光纖通信技術-第六章-光通信中的光放大器(1)

1、6.1 光放大器光放大器 6.2 半導體激光放大器（半導體激光放大器（SOA）6.3 摻鉺光纖放大器摻鉺光纖放大器6.4 光纖喇曼放大器光纖喇曼放大器6.5 放大器的應用放大器的應用第六章第六章 光纖通信中的光放大器光纖通信中的光放大器 本章簡介本章簡介 光放大器是可將微弱光信號直接進行光放大的器件，它的出現(xiàn)使光纖通信技術產(chǎn)生了質(zhì)的飛躍。本章根據(jù)光放大器的分類主要介紹了SOA放大器、摻雜光纖放大器和拉曼光纖放大器這三種光放大器的工作原理、組成結構、評價指標以及應用等內(nèi)容。光放大器的誕生從線路上解決了光纖通信的無電再生中繼問題，它為實現(xiàn)光纖通信系統(tǒng)的全光化奠定了堅實的基礎。6.1光放大器光放大器

2、 光放大器的發(fā)展最早可追溯到1923年A斯梅爾卡預示的自發(fā)喇曼散射，而后，科學家在半個世紀的時間里做了大量研究。1987年英國南安普敦大學和美國AT&T 貝爾實驗室報道了離子態(tài)的稀土元素鉺在光纖中可以提供1.55m波長處的光增益，這標志著摻鉺光纖放大器（EDFA）的研究取得突破性進展。1989年現(xiàn)安捷倫科技有限公司制成首件半導體光放大器（Semi-conductor Optical Amplifier，SOA）產(chǎn)品。 在1999年10月舉辦的日內(nèi)瓦電信展覽會上，朗訊公司展示了一種喇曼放大系統(tǒng)。2001年光纖喇曼放大器（Fiber Raman Amplifier，F(xiàn)RA）得以更廣泛的應用

3、。目前，光放大器在光纖通信系統(tǒng)最重要的應用就是促使了波分復用技術（Wavelength Division Multiplexing,WDM）走向?qū)嵱没?.1.1 光放大器的概念光放大器的概念 光纖的損耗和色散限制了光纖的傳輸距離，延長通信距離的方法是采用中繼器，中繼器的放大過程較為復雜，它是將輸入的光信號轉(zhuǎn)換為電信號，在電信號上進行放大、再生、再定時等處理后，再將經(jīng)處理后的電信號轉(zhuǎn)換為光信號經(jīng)光纖傳送出去，這種中繼方式稱為光/電/光中繼方式。 光/電/光中繼器需要光接收機和光發(fā)送機來分別完成光電變換和電光變換，其設備復雜，維護不便。隨著光纖通信的速率不斷提高，這種光電光中繼器的成本也隨之提高

4、，使得光纖通信系統(tǒng)的成本增加，性價比下降。 光放大器是可將光纖線路上微弱的光信號直接放大的器件，它的出現(xiàn)免去了光在放大時必須經(jīng)過的光/電/光轉(zhuǎn)換，使光纖通信技術產(chǎn)生了質(zhì)的飛躍。 光放大器是基于受激輻射或受激散射的原理來實現(xiàn)對微弱入射光進行放大的，其機制與激光器類似。當光介質(zhì)在泵浦電流或泵浦光作用下產(chǎn)生粒子數(shù)反轉(zhuǎn)時就獲得了光增益。 受激輻射和受激散射光放大器的通用結構和基本原理如圖6-1所示圖6.1 光放大器的通用結構 光放大器是不依賴比特率和調(diào)制方式的。這樣就使得系統(tǒng)即使在使用了放大器的情況下也可以很容易地升級到更高的速率或者變換信號的調(diào)制方式。此外，光放大器具有一個很寬的增益帶寬，這就保證能

5、夠一次放大整個DWDM 的頻譜，結果是極大地降低了長距離傳輸中的設備需求數(shù)量。6.1.2 光放大器的分類光放大器的分類 光放大器可以分為半導體光放大器（SOA）、有源光纖或摻雜光纖放大器（DFA）和拉曼放大器（FRA）三種主要類型。所有的放大器都是通過受激輻射或光功率轉(zhuǎn)移過程來實現(xiàn)入射光功率放大的。 （1）半導體光放大器（）半導體光放大器（SOA） SOA又稱作半導體激光放大器（Semiconductor Laser Amplifier，SLA），它由半導體材料制成，和半導體激光器（LD）一樣都是基于光的受激輻射和放大。事實上，激光器（Laser）的原意就是受激輻射引起的光放大（Laser A

6、mplification by Stimulated Emission of Radiation），該名稱強調(diào)的是激光材料中由于粒子數(shù)反轉(zhuǎn)產(chǎn)生的受激輻射可以引起光放大。 光放大器的結構與激光器很相似，但它沒有反饋機制，而反饋機制對于發(fā)射激光是必要的，足夠大的反饋可能引起自激振蕩，即受激輻射所需的初始注入光子可以從LD內(nèi)部產(chǎn)生，例如內(nèi)部的光噪聲；而SOA不能產(chǎn)生自激振蕩，因而受激輻射所需的初始注入光子必須由外部注入，即需要輸入光，因此，光放大器可以放大輸入信號，但本身不產(chǎn)生相干的光輸出，僅就是對輸入光進行放大。（2）有源光纖或摻雜光纖放大（）有源光纖或摻雜光纖放大（DFA） 有源光纖放大器的有源

7、媒體是稀土族元素（如Er、Pr、Tm、Nd 等），它摻雜在光纖的玻璃基體中，所以也稱作摻雜光纖放大器（DFA）。DFA是利用光纖中摻雜稀土元素引起的增益機制實現(xiàn)光放大的。 光纖通信系統(tǒng)最適合的摻雜光纖放大器是工作波長為1550nm摻鉺光纖放大器（EDFA）和工作波長為1310nm的摻鐠光纖放大器（PDFA）。用于1310nm窗口的PDFA，因受氟化物光纖制作困難和氟化物光纖特性的限制，機械強度較差，與常規(guī)光纖的熔接較為困難，究進展比較緩慢，尚未獲得廣泛應用。 目前在線路中使用的光放大技術主要是采用EDFA，EDFA 屬于摻雜稀有元素的光纖放大器家族中的一種，此外其他可能的摻雜元素還包括釹（通常

