光線通信原理第07章

1、7.1 光放大器概述光放大器概述7.2 摻鉺光纖放大器摻鉺光纖放大器7.3 光纖喇曼放大器光纖喇曼放大器7.4 其他光放大器其他光放大器光纖通信中用光纖來傳輸光信號。光光纖通信中用光纖來傳輸光信號。光纖的中繼距離受限于光纖的損耗和色散。纖的中繼距離受限于光纖的損耗和色散。就損耗而言，目前光纖損耗典型值在就損耗而言，目前光纖損耗典型值在1.31m波段為波段為0.35dB/km左右，在左右，在1.55m波段為波段為0.25dB/km左右。左右。以以1989年誕生的摻鉺光纖放大器年誕生的摻鉺光纖放大器(Erbium Doped Fiber Amplifier，EDFA)代代表的光放大器技術可以說是光

2、纖通信技術表的光放大器技術可以說是光纖通信技術上的一次革命。上的一次革命。光放大器在光纖通信系統(tǒng)目前最重要光放大器在光纖通信系統(tǒng)目前最重要的 應 用 就 是 促 使 了 波 分 復 用 技 術的 應 用 就 是 促 使 了 波 分 復 用 技 術(Wavelength Division Multiplexing，WDM)走向實用化。走向實用化。光放大器還將促進光孤子通信技術的光放大器還將促進光孤子通信技術的實用化。光孤子通信是利用光纖的非線性實用化。光孤子通信是利用光纖的非線性來補償光纖的色散作用的一種新型通信方來補償光纖的色散作用的一種新型通信方式。式。光放大器的發(fā)展最早可追溯到光放大器的發(fā)

3、展最早可追溯到1923年年A斯梅卡爾預示的自發(fā)喇曼散射。斯梅卡爾預示的自發(fā)喇曼散射。1928年年印度加爾各答大學的喇曼觀測到自發(fā)喇曼印度加爾各答大學的喇曼觀測到自發(fā)喇曼效應。效應。光放大器按原理不同大體上有三種類光放大器按原理不同大體上有三種類型。型。(1) 摻雜光纖放大器，就是利用稀土摻雜光纖放大器，就是利用稀土金屬離子作為激光工作物質的一種放大器。金屬離子作為激光工作物質的一種放大器。(2) 傳輸光纖放大器，其中有受激喇傳輸光纖放大器，其中有受激喇曼散射曼散射(Stimulated Raman Scattering，S R S ) 光 纖 放 大 器 、 受 激 布 里 淵 散 射光 纖

4、放 大 器 、 受 激 布 里 淵 散 射(Stimulated Brilliouin Scattering，SBS)光光纖放大器和利用四波混頻效應纖放大器和利用四波混頻效應(FWM)的光的光放大器等。放大器等。(3) 半導體激光放大器。其結構大體半導體激光放大器。其結構大體上與激光二極管上與激光二極管(Laser Diode，LD)相同。相同。這幾種類型的光放大器的工作原理和這幾種類型的光放大器的工作原理和激勵方式各不相同。激勵方式各不相同。放大器的增益定義為放大器的增益定義為式中：式中：Pout，Pin分別為放大器輸出端與輸分別為放大器輸出端與輸入端的連續(xù)信號功率。入端的連續(xù)信號功率。in

5、outPPG 人們希望放大器的增益在很寬的頻帶人們希望放大器的增益在很寬的頻帶內與波長無關。這樣在應用這些放大器的內與波長無關。這樣在應用這些放大器的系統(tǒng)中，便可放寬單信道傳輸波長的容限，系統(tǒng)中，便可放寬單信道傳輸波長的容限，也可在不降低系統(tǒng)性能的情況下，極大地也可在不降低系統(tǒng)性能的情況下，極大地增加增加WDM系統(tǒng)的信道數(shù)目。系統(tǒng)的信道數(shù)目。由于信號放大過程消耗了高能級上粒由于信號放大過程消耗了高能級上粒子，因而使增益系數(shù)減小，當放大器增益子，因而使增益系數(shù)減小，當放大器增益減小為峰值的一半時，所對應的輸出功率減小為峰值的一半時，所對應的輸出功率就叫飽和輸出功率，這是放大器的一個重就叫飽和輸出

