第五章光放大器

第五章：光放大器劉建國中國科學(xué)院大學(xué)現(xiàn)代數(shù)字光纖通信系統(tǒng)構(gòu)成光發(fā)送機(jī)中繼器光放大器光接收機(jī)光源光纖光纖光纖信源信宿電信號(hào)光信號(hào)內(nèi)容提要光放大概述光放大器分類

EDFA

SOA

FRA內(nèi)容提要光放大概述光放大器分類

EDFA

SOA

FRA光放大器出現(xiàn)之前，光纖通信的中繼器采用光－電－光(O-E-O)變換方式，但可實(shí)現(xiàn)3R中繼TransmitterRepeaterElectronics(amplification,filtering,decisioncircuits)photodetectorlaserReceiver光放大器概述在WDM系統(tǒng)中，每個(gè)波長需要配備一個(gè)中繼器，且需要波分復(fù)用器和解復(fù)用器，復(fù)雜性和成本倍增光放大器概述光放大器概述功能：以補(bǔ)償光信號(hào)在通路中的傳輸衰減，增大系統(tǒng)的無中繼傳輸距離。定義：光放大器是基于受激輻射或非線性效應(yīng)實(shí)現(xiàn)入射光信號(hào)放大的一種器件。其機(jī)制與激光器完全相同。實(shí)際上，光放大器在結(jié)構(gòu)上是一個(gè)沒有反饋或反饋較小的激光器。光放大器概述EDFA誕生：1987年前后，南安普頓大學(xué)和貝爾實(shí)驗(yàn)室先后獨(dú)立報(bào)道摻鉺光纖放大器EDFA，這是光纖通信新一輪突破的開始，但只能實(shí)現(xiàn)1R中繼。DAVID

N.

PAYNE

andW.ALEC

GAMBLING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)用化光放大器概述光放大器在光纖通信系統(tǒng)發(fā)展中的作用光放大器概述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)能量注入光放大器概述光放大器的類型和應(yīng)用在線光放大：用于不需要光再生只需要簡單放大的場(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)光放大器概述光放大器概述光放大器的噪聲：所有光放大器在放大過程中都會(huì)把自發(fā)輻射（或散射）疊加到信號(hào)光上，導(dǎo)致被放大信號(hào)的信噪比（SNR）下降噪聲指數(shù)Fn，其定義為：主要噪聲源：放大的自發(fā)輻射噪聲（ASE），它源于放大器介質(zhì)中電子空穴對(duì)的自發(fā)復(fù)合。自發(fā)復(fù)合導(dǎo)致了與光信號(hào)一起放大的光子的寬譜背景。光放大器概述增益特性：增益G與信號(hào)光波長有關(guān)

增益譜不平坦。光放大器概述光放大器概述內(nèi)容提要光放大概述光放大器分類

EDFA

SOA

FRA光放大器的類型稀土摻雜光纖放大器

EDFA、PDFA、TDFA……半導(dǎo)體光放大器SOA光纖非線性放大器拉曼放大器、布里淵放大器，參量放大器稀土摻雜光纖放大器各種光纖放大器比較商用EDFA原理：EDFA采用摻鉺離子單模光纖為增益介質(zhì)，在泵浦光作用下產(chǎn)生粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，在信號(hào)光誘導(dǎo)下實(shí)現(xiàn)受激輻射放大。輸入信號(hào)光1525nm-1565nm放大后的輸出光泵浦激光器980nmor1480nm摻鉺離子光纖摻鉺光纖放大器EDFAEDFA中的Er3+能級(jí)結(jié)構(gòu)鉺離子簡化能級(jí)示意圖吸收泵浦光快速非輻射躍遷光放大受激輻射產(chǎn)生噪聲自發(fā)輻射受激吸收基態(tài)能帶泵浦能帶980nm1480nm亞穩(wěn)態(tài)能帶1550nm摻鉺光纖放大器EDFA原理：把泵浦光能量轉(zhuǎn)化為信號(hào)光能量工作范圍：1530~1560nm鉺離子的三能帶結(jié)構(gòu)hvhvhvhvhvhvhvhv980nm亞穩(wěn)態(tài)能帶泵浦能帶轉(zhuǎn)化成機(jī)械能摻鉺光纖放大器EDFA摻鉺光纖放大器EDFA三種泵浦方式的EDFALD2WDM2EDFAPCAPCinoutLD1WDM1LDWDMEDFAPCAPCinoutLDWDMEDFAPCAPCinout同向泵浦(前向泵浦)型：輸出信號(hào)功率高反向泵浦(后向泵浦)型：好的噪聲性能雙向泵浦型：輸出信號(hào)功率比單泵浦源高3dB，且放大特性與信號(hào)傳輸方向無關(guān)摻鉺光纖放大器EDFA前向泵浦EDFA摻鉺光纖放大器EDFA后向泵浦EDFA反向泵浦反向泵浦反向泵浦反向泵浦摻鉺光纖放大器EDFA雙向泵浦EDFA摻鉺光纖放大器EDFA摻鉺光纖放大器EDFAEDFA的基本結(jié)構(gòu)EDFA的增益：隨輸入功率的變化Why?↑↓摻鉺光纖放大器EDFAEDFA的增益：隨增益介質(zhì)長度變化Why?0L吸收區(qū)增益降低同向泵浦摻鉺光纖放大器EDFA對(duì)于給定的放大器長度（EDF長度），增益隨泵浦功率在開始時(shí)按指數(shù)增加，當(dāng)泵浦功率超過一定值時(shí)，增益增加變緩，并趨于一恒定值。增益隨泵浦功率而變的曲線(Why)摻鉺光纖放大器EDFAEDFA光放大器的噪聲ASE噪聲疊加在信號(hào)上，導(dǎo)致信噪比下降摻鉺光纖放大器EDFA摻鉺光纖放大器EDFA摻鉺光纖放大器EDFA摻鉺光纖放大器EDFA摻鉺光纖放大器EDFA摻鉺光纖放大器EDFA摻鉺光纖放大器EDFA15441569典型的EDFA增益譜固有的增益不平坦，增益差隨級(jí)聯(lián)放大而積累增大各信道的信噪比差別增大各信道的接收靈敏度不同－增益譜的形狀隨信號(hào)功率而變，在有信道上、下的動(dòng)態(tài)情況下，失衡情況更加嚴(yán)重?fù)姐s光纖放大器EDFA增益平坦/均衡技術(shù)1.

