光纖通信_第5章 光放大器課件

1、第5章 光放大器 v5.1 引言引言 v5.2 摻鉺光纖放大器摻鉺光纖放大器EDFA v5.3 受激拉曼光纖放大器受激拉曼光纖放大器SRA v5.4 其他光纖放大器其他光纖放大器v5.5 半導體光放大器半導體光放大器SOA v5.6光放大器的應用光放大器的應用5.1 引 言 v 在光放大器研制成功之前， 主要采用光電混合中繼器光電混合中繼器（或稱再生器再生器）放大光信號。 首先將光纖中送來的光信號轉(zhuǎn)換為電信號，光纖中送來的光信號轉(zhuǎn)換為電信號， 然后對電信號進行放大，然后對電信號進行放大， 最后再將放大了的最后再將放大了的電信號轉(zhuǎn)換為光信號送到光纖中去電信號轉(zhuǎn)換為光信號送到光纖中去， 如圖5.1

2、所示。 v 根據(jù)不同的要求， 可將再生器分為三種類型: 只有放大和均衡功能的1R再生器， 用于模擬信號的傳輸; 2R再生器， 即在1R的基礎上加上數(shù)字信號處理(如整形(Reshaping)的再生器； 3R再生器， 即在2R的基礎上再增加重新定時與判決功能（Retiming）的再生器。圖5.1 傳統(tǒng)的中繼器原理框圖 光 電 變 換(O/E)放 大 器電 光 變 換(E/O)光 纖光 纖光 的 范 圍電 的 范 圍光 的 范 圍v 盡管這種方式對于單個波長且數(shù)單個波長且數(shù)據(jù)速率不太高的通信很適用據(jù)速率不太高的通信很適用， 但對于高速率的多個波長系統(tǒng)顯然是相當復雜的， 每一波長就需一個再生器， 如有

3、N個波長就需要N個這樣的再生器，造價是相當高的。另一方面， 對于很高的數(shù)據(jù)速率高的數(shù)據(jù)速率，電放大器的實現(xiàn)難度很大電放大器的實現(xiàn)難度很大。 因此， 人們試圖對光信號直接放大， 如果這種放大的帶寬較寬， 則可以同時對多個波長進行放大，因而只需一個放大器即可。 人們經(jīng)過很大的努力， 終于研制成功了全光放大器， 它可同時對多個波長進行放大。 5.2 摻鉺光纖放大器EDFAv 光纖放大器是提升衰減的光信號， 延長光纖的傳輸距離的關(guān)鍵器件。 光纖放大器的主要特性如下：v (1) 增益: 輸出光功率與輸入光功率的比值（以dB為單位）。 v (2) 增益效率: 增益對輸入光功率的函數(shù)。 v (3) 增益帶寬

4、: 放大器放大信號的有效頻率范圍。 v (4) 增益飽和: 輸入信號足夠大， 引起放大器的飽和增益。 飽和時的增益隨信號功率增加而減小。 v (5) 增益波動: 是增益帶寬內(nèi)的增益變化范圍（以 dB為單位）。 v 5.2.1 EDFA的放大原理 v 鉺(Er)是一種稀土元素， 在制造光纖過程中， 設法向其摻入一定量的三價鉺離子， 便形成了摻鉺光纖（EDF）。v 除了所摻的鉺以外， 這種光纖的構(gòu)造與通信中單模光纖的構(gòu)造一樣， 如圖5.3所示。 鉺離子位于EDF的纖芯中央地帶， 將鉺離子放在這里有利于其最大地吸收泵浦和信號能量， 從而產(chǎn)生好的放大效果。 圖5.3 摻鉺光纖芯層的幾何模型 摻鉺高密度

5、帶(1002000 ppm)直徑36 m摻鍺的纖芯直徑125 mSiO2包層直徑250 m涂覆層v 鉺離子的發(fā)光原理可用三能級系統(tǒng)來解釋， 在泵浦光的激勵下，高能級上的粒子數(shù)不斷增加， 又由于其上的粒子不穩(wěn)定， 很快躍遷到亞穩(wěn)態(tài)能級， 從而實現(xiàn)了粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。 v 當具有1550 nm波長的光信號通過這段摻鉺光纖時， 亞穩(wěn)態(tài)的粒子以受激輻射的形式躍遷到基態(tài)， 并產(chǎn)生出和入射光信號中的光子一模一樣的光子， 從而大大增加了信號光中的光子數(shù)量， 即實現(xiàn)了信號光在摻鉺光纖的傳輸過程中不斷被放大的功能， 摻鉺光纖放大器也由此得名。 v 在鉺粒子受激輻射的過程中， 有少部分粒子以自發(fā)輻射形式自己躍遷到基態(tài)，