6、功率，這是放大器的一個重要的參數(shù)，飽和功率用要的參數(shù)，飽和功率用Pouts表示。表示。放大器本身產(chǎn)生噪聲，放大器噪聲使放大器本身產(chǎn)生噪聲，放大器噪聲使信號的信噪比信號的信噪比(Signal-to-Noise Ratio，SNR)下降，造成對傳輸距離的限制，是光放大下降，造成對傳輸距離的限制，是光放大器的另一重要指標。器的另一重要指標。光纖放大器的噪聲主要來自它的放大光纖放大器的噪聲主要來自它的放大自發(fā)輻射自發(fā)輻射(Amplified Spontaneous Emission，ASE)。由于放大器中產(chǎn)生自發(fā)輻射噪聲，使由于放大器中產(chǎn)生自發(fā)輻射噪聲，使得放大后的信噪比下降。它定義為輸入信得放大后的

7、信噪比下降。它定義為輸入信噪比與輸出信噪比之比。噪比與輸出信噪比之比。(SNR)in和和(SNR)out分別代表輸入與輸分別代表輸入與輸出的信噪比。它們都是在接收機端將光信出的信噪比。它們都是在接收機端將光信號轉換成光電流后的功率來計算的。號轉換成光電流后的功率來計算的。outinnSNRSNRF)()(摻鉺光纖放大器是將摻鉺光纖在泵浦摻鉺光纖放大器是將摻鉺光纖在泵浦源的作用下而形成的光纖放大器。對這種源的作用下而形成的光纖放大器。對這種摻雜光纖放大器影響較大的工作可追溯到摻雜光纖放大器影響較大的工作可追溯到1963年對玻璃激光器的研究。年對玻璃激光器的研究。第五章已經(jīng)介紹過激光器的工作原理：

8、第五章已經(jīng)介紹過激光器的工作原理：經(jīng)泵浦源的作用，工作物質粒子由低能級經(jīng)泵浦源的作用，工作物質粒子由低能級躍遷到高能級躍遷到高能級(一般通過另一輔助能級一般通過另一輔助能級)，在一定泵浦強度下，得到了粒子數(shù)反轉分在一定泵浦強度下，得到了粒子數(shù)反轉分布而具有光放大作用。當工作頻帶范圍內布而具有光放大作用。當工作頻帶范圍內的信號光輸入時便得到放大。這也就是摻的信號光輸入時便得到放大。這也就是摻鉺光纖放大器的基本工作原理。鉺光纖放大器的基本工作原理。只是只是EDFA(及其他摻雜光纖放大器及其他摻雜光纖放大器)細細長的纖形結構使得有源區(qū)能量密度很高，長的纖形結構使得有源區(qū)能量密度很高，光與物質的作用區(qū)

9、很長，有利于降低對泵光與物質的作用區(qū)很長，有利于降低對泵浦源功率的要求。浦源功率的要求。泵浦效率泵浦效率Wp可以用來衡量泵浦的有效可以用來衡量泵浦的有效性，其表達式如下：性，其表達式如下：Wp=放大器增益放大器增益(dB)/泵浦功率泵浦功率(mW)在同向泵浦方案中，泵浦光與信號光在同向泵浦方案中，泵浦光與信號光從同一端注入摻鉺光纖。從同一端注入摻鉺光纖。反向泵浦，泵浦光與信號光從不同的反向泵浦，泵浦光與信號光從不同的方向輸入摻雜光纖，兩者在摻鉺光纖中反方向輸入摻雜光纖，兩者在摻鉺光纖中反向傳輸。向傳輸。為了使摻鉺光纖中的鉺離子能夠得到充分為了使摻鉺光纖中的鉺離子能夠得到充分的激勵，必須提高泵浦

10、功率。的激勵，必須提高泵浦功率。圖圖7.5所示表示噪聲指數(shù)與輸出光功率之間所示表示噪聲指數(shù)與輸出光功率之間的關系。的關系。同向泵浦式同向泵浦式EDFA的飽和輸出光功率最小。的飽和輸出光功率最小。圖圖7.5 噪聲指數(shù)與輸出功率之間的關系噪聲指數(shù)與輸出功率之間的關系增益系數(shù)增益系數(shù)g(z)與高能級和低能級的粒與高能級和低能級的粒子數(shù)目差及泵浦功率有關，對增益系數(shù)子數(shù)目差及泵浦功率有關，對增益系數(shù)g(z)在整個摻鉺光纖長度上進行積分，就可求在整個摻鉺光纖長度上進行積分，就可求出光纖放大器的增益出光纖放大器的增益G，所以，放大器的，所以，放大器的增益應與泵浦強度及光纖的長度有關。增益應與泵浦強度及光纖

