半導(dǎo)體光放大器(SOA)

1、半導(dǎo)體光放大器(SOA)SOA的放大原理與半導(dǎo)體激光器的工作原理相同，也是利用能級(jí)間受激躍遷而出現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)的現(xiàn)象進(jìn)行光放大。SOA有兩種：一種是將通常的半導(dǎo)體激光器當(dāng)作光放大器使用，稱作FP半導(dǎo)體激光放大器(FPA)；另一種是在FP激光器的兩個(gè)端面上涂有抗反射膜，消除兩端的反射，以獲得寬頻帶、高輸出、低噪聲。早在半導(dǎo)體激光器出現(xiàn)時(shí)，就開始了對(duì)SOA的研究，但由于初期的半導(dǎo)體材料激光放大器偏振靈敏度較高，使得SOA一度沉寂。但近幾年來應(yīng)變量子阱材料的研制成功，克服了偏振敏感的缺點(diǎn)，性能也有許多改進(jìn)。半導(dǎo)體光放大器的增益可以達(dá)到30dB以上，而且在1310nm窗口和1550nm窗口上都能使用。如

2、能使其增益在相應(yīng)使用波長范圍保持平坦，那么它不僅可以作為光放大的一種有益的選擇方案，還可促成1310nm窗口WDM系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)。SOA的優(yōu)點(diǎn)是：結(jié)構(gòu)簡單、體積小，可充分利用現(xiàn)有的半導(dǎo)體激光器技術(shù)，制作工藝成熟，成本低、壽命長、功耗小，且便于與其他光器件進(jìn)行集成。另外，其工作波段可覆蓋1.31.6/pm波段，這是EDFA或PDFA所無法實(shí)現(xiàn)的。但最大的弱點(diǎn)是與光纖的耦合損耗太大，噪聲及串?dāng)_較大且易受環(huán)境溫度影響，因此穩(wěn)定性較差。SOA除了可用于光放大外，還可以作為光開關(guān)和波長變換器。拉曼光纖放大器拉曼放大技術(shù)是采用受激拉曼散射(SRS)這種非線性效應(yīng)來進(jìn)行放大的。石英光纖具有很寬的受激拉曼散射增益

3、譜，并在13THZ附近有一較寬的主峰。如果一個(gè)弱信號(hào)與一強(qiáng)泵浦光波同時(shí)在光纖中傳輸，并使弱信號(hào)波長置于泵浦光的拉曼增益帶寬內(nèi)，弱信號(hào)光即可得到放大，這種基于受激拉曼散射機(jī)制的光放大器即稱為拉曼光纖放大器。(1)拉曼光纖放大器的類型拉曼光纖放大器有兩種類型：一種是集總式拉曼光纖放大器；另一種是分布式拉曼放大器。集總式拉曼光纖放大器所用的光纖增益介質(zhì)比較短，一般在幾km，泵浦功率要求很高，一般為幾W左右，可產(chǎn)生40dB以上的高增益，可作為功率放大器，放大EDFA所無法放大的波段。分布式拉曼放大器所用的光纖比較長，一般為幾十km，泵源功率可降低到幾百mW，主要輔助EDFA用于WDM通信系統(tǒng)性能的提高

4、，抑制非線性效應(yīng)，提高信噪比。在WDM系統(tǒng)中，采用分布式拉曼光纖放大輔助傳輸可大大降低信號(hào)的入射功率，同時(shí)保持適當(dāng)?shù)墓庑盘?hào)信噪比(OSNR)。(2)拉曼光纖放大器的優(yōu)點(diǎn)拉曼光纖放大器的增益高、串?dāng)_小、噪聲系數(shù)低、頻譜范圍寬、溫度穩(wěn)定性好，將拉曼光纖放大器與常規(guī)EDFA混合使用時(shí)可大大降低系統(tǒng)的噪聲指數(shù)，增加傳輸跨距。增益介質(zhì)為傳輸光纖本身，與光纖系統(tǒng)有良好的兼容性這使得拉曼光纖放大器可以對(duì)光信號(hào)進(jìn)行在線放大，構(gòu)成分布式放大，實(shí)現(xiàn)長距離的無中繼傳輸和遠(yuǎn)程泵浦，尤其適用于海底光纜通信等不方便設(shè)立中繼器的場(chǎng)合。而且因?yàn)榉糯笫茄毓饫w分布而不是集中作用，光纖中各處的信號(hào)光功率都比較小，從而可降低非線性效