濾波器均衡：采用透射譜與摻雜光纖增益譜反對(duì)稱的濾波器使增益平坦,如：薄膜濾波、紫外寫入長周期光纖光柵、周期調(diào)制的雙芯光纖等。

只能實(shí)現(xiàn)靜態(tài)增益譜的平坦，在信道功率突變時(shí)增益譜仍會(huì)發(fā)生變化。EDFA+均衡器→合成增益摻鉺光纖放大器EDFA增益平坦/均衡技術(shù)2.

新型寬譜帶摻雜光纖：如摻鉺氟化物玻璃光纖（30nm平坦帶寬）、鉺/鋁共摻雜光纖（20nm）等，靜態(tài)增益譜的平坦，摻雜工藝復(fù)雜。3.聲光濾波調(diào)節(jié)：根據(jù)各信道功率，反饋控制放大器輸出端的多通道聲光帶阻濾波器，調(diào)節(jié)各信道輸出功率使之均衡，動(dòng)態(tài)均衡需要解復(fù)用、光電轉(zhuǎn)換、結(jié)構(gòu)復(fù)雜，實(shí)用性受限摻鉺光纖放大器EDFA增益平坦/均衡技術(shù)4.預(yù)失真技術(shù)不靈活，傳輸鏈路變換后，輸入功率也要隨之調(diào)整摻鉺光纖放大器EDFA增益鉗制技術(shù)電控：監(jiān)測(cè)EDFA的輸入光功率，根據(jù)其大小調(diào)整泵浦功率，從而實(shí)現(xiàn)增益鉗制，是目前最為成熟的方法。LDPumpInOut泵浦控制均衡放大器（電控）EDFA摻鉺光纖放大器EDFA方法1：多級(jí)泵浦大功率EDFA用于制作大功率EDFA的雙包層光纖結(jié)構(gòu)圖芯層：5m內(nèi)包層：50m芯層(摻鉺)，傳播信號(hào)層(SM)內(nèi)包層，傳播泵浦光(MM)方法2：雙包層光纖是實(shí)現(xiàn)EDFA的重要技術(shù)，信號(hào)光在中心的纖芯里以單模傳播，而泵浦光則在內(nèi)包層中以多模傳輸。MultistageEDFA內(nèi)插隔離器，抑制ASE，降低噪聲指數(shù)小信號(hào)增益，低噪聲指數(shù)大功率放大輸出摻鉺光纖放大器EDFA光纖拉曼放大器FRA拉曼現(xiàn)象在1928年被發(fā)現(xiàn)。1930年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)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)波長波段的放大。通過適當(dāng)改變泵浦激光波長，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。拉曼放大器(Raman)：傳輸光纖作為增益介質(zhì)光纖拉曼放大器FRA原理：受激拉曼散射是強(qiáng)激光的光電場(chǎng)與原子中的電子激發(fā)、分子中的振動(dòng)或與晶體中的晶格相耦合產(chǎn)生的，具有很強(qiáng)的受激特性。