8、用于高功率的激光器）和鐿（它們通常和鉺一起混合用）等元素。目前已經(jīng)商品化并獲得大量應用的是EDFA。（3）拉曼放大器（）拉曼放大器（FRA） FRA的工作原理是基于受激拉曼散射（SRS）的非線性效應，在光纖中光功率較高時就會產(chǎn)生受激拉曼散射。FRA利用強的光源對光纖進行激發(fā)，使光纖產(chǎn)生非線性效應，在受激發(fā)的一段光纖的傳輸過程中得到放大。它的主要缺點是需要大功率的半導體激光器做泵浦源（約0.5-1w），因而其實用化受到了一定的限制。6.1.3 光放大器的主要指標光放大器的主要指標 光放大器工作性能的主要指標有放大器的增益系數(shù)與增益帶寬、放大器的增益與帶寬，飽和輸出功率和放大器噪聲。1. 增益系數(shù)

9、與增益帶寬增益系數(shù)與增益帶寬 （1）增益系數(shù)）增益系數(shù) 在泵浦源的激勵下，媒質(zhì)的外層電子吸收一定的能量后基態(tài)（能級1）躍遷到高能態(tài)（能級3）。在高能態(tài)上的電子極不穩(wěn)定，會快速到達能量較低的激發(fā)態(tài)（能級2）。 如圖6.2所示，在一定的條件下，處于激發(fā)態(tài)的電子在入射光的作用下發(fā)生受激輻射后又回到基態(tài)。根據(jù)能量守恒定律，受激輻射過程所產(chǎn)生的光子能量應該等于電子處于激發(fā)態(tài)和基態(tài)時的能量之差。如果所產(chǎn)生的光子能量與入射光子能量一致，則入射光被放大，這就是光放大器的工作原理。圖6.2 三能級泵浦結構 如圖6.2所示，在一定的條件下，處于激發(fā)態(tài)的電子在入射光的作用下發(fā)生受激輻射后又回到基態(tài)。根據(jù)能量守恒定律

10、，受激輻射過程所產(chǎn)生的光子能量應該等于電子處于激發(fā)態(tài)和基態(tài)時的能量之差。如果所產(chǎn)生的光子能量與入射光子能量一致，則入射光被放大，這就是光放大器的工作原理。 光增益不僅與入射光頻率（或波長）有關，也與放大器內(nèi)部光束強度有關。光增益與頻率和強度的具體關系取決于放大器增益介質(zhì)的特性。 由激光原理可知，對于均勻展寬二能級系統(tǒng)模型，其增益系數(shù)為02202( )1()/sggTP P（6.1） 當放大器的輸出功率遠遠小于飽和功率時，即放大器工作在小信號狀態(tài)時，式（6.1）中的 項可忽略，增益系數(shù)簡化為 式（6.2）表明，當信號光頻率 與原子躍遷頻率 相同時，增益達到最大；當 時，增益按照洛倫茲曲線下降，即

11、 偏離 越遠，則增益越小。/sP P02202( )1 ()ggT（6.2）000（2）增益帶寬）增益帶寬 增益帶寬定義為增益譜的半高全（FWHM）圖6.3 增益帶寬示意圖對于洛倫茲分布的增益譜，增益帶寬為22/gT（6.3）或212ggT（6.4）2. 放大器增益與帶寬放大器增益與帶寬（1）放大器增益）放大器增益 放大器的增益（放大倍數(shù)）G定義為 為放大器的輸入光功率， 為放大器的輸出光功率。 0iPGP（6.5）iP0P 放大器增益與增益系數(shù)有關，在沿光纖方向上，增益系數(shù)和光纖中摻雜的濃度有關，還和該處信號光與泵浦光的功率有關，所以放大器增益應該是沿長度的函數(shù)。 放大器增益與放大器增益系數(shù)

12、之間的關系為 L為放大器的長度。由此可看出，放大器的增益也與信號頻率有關，當 時，放大器增益最大；當出現(xiàn)失諧時， ，放大器增益將減小。0( )exp ( ) GgL（6.6）00（2）放大器帶寬）放大器帶寬 人們理想的放大器增益應在很寬的頻帶內(nèi)與波長無關，這樣在配有放大器的系統(tǒng)中可放寬單個信道上載波波長的選擇容限，也可在不降低系統(tǒng)性能的情況下，極大地增加WDM系統(tǒng)的信道個數(shù)。 但實際中的放大器都具有一定的工作頻率范圍。放大器的帶寬 定義為放大器增益 的半高全寬，它與增益帶寬 的關系為 由于 與 成指數(shù)關系，所以 小于 ，具體的差值與放大器的增益有關。a( )Gg0ln2()ln2agg L （

13、6.7）( )G( )gag3. 飽和輸出功率飽和輸出功率 在式（6.1）中，當 增大至可與 相比擬時， 降低， 也降低，這種現(xiàn)象叫做增益飽和。通常定義放大器增益降G至最大信號增益 的一半時的輸出功率為放大器的飽和輸出功率，用 表示。 PsP( )g( )G0GsoutP 放大器的飽和輸出功率與增益介質(zhì)的飽和功率的關系為 在一般情況下， ，所以 00ln22soutsGPPG（6.8）02G(ln2)0.69soutssPPP4. 放大器噪聲放大器噪聲 光纖放大器的噪聲主要來自于自發(fā)輻射。在激光器中，自發(fā)輻射是產(chǎn)生激光振蕩比不可少的條件，而在放大器中，自發(fā)輻射確實噪聲的主要來源，它與被放大的信