11、的長度有關。圖圖7.9所示是摻鉺硅光纖的所示是摻鉺硅光纖的g-曲線，曲線，從圖中可以看出增益系數(shù)隨著波長的不同從圖中可以看出增益系數(shù)隨著波長的不同而不同。而不同。EDFA實現(xiàn)寬頻帶和增益平坦度經(jīng)過實現(xiàn)寬頻帶和增益平坦度經(jīng)過了了3個階段，如表個階段，如表7.1所示。所示。光纖在光纖在1.55m低損耗區(qū)具有低損耗區(qū)具有200nm帶帶寬，而目前使用的寬，而目前使用的EDFA增益帶寬僅為增益帶寬僅為35nm左右。左右。圖圖7.9 摻鉺離子硅光纖的摻鉺離子硅光纖的g-曲線曲線表 7-1 EDFA 寬帶、增益平坦化的進程增益平坦放大波段關鍵技術第一代1.55 m 放大波段（一部分）15401560nm 波

12、段 摻鋁 （A1） 、 磷 （P） 使用改善頻帶特性的均衡器 構成混合型 EDFA第二代1.55 m 放大波段、全波段15301560nm 波段（15251564nm） 提高光均衡器的性能長周期光纖光柵 復用法布里珀羅濾波器 氟化物 EDFA第三代EDFA 放大波段、 全波段1.55 m 放大波段+1.58 m 放大波段15301600nm 波段 并聯(lián)型放大器（1.55 m 波段+1.58 m 波段增益平坦型 EDFA） 碲化物 EDFA（+均衡器）EDFA的噪聲系數(shù)的噪聲系數(shù)Fn決定于自發(fā)輻射，決定于自發(fā)輻射，即噪聲系數(shù)與粒子反轉差即噪聲系數(shù)與粒子反轉差N有關。有關。由于由于EDFA的低噪聲

13、特性，使它很適的低噪聲特性，使它很適于作接收機的前置放大器。于作接收機的前置放大器。功率放大器是將功率放大器是將EDFA直接放在光發(fā)直接放在光發(fā)射機之后用來提升輸出功率。射機之后用來提升輸出功率。EDFA用作線路放大器是它在光纖通用作線路放大器是它在光纖通信系統(tǒng)的一個重要應用。信系統(tǒng)的一個重要應用。EDFA可在寬帶本地網(wǎng)，特別在電視可在寬帶本地網(wǎng)，特別在電視分配網(wǎng)中得到應用。分配網(wǎng)中得到應用。EDFA之所以得到迅速的發(fā)展，源于之所以得到迅速的發(fā)展，源于它的一系列優(yōu)點。它的一系列優(yōu)點。(1) 工作波長與光纖最小損耗窗口一工作波長與光纖最小損耗窗口一致，可在光纖通信中獲得廣泛應用。致，可在光纖通信

14、中獲得廣泛應用。(2) 耦合效率高。因為是光纖型放大耦合效率高。因為是光纖型放大器，易于光纖耦合連接，也可用熔接技術器，易于光纖耦合連接，也可用熔接技術與傳輸光纖熔接在一起，損耗可降至與傳輸光纖熔接在一起，損耗可降至0.1dB，這樣的熔接反射損耗也很小，不易自激。這樣的熔接反射損耗也很小，不易自激。(3) 能量轉換效率高。激光工作物質集能量轉換效率高。激光工作物質集中在光纖芯子，且集中在光纖芯子中的近中在光纖芯子，且集中在光纖芯子中的近軸部分，而信號光和泵浦光也是在近軸部軸部分，而信號光和泵浦光也是在近軸部分最強，這使得光與物質作用很充分。分最強，這使得光與物質作用很充分。(4) 增益高，噪聲

15、低。輸出功率大，增增益高，噪聲低。輸出功率大，增益可達益可達40dB，輸出功率在單向泵浦時可達，輸出功率在單向泵浦時可達14dBm，雙向泵浦時可達，雙向泵浦時可達17dBm，甚至可，甚至可達達20dBm，充分泵浦時，噪聲系數(shù)可低至，充分泵浦時，噪聲系數(shù)可低至34dB，串話也很小。，串話也很小。(5) 增益特性不敏感。首先是增益特性不敏感。首先是EDFA增增益對溫度不敏感，在益對溫度不敏感，在100C內增益特性保內增益特性保持穩(wěn)定，另外，增益也與偏振無關。持穩(wěn)定，另外，增益也與偏振無關。(6) 可實現(xiàn)信號的透明傳輸，即在波分可實現(xiàn)信號的透明傳輸，即在波分復用系統(tǒng)中可同時傳輸模擬信號和數(shù)字信復用系

