光纖通信技術(shù)-光纖放大器概要

1、光纖通信技術(shù)光纖放大器光導(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，以實現(xiàn)信 息傳遞的一種通信方式。實際應(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光信號進 行直接放大，同時還具有實時、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。名稱：光纖放大器關(guān)鍵字：光纖放大器EDFA半導(dǎo)體放大器光纖曼放大器摘要：光放大器的開發(fā)成功及其產(chǎn)業(yè)化是光纖通信技術(shù)中的一個非常重要的 成果，它大大地促進了光復(fù)用技術(shù)、光弧子通信以及全光網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展。顧名 思義，光放大器就是放大光信號。在此之前，傳送信號的放大都

2、是要實現(xiàn)光 電變換及電光變換，即O/E/O變換。有了光放大器后就可直接實現(xiàn)光信號放 大。光放大器主要有3種：光纖放大器、拉曼放大器、半導(dǎo)體光放大器。光 纖放大器就是在光纖中摻雜稀土離子（如鉺、錯、銩等）作為激光活性物質(zhì)。 每一種摻雜劑的增益帶寬是不同的；摻銩光纖放大器的增益帶是S波段； 摻錯光纖放大器的增益帶在1310nm附近。而喇曼光放大器則是利用喇曼散 射效應(yīng)制作成的光放大器，即大功率的激光注入光纖后，會發(fā)生非線性效應(yīng)？ 喇曼散射。在不斷發(fā)生散射的過程中，把能量轉(zhuǎn)交給信號光，從而使信號光 得到放大。由此不難理解，喇曼放大是一個分布式的放大過程，即沿整個線 路逐漸放大的。其工作帶寬可以說是很

3、寬的，幾乎不受限制。這種光放大器 已開始商品化了，不過相當(dāng)昂貴。半導(dǎo)體光放大器（SOA） 般是指行波光 放大器，工作原理與半導(dǎo)體激光器相類似。引言無線光通信是以激光作為信息載體，是一種不需要任何有線信道作為傳 輸媒介的通信方式。與微波通信相比，無線光通信所使用的激光頻率高，方 向性強（保密性好），可用的頻譜寬，無需申請頻率使用許可；與光纖通信相 比，無線光通信造價低，施工簡便、迅速。它結(jié)合了光纖通信和微波通信的 優(yōu)勢，已成為一種新興的寬帶無線接人方式，受到了人們的廣泛關(guān)注。但是， 惡劣的天氣情況，會對無線光通信系統(tǒng)的傳播信號產(chǎn)生衰耗作用?？諝庵械?散射粒子，會使光線在空問、時間和角度上產(chǎn)生不同

4、程度的偏差。大氣中的 粒子還可能吸收激光的能量，使信號的功率衰減，在無線光通信系統(tǒng)中光纖 通信系統(tǒng)低損耗的傳播路徑已不復(fù)存在。大氣環(huán)境多變的客觀性無法改變， 要獲得更好更快的傳輸效果，對在大氣信道傳輸?shù)墓庑盘柧吞岢隽烁叩囊?求，一般地，采用大功率的光信號可以得到更好的傳輸效果。隨著光纖放大 器（EDFA）的迅速發(fā)展，穩(wěn)定可靠的大功率光源將在各種應(yīng)用中滿足無線光通 信的要求。光纖放大器的發(fā)展方向由于超高速率、大容量、長距離光纖通信系統(tǒng)的發(fā)展，對作為光纖通信 領(lǐng)域的關(guān)鍵器件光纖放大器在功率、帶寬和增益平坦方面提出了新的要 求，因此，在未來的光纖通信網(wǎng)絡(luò)中，光纖放大器的發(fā)展方向主要有以下幾 個方面

5、：EDFA 從 C-Band 向 L-Band 發(fā)展；寬頻譜、大功率的光纖拉曼放大器；將局部平坦的 EDFA 與光纖拉曼放大器進行串聯(lián)使用，獲得超寬帶的平坦 增益放大器；發(fā)展應(yīng)變補償?shù)臒o偏振、單片集成、光橫向連接的半導(dǎo)體光放大器光開 關(guān)；研發(fā)具有動態(tài)增益平坦技術(shù)的光纖放大器；小型化、集成化光纖放大器。隨著新材料、新技術(shù)的不斷突破，光纖放大器在12921660nm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 定會實現(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，

