǒng)擴(kuò)容時(shí)，可只改動(dòng)端機(jī)而不改動(dòng)線路。,EDFA也有固有的缺點(diǎn)：(1) 波長(zhǎng)固定，只能放大1.55μm左右的光波，換用不同基質(zhì)的光纖時(shí)，鉺離子能級(jí)也只能發(fā)生很小的變化，可調(diào)節(jié)的波長(zhǎng)有限，只能換用其他元素；(2) 增益帶寬不平坦，在WDM系統(tǒng)中需要采用特殊的手段來(lái)進(jìn)行增益譜補(bǔ)償。,7

15、.3 光纖喇曼放大器,7.3.1 光纖喇曼放大器的工作原理受激喇曼散射主要性質(zhì)包括：①在玻璃介質(zhì)中參與喇曼散射的是光學(xué)聲子；②在所有類型的光纖中都會(huì)發(fā)生，但喇曼增益稀疏的形狀和峰值與泵浦源的波長(zhǎng)和功率有關(guān)；③響應(yīng)時(shí)間很短，為瞬態(tài)效應(yīng)；,④增益具有偏振依賴性，當(dāng)泵浦光與信號(hào)光偏振方向平行時(shí)增益最大，垂直時(shí)增益最小，但實(shí)際上在非保偏光纖中由于模式混擾的原因而表現(xiàn)為增益無(wú)關(guān)；⑤增益譜很寬，但不平坦。最大增益頻移為13.2THz，并且可以

16、擴(kuò)展到30THz。 ,7.3.2 光纖喇曼放大器的結(jié)構(gòu)光纖喇曼放大器可分為兩類：分立式喇曼放大器(Raman Amplifier，RA)和分布式喇曼放大器(Distributed Raman Amplifier，DRA)。,7.3.3 光纖喇曼放大器的性能1. 光纖喇曼放大器的增益在連續(xù)波的工作條件下，并忽略泵浦光消耗，光纖喇曼放大器的增益可由下式表示：式中：gR為喇曼增益系數(shù)；Aeff為光纖在泵浦波長(zhǎng)處的有效面

17、積；P0為泵浦光功率； ；αP為泵浦光在光纖中的衰減常數(shù)。,2. 喇曼放大器的帶寬增益帶寬由泵浦波長(zhǎng)決定，選擇適當(dāng)?shù)谋闷止獠ㄩL(zhǎng)，就可得到任意波長(zhǎng)的信號(hào)放大，DRA的增益頻譜是每個(gè)波長(zhǎng)的泵浦光單獨(dú)產(chǎn)生的增益頻譜疊加的結(jié)果，所以它由泵浦波長(zhǎng)的數(shù)量和種類決定。,3. 噪聲指數(shù)由于喇曼放大是分布式獲得增益的過程，其等效噪

18、聲比分立式放大器要小。為了比較DRA與分立式放大器的性能，定義DRA的等效集中噪聲指數(shù)FR為式中：ρASE是光纖末端放大自發(fā)輻射(ASE)密度；GR是在光纖末端信號(hào)的喇曼增益。,分布式喇曼放大器經(jīng)常與EDFA混合使用，當(dāng)作為前置放大器的DRA與作為功率放大器的常規(guī)EDFA混合使用時(shí)，其等效噪聲指數(shù)為F=FR+FE/GR式中：GR和FR分別是DRA的增益和噪聲指數(shù)；FE是EDFA的噪聲指數(shù)。因?yàn)镕R通常要比作為功率放大器的ED

19、FA的噪聲指數(shù)FE要小，所以由上式可知，只要增加喇曼增益GR，就可以減少總的噪聲指數(shù)。,7.3.4 光纖喇曼放大器的系統(tǒng)應(yīng)用1. 分立式喇曼放大器的應(yīng)用分立式喇曼放大器所用的光纖增益介質(zhì)比較短，泵浦功率要求很高，一般在幾瓦到幾十瓦，可產(chǎn)生40dB以上的高增益，像EDFA一樣可用來(lái)對(duì)光信號(hào)進(jìn)行集中放大，因此主要用于EDFA無(wú)法放大的波段。,2. DRA傳輸系統(tǒng)典型結(jié)構(gòu)采用DRA技術(shù)的傳輸系統(tǒng)典型結(jié)構(gòu)如圖7.14所示，在W

20、DM系統(tǒng)的每個(gè)傳輸單元內(nèi)，在EDFA的輸入端注入反向的喇曼泵浦，信號(hào)將會(huì)沿光纖實(shí)現(xiàn)分布式喇曼放大，由于DRA具有噪聲低、增益帶寬與泵浦波長(zhǎng)和功率相關(guān)的特點(diǎn)，EDFA又具有高增益、低成本的特點(diǎn)，所以這種混合放大結(jié)構(gòu)可以同時(shí)發(fā)揮兩種光纖放大器的優(yōu)勢(shì)。,7.3.5 光纖喇曼放大器的優(yōu)缺點(diǎn)FRA具有以下優(yōu)點(diǎn)。(1) 增益波長(zhǎng)由泵浦光波長(zhǎng)決定，只要泵浦源的波長(zhǎng)適當(dāng)，理論上可以得到任意波長(zhǎng)的信號(hào)放大，這樣的FRA就可擴(kuò)展到EDFA不能使用

21、的波段，為波分復(fù)用進(jìn)一步增加容量拓寬了空間。,(2) 增益介質(zhì)可以為傳輸光纖本身，如此實(shí)現(xiàn)的FRA稱為分布式放大，因?yàn)榉糯笫茄毓饫w集中作用而不是集中作用，光纖中各處的信號(hào)光功率都比較小，從而可降低各種光纖非線性效應(yīng)的影響。(3) 噪聲指數(shù)低，可提升原系統(tǒng)的信噪比。,(4) 喇曼增益譜比較寬，在普通DSF上單波長(zhǎng)泵浦可實(shí)現(xiàn)40nm范圍的有效增益；如果采用多個(gè)泵浦源，則可容易地實(shí)現(xiàn)寬帶放大。(5) FRA的飽和功率比較高，增益譜調(diào)

22、節(jié)方式可通過優(yōu)化配置泵浦光波長(zhǎng)和強(qiáng)度來(lái)實(shí)現(xiàn)。(6) 喇曼放大的作用時(shí)間為飛秒(10-15s)級(jí)，可實(shí)現(xiàn)超短脈沖的放大。,FRA主要有以下缺點(diǎn)。① 喇曼光纖放大器所需要的泵浦光功率高。② 作用距離太長(zhǎng)，增益系數(shù)偏低。③ 對(duì)偏振敏感。,7.4 其他光放大器,7.4.1 光纖布里淵放大器物體內(nèi)部會(huì)持續(xù)產(chǎn)生微弱的聲波，這種聲波的頻率很高(一般在109Hz左右)，人耳是聽不見的，它對(duì)通過物質(zhì)的光波會(huì)產(chǎn)生作用。根據(jù)光波的多普勒

23、效應(yīng)，推導(dǎo)出布里淵散射公式：,式中：v0、vs、vp分別代表入射光、散射光和超聲波的頻率；v代表超聲波的速度；c是光波的傳播速度；n是物質(zhì)的折射率；θ為散射光傳播方向和入射光傳播方向之間的夾角。在光纖通信領(lǐng)域，SBS未來(lái)最有可能的用途就是受激布里淵放大器。,7.4.2 半導(dǎo)體光放大器半導(dǎo)體光放大器(SOA)是采用與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