16、統(tǒng)中可同時傳輸模擬信號和數(shù)字信號，高速率信號和低速率信號，系統(tǒng)擴容號，高速率信號和低速率信號，系統(tǒng)擴容時，可只改動端機而不改動線路。時，可只改動端機而不改動線路。EDFA也有固有的缺點：也有固有的缺點：(1) 波長固定，只能放大波長固定，只能放大1.55m左右左右的光波，換用不同基質的光纖時，鉺離子的光波，換用不同基質的光纖時，鉺離子能級也只能發(fā)生很小的變化，可調節(jié)的波能級也只能發(fā)生很小的變化，可調節(jié)的波長有限，只能換用其他元素；長有限，只能換用其他元素；(2) 增益帶寬不平坦，在增益帶寬不平坦，在WDM系統(tǒng)中系統(tǒng)中需要采用特殊的手段來進行增益譜補償。需要采用特殊的手段來進行增益譜補償。受激喇

17、曼散射主要性質包括：在玻璃介受激喇曼散射主要性質包括：在玻璃介質中參與喇曼散射的是光學聲子；在所質中參與喇曼散射的是光學聲子；在所有類型的光纖中都會發(fā)生，但喇曼增益稀有類型的光纖中都會發(fā)生，但喇曼增益稀疏的形狀和峰值與泵浦源的波長和功率有疏的形狀和峰值與泵浦源的波長和功率有關；響應時間很短，為瞬態(tài)效應；關；響應時間很短，為瞬態(tài)效應；增益具有偏振依賴性，當泵浦光與增益具有偏振依賴性，當泵浦光與信號光偏振方向平行時增益最大，垂直時信號光偏振方向平行時增益最大，垂直時增益最小，但實際上在非保偏光纖中由于增益最小，但實際上在非保偏光纖中由于模式混擾的原因而表現(xiàn)為增益無關；增模式混擾的原因而表現(xiàn)為增益無

18、關；增益譜很寬，但不平坦。最大增益頻移為益譜很寬，但不平坦。最大增益頻移為13.2THz，并且可以擴展到，并且可以擴展到30THz。 光纖喇曼放大器可分為兩類：分立式光纖喇曼放大器可分為兩類：分立式喇曼放大器喇曼放大器(Raman Amplifier，RA)和分布和分布式喇曼放大器式喇曼放大器(Distributed Raman Amplifier，DRA)。在連續(xù)波的工作條件下，并忽略泵浦在連續(xù)波的工作條件下，并忽略泵浦光消耗，光纖喇曼放大器的增益可由下式光消耗，光纖喇曼放大器的增益可由下式表示：表示：式中：式中：gR為喇曼增益系數(shù)；為喇曼增益系數(shù)；Aeff為光纖在泵為光纖在泵浦波長處的有效

19、面積；浦波長處的有效面積；P0為泵浦光功率；為泵浦光功率； ；P為泵浦光在光纖為泵浦光在光纖中的衰減常數(shù)。中的衰減常數(shù)。)/exp(0effeffRAALPgG PPeffLL)exp(1增益帶寬由泵浦波長決定，選擇適當增益帶寬由泵浦波長決定，選擇適當?shù)谋闷止獠ㄩL，就可得到任意波長的信號的泵浦光波長，就可得到任意波長的信號放大，放大，DRA的增益頻譜是每個波長的泵浦的增益頻譜是每個波長的泵浦光單獨產(chǎn)生的增益頻譜疊加的結果，所以光單獨產(chǎn)生的增益頻譜疊加的結果，所以它由泵浦波長的數(shù)量和種類決定。它由泵浦波長的數(shù)量和種類決定。由于喇曼放大是分布式獲得增益的過由于喇曼放大是分布式獲得增益的過程，其等效