6、 產(chǎn)生帶寬極寬且雜亂無章的光子， 并在傳播中不斷地得到放大， 從而形成了 自 發(fā) 輻 射 放 大 A S E ( A m p l i f i e d Spontaneous Emission)噪聲， 并消耗了部分泵浦功率， 因此， 需增設光濾波光濾波器器以降低ASE噪聲對系統(tǒng)的影響。 目前， 由于980 nm和和1480 nm的泵浦效率高于其他波長的泵浦效率， 因此它們得到了廣泛的應用， 并已完全商用化。 v 5.2.2 EDFA的組成結(jié)構(gòu) v 圖5.5顯示了EDFA的基本組成， 包括： 泵浦激光、泵浦激光、 波分復用波分復用(WDM)耦合耦合器、器、 光隔離器和摻鉺光纖（光隔離器和摻鉺光纖（

7、EDF）。v 這些基本組件可以組成許多不同拓撲結(jié)構(gòu)的放大器。 為了獲得增益， 光能必須注入摻鉺光纖中， 我們把這種能量稱為泵浦泵浦， 它以980 nm或1480 nm的波長傳送光能。 泵浦的功率典型范圍是10400 mW。 WDM合波合波/分波器能有分波器能有效地將信號光和泵浦光耦合進效地將信號光和泵浦光耦合進/出摻鉺光出摻鉺光纖纖。 圖5.5 EDFA的基本組成 輸 入隔 離 器熔 接 頭摻 鉺 光 纖(EDF)W DM耦 合 器泵 浦 激 光(980 nm或 1480 nm)v 光隔離器將系統(tǒng)所產(chǎn)生的任何反系統(tǒng)所產(chǎn)生的任何反射回放大器的光減小到一個可接受的水射回放大器的光減小到一個可接受的

8、水平平。 如果沒有光隔離器， 光反射將降低放大器的增益并附加噪聲， 如圖5.5所示。 EDFA常用的結(jié)構(gòu)有三種， 即同向泵浦、同向泵浦、 反向泵浦和雙向泵浦反向泵浦和雙向泵浦。 v (1) 同向泵浦同向泵浦是一種信號光與泵浦光以同一方向從摻鉺光纖的輸入端注入的結(jié)構(gòu)，噪聲性能較好。 v (2) 反向泵浦反向泵浦是一種信號光與泵浦光從兩個不同方向注入摻鉺光纖的結(jié)構(gòu)， 輸出信號功率高。 v （3）雙向泵浦雙向泵浦是同向泵浦與反向泵浦結(jié)合的方式，輸出功率高于單向泵浦，它們的原理框圖分別示于圖5.6（a）、 (b)、 (c)。 v 圖5.6 EDFA的三種結(jié)構(gòu) (a)(b)鉺光纖輸入光輸出光信號泵浦LD

9、WDM鉺光纖輸入光泵浦LDWDM輸出光(c)鉺光纖輸入光泵浦LDWDM輸出光信號泵浦LDWDM光隔離器偏振器v EDFA有如下優(yōu)點： v （1） 轉(zhuǎn)移效率高， 從泵浦源吸收的光功率轉(zhuǎn)移到被放大的光信號上的功率效率大于50%。 v （2） 放大的譜寬與目前WDM系統(tǒng)的光譜范圍一致， 適合于WDM光纖通信。 v （3） 具有較高的飽和輸出光功率， 大約為1025 dBm。 v v （5） 與光纖的耦合損耗?。? dB）。 v （6） 增益穩(wěn)定性好， 因為與偏振無關(guān)， 導致了良好的穩(wěn)定性。 v 當然， EDFA也存在ASE噪聲、 串擾、 增益飽和等問題。 v 5.2.3 EDFA的增益與帶寬 v 增

10、益特性代表了放大器的放大能力， 其定義為輸出功率與輸入功率之比輸出功率與輸入功率之比。 EDFA的增益通常為1540 dB。 增益大小與多種因素如光纖中的摻鉺濃度、摻鉺濃度、 泵泵浦光功率、浦光功率、 光纖長度、光纖長度、 泵浦光的波長泵浦光的波長等因素有關(guān)聯(lián)。 v 當鉺的濃度超過一定值時， 增益反而降低， 其原因是存在增益飽和效應， 過量鉺會產(chǎn)生聚合， 引起反轉(zhuǎn)濃度減少， 因此要控制好鉺的摻入量。 v v 泵浦功率小時輸出光功率增加很快， 隨著泵浦功率增加， 放大器增益出增益出現(xiàn)飽和現(xiàn)飽和， 即泵浦功率增加很多， 而增益基本保持不變， 此時放大器的增益效率將隨著泵浦功率的增加而下降。v 增益