6、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) 射機側(cè)用作功率放大器以提高發(fā)射機的功率；在接收機之前作光預(yù)放大器以 極大地提高光接收機的靈敏度；在光纖傳輸線路中作中繼放大器以補償光纖 傳輸損耗，延長傳輸距離。光放大器不但可對光信號進行直接放大，同時還具有實時、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；由于這項技術(shù)不僅解決了衰減對光網(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，是光纖

7、通信發(fā)展史上的一個劃時代的里程碑。在目前實用 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。光纖放大器原理及分類EDFA的原理EDFA的泵浦過程需要使用三能級系統(tǒng)，在摻鉺光纖中注入足夠強的泵浦 光，就可以將大部分處于基態(tài)的Er3+離子抽運到激發(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)能級上壽命較

8、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)信號光子通過摻鉺 光纖時，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，這時通過摻鉺光纖傳輸?shù)男盘柟庾友杆僭龆?，產(chǎn)生信 號放大作用。Er3+離子處于亞穩(wěn)態(tài)時，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，直接對光信號進行放大，無需轉(zhuǎn)換成電信號， 能夠保證光信號在最小失真情況下得到穩(wěn)定的功率放大。EDFA的結(jié)構(gòu)典型的EDFA結(jié)構(gòu)主要由摻鉺光纖(EDF)、泵浦光源、耦合器、隔離

9、器等 組成。摻鉺光纖是EDFA的核心部件。它以石英光纖作為基質(zhì)，在纖芯中摻人 固體激光工作物質(zhì)鉺離子，在幾米至幾十米的摻鉺光纖內(nèi)，光與物質(zhì)相互作 用而被放大、增強。光隔離器的作用是抑制光反射，以確保放大器工作穩(wěn)定， 它必須是插入損耗低，與偏振無關(guān)，隔離度優(yōu)于40 dB。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)信號功率。增益系數(shù)是指從 泵浦光源輸入1 mW泵浦光功率通過光纖放大器所獲得的增益。g0是由泵浦 強度定的小信號增益系數(shù)，由于增益飽和現(xiàn)象，隨著信號功率的增加，增益 系數(shù)下降；Is, Ps分

10、別為飽和光強和飽和光功率，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：增益主要是針對輸入信號而言的，而增益 系數(shù)主要是針對輸入泵浦光而言的。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980 nm和1 480 nm。由于 各處的增益系數(shù)是不同的，而增益須在整個光纖上積分得到，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。EDFA的帶寬增益頻譜帶寬指信號光能獲得一定增益放大的波長區(qū)域。實際上的EDFA 的增益頻率變化關(guān)系比理論的復(fù)雜得多，它還與基質(zhì)光纖及其摻雜有關(guān)。在 EDFA的增益譜寬已達到上百納米.而且增

11、益譜較平坦。ED-FA的增益頻譜范 圍在1 5251 565 nm之間。EDFA的級聯(lián)結(jié)構(gòu)EDFA對光信號功率的放大，特別在無線光通信大功率(瓦級)應(yīng)用中，常 常采用級聯(lián)的方式，比如兩級或者三級放大。之所以采用級聯(lián)的方式，是因 為在EDFA的摻鉺光纖(EDF)中插入一個光隔離器，構(gòu)成帶光隔離器的兩段級 聯(lián)EDFA，由于光隔離器有效地抑制了第二段：EDF的反向自發(fā)輻射(ASE)， 使其不能進入第一段EDF，減少了泵浦功率在反向ASE 上的消耗，使泵浦光 子更有效地轉(zhuǎn)換成信號光能量，從而可以明顯改善EDFA的增益、噪聲系數(shù) 和輸出功率等特性。本文采用麗級級聯(lián)放大，將12 mW的1 550 nm光信