14、號光在光纖中一起傳輸、放大到達接收端，因而降低了信號光的信噪比(SNR)。 放大器的噪聲系數(shù)可用來表征自發(fā)輻射對信噪比帶來的影響，它定義為輸入信噪比與輸出信噪比的比值，可表示為()()innoutSNRFSNR（6.9） 即使是理想的放大器，輸入信號的 也被降低一倍（3db），實際放大器的 都超過3db，有些放大器的 達到6-8db。從光纖應用的角度來說，光放大器的 應越低越好，因為它是光纖通信系統(tǒng)中繼距離的重要限制因素。()inSNRnFnFnF6.2 半導體激光放大器半導體激光放大器(SOA) 半導體激光放大器是一種重要的光放大器，其結構類似于激光器，本質(zhì)是工作在閾值以下的InGaAsP激

15、光器。SOA的增益峰值可通過改變激活InGaAsP材料的成分，從O波段的1280nm到U波段的1650nm范圍內(nèi)任意窄波長通帶內(nèi)選擇。6.2.1 SOA的工作原理的工作原理 半導體光放大器SOA分為法布里-玻羅放大器FPA（Fabry-Perot Amplifier）和行波放大器TWA（Travellig-Wave Amplifier）兩大類。 法布里-玻羅放大器FPA兩側有部分反射鏡面，它是由半導體晶體的解理面形成的，兩端面的解理面構成較強的反饋，其自然反射率達32%。 如圖6.4所示，當信號光進入腔體后，在兩個鏡面間來回反射并被放大，最后以較高的強度發(fā)射出去。這種放大器受F-P腔的多次反射

16、效應影響嚴重，所以也稱為F-P型放大器。圖6.4 法布里-玻羅放大器 如圖6.5，行波放大器TWA在兩個端面上鍍有增透膜，大大降低了端面的反射系數(shù)，或者存在適當?shù)那忻娼嵌?，所以不會發(fā)生內(nèi)反射，入射光信號只要通過一次就會得到放大。TWA的光帶寬較寬，飽和功率高，偏振靈敏度低，所以用途比FPA更廣泛。圖6.5 行波放大器6.2.2 SOA的特性的特性l信號放大特性信號放大特性半導體光放大器的增益 可表示為 與 表示腔體解理面反射率， 為腔體諧振頻率； 為縱模間距（也稱F-P腔的自由譜寬）。 表示光波只傳播一次的單程增益。它可由式（6.6）計算得到。( )FPAG12221212(1)(1) ( )

17、( )()(1( )4( )sinFPAmLRR GGR R GR R Gv （6.10）1R2RmLv( )G 當入射光的頻率 與F-P腔的一個諧振頻率 相等時，增益達到峰值。當入射光的頻率偏離 時增益下降。當 時，可計算出峰值增益與最小增益分別為mm12RRR2max2(1)( )( )(1( )FPAR GGRG2min2(1)( )( )(1( )FPARGGRG（6.11）（6.12） SOA的增益頻譜是一條振蕩的曲線。在處，增益最大。隨著反射系數(shù)的降低，增益峰值降低，增益振蕩幅度逐漸減小。當 時，增益曲線就變成了行波放大器的增益曲線，且是高斯型曲線。m0R 2. 放大器的帶寬放大器

18、的帶寬 放大器帶寬由腔體諧振曲線形狀決定。定義增益減小到峰值增益的一半（3dB）所對應的半高全寬就是放大器的帶寬1211/21221sin4LFPAvG R RvG R R（）（6.13） 為了獲得較大的增益， 應盡量接近于1。但由式（6.13）可知，此時放大器帶寬非常小，只有F-P腔自由譜寬 很小的一部分，因而不適合光纖通信系統(tǒng)中的信號放大，因此，這類F-P放大器只在一些信號處理應用中使用。12G R RLv 當 0.17時，半導體光放大器的特性可以由行波放大器來描述，從而獲得較大的帶寬，但是，減小端面反射會存在技術上的問題。為此，人們通過一些途徑來減小反饋。12GR R 一種方法是條狀有源

19、區(qū)與正常的解理面傾斜，其結構如圖6.6（a）所示。在這種結構中，有源區(qū)端面具有一定的角度，因而反射得到降低，采用這種角度端面結構與鍍制增透膜相結合的方法，很容易就可以實現(xiàn)反率 4010spNRnNN（a）圖6.6 行波放大器的兩種結構 另外一種方法是在有源層端面和解理面之間插入透明窗口區(qū)，其結構如圖6.6（b）所示。在這種結構中，有源區(qū)與端面之間有一個透明區(qū)，來自有源區(qū)的光束在經(jīng)端面反射之前發(fā)生發(fā)散，反射之后發(fā)散更嚴重，所以只有極少部分的光返回到有源區(qū)中，這種結構與鍍膜相結合，也可以使端面反射率降低至 。410(b)圖6.6 行波放大器的兩種結構3. 噪聲特性噪聲特性 由前面的知識我們可以知道

20、，噪聲系數(shù)主要取決于自發(fā)輻射，它與粒子數(shù)反轉(zhuǎn)因子 （或稱為自發(fā)輻射因子）有關， 可表示為自發(fā)輻射率對凈激發(fā)輻射率之比 表示SOA的基態(tài)粒子數(shù)濃度，N表示激發(fā)態(tài)的粒子數(shù)濃度。spnspn0spNnNN（6.14）0N 噪聲系數(shù)的另一個影響來自放大器內(nèi)部的非輻射損耗 （即自由載流子吸收或散射損耗），使得可用增益減小到g- 。 考慮到上述這些因素后，放大器的噪聲系數(shù)可以表示為 SOA噪聲指數(shù)的典型值為5-7dB。02()()nNgFNNg（6.15） 由于放大器端面剩余反射率的存在，它會使噪聲系數(shù)增加到（1+ ）倍，式中 是輸入解理面反射系數(shù)。大多數(shù)行波放大器 ，所以對噪聲系數(shù)的影響可以忽略。1RG