20、噪聲比分立式放大器要小。為程，其等效噪聲比分立式放大器要小。為了比較了比較DRA與分立式放大器的性能，定義與分立式放大器的性能，定義DRA的等效集中噪聲指數(shù)的等效集中噪聲指數(shù)FR為為式中：式中：ASE是光纖末端放大自發(fā)輻射是光纖末端放大自發(fā)輻射(ASE)密度；密度；GR是在光纖末端信號的喇曼增益。是在光纖末端信號的喇曼增益。RASERGhF1)(分布式喇曼放大器經(jīng)常與分布式喇曼放大器經(jīng)常與EDFA混合混合使用，當作為前置放大器的使用，當作為前置放大器的DRA與作為功與作為功率放大器的常規(guī)率放大器的常規(guī)EDFA混合使用時，其等混合使用時，其等效噪聲指數(shù)為效噪聲指數(shù)為F=FR+FE/GR式中：式中

21、：GR和和FR分別是分別是DRA的增益和噪聲指的增益和噪聲指數(shù)；數(shù)；FE是是EDFA的噪聲指數(shù)。因為的噪聲指數(shù)。因為FR通常通常要比作為功率放大器的要比作為功率放大器的EDFA的噪聲指數(shù)的噪聲指數(shù)FE要小，所以由上式可知，只要增加喇曼要小，所以由上式可知，只要增加喇曼增益增益GR，就可以減少總的噪聲指數(shù)。，就可以減少總的噪聲指數(shù)。分立式喇曼放大器所用的光纖增益介分立式喇曼放大器所用的光纖增益介質比較短，泵浦功率要求很高，一般在幾質比較短，泵浦功率要求很高，一般在幾瓦到幾十瓦，可產(chǎn)生瓦到幾十瓦，可產(chǎn)生40dB以上的高增益，以上的高增益，像像EDFA一樣可用來對光信號進行集中放一樣可用來對光信號進

22、行集中放大，因此主要用于大，因此主要用于EDFA無法放大的波段。無法放大的波段。采用采用DRA技術的傳輸系統(tǒng)典型結構如技術的傳輸系統(tǒng)典型結構如圖圖7.14所示，在所示，在WDM系統(tǒng)的每個傳輸單元系統(tǒng)的每個傳輸單元內，在內，在EDFA的輸入端注入反向的喇曼泵的輸入端注入反向的喇曼泵浦，信號將會沿光纖實現(xiàn)分布式喇曼放大，浦，信號將會沿光纖實現(xiàn)分布式喇曼放大，由于由于DRA具有噪聲低、增益帶寬與泵浦波具有噪聲低、增益帶寬與泵浦波長和功率相關的特點，長和功率相關的特點，EDFA又具有高增又具有高增益、低成本的特點，所以這種混合放大結益、低成本的特點，所以這種混合放大結構可以同時發(fā)揮兩種光纖放大器的優(yōu)勢

23、。構可以同時發(fā)揮兩種光纖放大器的優(yōu)勢。FRA具有以下優(yōu)點。具有以下優(yōu)點。(1) 增益波長由泵浦光波長決定，只增益波長由泵浦光波長決定，只要泵浦源的波長適當，理論上可以得到任要泵浦源的波長適當，理論上可以得到任意波長的信號放大，這樣的意波長的信號放大，這樣的FRA就可擴展就可擴展到到EDFA不能使用的波段，為波分復用進不能使用的波段，為波分復用進一步增加容量拓寬了空間。一步增加容量拓寬了空間。(2) 增益介質可以為傳輸光纖本身，增益介質可以為傳輸光纖本身，如此實現(xiàn)的如此實現(xiàn)的FRA稱為分布式放大，因為放稱為分布式放大，因為放大是沿光纖集中作用而不是集中作用，光大是沿光纖集中作用而不是集中作用，光纖中各處的信號光功率都比較小，從而可纖中各處的信號光功率都比較小，從而可降低各種光纖非線性效應的影響。降低各種光纖非線性效應的影響。(3) 噪聲指數(shù)低，可提升原系統(tǒng)的信噪聲指數(shù)低，可提升原系統(tǒng)的信噪比。噪比。(4) 喇曼增益譜比較寬，在普通喇曼增益譜比較寬，在普通DSF上上單波長泵浦可實現(xiàn)單波長泵浦可實現(xiàn)40nm范圍的有效增益；范圍的有效增益；如果采用多個泵浦源，則可容易地實現(xiàn)寬如果采用多個泵浦源，則可容易地實現(xiàn)寬帶放大。帶放大。(5) FRA的飽和功率比較高，增益譜調的飽和功率比較高，增益譜調節(jié)方