12、 號，經(jīng)EDFA放大到1 W左右。級聯(lián)結(jié)構(gòu)如圖3所示。光信號由LD激光器產(chǎn)生，是已調(diào)制的信號，第一級放大采用單包層摻 鉺光纖放大器，980 nm單模半導(dǎo)體激光器作為泵浦源，將光功率放大到50 mW 附近。第一級采用單模半導(dǎo)體激光器泵浦，先將光信號穩(wěn)定可靠的放大到一 定功率，保證了整個光信號的完整，又為下一級光放大提供了較高的光功率 基礎(chǔ)。第二級采用雙包層光纖放大器，多模半導(dǎo)體激光器泵浦源將光功率放 大到1W左右。雙包層光纖放大器纖芯比單包層纖芯大，泵浦功率可以有效 地耦臺到纖芯中，使第二級光信號的輸出功率可達到瓦級。3.6影響增益的因素EDFA的增益與諸多因素有關(guān)，如摻鉺光纖的長度，隨著摻鉺光

13、纖長度的 增加，增益經(jīng)歷了從增加到減少的過程，這是因為隨著光纖長度的增加，光 纖中的泵浦功率將下降，使得粒子反轉(zhuǎn)數(shù)降低，最終在低能級上的鉺離子數(shù) 多于高能級上的鉺離子數(shù)，粒子數(shù)恢復(fù)到正常的數(shù)值。由于摻鉺光纖本身的損耗，造成信號光中被吸收掉的光子多于受激輻射產(chǎn)生 的光子，引起增益下降。由上述討論可知，對于某個確定的入射泵浦功率， 存在著一個摻鉺光纖的最佳長度，使得增益最大。EDFA的增益還跟輸入光的程度、泵浦光功率及光纖中鉺離子Er3+的濃 度都有關(guān)系，如小信號輸入時的增益系數(shù)大于大信號輸入時的增益系數(shù)。當(dāng) 輸入光弱時，高能位電子的消耗減少并可從泵激得到充分的供應(yīng)，因而，受 激輻射就能維持達到相

14、當(dāng)?shù)某潭取．?dāng)輸入光變強時，由于高能位的電子供應(yīng) 不充分，受激輻射光的增加變少，于是就出現(xiàn)飽和。泵浦光功率越大，摻鉺 光纖越長，3 dB飽和輸出功率也就越大。其次與當(dāng)Er3+的濃度超過一定值 時，增益反而會降低，因此要控制好摻鉺光纖的鉺離子濃度。采用EDFA后，提高了注入光纖的功率，但當(dāng)大到一定數(shù)值時，將產(chǎn)生 光纖非線性效應(yīng)和光泄漏效應(yīng)，這影響了系統(tǒng)的傳輸距離和傳輸質(zhì)量。另外 色散問題變成了限制系統(tǒng)的突出問題，可以選用G653光纖(色散位移光纖 DSF)或非零色散光纖(NZDF)來解決這一問題。3.7 EDFA級聯(lián)的改進之所以采用EDFA級聯(lián)的方式，一是插入兩級間的光隔離器有效地抑制了 第二段E

15、DF的反向自發(fā)輻射(ASE),使其不能進入第一段EDF，減少了泵浦功 率在反向ASE 上的消耗，使泵浦光子更有效地轉(zhuǎn)換成信號光能量；二是分為 兩級后，各自的增益可以任意分配，可以根據(jù)不同的增益要求和應(yīng)用環(huán)境改 變相應(yīng)的增益。但是，要在保證信號無失真的情況下得到最佳的光功率增益， 還需要解決一些問題：由于增益分為兩級，如何分配兩級問的增益才能在現(xiàn)有的EDF、泵浦 源功率等條件下使得光放大的實現(xiàn)更容易，這與EDF的放大能力，泵浦遠功 率大小、穩(wěn)定性，泵浦光波長及其模式等均有密切相關(guān)。在每一級各自一定的泵浦功率下，找到摻鉺光纖的最佳長度。當(dāng)EDF 過短時，由于對泵浦吸收的不充分而導(dǎo)致增益降低；而當(dāng)E

16、DF過長時，由于 泵浦光在EDF內(nèi)被鉺離子吸收，泵浦功率逐漸下降，當(dāng)功率降至泵浦閾值以 下時，就不能形成粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，此時，這部分EDF不僅對信號光無放大作用， 反而吸收了已放大的部分信號，造成增益的下降，同時也會引起噪聲系數(shù)的 增大。如果需要更高的光功率輸出，幾十瓦甚至上百瓦，可考慮更高級聯(lián) 的方法，因為隨著增益的增大，泵浦源由于轉(zhuǎn)換效率的問題，功率需求會很 高，所需的單級EDF長度也會大大增長，這樣的工作條件往往不易達到，且 穩(wěn)定性不強，采用更高級聯(lián)可以將增益劃分到多級，易于實現(xiàn)和控制，光模 塊的整體增益特性也有較大提高。3.9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

