第六章 光放大器

第六章光放大器長(zhǎng)距離光纖傳輸每隔一定距離要增加光中繼器，以便保證信號(hào)質(zhì)量。光-電-光轉(zhuǎn)換再生中繼器結(jié)構(gòu)再整形（re-shaping）再放大(re-amplifying)再定時(shí)（re-timing）典型的數(shù)字光電中繼器原理框圖由一個(gè)沒(méi)有線路碼型變換和反變換的光接收和光發(fā)射相連接的系統(tǒng)全光中繼器本章內(nèi)容光放大器的基本應(yīng)用形式半導(dǎo)體光放大器(SOA)摻鉺光纖放大器(EDFA)光纖拉曼放大器(FRA)光放大器在光纖通信系統(tǒng)中的四種用途半導(dǎo)體光放大器

（SOA：SemiconductorOpticalAmplifier）TWSOAF-PSOASOA工作機(jī)理SOA是一個(gè)具有或不具有端面反射的半導(dǎo)體激光器。采用正向偏置的PN結(jié)，對(duì)其進(jìn)行電流注入來(lái)激活電子，實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布，當(dāng)外光場(chǎng)射入時(shí)產(chǎn)生受激輻射實(shí)現(xiàn)對(duì)入射光功率的放大。光放大器增益分布曲線g(ω)和相應(yīng)的放大器增益頻譜曲線G(ω)介質(zhì)的增益系數(shù)放大器增益系數(shù)（放大倍數(shù)）：放大器帶寬和增益帶寬增益飽和G0為不飽和放大器增益放大器噪聲用放大器噪聲指數(shù)Fn來(lái)量度SNR下降的程度，定義討論受限于散粒噪聲的理想探測(cè)器例：假如輸入信號(hào)功率為300μW，在1nm帶寬內(nèi)的輸入噪聲功率是30nW，輸出信號(hào)功率是60mW，在1nm帶寬內(nèi)的輸出噪聲功率增大到20μW，計(jì)算光放大器的噪聲指數(shù)？解：光放大器使輸出信噪比下降了，但同時(shí)也使輸出功率增加了，所以可容忍SNR的下降。不同反射率時(shí)的F-PSOA的增益頻譜FPA與TWA的帶寬比較TWA的增益與波長(zhǎng)的關(guān)系增益小的波紋狀，反映出解理面剩余反射率的影響，此時(shí)R約0.04%。TWA對(duì)反射率的要求減小端面反射反饋，可制出TWA。減小反射率的一個(gè)簡(jiǎn)單方法是在界面上鍍以抗反射膜（增透膜）（反射率小于1%）。但TWA要求R<0.1%，且最小反射率還取決于放大器增益本身。減小反射率的方法（一）角度解理面或有源區(qū)傾斜結(jié)構(gòu)在大多數(shù)情況下，使用抗反射膜和有源區(qū)傾斜，可以使反射率小于<0.1%減小反射率的方法（二）有源區(qū)端面和解理面之間插入透明窗口區(qū)SOA的優(yōu)點(diǎn)SOA的缺點(diǎn)與光纖耦合損耗大；噪聲指數(shù)的典型值為5-7dB；

（噪聲機(jī)理：自發(fā)輻射、有源區(qū)的吸收和散射損耗、剩余解理面的反射率）穩(wěn)定性差，因增益與偏振態(tài)、溫度等因素有關(guān)。減小偏振態(tài)對(duì)SOA增益影響的三種結(jié)構(gòu)摻鉺光纖放大器結(jié)構(gòu)

EDFA---ErbiumDopedFiberAmplifier摻鉺光纖（EDF---ErbiumDopedFiber)EDFA工作原理泵浦光是如何將能量轉(zhuǎn)移給信號(hào)的?EDFA工作機(jī)理在泵浦源(980nm或1480nm)的作用下，在摻鉺光纖中出現(xiàn)了粒子數(shù)的反轉(zhuǎn)分布。通過(guò)輸入信號(hào)光的誘導(dǎo)，使處于粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布狀態(tài)下的高能級(jí)電子躍遷到低能級(jí)，并釋放出與入射光子一樣的一個(gè)光子，即產(chǎn)生了受激輻射，從而使光信號(hào)（1530nm---1560nm)得到放大。EDFA結(jié)構(gòu)EDFA由摻鉺光纖、一個(gè)或多個(gè)泵浦光源、光波分復(fù)用器、光隔離器等組成。1.同向泵浦結(jié)構(gòu)2.反向泵浦結(jié)構(gòu)3.雙向泵浦結(jié)構(gòu)同向泵浦結(jié)構(gòu)EDFA主要特性泵浦特性對(duì)于給定的放大器長(zhǎng)度增益頻譜增益帶寬（FWHM）大于10nm纖芯中摻入鋁離子，帶寬還可增大且增益頻譜相當(dāng)平坦。小信號(hào)增益EDFA的增益與鉺離子濃度、芯徑、摻雜光纖長(zhǎng)度和泵浦功率有關(guān)。對(duì)于給定的放大器長(zhǎng)度（EDF長(zhǎng)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(guò)一定值時(shí)，增益增加變緩，并趨于一恒定值。小信號(hào)增益當(dāng)泵浦功率一定時(shí)，放大器在某一最佳長(zhǎng)度時(shí)獲得最大增益，如果放大器長(zhǎng)度超過(guò)此值，由于泵浦的消耗，最佳點(diǎn)后的摻鉺光纖不能受到足夠泵浦，而且要吸收已放大的信號(hào)能量，導(dǎo)致增益很快下降。增益飽和（或壓縮）特性