21、1R11RG4. 信道間串擾信道間串擾 光放大器的一個優(yōu)點就是可以同時對多信道復用的信號進行放大，只要信道的載頻位于放大器的帶寬以內(nèi)。在理想的情況下，放大器對每一信道的信號增益應該是相等的，但實際上由于SOA內(nèi)存在一些非線性效應，例如交叉飽和、四波混頻等使信道之間發(fā)生串擾，在光纖通信系統(tǒng)中應盡量減小這種串擾。在多信道放大情況下，信道功率可表示為： 表示組合共軛項，M表示信道數(shù)， 和 分別表示第j信道的復振幅和頻率。 11exp().2MjjjPAjtC C（6.16）.C CjAj 由于多個不同信道場的相干迭加，式（6.16）表示的光功率包含與時間相關的由不同信道差頻決定的分量，即112cos

22、()MMMjjkjkjkjjkjPPP Pt (6.17)exp()jjjAPijkjk 由于增益和折射率均與載流子濃度N有關，它們在 頻率點也被調(diào)制。在多信道信號被同時放大時，產(chǎn)生了不希望有的附加增益和折射率指數(shù)光柵。這種光柵引起一個信道信號的一部分能量散射到另一個信道而產(chǎn)生信道串擾，從而使接收機SNR下降。 jk SOA存在噪聲大、增益小、對串擾和偏振敏感、與光纖耦合損耗大以及工作穩(wěn)定性較差等缺陷，其性能與摻鉺光纖放大器仍有較大的差距，因此，SOA僅在EDFA不能工作的1310nm波段作光放大使用。 但是，SOA在DWDM多波長光纖通信系統(tǒng)中無需增益鎖定，還可作為波長路由器中的波長轉(zhuǎn)換和快

23、速交換器件使用，可促成1310nm窗口DWDM系統(tǒng)的實現(xiàn)。在OTDM中，SOA也可以用作時鐘恢復和解復用器的非線性器件。6.3 摻鉺光纖放大器摻鉺光纖放大器(EDFA) 在EDFA誕生以前，已經(jīng)有了光纖喇曼放大器（FRA）和半導體光放大器（SOA），到20世紀80年代中期，這幾項技術已經(jīng)比較成熟。但是，由于自身的一些缺陷，它們在光纖通信系統(tǒng)中的應用并不令人滿意。EDFA是將摻鉺光纖在泵浦源的作用下，對某些波長的信號光進行放大的摻雜型光纖放大器，放大器的增益特性和工作波長由摻雜粒子決定。 這種摻雜光纖放大器是利用光纖中摻雜稀土離子引起的增益機制實現(xiàn)光放大的。許多稀土離子都可被用作摻雜劑而構成摻雜

24、光纖放大器，研究的最多的是摻雜 、 （用于1310nm波長放大）和摻雜 （用于1550nm波長放大）的光纖放大器，其中尤以摻雜 光纖放大器最為成熟，且在1990年實現(xiàn)商用化。3dN3rP3rE3rE6.3.1 EDFA的工作原理的工作原理 半導體光放大器利用外部注入電流來激活電子，使之到達較高能級。光纖放大器使用光泵浦來達到同一目的，在這個過程中，光子直接激勵電子使其達到激發(fā)態(tài)。光泵浦過程需要使用三個或更多能級，將電子抽運到的頂層能級一定要在受激輻射能級之上。 電子到達激發(fā)態(tài)后，會釋放一些能量會很快弛豫到受激輻射能級，在這個能級上，信號光子觸發(fā)它產(chǎn)生受激輻射，以產(chǎn)生新光子的形式釋放剩余的能量，

25、新光子的波長等于信號光的波長。由于泵浦光能量高于信號光能量，多以泵浦光波長比信號波長要短一些。 為了對EDFA的工作過程有個直觀的了解，先分析一下餌離子的能級結構圖。鉺（Er）是一種稀土元素（屬于鑭系元素），原子序數(shù)是68 ，原子量為167.3 。EDFA利用了鑭系元素的4f 能級，圖6.7 是餌離子的能級圖。 4I9/2 4I11/2 4I13/2 4I15/2 980nm 1480nm 800nm 1530nm 圖6.7 能級示意圖 摻鉺光纖中，由于石英基質(zhì)的作用，4f 的每一個能級分裂成一個能帶。圖中，4I15/2能帶稱為基態(tài)；4I13/2能帶稱為亞穩(wěn)態(tài)，在亞穩(wěn)態(tài)上粒子的平均壽命時間達到

26、10ms ；4I11/2能帶稱為泵浦態(tài)，粒子在泵浦態(tài)上的平均壽命為1s 。 由于980nm和1480nm大功率半導體激光器已完全商用化，并且泵浦效率高于其他波長，故得到最廣泛的應用。用1480nm 泵浦源時泵浦效率高，可以獲得較大的輸出功率；采用980nm泵浦源時雖然泵浦效率較低，但它引入的噪聲小，可以得到好的噪聲系數(shù)。 EDFA的工作機理基于受激輻射，需要產(chǎn)生高能級與低能級之間的粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。鉺離子吸收泵浦光的能量，由基態(tài)躍遷至處于高能級的泵浦態(tài)。對于不同的泵浦波長，電子躍遷至不同的能級。 如圖6.8所示，當用980 nm 波長的光泵浦時，從基態(tài)躍遷至泵浦態(tài)，由于泵浦態(tài)上載流子的壽命時間只有1

27、s ，電子以非輻射方式由泵浦態(tài)迅速豫馳至亞穩(wěn)態(tài)。在亞穩(wěn)態(tài)上載流子有較長的壽命（10ms） ，在源源不斷的泵浦下，亞穩(wěn)態(tài)上的粒子數(shù)積累，從而實現(xiàn)了亞穩(wěn)態(tài)和基態(tài)間的粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布。 當有1.55m 信號光通過已被激活的摻鉺光纖時，在信號光的感應下，亞穩(wěn)態(tài)上的粒子以受激輻射的方式躍遷到基態(tài)。對應于每一次躍遷，都產(chǎn)生一個與感應光子完全一樣的光子，從而實現(xiàn)了信號光在摻鉺光纖的傳播過程中的不斷放大。 在放大過程中，亞穩(wěn)態(tài)的粒子也會以自發(fā)輻射的方式躍遷到基態(tài)，自發(fā)輻射產(chǎn)生的光子也會被放大，這種放大的自發(fā)輻射（ASE ：Amplified Spontaneous Emission）會消耗泵浦功率并引入噪聲。