17、輸入到 EDF 中 時，就可以將大部分處于基態(tài)的Er3+抽運到激發(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，信號光子通 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。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

18、 15301565nm 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)，且同時放大多路波長 信號等一系列的特性，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擴大，面對傳輸容量的擴大， 目前主要有三種解決途徑：（1）增加每個波長的傳輸速率；（2）減少波長間 距；（3）增加總的傳輸帶寬。對于第一種辦法，如果速率提高到 10Gbit/s 將帶來新的色散補償

19、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15301560nm擴展到L波段15701605nm,使EDFA 的放大增益譜擴展了一倍。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)計和制造技術(shù)仍可應(yīng)用

20、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，增益波動系數(shù)遠 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，3.10 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，激光二極管就能對輸入相干 光實現(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

21、阱材料的半導(dǎo)體光放大 器的研制成功，已引起人們對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、對串?dāng)_和偏振敏感、與光纖耦合時損耗大，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 13001600nm波段，既可用于1300nm窗口的光 放大器，

22、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)的實現(xiàn)。3.11 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；如果一個弱信號與一強泵浦光波 同時在光纖中傳輸，并使弱信號波長置于泵浦光的拉曼增益帶寬內(nèi)，弱信號 光即可以得到放大，這種基于受激拉曼散射機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， 它具有許多優(yōu)點：（1）增益介質(zhì)為普通傳輸光纖，與

23、光纖系統(tǒng)具有良好的兼 容性；（2）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。正因為光纖拉曼放大器有這么多的優(yōu)點，它可以放大摻鉺光纖放大器所 不能放大的波段，并可在12921660nm光譜范圍內(nèi)進行光放大，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信號光進行在線放大，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)， 而且因為放大是沿著光纖分布而不是集中作用，

24、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，這對于大容量 DWDM 系統(tǒng)是十分適用的。FRA是EDFA的補充，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主要的缺點就是需要特大功率的泵浦激光器， 解決這個問題的主要途徑有：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，獲得一個大功率輸出的泵浦激光器，此種方法不 但可提供一個寬帶的增益譜，

25、而且還可以通過調(diào)節(jié)單個激光器的功率來調(diào)整 增益斜率。光纖放大器應(yīng)用EDFA在功能應(yīng)用上可以分為用作遠距離傳輸?shù)木€路放大器、用作光發(fā)射 機輸出的功率放大器和用作接收機前 端的前置放大器。（1）功率放大器 把EDFA置于光發(fā)射機半導(dǎo)體激光器之后，光信號經(jīng)EDFA放大后進入光纖線 路，從而使光纖傳輸?shù)臒o中繼距離增大，可達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。 （2）線路放大器 處 于功率放大器之后，用于周期性地補償線路傳輸損耗，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

26、 處于分波器之前，線路放大器之 后，用于信號放大，提高接收機的靈敏度。EDFA具有接近量子極限的低噪聲 優(yōu)點，因而可用作接收機的前置放大器以提高接收靈敏度，要求噪聲指數(shù)很 小，對輸出功率沒有太大的要求。把EDFA置于光接收機PIN光檢側(cè)器的前 面，來自光纖的信號經(jīng)EDFA放大后再由PIN檢測。強大的光信號使電子放 大器的噪聲可以忽略，用EDFA作預(yù)放的光接收機具有更高的靈敏度。如果 綜合上述各種應(yīng)用，一個EDFA用作接收機前置放大器，另一個EDFA用作發(fā) 送機的功率提升放大器， 就可以實現(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，放在光接收機之前，以提高光

27、接收機的靈敏度， 一般工作于小信號或線性狀態(tài)，信號輸入功率約一40dBm。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，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，以補償傳輸線路損耗，延長中繼距離。一般工作在近 飽和區(qū)，信號輸入功率約一20dBm。要求EDFA同時具有較高的增益和輸出光 功率，還應(yīng)有對其工作狀態(tài)的實時監(jiān)控。EDFA作為功率放大器時，裝在光 發(fā)送機之后，對光源發(fā)出的光信號進行放大，以補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

