光纖通信_(tái)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(dǎo)體光放大器半導(dǎo)體光放大器SOA v5.6光放大器的應(yīng)用光放大器的應(yīng)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(hào)。 首先將光纖中送來(lái)的光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，光纖中送來(lái)的光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)， 然后對(duì)電信號(hào)進(jìn)行放大，然后對(duì)電信號(hào)進(jìn)行放大， 最后再將放大了的最后再將放大了的電信號(hào)轉(zhuǎn)換為光信號(hào)送到光纖中去電信號(hào)轉(zhuǎn)換為光信號(hào)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(hào)的傳輸; 2R再生器， 即在1R的基礎(chǔ)上加上數(shù)字信號(hào)處理(如整形(Reshaping)的再生器； 3R再生器， 即在2R的基礎(chǔ)上再增加重新定時(shí)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(duì)于單個(gè)波長(zhǎng)且數(shù)單個(gè)波長(zhǎng)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(duì)于高速率的多個(gè)波長(zhǎng)系統(tǒng)顯然是相當(dāng)復(fù)雜的， 每一波長(zhǎng)就需一個(gè)再生器， 如有

3、N個(gè)波長(zhǎng)就需要N個(gè)這樣的再生器，造價(jià)是相當(dāng)高的。另一方面， 對(duì)于很高的數(shù)據(jù)速率高的數(shù)據(jù)速率，電放大器的實(shí)現(xiàn)難度很大電放大器的實(shí)現(xiàn)難度很大。 因此， 人們?cè)噲D對(duì)光信號(hào)直接放大， 如果這種放大的帶寬較寬， 則可以同時(shí)對(duì)多個(gè)波長(zhǎng)進(jìn)行放大，因而只需一個(gè)放大器即可。 人們經(jīng)過(guò)很大的努力， 終于研制成功了全光放大器， 它可同時(shí)對(duì)多個(gè)波長(zhǎng)進(jìn)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(hào)， 延長(zhǎng)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(duì)輸入光功率的函數(shù)。 v (3) 增益帶寬

4、: 放大器放大信號(hào)的有效頻率范圍。 v (4) 增益飽和: 輸入信號(hào)足夠大， 引起放大器的飽和增益。 飽和時(shí)的增益隨信號(hào)功率增加而減小。 v (5) 增益波動(dòng): 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(guò)程中， 設(shè)法向其摻入一定量的三價(jià)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(hào)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(jí)系統(tǒng)來(lái)解釋， 在泵浦光的激勵(lì)下，高能級(jí)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(jí)， 從而實(shí)現(xiàn)了粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。 v 當(dāng)具有1550 nm波長(zhǎng)的光信號(hào)通過(guò)這段摻鉺光纖時(shí)， 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(hào)中的光子一模一樣的光子， 從而大大增加了信號(hào)光中的光子數(shù)量， 即實(shí)現(xiàn)了信號(hào)光在摻鉺光纖的傳輸過(guò)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(guò)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(wú)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(shè)光濾波光濾波器器以降低ASE噪聲對(duì)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(zhǎng)的泵浦效率， 因此它們得到了廣泛的應(yīng)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(fù)用波分復(fù)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?fù)浣Y(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(zhǎng)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(hào)光和泵浦光耦合進(jìn)效地將信號(hào)光和泵浦光耦合進(jìn)/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(gè)可接受的水射回放大器的光減小到一個(gè)可接受的

8、水平平。 如果沒(méi)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(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)，噪聲性能較好。 v (2) 反向泵浦反向泵浦是一種信號(hào)光與泵浦光從兩個(gè)不同方向注入摻鉺光纖的結(jié)構(gòu)， 輸出信號(hào)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(hào)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(hào)泵浦LDWDM光隔離器偏振器v EDFA有如下優(yōu)點(diǎn)： 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(hào)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?yàn)榕c偏振無(wú)關(guān)， 導(dǎo)致了良好的穩(wěn)定性。 v 當(dāng)然， EDFA也存在ASE噪聲、 串?dāng)_、 增益飽和等問(wèn)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(zhǎng)度、光纖長(zhǎng)度、 泵浦光的波長(zhǎng)泵浦光的波長(zhǎng)等因素有關(guān)聯(lián)。 v 當(dāng)鉺的濃度超過(guò)一定值時(shí)， 增益反而降低， 其原因是存在增益飽和效應(yīng)， 過(guò)量鉺會(huì)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(shí)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(shí)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(zhǎng)度光纖長(zhǎng)度的增加而上升， 但當(dāng)光纖超過(guò)了一定長(zhǎng)度后， 增益反而逐漸下降， 因此存在著一個(gè)可獲得最佳增益的最佳長(zhǎng)度， 但應(yīng)注意， 這一長(zhǎng)度只能是最大增益長(zhǎng)度最大增益長(zhǎng)度， 而不是摻鉺光纖的最佳長(zhǎng)度， 因?yàn)檫€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(zhǎng))有關(guān)， 目前采用的主要泵浦波長(zhǎng)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(yīng)是在光纖介質(zhì)中傳輸高功率信號(hào)時(shí)發(fā)生的非線性相互作用， 適當(dāng)?shù)剡x擇適當(dāng)?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(hào)的頻率調(diào)諧到被放大信號(hào)的頻