11、隨摻鉺光纖長度光纖長度的增加而上升， 但當光纖超過了一定長度后， 增益反而逐漸下降， 因此存在著一個可獲得最佳增益的最佳長度， 但應注意， 這一長度只能是最大增益長度最大增益長度， 而不是摻鉺光纖的最佳長度， 因為還涉及到其他特性(如噪聲特性等)。 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980 nm和1480 nm。 5.3 受激拉曼光纖放大器SRA v 5.3.1 SRA的放大原理 v 拉曼效應是在光纖介質(zhì)中傳輸高功率信號時發(fā)生的非線性相互作用， 適當?shù)剡x擇適當?shù)剡x擇光纖介質(zhì)和泵浦頻率光纖介質(zhì)和泵浦頻率， 可以將新產(chǎn)生信號的頻率調(diào)諧到被放大信號的頻

12、率上。 v 一定頻率的信號光和泵浦光通過WDM合波器輸入至光纖， 當這兩束光在光纖中一起傳輸時， 泵浦光的能量通過受激拉曼效應轉(zhuǎn)移給信號光， 使信號光得到放大。 泵浦光和信號光亦可分別在光纖的兩端輸入， 在反向傳輸過程中同樣能實現(xiàn)弱信號的放大。 v SRA的工作原理與其它光放大器都是靠轉(zhuǎn)移泵浦能量實現(xiàn)放大的， 實際上是有很大不同的。v SOA用電泵浦，用電泵浦，EDFA用光泵浦，用光泵浦，需要粒子數(shù)反轉(zhuǎn)需要粒子數(shù)反轉(zhuǎn); SRA是靠非線性介質(zhì)的是靠非線性介質(zhì)的受激散射實現(xiàn)放大功能的，受激散射實現(xiàn)放大功能的， 不需要能級不需要能級間粒子數(shù)反轉(zhuǎn)間粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。v SRA最顯著的優(yōu)點是：能夠提供能夠提供

13、整個波段的光放大整個波段的光放大。 通過適當改變泵浦改變泵浦激光器的光波波長就可以得到在任意波激光器的光波波長就可以得到在任意波段進行光放大的寬帶放大器段進行光放大的寬帶放大器， 甚至可在12791670 nm整個波段內(nèi)提供放大。 目前， SRA已在以下三個波段取得了成功:v （1） 1300 nm波段。 v （2） 1400 nm波段。 v （3） 1550 nm波段。 5.4 其他光纖放大器 v 1. 摻鐠光纖放大器（PDFA）v EDFA光纖放大器只能對1550 nm波段的光信號進行放大，為了能對1310 nm波段的光信號進行放大， 人們在光纖中摻入鐠。PDFA具有高的增益（約具有高的增

14、益（約30 dB）和高的飽和）和高的飽和功率功率（20 dBm），適用于EDFA不能放大的光波波段，對現(xiàn)有的光纖線路的升級和擴容有重要的意義。 v PDFA需采用氟化物光纖（常規(guī)通信光纖主要是玻璃光纖）， 泵浦光源也不是常用的980 nm和1480 nm的泵浦光源， 而是采用1017 nm的泵浦激光的泵浦激光，離實用還有一段距離。 v 摻鐠光纖放大器（PDFA）是在非石英光纖如氟化物光纖中摻入鐠氟化物光纖中摻入鐠來對光信號進行放大的， 它與EDFA相比具有如下特點： v（1） 工作在1.3 m波長（12801340 nm）。 v（2） 高的增益（約30 dB）。 v（3） 高的輸出功率（達30

15、0 mW)。 v（4） 泵浦光源波長為1017 nm。 v 2. 摻鋁(AL)EDFA v 為了使EDFA本身具有平坦的增平坦的增益益，人們已嘗試了多種改善EDFA特性的方法。在纖芯中摻鉺的同時摻入鋁，是當前應用最普遍的方法，這樣可改變玻璃的組成成分，迫使鉺的放大能級分布改變， 加寬可放大的頻率。通過對對EDFA摻鋁可以擴大摻鋁可以擴大1550 nm波長區(qū)波長區(qū)。如果進一步提高鋁的摻雜濃度，不管是對小信號功率，還是對大信號功率都能提高在1540 nm時的增益，因而可減小增益差以達到平坦增益的目的。 v 3. 摻釔(Y)EDFA v 在EDFA中摻釔作為鉺的激活劑， 以工作在792 nm附近的高