光纖拉曼放大器FRA光纖拉曼放大器FRA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光纖(a)無泵激光的1550nm傳輸光功率(dB)波長1550nm波長光功率(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受激拉曼散射效應(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FRA53SRS是分布式前向散射（以前向?yàn)橹鳎┳V線以斯托克斯光為主距離主頻~13.2THz線寬可以達(dá)到5000GHzSRS特點(diǎn)：光纖拉曼放大器FRA在所有類型光纖中都會(huì)發(fā)生峰值增益頻移~13THz(60-100nm)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)增益最小為零增益譜很寬(125nm)但并不平坦FRA特點(diǎn)波長光功率(dB)1550nm1450nm光纖有泵激光的1550nm傳輸1450nm1550nm光纖拉曼放大器FRA光纖拉曼放大器的泵浦要求高能量輸出消偏輸出和偏振混合輸出（拉曼散射增益具有偏振依賴性）泵浦波長至關(guān)重要。信號(hào)光在1300nm波段時(shí)，最佳泵浦波長約在1220～1240nm，而在1550nm波段時(shí)，最佳泵浦波長約在1440～1460nm左右處。高功率雙包層拉曼光纖激光器是最佳的泵浦源當(dāng)前的研究熱點(diǎn)是動(dòng)態(tài)可調(diào)諧的多波長泵浦源，它對(duì)于喇曼放大的實(shí)用化有著舉足輕重的作用（寬帶平坦高增益）光纖拉曼放大器FRA機(jī)制：拉曼增益與泵浦波長相關(guān)方法：多波長泵浦增益：各個(gè)泵浦波長拉曼增益譜的加權(quán)和（以dB為單位）寬帶放大原理Overallgain光纖拉曼放大器FRA拉曼放大器的種類分布式喇曼放大器：所用的光纖比較長，一般為幾十公里，泵源功率可降低到幾百毫瓦，主要輔助EDFA用于DWDM通信系統(tǒng)性能的提高，抑制非線性效應(yīng)，提高信噪比。集總式喇曼放大器：所用的光纖增益介質(zhì)比較短，一般在幾公里，泵浦功率要求很高，一般在幾到十幾瓦特，可產(chǎn)生40dB以上的高增益，象EDFA一樣用來對(duì)信號(hào)光進(jìn)行集中放大，主要作為高增益、高功率放大光纖拉曼放大器FRAFRA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)）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FRA光纖喇曼放大器的特性Advantages:理論上可以得到任意波長的增益，前提是需要合適的泵浦源；分布或分立放大均能實(shí)現(xiàn)；使用光纖作為放大介質(zhì)意味著在線放大的可能，可以減少噪聲的積累。Disadvantages:泵浦功率高（500mW）光纖拉曼放大器FRAFRA與EDFA寬帶Raman+EDFA光放大器Raman放大器CbandEDFApumpfilterRamanFiberRaman+EDFA光放大器增益曲線光纖拉曼放大器FRA半導(dǎo)體光放大器SOAR1R2I半導(dǎo)體光放大器示意圖SOA也是一種重要的光放大器，其結(jié)構(gòu)類似于普通的半導(dǎo)體激光器。半導(dǎo)體光放大器SOApn外加正向偏壓實(shí)現(xiàn)結(jié)區(qū)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)外部光照導(dǎo)致受激輻射，信號(hào)光被放大內(nèi)部的自發(fā)輻射產(chǎn)生自發(fā)輻射噪聲(ASE)，它也會(huì)被放大沒有諧振腔的選擇，SOA將同時(shí)輸出放大的光信號(hào)和自發(fā)輻射噪聲半導(dǎo)體光放大器SOA原理：SOA的分類容易制作，但光信號(hào)增益對(duì)放大器溫度及入射光頻率變化都很敏感帶寬寬、飽和功率高以及偏振靈敏度低，因此使用更為廣泛半導(dǎo)體光放大器SOA66F-P結(jié)構(gòu)的SOA端面有較大反射率(30％左右)，諧振放大；輸入信號(hào)頻率與F－P腔諧振頻率匹配；增益帶寬窄，為F－P腔的縱模線寬；易受溫度及電流等環(huán)境因素影響TW結(jié)構(gòu)的SOA端面反射率極低，單程放大；增益帶寬極寬，為材料的自發(fā)輻射線寬；高輸出功率半導(dǎo)體光放大器SOAF-P半導(dǎo)體光放大器入射光從LD左端面進(jìn)入，通過具有增益的有源層，到達(dá)右端面后，部分從端面反射，然后反向通過有源層至左端面，部分光從左端面出射，其余部分又從端面反射，再次通過有源層，如此反復(fù)，使入射光得到放大。多峰值、帶寬窄，不適合通信系統(tǒng)應(yīng)用，只可用于一些信號(hào)處理。半導(dǎo)體光放大器SOA行波半導(dǎo)體光放大器TW－SOA與FP－SOA的區(qū)別在于端面的反射率大小，TW－SOA具有極低的端面反射率，通常在0.1%以下。降低端面反射方法：傾斜有源區(qū)法、窗面結(jié)構(gòu)。TW－SOA的增益、增益帶寬和噪聲特性都可以滿足光纖通信的要求，但如下兩個(gè)缺點(diǎn)限制著它在光纖通信中的實(shí)際應(yīng)用

1.對(duì)光信號(hào)偏振態(tài)的敏感性；

2.對(duì)光信號(hào)增益的飽和性。半導(dǎo)體光放大器SOA特性尺寸小，易于制成集成電路功耗低、壽命長、成本低同時(shí)具有光放大和信號(hào)處理功能與光纖耦合損耗大偏振、溫度敏感噪聲系數(shù)高（~8dB）半導(dǎo)體光放大器SOA半導(dǎo)體光放大器SOA增益曲線：SOA增益偏振相關(guān)性起因：由于半導(dǎo)體有源層的橫截面呈