28、泵浦光980 nm能 級 1 （0ev）sp=1s泵浦光1480 nm受激輻射信號光（15001600 nm）自發(fā)輻射光（15001600 nm）ASE能級2（0.80ev）能級3（1.27ev）sp=10ms圖6.8EDFA的工作原理圖 如圖6.8所示，當采用1480nm波長泵浦源時，它可以直接鉺離子將從能級1激發(fā)到能級2上去實現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，而不需像980nm泵浦源要先將鉺離子抽運到能級3后，再自發(fā)輻射到亞穩(wěn)態(tài)能級2上。 當能量相當于從基態(tài)到亞穩(wěn)態(tài)間帶隙能量的信號光子流通過摻鉺光纖放大器時，會產(chǎn)生兩種類型的躍遷。第一，處在基態(tài)的離子將吸收一小部分外部光子躍遷到亞穩(wěn)態(tài)；第二，在受激輻射過程中，

29、信號光子觸發(fā)激發(fā)態(tài)離子下降到基態(tài)，從而發(fā)射出一個與輸入信號光子具有相同能量、相同波矢量以及相同偏振態(tài)的新光子。 根據(jù)摻鉺光纖的能級特點，EDFA的泵浦波長有1.48m、0.98m、0.807m、0.655m和0.514m。選用哪個波長取決于泵浦波長的泵浦效率和光源是否容易獲取。 所謂泵浦效率，是指放大器增益與泵浦功率之比。泵浦效率高，說明泵浦光功率的轉(zhuǎn)換效率高。在這些泵浦波長中，0.98m泵浦效率最高，其次是1.48m。由于1.48m的大功率泵浦源最先研制成功，因此早期的EDFA產(chǎn)品普遍使用1.48泵浦源。 目前，0.98m泵浦源已經(jīng)研制成功，在新的EDFA產(chǎn)品中逐步取代1.48m泵浦源。使用

30、這兩種波長的光泵浦EDFA時，只用幾毫瓦的泵浦功率就可獲得高達30-40dB的放大器增益。6.3.2 EDFA的結構的結構 EDFA 主要由摻鉺光纖(EDF)、泵浦光源、耦合器、光隔離器及光濾波器組成。光耦合器的作用是將信號光和泵浦光復合在一起，注入到摻鉺光纖中，一般采用波分復用器來實現(xiàn)。 摻鉺光纖是一段長度大約為10-100m的石英光纖，將稀土鉺離子注入到纖芯中，濃度約為25mg/kg。泵浦光源為半導體激光器，輸出光功率約為10-100mw，工作波長約為0.98m。光隔離器是用來抑制光反射，防止光放大器自激，確保工作穩(wěn)定。 光濾波器的作用濾除光放大器的噪聲，降低噪聲對系統(tǒng)的影響，提高系統(tǒng)的信

31、噪比。當較弱的信號光與較強的泵浦光一起輸入EDF時，泵浦光激活EDF中的鉺離子，躍遷到高能級態(tài)；在信號光的誘導下，受激輻射，躍遷到基態(tài)，產(chǎn)生與信號光相同的光子，實現(xiàn)輸入信號光的放大。 EDFA的結構由于采用的泵浦方式不同而有三種，它們分別稱為前向泵浦方式、反向泵浦方式和雙向泵浦方式。 在前向泵浦結構中，泵浦光與信號光從同一端注入摻鉺光纖，在摻鉺光纖的輸入端，泵浦光較強，粒子反轉(zhuǎn)激勵也強，其增益系數(shù)大，信號一進入光纖即得到了較強的放大。但由于吸收，泵浦光將沿著光纖長度衰減，這會使在一定的光纖長度上，因而達到增益飽和而使噪聲增加。 信號光 耦合器 光隔離器 摻鉺光纖 光隔離器 光濾波器 輸出光 泵

32、浦光 前向泵浦方式 在反向泵浦結構中，泵浦光與信號光從不同的方向輸入摻雜光纖，兩者下?lián)姐s光纖中方向傳輸，當光信號放大到很強時，泵浦光也很強，不易達到飽和噪聲性能較好。 信號光 耦合器 光隔離器 EDF 光隔離器 光濾波器 輸出光 泵浦光 反向泵浦方式 為了使摻鉺光纖中的餌離子能夠得到充分的激勵，必須提高泵浦功率?？刹捎枚鄠€泵浦源從多個方向激勵光纖，幾個泵浦源可部分前向泵浦，部分后向泵浦，這種泵浦方式稱為雙向泵浦。 信號光 耦合器 光隔離器 EDF 光隔離器 光濾波器 輸出光 泵浦光 泵浦光 耦合器 雙向泵浦方式 雙向泵浦方式結合了同向泵浦和反向泵浦的優(yōu)點，使泵浦光在光纖中均勻分布，從而使增益在

33、光纖中均勻分布。 從輸出功率上來看，單泵浦的的輸出功率可達14dBm，而雙泵浦的輸出功率可17dBm。 三種泵浦結構的性能比較可參考表6.1。表6.1 三種泵浦方式的摻鉺光纖放大器性能比較6.3.3 EDFA的主要指標的主要指標 EDFA的性能可用增益特性、增益飽和特性與噪聲特性三個主要指標來反映。1. 增益特性增益特性 功率增益反映摻鉺光纖放大器的放大能力，功率增益系數(shù)定義為輸出信號光功率與輸入信號光功率的比值，G的大小與泵浦功率、光纖長度、餌離子濃度等因素有關，一般以分貝（dB）來表示，即10lg()outinPGdBP（6.18） 對于一定的摻鉺光纖長度，只要泵浦功率達到某一值時，就可將

