光纖通信第五章+光放大器1

1、劉建國(guó)劉建國(guó)中國(guó)科學(xué)院大學(xué)中國(guó)科學(xué)院大學(xué)光纖通信技術(shù)三大問(wèn)題光纖通信技術(shù)三大問(wèn)題n如何提高光纖鏈路的速率？n如何提高通信系統(tǒng)的容量？n根據(jù)不同的應(yīng)用需求，如何選擇合適的通信器件？optical pre- amplifierphoto- detectorsemiconductor laseroptical modulatoroptical fiberelectrical signaloptical signaloptical receiverelectronicsoptical transmitteroptical amplifieroptical fiberoptical fiberoptic

2、al transmitteroptical receiverrepeaterinformation receiverreceiver electronicsinformation sourcedrive electronicsoptical pre- amplifierphoto- detectorsemiconductor laseroptical modulatoroptical fiberelectrical signaloptical signaloptical receiverelectronicsoptical transmitteroptical amplifieroptical

3、 fiberoptical fiberoptical transmitteroptical receiverrepeaterinformation receiverreceiver electronicsinformation sourcedrive electronics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)容提要內(nèi)容提要n 光放大概述n 光放大器分類 EDFA SOA FRA內(nèi)容提要內(nèi)容提要n 光放大概述n 光放大器分類 EDFA SOA FRAn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TransmitterRepe

4、aterElectronics (amplification, filtering, decision circuits)photodetectorlaserReceivern在WDM系統(tǒng)中，每個(gè)波長(zhǎng)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：以補(bǔ)償光信號(hào)在通路中的傳輸衰減，增大系統(tǒng)的無(wú)中繼傳輸距離。光放大器是基于實(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(méi)有反饋或反饋較小的激光器。n EDFA誕生：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。

5、DAVIDN.PAYNEandW.ALECGAMBLING影響：影響：光放大器最重光放大器最重要的意義在于促使波要的意義在于促使波分復(fù)用技術(shù)分復(fù)用技術(shù) (WDM) 走向走向?qū)嵱没?、促進(jìn)了實(shí)用化、促進(jìn)了光接入網(wǎng)的實(shí)用化光接入網(wǎng)的實(shí)用化光放大器的工作原理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(méi)有正反饋機(jī)制(2) 受激輻射(1) 能量注入 光光放放大大器器的的類類型型和和應(yīng)應(yīng)用用在線光放大：在線光放大：用于不需要光再生只需要簡(jiǎn)單放大的場(chǎng)合前置光放大：前置光放大：用于提高接收機(jī)的靈敏度功率放大：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)所

6、有光放大器在放大過(guò)程中都會(huì)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（大信號(hào)的信噪比（SNR）下降下降n 噪聲指數(shù)Fn，其定義為：n 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。outinnSNRSNRF)()(增益特性：增益特性：增益G與信號(hào)光波長(zhǎng)有關(guān)增益譜不平坦。n 光放大概述n 光放大器分類 EDFA SOA FRAn 稀土摻雜光纖放大器EDFA、PDFA、TDFAn 半導(dǎo)體光放大器SOAn 光纖非線性放大器拉曼放大

7、器、布里淵放大器，參量放大器n 原理：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。泵浦激泵浦激光器光器鉺離子簡(jiǎn)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)能帶原理：把泵浦光能量轉(zhuǎn)化為信號(hào)光能量工作范圍：1530 1560 nm鉺離子的三能帶結(jié)構(gòu)hvhvhvhvhvhvhvhv980 nm亞穩(wěn)態(tài)能帶泵浦能帶轉(zhuǎn)化成機(jī)械能前前向向泵泵浦浦EDFA后后向向泵泵浦浦EDFA反向泵浦反向泵浦反向泵浦反向泵浦反向泵浦反向泵浦反向泵浦反向泵浦雙雙向向泵泵浦浦EDFAinsi

8、npspinsoutsPPPPG,1EDFA的增益：隨輸?shù)脑鲆妫弘S輸入功率的入功率的變化變化Why?EDFA的增益：隨增益介質(zhì)長(zhǎng)度的增益：隨增益介質(zhì)長(zhǎng)度變化變化Why?0L吸收區(qū)增益降低同向泵浦對(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。增益隨泵浦功率而變的增益隨泵浦功率而變的曲線曲線(Why)EDFA 光放大器的光放大器的噪聲噪聲ASE噪聲疊加在信號(hào)上，導(dǎo)致信噪比下降15441569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

9、變，在有信道上、下的動(dòng)態(tài)情況下，失衡情況更加嚴(yán)重n 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。方法1：多級(jí)泵浦用于制作大功率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。Multistage EDFA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n 拉曼現(xiàn)象在1928年被發(fā)現(xiàn)。n 1930年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)n 90年代早期，EDFA取代它成為焦點(diǎn)，