28、能高的輸出光功率，必要時可用雙泵浦。EDFA在密集波分復(fù)用(DWDM)系統(tǒng)中應(yīng)用的分析5.1 EDFA在DWDM系統(tǒng)中的作用和應(yīng)用方式EDFA是目前光放大器市場的主流品種，在DWDM系統(tǒng)、接入網(wǎng)和有線電 視領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，在CATV系統(tǒng)中通常作為功率放大器以提高發(fā)射機的 功率，使發(fā)射機覆蓋的用戶數(shù)大大增加，也可作為光纖線路的中繼放大器， 以補償光分路器及線路損耗，使傳輸距離大大增加。光纖放大器與其他放大 器比較，具有輸出功率大、增益高、工作帶寬寬、與偏振無關(guān)、噪聲指數(shù)低、 放大特性與系統(tǒng)比特率、數(shù)據(jù)格式無關(guān)等特點，它已成為新一代光通信系統(tǒng) 的關(guān)鍵器件之一。摻鉺光纖放大器用在系統(tǒng)發(fā)射機輸出短，

29、提高發(fā)送功率， 延長傳輸距離；用在光纖傳輸鏈路中，補償光能量的損失，可增加傳輸距離； 用在光接收機前，對信號進行預(yù)防大，可提高光接收機靈敏度。應(yīng)用范圍包 括干線高速光通信系統(tǒng)、海纜系統(tǒng)、本地網(wǎng)、用戶接入網(wǎng)、摻鉺光纖放大器 作為功率放大器有許多特殊功能是電子線路放大器所不能比擬的，分述 如 下：摻鉺光纖放大器可用作數(shù)字、模擬以及相干光通信的功率放大器。即如 果線路上已采用摻鉺光纖放大器做功率放大器，那么，不管它需要傳輸數(shù)字 信號還是傳輸模擬信號，不必改變摻鉺光纖放大器線路設(shè)備。摻鉺光纖放大器可傳輸不同的碼率。如果需要擴容，由低碼率改變?yōu)?高碼率時，不必改變摻鉺光纖放大器線路設(shè)備。摻鉺光纖放大器做

30、功率放大器，可在不改變原有噪聲特性和誤碼率的前 提下，直接放大數(shù)字、模擬活二者混合的數(shù)據(jù)格式，特別適合光纖傳輸網(wǎng)絡(luò) 升級。實現(xiàn)語音、圖像、數(shù)據(jù)同網(wǎng)傳輸，不必改變摻鉺光纖放大器線路設(shè) 備。一個摻鉺光纖放大器可同時傳輸若干波長的光信號，即用光波復(fù)用擴容 時，不必改變摻鉺光纖放大器線路設(shè)備。實踐證明，使用摻鉺光纖放大器的光纖干線傳輸，經(jīng)過近千公里的傳輸 后的誤碼率人能達到 。如果采用飽和功率為 18dBm 的放大器，可是實現(xiàn) 160 200km 無中繼通信。如果有必要，還可將中繼距離延長更遠。5.1.1前置放大器把摻鉺光纖放大器置于光接收機關(guān)監(jiān)測器前面。來自光纖的光信號經(jīng)摻 鉺光纖放大器放大后再由光

31、檢測器檢測。由于摻鉺光纖放大器的信噪比由于 電子放大器，所以用摻鉺光纖放大器作預(yù)放大器的光接收機具有較高的靈敏 度，其靈敏度甚至不亞于相干光接收機的。5.1.2線路放大器把摻鉺光纖放大器至于光纖傳輸線路中，將已被衰減了的小信號進行放 大，可以大大延長傳輸距離，也成為中繼放大器。線路放大器的顯著優(yōu)點是 增益高，通常大于30dB。由于可以級聯(lián)使用，特別適合海底遠程通信和陸地 超長距離傳輸使用。使用線路放大器必須解決遠程監(jiān)控問題，國際標(biāo)準(zhǔn)化組 織已制定出多種監(jiān)控標(biāo)準(zhǔn)，可以按照標(biāo)準(zhǔn)進行遠程監(jiān)控。5.1.3用戶接入網(wǎng)中的光纖放大器光纖放大器在用戶接入網(wǎng)中也占有重要地位。在光纖用戶網(wǎng)中，雖然用 戶系統(tǒng)的距