在EDFA泵浦功率一定的情況下，輸入功率較小時(shí)，放大器的增益不隨入射信號(hào)的增加而變化。當(dāng)輸入信號(hào)增大到一定值后，增益開始隨信號(hào)功率的增加而下降，這是入射信號(hào)導(dǎo)致EDFA出現(xiàn)增益飽和的緣故。放大器噪聲放大器的噪聲指數(shù)與放大器長(zhǎng)度L和泵浦功率Pp有關(guān)。泵浦光功率Fn反向泵浦雙向泵浦輸出光功率同向泵浦輸出光功率摻鉺光纖長(zhǎng)度雙向泵浦反向泵浦同向泵浦Fn反向泵浦同向泵浦雙向泵浦EDFA的優(yōu)點(diǎn)1.工作波長(zhǎng)與光纖最小損耗窗口一致。2.耦合效率高。4.增益高，噪聲低。5.增益特性對(duì)溫度和光偏振狀態(tài)不敏感。EDFA的缺點(diǎn)波長(zhǎng)固定，明顯存在著工作波段和增益帶寬的局限性。可調(diào)節(jié)的波長(zhǎng)有限，只能換用其他摻雜光纖。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。自發(fā)輻射噪聲的影響，尤其是當(dāng)系統(tǒng)級(jí)聯(lián)時(shí)，自發(fā)輻射噪聲的影響會(huì)大大降低系統(tǒng)接收端的信噪比。光纖拉曼放大器FRA拉曼(Raman)現(xiàn)象在1928年被發(fā)現(xiàn)，拉曼放大技術(shù)從1984年開始研究并應(yīng)用。90年代早期，EDFA取代它成為焦點(diǎn)，光纖拉曼放大器（FRA）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)。光纖拉曼放大器FRA光纖中的非線性效應(yīng)SRS受激拉曼散射實(shí)現(xiàn)光信號(hào)的放大增益介質(zhì)：系統(tǒng)傳輸光纖基于非線性光學(xué)效應(yīng)，利用強(qiáng)泵浦光通過(guò)光纖傳輸時(shí)產(chǎn)生受激拉曼散射，使組成光纖的石英晶格振動(dòng)和泵浦光之間發(fā)生相互作用，產(chǎn)生比泵浦光波長(zhǎng)P還長(zhǎng)的散射光（斯托克斯光P–s

）。該散射光與波長(zhǎng)相同的信號(hào)光(P–s

)重疊，從而使弱信號(hào)光放大，獲得拉曼增益。就石英玻璃而言，泵浦光波長(zhǎng)與待放大信號(hào)光波長(zhǎng)之間的頻率差大約為13THz。FRA光纖(a)無(wú)泵激光的1550nm傳輸光功率(dB)波長(zhǎng)1550nm波長(zhǎng)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1450nm1550nm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(zhǎng)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。硅光纖拉曼增益系數(shù)頻譜曲線增益帶寬（FWHM）可以達(dá)到約8THz泵浦功率為200mW時(shí)，最大增益值為7.78dB泵浦功率為100mW時(shí)，最大增益值為3.6dB。在增益峰值附近的增益帶寬約為7~8THz。小信號(hào)光在長(zhǎng)光纖內(nèi)的拉曼增益FRA放大增益和泵浦功率的關(guān)系增益飽和多波長(zhǎng)反向泵浦FRA減小了泵浦光和信號(hào)光相互作用的長(zhǎng)度，從而減小泵浦噪聲對(duì)信號(hào)光的影響。多波長(zhǎng)泵浦增益帶寬FRA的優(yōu)