34、大部分的餌離子泵浦到高能級上，G也會隨泵浦功率的增長按指數(shù)增長，由于餌離子數(shù)目是有限的，當泵浦功率超過某一值時，增長就會變得緩慢，并趨于一恒定值，此后再增加泵浦功率不能再使增益增大。 圖6.10表示了不同長度的放大器增益隨泵浦功率的變化情況。圖6.10 放大器增益與泵浦功率的關系 對于一定的泵浦功率，當光線長度較短時，增益增加很快；當超過某一長度后，增益反而下降。這是因為隨著長度的增加，光纖中的泵浦光功率下降，而且摻鉺光纖受到較大的吸收衰減，從而導致增益系數(shù)下降。 圖6.11表示了不同泵浦功率下，放大器增益與放大器長度的關系。當光線達到某一長度時可獲得最大增益，這個長度稱為最佳增益長度。圖6.

35、11 摻鉺光纖長度與泵浦功率的關系 在設計EDFA時，要在摻鉺光纖結構參數(shù)的基礎上，選擇合適的泵浦功率和最佳常速，以使放大器工作在最佳長度。例如采用1.480m的泵浦光源時，當泵浦功率為5mw時，摻鉺光纖長度為30m時，可獲得35dB增益；采用1.5m的泵浦光源時，當泵浦功率為5mw時，摻鉺光纖長度為30m時，可獲得30dB增益；EDF再長已經(jīng)沒有意義。2. 增益飽和特性增益飽和特性 當光纖長度一定時，增益隨泵浦功率的增加而迅速增加。但當泵浦功率增加到一定值以后，增益隨泵浦功率的增加變得緩慢，甚至不變，這種現(xiàn)象稱為增益飽和。這是泵浦功率導致的EDFA出現(xiàn)增益飽和的緣故。 在泵浦功率一定時， 輸

36、入信號功率較小時，放大器增益不隨輸入光信號的增加而變化；當輸入信號功率增大到一定值后，增益開始隨信號功率的增加而下降，這是輸入信號導致EDFA出現(xiàn)增益飽和的緣故。 EDFA的最大輸出功率常用3dB飽和輸出功率來表示。如圖6.12所示，當飽和增益下降到3dB時所對應的的輸出功率值為3dB飽和輸出功率。它代表了摻鉺光纖放大器的最大輸出能力。圖6.12 EDFA的飽和增益特性3. 噪聲特性噪聲特性 EDFA的噪聲主要來自它的自發(fā)輻射。自發(fā)輻射產(chǎn)生的光與被放大的信號光在光纖中一起傳播、放大，由于ASE 占有整個放大帶寬，故不可能將其全部濾除。一般用噪聲系數(shù)（NF ：Noise Figure）來衡量一個

37、EDFA 的噪聲特性，其定義為放大器輸入信噪比和輸出信噪比之比。一般來時，噪聲系數(shù)越小越好。 對于不同的泵浦波長，NF是有差異的。當使用1480nm泵浦時，由于泵浦態(tài)和亞穩(wěn)態(tài)處在同一個能帶中，該能帶中的粒子服從玻耳茲曼分布規(guī)律，所以始終有部分粒子保持在泵浦態(tài)上，使得基態(tài)粒子不能全部反轉(zhuǎn)，其反轉(zhuǎn)程度小于980nm泵浦。 正因如此，后者泵浦的EDFA的NF優(yōu)于前者。理論上證明，對于任何利用受激輻射進行放大的放大器，其NF的最小值為3dB，這個極限被稱為NF 的量子極限。對于980nm泵浦，其NF可以接近量子極限，而對于1480nm泵浦，報道的最小NF約為4dB 。 EDFA 的有三種基本泵浦結構方

38、式，即同向泵浦、反向泵浦和雙向泵浦。三種泵浦結構的EDFA 在性能上略有差異。采用同向泵浦，可獲得較好的噪聲性能；采用反向泵浦，可獲得較高的輸出功率；采用雙向泵浦，可使EDFA的增益和噪聲性能都優(yōu)于單向泵浦，但由于增加了一個泵浦源，EDFA的成本也增加很多。 在這些基本結構的基礎上，EDFA向著多級化復合結構發(fā)展。研究表明，在摻鉺光纖中插入合適的光學器件可以平坦放大器的增益、抑制反向ASE和瑞利散射；還可以實現(xiàn)增益控制和輸出限制放大器，充分利用泵浦光功率等等。所有這些方法都以增加放大器的復雜程度來換取其性能的提高。6.4.3 EDFA的特點的特點摻鉺光纖放大器的主要優(yōu)點有以下五個方面：（1）工

39、作波長處在1.51.6，與光纖的最小損耗窗口一致；（2）摻鉺光纖放大器的主體是一段光纖，它與傳輸光纖的耦合損耗低，可低至0.1dB；（3）增益高可達30-40dB；飽和輸出功率大，為10-15dBm；增益特性與光偏振態(tài)無關；（4）噪聲指數(shù)小，一般為4-7dB；用于多信道傳輸時，隔離度大，無串擾，適用于波分復用系統(tǒng)；（5）對摻鉺光纖進行激勵的泵浦功率低，僅需幾十毫瓦。 摻鉺光纖放大器也有其缺點，主要表現(xiàn)在以下兩個方面：（1）波長固定，只能放大1.55附近的光波。換用不同基制的光纖時，餌離子能級也只能發(fā)生很小的變化，可調(diào)節(jié)的波長有限，只能換用摻雜其他元素來改善。（2）增益帶寬不平坦。在WDM系統(tǒng)中