32、離較短，但是用戶網(wǎng)的分子太多，光線干線中的光信號功率要進 行眾多的分配，甚至是多級進行分配。這樣一來被分配到每個分支獲得光信 號就相當(dāng)?shù)娜?，不能保證用戶的終端設(shè)備的接收質(zhì)量。為此，需要將光信號 進行放大，這就需要光纖放大器。將光纖放大器置于光發(fā)射機后端，以提高 入纖的光功率，使整個線路系統(tǒng)的光功率得到提高，以滿足各級需要，這就 要用到光纖功率放大器。在用戶網(wǎng)中，當(dāng)用戶系統(tǒng)距離過長時需要使用線路放大器；為了提高各 支路的光功率分配數(shù)量，也要使用這類放大器。總之，光線放大器在用戶接入網(wǎng)中主要是提高光信號的功率，即可以補 償光耦合器燈光器件所造成的光損耗，又可以大大提高用戶數(shù)量以及復(fù)用密 度，對降低

33、用戶網(wǎng)建設(shè)成本也會起到很大作用。摻鉺光纖放大器在密集波分 復(fù)用系統(tǒng)中的應(yīng)用主要是補償傳輸中的光纖損耗，根據(jù)放大器在系統(tǒng)中的位 置及作用，可以分成以下三種類型：功率放大器(booster-Amplifier)，處于合波器之后，用于對合波以后 的多個波長信號進行功率提升，然后再進行傳輸，由于合波后的信號功率一 般都比較大，所以，對一功率放大器的噪聲指數(shù)、增益要求并不是很高，但 要求放大后，有比較大的輸出功率。線路放大器(Line-Amplifier)，處于功率放大器之后，用于周期性地補 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。前置放大器(Pre-Amplifier)，處于分波器

34、之前，線路放大器之后，用 于信號放大，提高接收機的靈敏度(在光信噪比(0SNR)滿足要求情況下，較 大的輸入功率可以壓制接收機本身的噪聲，提高接收靈敏度)，要求噪聲指 數(shù)很小，對輸出功率沒有太大的要求。新型光纖放大器摻鉺光纖放大器對于波長為 1540-1560nm 的第三個光纖通信窗口很有吸 引力。雖然已經(jīng)取得了很大進步，但是為了得到高容量的光纖通信，我們還 在繼續(xù)發(fā)展高增益的EDFA。然而，光纖系統(tǒng)還在遭受由于光纖材料的不同的 固有特性導(dǎo)致的損耗。因此，很多研究都直接指向了新材料和系統(tǒng)的優(yōu)化。 很多系統(tǒng)結(jié)構(gòu)被提出了，來提高放大器的增益，減少噪聲。我們知道，目前 還沒有達到54db附近增益的報

35、道。一個減少ASE自飽和的技術(shù)在1976年被 提出了。但是，這個結(jié)構(gòu)遇到了由于連接處和其他光部件的缺陷導(dǎo)致的額外 反射。其他報告顯示出，濾波器可以和光隔離器一起使用來抑制前向的ASE， 并且提高信號增益。另一種得到高增益的方法是讓光信號通過EDFA兩次。本文的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，通過使用一個相對較短的摻鉺光纖，可以得到更高的 增益和更好的噪聲指數(shù)。這個系統(tǒng)結(jié)構(gòu)由一個循環(huán)連接器和四個端口構(gòu)成。 端口 1用來輸入信號，端口2用來信號輸出，另外兩個端口連接到連接器2 和連接器3，這兩個連接器每個都有三個端口，用來使信號循環(huán)。在實驗中 這個結(jié)構(gòu)還可以變化出很多結(jié)構(gòu)來。結(jié)果及論證圖一顯示了使用DS-DP結(jié)構(gòu)得到的

36、兩級四倍放大器。兩個TBF包含在了 系統(tǒng)中，在CIR2和CIR3的端口 1和端口 3之間。一個980nm的半導(dǎo)體激光 器用來作為泵浦源，它的最大功率為300mw。第一級和第二級由EDF1和EDF2 組成，它們分別為10m和15m。EDF1和EDF2在1527波長處有6db/m的峰值 吸收率。校準(zhǔn)實驗顯示出，每次通過信號會減弱12db。這樣，增強的信號從 CIR1的端口 1向端口 2傳播，然后通過EDF1，得到第一次放大，然后從CIR2的端口 2向端口 3傳播，它第一次通 過了 TBF濾波器進入端口 1并且回到端口 2,當(dāng)它第二次通過EDF1的時候它 又一次得到了放大，進入到CIR1的端口 2.

