光纖通信系統(tǒng)（第3版） 課件 第六章 光放大技術(shù)

光纖通信系統(tǒng)2本章要點(diǎn)本章主要介紹光放大器原理、類型和主要實(shí)現(xiàn)技術(shù)。光放大器是實(shí)現(xiàn)高速率大容量光纖通信系統(tǒng)重要的系統(tǒng)元件，可以部分地代替光中繼器，節(jié)約系統(tǒng)成本。

本章教學(xué)課時(shí)為4學(xué)時(shí)。36.1光放大器原理

光放大器是一種能在保持光信號(hào)特征不變的條件下，增加光信號(hào)功率的有源設(shè)備。

光放大器的基本工作原理是受激輻射或受激散射效應(yīng)，其工作機(jī)制和激光器的發(fā)光原理非常相似。實(shí)際上，也可以將光放大器理解為是一個(gè)沒(méi)有反饋或反饋較小的激光器。對(duì)于某種特定的光學(xué)介質(zhì)，當(dāng)采用泵浦（電能源或光能源）方法，達(dá)到粒子數(shù)反轉(zhuǎn)時(shí)就產(chǎn)生了光增益，即可實(shí)現(xiàn)光放大。46.1.1光放大器的基本原理半導(dǎo)體光放大器法布里－珀羅諧振腔式光放大器（FPSOA）注入鎖定式光放大器（ILSOA）行波式光放大器（TWSOA）。摻雜稀土元素光放大器EDFA和PDFA光纖布里淵放大器光纖拉曼放大器56.1.2光放大器的主要參數(shù)泵浦和增益系數(shù)增益譜寬與放大器帶寬增益飽和和飽和輸出功率放大器噪聲61.泵浦和增益系數(shù)

光學(xué)泵浦提供了所必須的能級(jí)間的粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，因而也就提供了光學(xué)增益，考慮一個(gè)均勻加寬的增益介質(zhì)，其增益系數(shù)可以表示為

（6-2）由上式可以確定光放大器的增益譜寬、放大因子和飽和輸出功率等參數(shù)。7圖6-1兩種泵浦原理示意圖泵浦泵浦E3E1E2激光發(fā)射（a）三能級(jí)泵浦結(jié)構(gòu)（b）四能級(jí)泵浦結(jié)構(gòu)E3E1E2E082.增益譜寬與放大器帶寬

小信號(hào)或非飽和狀態(tài)時(shí)，增益系數(shù)可以表示為

可以看出，當(dāng)ω＝ω0時(shí)增益最大。定義增益譜寬為增益譜g(ω)降至最大值一半處的全寬（FWHM）。而放大器的帶寬定義為G(ω)降至最大放大倍數(shù)一半（3dB）處的全寬度FWHM。放大器的帶寬比介質(zhì)增益譜寬窄的多。93.增益飽和和飽和輸出功率增益可以表示為

增益飽和是放大器能力的一種限制因素，通常將放大器增益降至最大小信號(hào)增益一半（3dB）時(shí)的輸出功率定義為飽和輸出功率。10圖6-2放大器增益隨輸出功率的變化114.放大器噪聲所有光放大器在放大過(guò)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）降低，其降低程度通常用噪聲指數(shù)Fn來(lái)表示，其定義為

（6-12）式中的SNR是由光接收機(jī)測(cè)得的，因此所得Fn值也和接收機(jī)參數(shù)有關(guān)。理論分析表明，對(duì)于理想放大器而言被放大信號(hào)的SNR也降低了2倍（3dB），對(duì)大多數(shù)實(shí)際的放大器Fn均超過(guò)3dB，并可能達(dá)到6～8dB。126.1.3光放大器分類136.2摻鉺光纖放大器EDFA摻鉺光纖能放大光信號(hào)的基本原理在于鉺離子能吸收泵浦光的能量，實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。