16、功率激光器作為激勵源， 可以制成釔光纖放大器。 v 4. 氟化物EDFA v 氟化物摻鉺光纖放大器(F-EDFA)是以氟化物為主要材料、 摻鉺光纖為主體而構(gòu)成的光纖放大器。 F-EDFA的特點是： v （1） 有寬的增益平坦度（約30 nm）。對多波長光傳輸系統(tǒng)中的應用具有相當大的潛力。v （2） 氟化物光纖有吸水性，不能與石英光纖熔接， 需采用機械連接方法。 v （3） 氟化物光纖放大器只能用1480 nm泵浦，使得噪聲比980 nm泵浦的石英摻鉺光纖放大器高。 v 5. 寬帶碲化物EDFA v 應用摻碲化物光纖制作放大器可實現(xiàn)寬帶放大。 用這種光纖制作EDFA，其增益特性平坦，可放大的頻帶

17、特別寬，而且與石英系光纖相比，頻帶向長波長一側(cè)移動。其特點為： 5.5 半導體光放大器SOAv 在研究開發(fā)光纖通信的初期，人們就已著手研制SOA。目前，可批量生產(chǎn), 成本低, 壽命長, 功耗小等優(yōu)點， 且SOA具有結(jié)構(gòu)簡單，便于集成， 可望制作出1310 nm和1540 nm波段的寬帶放大器，以覆蓋EDFA、 PDFA的應用窗口。 SOA在波長變換器中的應用現(xiàn)已引起廣泛重視， 并將逐步得到應用。 v 5.5.1 SOA的放大原理 v 半導體光放大器是利用受激輻射受激輻射來實現(xiàn)對入射光功率的放大的， 產(chǎn)生受激輻射所需的粒子數(shù)反轉(zhuǎn)機制與半導體激光器中使用的完全相同， 即采用正向偏置的PN結(jié)， 對其

18、進行電流注入， 實現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布。 SOA與半導體激光器的結(jié)構(gòu)相似， 但它沒有反饋機制沒有反饋機制， 而反饋機制對產(chǎn)生相干的激光是很必要的。 因此SOA只能放大光信號， 但不能產(chǎn)生相干的光輸出。 v SOA的基本工作原理如圖5.9所示，其中激活介質(zhì)（有源區(qū)）吸收了外部泵浦提供的能量，電子獲得了能量躍遷到較高的能級，產(chǎn)生粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。輸入光信號會通過受激輻射過程激活這些電子，使其躍遷到較低的能級，從而產(chǎn)生一個放大的光信號。 圖5.9 SOA的基本工作原理 有 源 層光 輸 入 信 號光 纖ARAR光 纖放 大 的 光 輸 出 信 號AR： 防 反 射 涂 層泵 浦 源電 流 注 入v(1) 具有

19、可靠的高增益(20 dB)。 v(2) 輸出飽和功率范圍是510 dBm。 v(3) 具有大的帶寬。 v(4) 工作在0.85 m， 1.30 m和1.55 m波長范圍。 v(5)是小型化的半導體器件， 易于和其他器件集成。 v 5.5.2 SOA的性能與應用 v 1. 光信號放大器v 因為在世界范圍內(nèi)已鋪設了大量的常規(guī)單模光纖， 還有很多系統(tǒng)工作在1.30 m波段， 并需要周期性的在線放大器， 而工作波長為1.30 m的PDFA目前尚未達到實用化的水平， 所以仍然需要SOA。 v 2. 光電集成器件v 半導體放大器可與光纖放大器相抗衡的優(yōu)點是體積小、 成本低以及可集成性, 即可以集成在含有很多其它光電子器件(例如激光器和檢測器)的基片上。 v 3. 光開關(guān) v 半導體放大器在光交換系統(tǒng)中可以作為高速開關(guān)元件使用。 因為半導體在有泵浦時可以產(chǎn)生放大， 而在沒有泵浦時產(chǎn)生吸收。 其運轉(zhuǎn)很簡單， 當提供電流泵浦時信號通過， 而需要信號阻斷時將泵浦源斷開 。5.6 光放大器的應用v 光放大器在不同的光纖通信系統(tǒng)中均有應用。 圖5.10給出了其四種基本的應用。v (1)