37、，然后進入第二級放大，通過EDF2 和CIR2。光譜分析儀連接到了 CIR1的端口 4.這一技術(shù)使得信號通過兩級放 大器后增加了四倍。圖一：DSQP實驗結(jié)構(gòu) 一 - 一 一 一 t仙創(chuàng)岡40乳2CW堆圖二顯示了一個1550nm波長的信號得到增益的細節(jié)。這一細節(jié)針對了功 率在-20dbm, -35dbm和-50dbm的信號。泵浦功率要優(yōu)化到如下程度：第一 級固定為10mw，第二級從10mw增加到220mw，每步增加10mw。增益值在兩 級的泵浦功率都只有10mw時可以達到41db，得到了對于-50dbm信號的增益 系數(shù)為4.1db/mw 一 - 一 一 一 t仙創(chuàng)岡40乳2CW堆+Phi = -

38、50 dBm -Pm - -35 dBm 亠？ia = =20 dBm204060 80 100 120 140 ItiO ISO 200 22C 24DPwpW?r (mW)圖二：1550nm波長信號實驗增益和泵浦功率之間關(guān)系圖三是噪聲系數(shù)和泵浦功率的關(guān)系。它顯示出泵浦功率增加時噪聲系數(shù) 不變。這可以由噪聲系數(shù)和泵浦功率的關(guān)系來解釋，這可能是由于濾波器的 影響，它使噪聲系數(shù)為一個固定值。-50dbm信號有最低噪聲系數(shù)，為7db。 -20db信號噪聲系數(shù)最高。噪聲系數(shù)與泵浦功率無關(guān)。-*-Fin = -5C dBm Pin 二胡3 dBm亠阪20 40 6d 80 10(1 120 140 1

39、60 1 BO 20G 22U 240Pn：Xwr (俎W)圖三：1550nm波長信號實驗噪聲系數(shù)和泵浦功率關(guān)系圖四顯示了增益和噪聲系數(shù)與1550nm波長輸入信號功率之間關(guān)系。第二 級的泵浦功率設(shè)置為220,150,100和50mw，第一級的泵浦功率仍然固定為 10mw。對于-30dbm信號，用最低功率50mw泵浦時，增益值超過了 40db， 因 此，最高增益在泵浦功率超過50mw，信號功率低于-30dbm時獲得。對于小 信號（-40dbm）我們沒有觀察到明顯的增益飽和現(xiàn)象。我們期望對于更低 功率的信號（-60dbm）增益值可以超過70db。放大器的噪聲系數(shù)也被記錄 了下來，它隨著信號功率的增

40、加而增加。對于低于-30dbm的信號，噪聲系數(shù) 達到了最低值，最低值在7db和10db之間。70-10*60-即 45 創(chuàng)-35,25-15 40-553*(HP耳70-10*60-即 45 創(chuàng)-35,25-15 40-553*(HP耳signal power （13m）圖四：增益和噪聲系數(shù)與1550nm波長輸入信號功率之間關(guān)系圖五顯示出輸出功率和增益之間關(guān)系。信號輸出功率和增益都隨著泵浦功率的增加而增加，并且二者都是常量。泵浦功率為10,30,70和90mw時， 輸出飽和功率分別為3, 8, 10.5和13dbm。未達到飽和的增益值為 41,47,51,53和54db。對于波長為1550nm

41、的功率為0dbm的輸入信號有一個輸出功率最大值，為13.01dbm（泵浦90mw），-50dbm信號最大增益值為61db。*10mW-7Cm.W*10mW-7Cm.WOuwut signal power (d3m)圖五：1550nm波長信號輸出功率和增益之間關(guān)系圖六描述了輸出信號功率值和輸入信號功率值在不同泵浦功率下的關(guān) 系。圖表顯示出隨著輸入信號的增加，輸出信號也增加。圖表顯示出了輸出 功率對于輸入功率的依賴關(guān)系。系統(tǒng)顯示出對于-30dbm信號的一個較高的輸 出功率值，為18dbm。信號功率從0dbm減少到-30dbm時，輸出信號基本不 變。低于-30dbm時輸出開始持續(xù)降低了。對于-45d