10、FRA受到冷遇。n 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)。n 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)。n 人們對(duì)FRA的興趣來(lái)源于這種放大器可以提供整個(gè)波長(zhǎng)波段的放大。通過(guò)適當(dāng)改變泵浦激光波長(zhǎng)，就可以達(dá)到在任意波段進(jìn)行寬帶光放大，甚至可在12701670nm整個(gè)波段內(nèi)提供放大。拉拉曼放大器曼放大器 (Raman)： 傳輸光纖作為增益介質(zhì)傳輸光纖作為增益介質(zhì) 受激拉曼散射受激拉曼散射是強(qiáng)激光的光電場(chǎng)與是強(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

11、產(chǎn)生的，具有與晶體中的晶格相耦合產(chǎn)生的，具有很強(qiáng)的受激很強(qiáng)的受激特性。特性。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經(jīng)光纖傳輸衰減的光 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(guò)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)54SRS 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

12、以達(dá)到5000GHz 在所有類型光纖中都會(huì)發(fā)生 峰值增益頻移13 THz (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n 高能量輸出n 消偏輸出和偏振混合輸出（拉曼散射增益具有偏振依賴性）n 泵浦波長(zhǎng)至關(guān)重要。信號(hào)光在1300nm波段時(shí)，最佳泵浦波長(zhǎng)約在12201240nm，而在1550nm波段時(shí)，最佳泵浦波長(zhǎng)約在14401460nm左右處。高功率雙包層拉曼光纖激光器是最佳的泵浦源n 當(dāng)前的研究熱點(diǎn)是，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）機(jī)制：拉曼增益與泵浦波長(zhǎng)相關(guān)方法：多波長(zhǎng)泵浦

13、增益：各個(gè)泵浦波長(zhǎng)拉曼增益譜的加權(quán)和（以dB為單位）Overall gain：所用的光纖比較長(zhǎng)，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。 ：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(lái)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 FRA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(wú)損耗”傳輸（可降低入纖光功率，避免非線性效應(yīng)）脈沖幅度z集中放大Nonlinear EffectsNoise High分布放大缺點(diǎn)：泵浦功率大(W),對(duì)

14、光纖損害Raman Raman 放大器放大器C band EDFARaman+EDFA光放大器增益曲線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。pn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(méi)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)輻射噪聲原理：SOA的分類的分類容易制作，但光信號(hào)增益容易制作，但光信號(hào)增益對(duì)放大器溫度及入射光頻對(duì)放大器溫度及入射光頻率變化都很敏感率變化都很敏感帶寬寬、飽和功率高以及偏帶寬寬、飽和功率高以及偏振靈敏度低，因此使用更為振靈敏度低，因此使用更為廣泛廣泛67F-P

15、結(jié)構(gòu)的SOAn 端面有較大反射率(30左右)，諧振放大；n 輸入信號(hào)頻率與FP腔諧振頻率匹配；n 增益帶寬窄，為FP腔的縱模線寬；n 易受溫度及電流等環(huán)境因素影響TW結(jié)構(gòu)的SOAn 端面反射率極低，單程放大；n 增益帶寬極寬，為材料的自發(fā)輻射線寬；n 高輸出功率入射光從LD左端面進(jìn)入，通過(guò)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(guò)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(guò)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。n TWSOA與FPSOA的區(qū)別在于端面的反射率大小，TWSOA具有極低的端面反射率，通常

16、在0.1%以下。n 降低端面反射方法：傾斜有源區(qū)法、窗面結(jié)構(gòu)。n TWSOA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。n 尺寸小，易于制成集成電路n 功耗低、壽命長(zhǎng)、成本低n 同時(shí)具有光放大和信號(hào)處理功能n 與光纖耦合損耗大n 偏振、溫度敏感n 噪聲系數(shù)高（8dB）起因：由于半導(dǎo)體有源層的橫截起因：由于半導(dǎo)體有源層的橫截面呈扁長(zhǎng)方形，對(duì)橫向（長(zhǎng)方形面呈扁長(zhǎng)方形，對(duì)橫向（長(zhǎng)方形的寬邊方向）和豎向（長(zhǎng)方形的的寬邊方向）和豎向（長(zhǎng)方形的窄邊方向）的光場(chǎng)約束不同，光窄邊方向）的光場(chǎng)約束不同，光場(chǎng)

17、在豎向的衍射泄漏強(qiáng)于橫向，場(chǎng)在豎向的衍射泄漏強(qiáng)于橫向，因而豎向的光增益弱于橫向。因因而豎向的光增益弱于橫向。因此光信號(hào)的偏振方向取橫向時(shí)的此光信號(hào)的偏振方向取橫向時(shí)的增益大，取豎向時(shí)的增益小。增益大，取豎向時(shí)的增益小。解決方法：采用寬、厚可比擬的解決方法：采用寬、厚可比擬的有源層設(shè)計(jì)有源層設(shè)計(jì)；新的使用方法。；新的使用方法。optical pre- amplifierphoto- detectorsemiconductor laseroptical modulatoroptical fiberelectrical signaloptical signaloptical receiverelec

18、tronicsoptical transmitteroptical amplifieroptical fiberoptical fiberoptical transmitteroptical receiverrepeaterinformation receiverreceiver electronicsinformation sourcedrive electronicsoptical pre- amplifierphoto- detectorsemiconductor laseroptical modulatoroptical fiberelectrical signaloptical signaloptical receiverelectron