當(dāng)波長(zhǎng)為1.55μm附近的信號(hào)光通過(guò)已被激活的摻鉺光纖時(shí)，亞穩(wěn)態(tài)上的粒子以受激輻射的方式躍遷到基態(tài)。對(duì)應(yīng)于每一次躍遷，都將產(chǎn)生一個(gè)與激發(fā)該躍遷的光子完全一樣的光子，從而實(shí)現(xiàn)了信號(hào)光在摻鉺光纖的傳播過(guò)程中不斷放大。6.2.1EDFA的特點(diǎn)工作波長(zhǎng)處于1.53~1.56μm范圍，與光纖最小損耗波長(zhǎng)窗口一致；對(duì)摻鉺光纖進(jìn)行激勵(lì)所需要的泵浦光功率較低，僅需數(shù)十mW；增益高、噪聲低、輸出功率高。EDFA的典型小信號(hào)增益可達(dá)40dB，噪聲系數(shù)可低至3~4dB，輸出功率可達(dá)14~20dBm；連接損耗低。EDFA是光纖型放大器，其與光纖線路間的連接較為容易，連接損耗可低至0.1dB。14156.2.2EDFA結(jié)構(gòu)及工作原理?yè)姐s光纖放大器（EDFA，ErbiumDopedFiberAmplifier是目前最成熟的光放大器。EDFA主要由摻鉺光纖（EDF）、泵浦光源、耦合器、隔離器等組成。16圖6-4EDFA的基本組成長(zhǎng)度為10m~100m左右的摻鉺光纖，鉺離子的摻雜濃度一般為25mg/kg左右。半導(dǎo)體激光器，輸出功率為10~100mW，工作波長(zhǎng)為0.98μm或1.48μm。將信號(hào)光和泵浦光耦合在一起。保證信號(hào)單向傳輸濾除噪聲，提高信噪比。17鉺離子能級(jí)分布泵浦能帶快速非輻射衰變亞穩(wěn)態(tài)能帶圖6-6鉺離子吸收譜1819EDFA泵浦方式EDFA的內(nèi)部按泵浦方式分，有三種基本的結(jié)構(gòu)：即同向泵浦、反向泵浦和雙向泵浦。同向泵浦信號(hào)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)，也稱為前向泵浦。

反向泵浦信號(hào)光與泵浦光從兩個(gè)不同方向注入進(jìn)摻鉺光纖的結(jié)構(gòu)，也稱后向泵浦。雙向泵浦同向泵浦和反向泵浦同時(shí)泵浦的結(jié)構(gòu)。20三種不同泵浦方式EDFA結(jié)構(gòu)不同泵浦方式性能差異21226.2.3EDFA性能參數(shù)功率增益輸出功率特性噪聲特性231.功率增益定義為輸出功率與輸入功率之比。EDFA的增益大小與多種因素有關(guān)，通常為15～40dB。24圖6-14增益（G）與摻鉺光纖長(zhǎng)度的關(guān)系252.輸出功率對(duì)于EDFA而言，當(dāng)輸入功率增加時(shí)，受激輻射加快，以至于減少了粒子反轉(zhuǎn)數(shù)，使受激輻射光減弱，輸出功率趨于平穩(wěn)。衡量EDFA的輸出功率特性通常使用3dB飽和輸出功率，其定義為飽和增益下降3dB時(shí)所對(duì)應(yīng)的輸出功率值。263.噪聲EDFA的輸出光中，除了有信號(hào)光外，還有自發(fā)輻射光，它們一起被放大，形成了影響信號(hào)光的噪聲源，EDFA的噪聲主要有以下四種：①信號(hào)光的散粒噪聲；②被放大的自發(fā)輻射光的散粒噪聲；③自發(fā)輻射光譜與信號(hào)光之間的差拍噪聲；④自發(fā)輻射光譜間的差拍噪聲。以上四種噪聲中，后兩種影響最大，尤其是第三種噪聲是決定EDFA性能的主要因素。

理論分析表明，EDFA的噪聲指數(shù)Fn的極限值是3dB。這表明在即使是在理想情況下，每經(jīng)過(guò)一個(gè)EDFA，信噪比也會(huì)下降一半。276.2.4EDFA的應(yīng)用在長(zhǎng)距離、大容量、高速率光纖通信系統(tǒng)中，EDFA有多種應(yīng)用形式，其基本作用是：（1）延長(zhǎng)中繼距離，使無(wú)中繼傳輸達(dá)數(shù)百公里。（2）與波分復(fù)用技術(shù)結(jié)合，可迅速簡(jiǎn)便地實(shí)現(xiàn)擴(kuò)容。（3）與光孤子技術(shù)結(jié)合，可實(shí)現(xiàn)超大容量、超長(zhǎng)距離光纖通信。（4）與CATV等技術(shù)結(jié)合，對(duì)視頻傳播和ISDN具有積極作用。28EDFA應(yīng)用形式296.3光纖拉曼放大器FRA拉曼放大具有廣闊的光譜范圍。拉曼放大器FRA是唯一能在1260nm到1675nm的光譜上進(jìn)行放大的器件。拉曼放大器適合于任何類型的光纖，且成本較低。FRA可采用同向、反向或雙向泵浦，增益帶寬可達(dá)6THz。分布式受激拉曼散射放大器能增加放大器之間的距離，因而可以在速率高達(dá)40Gbit/s的高速光網(wǎng)絡(luò)中發(fā)揮重要作用。306.3.1受激拉曼散射原理在許多非線性介質(zhì)中，受激拉曼散射將一小部分入射功率由一光束轉(zhuǎn)移到另一頻率下移的光束，頻率下移量由介質(zhì)的振動(dòng)模式?jīng)Q定，此過(guò)程稱為受激拉曼效應(yīng)。