42、bm和-50dbm之間輸入信 號，輸出不足10dbm 了。Input signal pwffsr (dRra)圖六：1550nm波長信號輸出信號功率值和輸入信號功率值的關(guān)系光放大器應(yīng)用要求為了確保WDM系統(tǒng)的傳輸質(zhì)量,WDM系統(tǒng)中使用的EDFA應(yīng)具有足夠的帶 寬、平坦的增益、低噪聲系數(shù)和高輸出功率。EDFA增益帶寬目前，EDFA可用增益頻譜范圍為1530l565nm，增益帶寬為35nm左右， 可以滿足432信道的WDM系統(tǒng)。如果希望進一步增大帶寬，以利用波長資 源，則必須開發(fā)新型的光放大器。WDM系統(tǒng)對EDFA增益平坦度的要求EDFA的增益平坦度(GF)是指在整個可用增益的帶寬內(nèi)，最大增益波長

43、點的 增益與最小增益波長點的增益之差。在WDM系統(tǒng)中，要求EDFA的GF越小越 好。一般EDFA在它的工作波段內(nèi)存在著一定的增益起伏，即不同波長所得 到的增益不同。雖然增益差值不大，但當(dāng)多個EDFA級聯(lián)應(yīng)用時，這種增益 差值會線性積累，嚴(yán)重時，信號到達接收端后，有些高增益信道的接收光功 率過大使接收機過載，而某些低增益信道的接收光功率過小而達不到接收機 靈敏度。因此，要使各信道上的增益偏差處于允許范圍內(nèi)，放大器的增益就 必須平坦。使光纖放大器增益平坦的技術(shù)有兩種途徑：一是增益均衡技術(shù); 二是光纖技術(shù)。a.增益均衡技術(shù)增益均衡技術(shù)是利用損耗特性與放大器的增益波長特 性相反的增益均衡器來抵消增益的

44、不均勻性，這種技術(shù)的關(guān)鍵在于放大器的 增益曲線和均衡器的損耗特性精密吻合，使綜合特性平坦。增益均衡技術(shù)可 以分為固定式的和動態(tài)的?，F(xiàn)階段實用化的固定式增益平坦技術(shù)主要有光纖 光柵技術(shù)和介質(zhì)多層薄膜濾波器技術(shù)等。增益均衡用的光纖光柵是一種長周 期光纖光柵。其光柵周期一般為數(shù)百um。通過多個長周期的光柵組合，可以 構(gòu)成具有與EDFA增益波長特性相反的增益均衡器。使用該技術(shù)，在1528 1568nm的40nm帶寬內(nèi)，可以實現(xiàn)增益偏差在5%以內(nèi)的帶寬增益平坦的 EDFA。動態(tài)的增益均衡技術(shù)是指動態(tài)增益可調(diào)的增益平坦濾波器技術(shù)，主 要有法拉第旋轉(zhuǎn)體型增益可調(diào)濾波器技術(shù)、波導(dǎo)MZ型增益可調(diào)型濾波器 技術(shù)、

45、陣列波導(dǎo)型動態(tài)增益可調(diào)濾波器技術(shù)和聲光型動態(tài)增益可調(diào)濾波器技 術(shù)等。b光纖技術(shù)所謂光纖技術(shù)是指通過改變光纖材料或者利用不同光纖的 組合來改變EDF的特性，從而改善EDFA的增益平坦性?？煞譃闉V波器型和 本征型兩類。濾波器型是在EDFA中內(nèi)插無源濾波器將1530nm的增益峰降 低，或?qū)ｉT設(shè)計其透射譜與EDFA增益譜相反的光濾波器將增益譜削平，但 濾波器型結(jié)構(gòu)工藝都較復(fù)雜，附加損耗大，輸出功率會減小。本征型是在 EDF中摻入別的雜質(zhì)（如摻鋁EDFA、摻釔EDFA）或改變EDF基質(zhì)（如氟化物 EDFA、碲化物EDFA）。其最大優(yōu)點是無需制作和引入附加元件。EDFA增益特性的優(yōu)化技術(shù)采用放大波段內(nèi)的增益控制和光譜均衡方法，能取得EDFA增益特性優(yōu)化 的良好結(jié)果。EDFA的增益控制技術(shù)有許多