12、率上。 v 一定頻率的信號(hào)光和泵浦光通過(guò)WDM合波器輸入至光纖， 當(dāng)這兩束光在光纖中一起傳輸時(shí)， 泵浦光的能量通過(guò)受激拉曼效應(yīng)轉(zhuǎn)移給信號(hào)光， 使信號(hào)光得到放大。 泵浦光和信號(hào)光亦可分別在光纖的兩端輸入， 在反向傳輸過(guò)程中同樣能實(shí)現(xiàn)弱信號(hào)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(shí)現(xiàn)放大的， 實(shí)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(shí)現(xiàn)放大功能的，受激散射實(shí)現(xiàn)放大功能的， 不需要能級(jí)不需要能級(jí)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(diǎn)是：能夠提供能夠提供

13、整個(gè)波段的光放大整個(gè)波段的光放大。 通過(guò)適當(dāng)改變泵浦改變泵浦激光器的光波波長(zhǎng)就可以得到在任意波激光器的光波波長(zhǎng)就可以得到在任意波段進(jìn)行光放大的寬帶放大器段進(jìn)行光放大的寬帶放大器， 甚至可在12791670 nm整個(gè)波段內(nèi)提供放大。 目前， SRA已在以下三個(gè)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(duì)1550 nm波段的光信號(hào)進(jìn)行放大，為了能對(duì)1310 nm波段的光信號(hào)進(jìn)行放大， 人們?cè)诠饫w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(duì)現(xiàn)有的光纖線路的升級(jí)和擴(kuò)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(shí)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(lái)對(duì)光信號(hào)進(jìn)行放大的， 它與EDFA相比具有如下特點(diǎn)： v（1） 工作在1.3 m波長(zhǎng)（12801340 nm）。 v（2） 高的增益（約30 dB）。 v（3） 高的輸出功率（達(dá)30

15、0 mW)。 v（4） 泵浦光源波長(zhǎng)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(shí)摻入鋁，是當(dāng)前應(yīng)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(jí)分布改變， 加寬可放大的頻率。通過(guò)對(duì)對(duì)EDFA摻鋁可以擴(kuò)大摻鋁可以擴(kuò)大1550 nm波長(zhǎng)區(qū)波長(zhǎng)區(qū)。如果進(jìn)一步提高鋁的摻雜濃度，不管是對(duì)小信號(hào)功率，還是對(duì)大信號(hào)功率都能提高在1540 nm時(shí)的增益，因而可減小增益差以達(dá)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(lì)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(diǎn)是： v （1） 有寬的增益平坦度（約30 nm）。對(duì)多波長(zhǎng)光傳輸系統(tǒng)中的應(yīng)用具有相當(dāng)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(jī)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(yīng)用摻碲化物光纖制作放大器可實(shí)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(zhǎng)波長(zhǎng)一側(cè)移動(dòng)。其特點(diǎn)為： 5.5 半導(dǎo)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(zhǎng), 功耗小等優(yōu)點(diǎn)， 且SOA具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)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(yīng)用窗口。 SOA在波長(zhǎng)變換器中的應(yīng)用現(xiàn)已引起廣泛重視， 并將逐步得到應(yīng)用。 v 5.5.1 SOA的放大原理 v 半導(dǎo)體光放大器是利用受激輻射受激輻射來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)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(jī)制與半導(dǎo)體激光器中使用的完全相同， 即采用正向偏置的PN結(jié)， 對(duì)其

18、進(jìn)行電流注入， 實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布。 SOA與半導(dǎo)體激光器的結(jié)構(gòu)相似， 但它沒(méi)有反饋機(jī)制沒(méi)有反饋機(jī)制， 而反饋機(jī)制對(duì)產(chǎn)生相干的激光是很必要的。 因此SOA只能放大光信號(hào)， 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(jí)，產(chǎn)生粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。輸入光信號(hào)會(huì)通過(guò)受激輻射過(guò)程激活這些電子，使其躍遷到較低的能級(jí)，從而產(chǎn)生一個(gè)放大的光信號(hào)。 圖5.9 SOA的基本工作原理 有 源 層光 輸 入 信 號(hào)光 纖ARAR光 纖放 大 的 光 輸 出 信 號(hào)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(zhǎng)范圍。 v(5)是小型化的半導(dǎo)體器件， 易于和其他器件集成。 v 5.5.2 SOA的性能與應(yīng)用 v 1. 光信號(hào)放大器v 因?yàn)樵谑澜绶秶鷥?nèi)已鋪設(shè)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(zhǎng)為1.30 m的PDFA目前尚未達(dá)到實(shí)用化的水平， 所以仍然需要SOA。 v 2. 光電集成器件v 半導(dǎo)體放大器可與光纖放大器相抗衡的優(yōu)點(diǎn)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(cè)器)的基片上。 v 3. 光開關(guān) v 半導(dǎo)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?yàn)榘雽?dǎo)體在有泵浦時(shí)可以產(chǎn)生放大， 而在沒(méi)有泵浦時(shí)產(chǎn)生吸收。 其運(yùn)轉(zhuǎn)很簡(jiǎn)單， 當(dāng)提供電流泵浦時(shí)信號(hào)通過(guò)， 而需要信號(hào)阻斷時(shí)將泵浦源斷開 。5.6 光放大器的應(yīng)用v 光放大器在不同的光纖通信系統(tǒng)中均有應(yīng)用。 圖5.10給出了其四種基本的應(yīng)用。v (1)