40、需要采用特殊的手段來進行增益譜補償。6.4 光纖喇曼放大器光纖喇曼放大器(FRA) EDFA實現(xiàn)了對一根光纖中傳輸?shù)亩嗦饭庑盘柾瑫r放大，不僅降低了中繼， 高了傳輸效率，而且還具有高速率、高增益和低噪聲等優(yōu)點，因此它被成功地用于WDM光纖系統(tǒng)中，極大地增加了光纖傳輸系統(tǒng)的信息容量。 隨著WDM的通道數(shù)越來越多，工作波長的范圍也不斷增大，工作波長已經(jīng)逐漸地從C波段擴展到L波段甚至是S波段。因此，WDM傳輸系統(tǒng)對光放大器的帶寬要求也越來越高。 而EDFA只能實現(xiàn)在C波段約35nm帶寬內(nèi)信號的放大，采用單一的EDFA不能夠同時放大兩個波段的光信號，所以必須尋求一種寬帶放大的解決方案。 為此利用光纖的非

41、線性效應受激拉曼散射（SRS）進行光放大的拉曼光纖放大器應運而生。當適當波長的泵浦光注入到光纖中，拉曼頻移處的光信號將得到放大，基于這種原理的放大器稱之為拉曼光纖放大器（RFA）。 與摻鉺光纖放大器（EDFA）和半導體光放大器（SOA）相比，拉曼光纖放大器優(yōu)勢明顯： 增益波長由泵浦波長決定，理論上可以實現(xiàn)任意波長信號的放大；可以實現(xiàn)分布式放大，增益介質(zhì)就是傳輸光纖本身；信號間差拍噪聲小，噪聲指數(shù)低；可以通過多波長泵浦，實現(xiàn)寬帶放大。 隨著10Gbit/s DWDM 長距離傳輸系統(tǒng)的大量應用和40Gbit/s 技術的日趨成熟，拉曼光纖放大器的重要性日漸顯露，并逐步進入商用。光器件制造商競相研制出

42、了性能優(yōu)良的拉曼光纖放大器，主要是希望利用拉曼光纖放大器特有的分布式放大、可降低非線性影響、噪聲特性好等特點，進一步推動高速、大容量、長距離光纖傳輸系統(tǒng)的發(fā)展。6.4.1 FRA的工作原理的工作原理 光纖喇曼放大器是利用光纖的受激喇曼散射效應制成的。我們先來了解一下喇曼散射效應：物質(zhì)內(nèi)部的分子無時無刻不在振動著，但它們只能在某幾個固定的頻率上振動，這些頻率叫喇曼頻率，不同的頻率對應著不同的分子能量。 當外界光照射時，外來光子能與振動分子發(fā)生能量交換，這時在入射光光譜線（母線）兩邊出現(xiàn)一些強度很弱的新譜線，這種效應稱為喇曼散射效應。 這些新出現(xiàn)的譜線叫伴線，其中比母線波長長的叫斯托克斯線，比母線

43、波長短的叫反斯托克斯線。它們兩個與母線波長的間隔相等，其值等于相應的分子振動頻率，約為十幾太赫茲。自發(fā)喇曼散射效應很弱，散射光的強度一般只有入射光強度的百萬分之一或億萬分之一。 DRA 工作的基本原理是受激拉曼散射（SRS）效應，當足夠強的短波長泵浦光以一定強度與信號光同時進入光纖后，信號在光纖中被放大。即將一小部分入射功率由一光束轉(zhuǎn)移到另外一個頻率下移的光束，頻率下移量由非線性介質(zhì)的振動模式?jīng)Q定。 當波長較短（與信號波長相比）的泵浦光饋入光纖時，發(fā)生此類效應。泵浦光光子釋放其自身的能量，釋放出基于信號光波長的光子，將其能量疊加在信號光上，從而完成對信號光的放大。 泵浦光子的能量產(chǎn)生了一個與信

44、號光同頻的光子和一個聲子（vibration energy），如圖6.13 所示圖6.13 自激喇曼散射效應 圖6.13中，基態(tài)上方存在一個范圍較寬的振動態(tài)，為信號光提供增益。由于振動態(tài)（vibrational states）與基態(tài)（ground state）間的寬度很大，也就提供了多種增益的可能，這可由圖6.13中的陰影區(qū)域看出。 光纖喇曼放大器就是利用額石英光纖中的受激喇曼效應實現(xiàn)光放大的，將一個長波長弱信號光與一個短波長強泵浦光波同時在光纖中傳輸，泵浦光功率超過受激喇曼散射閾值功率且弱信號光位于泵浦光的喇曼增益譜帶寬之內(nèi)，則弱信號光被該光纖放大。 石英光纖中喇曼增益有一個很寬的頻率范圍（

45、達40THz），并且頻移為13.2THz附近有一個較寬的主峰，如圖6.14所示。 頻移/THz 0 5 10 15 20 25 30 頻移/THz 增益(10-13m/W) 1 0.8 0.6 0.4 0.2 0 圖6.14 光纖的喇曼增益譜 這些性質(zhì)和光纖的非晶性有關。在熔石英等非晶材料中，分子的振動頻率展寬成頻帶，這些頻帶交疊并產(chǎn)生連續(xù)態(tài)。因此和大多數(shù)介質(zhì)中在特定頻率上產(chǎn)生喇曼增益的情況不同，光纖中的喇曼增益頻譜是一個連續(xù)的寬帶譜，這就是光纖可以用作寬帶放大器的原因。 圖6.14中的橫軸（頻移）表示泵浦光與斯托克斯光的頻率差。6.4.2 FRA的結構和特點的結構和特點 FRA的結構如圖6.