量子力學(xué)描述為入射光波的一個(gè)光子被一個(gè)分子散射成為另一個(gè)低頻光子，同時(shí)分子完成振動(dòng)態(tài)之間的躍遷，入射光作為泵浦光產(chǎn)生稱為斯托克斯波的頻移光。31圖6-17受激拉曼散射的工作原理32圖6-18泵浦波長(zhǎng)為1μm時(shí)測(cè)得的拉曼增益譜336.3.2FRA結(jié)構(gòu)光纖拉曼放大器的基本結(jié)構(gòu)如圖6-19所示。在輸入端和輸出端各有一個(gè)隔離器，目的是使信號(hào)光單向傳輸。泵浦激光器用于提供能量。近年來(lái)，F(xiàn)RA的泵浦源共有三個(gè)方案：一是大功率半導(dǎo)體激光器（LD）及其組合，二是Raman光纖激光器（RFL）；三是半導(dǎo)體泵浦固體激光器（DPSSL）。34圖6-19FRA基本結(jié)構(gòu)示意圖35FRA不同配置FRA特點(diǎn)帶寬較寬。拉曼放大器的增益譜寬可達(dá)40THz，其可用平坦增益范圍有30nm，因此拉曼放大器可作為寬帶放大器，同時(shí)對(duì)多個(gè)不同波長(zhǎng)進(jìn)行放大；SRS效應(yīng)可在任意光纖中發(fā)生，即使在普通單模光纖中，也可獲得一定增益，因此利用拉曼放大器可在原有光纖基礎(chǔ)上直接擴(kuò)容，可以減少投資；低噪聲。光纖拉曼放大器具有優(yōu)良的噪聲特性，其自發(fā)輻射噪聲優(yōu)于EDFA，附加噪聲也很小；可以通過(guò)靈活排列泵浦光的頻率來(lái)對(duì)信號(hào)進(jìn)行放大。3637表6-1FRA與EDFA比較EDFA拉曼放大器放大帶寬20nm48nm增益20dB可達(dá)30dB飽和功率取決于發(fā)射功率和介質(zhì)材料取決于泵浦光的功率放大頻帶決定于媒介決定于泵浦波長(zhǎng)設(shè)計(jì)復(fù)雜簡(jiǎn)單泵浦源980nm或1480nm比信號(hào)峰值低100nm的任何波長(zhǎng)386.3.4拉曼放大器的噪聲特性光纖拉曼放大器中主要有三種噪聲，一是放大器自發(fā)輻射（ASE）噪聲，二是串話噪聲，三是瑞利散射噪聲。另外，拉曼放大器還會(huì)受非線性和受激布里淵散射造成的噪聲影響。396.3.5混合拉曼/摻鉺光纖放大器拉曼放大器和摻鉺光纖放大器各有其獨(dú)特的特點(diǎn)，將FRA和EDFA結(jié)合起來(lái)構(gòu)成混合拉曼/摻鉺光纖放大器（HFA），也是提高拉曼放大器性能的一種重要方法。使用混合拉曼/EDFA放大器，可以獲得更加平坦的增益譜，從而提高系統(tǒng)的帶寬，改善光信噪比（OSNR）。設(shè)計(jì)HFA的基本思想就是將摻鉺光纖放大器和拉曼放大器級(jí)聯(lián)，組成混合放大器，獲得的總增益為兩個(gè)放大器增益的疊加。40信號(hào)輸入信號(hào)輸出泵浦LDWDM傳輸光纖鉺摻雜光纖光隔離器混合EDFA/FRA結(jié)構(gòu)6.4新型光纖放大器

光放大器的出現(xiàn)極大地提升了光纖通信系統(tǒng)應(yīng)用的靈活性，也有力地推動(dòng)了大容量、長(zhǎng)距離、多信道的光纖通信系統(tǒng)的迅速普及。例如，為了確保多信道光纖通信系統(tǒng)的傳輸質(zhì)量，要求使用的光放大器具有足夠的