46、15所示。信號光在光纖內(nèi)正向傳輸，泵浦光通過WDM耦合進傳輸光纖，泵浦光可以正向注入也可以反向注入。為了減少泵浦光噪聲對信號的影響，一般采用反向注入。圖6.15 FRA的結構示意圖 FRA能夠提供一個單一、簡化的放大平臺從而來滿足長途和超長傳輸?shù)男枰?。FRA的種類很多，根據(jù)泵浦方式可以分為前向、后向和雙向泵浦的喇曼放大器。如果按結構來分，拉曼放大器主要分為兩大類：分立式拉曼放大器和分布式拉曼放大器。1. 分立式喇曼放大器分立式喇曼放大器 分立式拉曼放大器是指用一個集中的單元來提供增益，這一點與分布式FRA完全不同，在分立式FRA中，所有的泵浦功率都被限制在一個由隔離器作為邊界的集中單元中。 如

47、圖6.16 給出了一個典型的采用集中泵浦的拉曼放大器。在圖中后向傳輸?shù)谋闷止夤β释ㄟ^使用隔離器被集中在一個單元中。相比于分布式FRA 應用而言，圖中的FRA基本沒有泵浦功率進入到外部傳輸線路中。 圖6.16 分立式拉曼放大器工作原理 分立式拉曼放大器采用拉曼增益系數(shù)較高的特種光纖（如高摻鍺光纖等），這種光纖長度一般為幾公里。泵浦功率要求很高，一般在數(shù)瓦。分立式拉曼放大器可產(chǎn)生40dB 以上的高增益，其應用方式和EDFA完全一樣是用來對信號進行集總式放大，因此主要用于實現(xiàn)EDFA 無法放大的波段。2. 分布式喇曼放大器分布式喇曼放大器 分布式的拉曼放大器（DRA）是一種可以對傳輸光纖進行泵浦放大

48、的一種放大器。分布式放大器可以使光傳輸系統(tǒng)的性能得到極大的改善，而以目前的技術來看只有拉曼放大技術才能實現(xiàn)在光傳輸過程中的分布式放大，因此分布式拉曼放大器在系統(tǒng)中的應用前景正日益重要起來。 分布式拉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 用于提高DWDM 通信系統(tǒng)的性能，抑制非線性效應，提高信噪比。 在DWDM系統(tǒng)中，傳輸容量，尤其是復用波長數(shù)目的增加，使光纖中傳輸?shù)墓夤β试絹碓酱?，引起的非線性效應也越來越強，容易產(chǎn)生信道串擾，使信號失真。采用分布式光纖拉曼放大輔助傳輸可大大降低信號的入射功率，同時保持適當?shù)墓庑盘栃旁氡龋∣SNR）。這種分布式拉曼

49、放大技術由于系統(tǒng)傳輸容量提升的需要而得到快速的發(fā)展。 分布式光纖拉曼放大輔助傳輸系統(tǒng)的典型結構如圖6.17 所示，DRA 就利用了傳輸網(wǎng)絡中已有的傳輸光纖作為拉曼增益介質(zhì)來進行放大。這是一個很典型的放大結構：即后向傳輸?shù)睦闷峙c分立式放大器（如EDFA）結合起來組成的混合放大器。 圖6.17 采用分布式拉曼輔助傳輸?shù)腤DM 系統(tǒng) 拉曼泵浦光在DWDM系統(tǒng)的每個傳輸單元的末端注入光纖，并與信號傳輸方向相反，以傳輸光纖為增益介質(zhì)，對信號進行分布式放大。如此，分布式光纖拉曼放大器與摻鉺光纖放大器混合使用，同時對信號進行在線放大。值得注意的是，這種后向拉曼泵浦由于傳輸單元末端的光信號功率微弱，不會因

50、為拉曼放大而引起附加的光纖非線性效應。 分布式拉曼放大器可作為預放，置于接收機或EDFA 的前面，以提高光傳輸系統(tǒng)的光信噪比OSNR，增加傳輸跨距（Span）長度。在長距離傳輸光纖中，信號被分布式放大，接收端信號的信噪比得到改善。喇曼放大器的特點如下：喇曼放大器的特點如下： （1）喇曼放大器利用石英光纖的固有屬性（SRS）來獲得信號放大，傳輸光纖可以用來作為放大媒質(zhì)，構成分布式放大器（DRA） ，即光信號在傳輸?shù)耐瑫r被放大。（2）工作波長取決于泵浦波長，F(xiàn)RA可以工作在1.3m 波段，也可以在1.5m 波段，增益帶寬的位置能夠通過調(diào)諧泵浦波長來進行調(diào)整，增益范圍靈活，可調(diào)整。（3）在不同波長泵

51、浦下的喇曼增益譜形狀幾乎不變，而且之間可以相互重疊，這樣可以利用多個泵浦提供寬帶、平坦增益譜，并可根據(jù)需要調(diào)整增益譜的范圍，即通過多波長泵浦實現(xiàn)寬帶放大。已經(jīng)報道的采用多波長泵浦的光纖喇曼放大器中，增益平坦帶寬已達到80nm以上，整個增益帶寬可達到120 nm左右。（4）喇曼放大器具有優(yōu)良的噪聲性能，在超長距離傳輸時，可以保持好的OSNR。目前，數(shù)千千米的高速系統(tǒng)一般都要采用喇曼放大器。喇曼放大器的不足之處為：喇曼放大器的不足之處為：（1）喇曼光纖放大器所需要的泵浦光功率高，分立式要用幾瓦到幾時瓦，實現(xiàn)起來非常困難。而分布式則降低到幾百毫瓦。（2）不適合短距離的光放大，因為它作用距離太長，增益系數(shù)偏低。分立式FRA作用距離為幾公里，放大可達40dB；而分布式作用距離為幾十到上百公里，增益只有幾分貝到十幾分貝，這就決定了它只能適合于長途干線網(wǎng)的低噪聲放大。（3）對偏振敏感。泵浦光與信號光方向的振動方向平行時增益最大，垂直時增益最小為0。6.5光放大器的應用光放大器的應用6.5.1摻鉺光纖放大器摻鉺光纖放大器EDFA的應用的應用 EDFA的工作波長處在1550nm的光纖低損耗窗口上，該窗口的光纖損耗系數(shù)較1310nm窗口低?，F(xiàn)已商用的EDFA噪聲低、增益曲線好、與WDM系統(tǒng)兼容，泵浦效率高、工作性能穩(wěn)定、技術成熟，在光纖通信傳輸系統(tǒng)中備受青睞。EDFA主要的