5、應(yīng)尤其是四波混頻(FWM)效應(yīng)的干擾。增益波長由泵浦光波長決定，不受其他因素的限制理論上只要泵浦源的波長適當(dāng)，就可以放大任意波長的信號(hào)光。所以拉曼光纖放大器可以放大：EDFA所不能放大的波段，使用多個(gè)泵源還可得到比EDFA寬得多的增益帶寬，對(duì)于開發(fā)光纖的整個(gè)低損耗區(qū)12601675nm具有無可替代的作用?？傊饫w放大器結(jié)合EDFA等稀土摻雜光纖放大器必將成為未來寬帶、高速、長距離光通信傳輸實(shí)現(xiàn)光放大的理想方案。摻鉺光纖放大器(EDFA)(1)摻雜光纖放大器簡介在介紹EDFA之前，首先來了解以下?lián)诫s光纖放大器的基本概念。摻雜光纖放大器又稱為摻稀土離子光纖放大器，是利用稀土金屬離子作為激光工

6、作物質(zhì)的一種放大器。摻雜光纖放大器的原理與激光放大器的原理相類似。但摻雜光纖放大器的工作腔是一段摻稀土粒子光纖，細(xì)長的纖形結(jié)構(gòu)使得有源區(qū)能量密度很高，光與物質(zhì)的作用區(qū)很長，有利于降低對(duì)泵浦源功率的要求。至今用作摻雜激光工作物質(zhì)的均為鑭系稀土元素，如鉺、釹、鐠和銩等。容納雜質(zhì)的光纖叫做基質(zhì)光纖，可以是石英光纖，也可以是氟化物光纖。選擇不同的摻雜元素，可使放大器工作在不同窗口。將各種摻雜光纖放大器組合，就可構(gòu)成超寬頻帶的放大器，更加靈活地應(yīng)用光纖的寬帶通信特性。例如，摻鉺可以構(gòu)成1550nm波段的EDFA；摻錯(cuò)就可以構(gòu)成1310nm波段的PDFA,摻銩就可以構(gòu)成1450nm波段或1650nm波段的

7、摻銩光纖放大器等。在所有的摻雜光纖放大器中，除了EDFA已經(jīng)商用外，其他的都正在研究中，有的已經(jīng)接近實(shí)用水平。EDFA的工作原理EDFA的基本組成EDFA主要是由摻鉺光纖(EDF)、泵浦光源、光耦合器、光隔離器以及光濾波器等組成，如圖10.19所示。在泵浦源的作用下，通過光與EDF中的工作物質(zhì)(鉺)的相互作用，泵浦光將能量轉(zhuǎn)移給信號(hào)光而將其放大。光耦合器將泵浦光和信號(hào)光混合而送入EDF。光隔離器抑制反射光的影響，保證系統(tǒng)穩(wěn)定工作。濾波器濾除放大器的噪聲提高系統(tǒng)的信噪比。在Er3+的能級(jí)系統(tǒng)中，參與激光放大過程的有3個(gè)能級(jí)，即基級(jí)、亞穩(wěn)態(tài)能級(jí)以及高能級(jí)。在未受任何光激勵(lì)時(shí)，Er3+處于基級(jí)。41

8、15/2上。在外界泵浦源的作用下，基級(jí)上的粒子吸收泵浦源的能量，躍遷到高能級(jí)上。但高能級(jí)是不穩(wěn)定的，因此高能級(jí)上的粒子將主要以非輻射躍遷(即不釋放出光子)的形式迅速轉(zhuǎn)移到亞穩(wěn)態(tài)能級(jí)上。亞穩(wěn)態(tài)能級(jí)上的粒子壽命較長，因而易聚集粒子。當(dāng)源源不斷進(jìn)行泵浦源時(shí)，亞穩(wěn)態(tài)能級(jí)上聚集的粒子數(shù)不斷增加，從而在亞穩(wěn)態(tài)能級(jí)與基級(jí)之間形成粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布。當(dāng)信號(hào)光通過這段EDF時(shí)，亞穩(wěn)態(tài)的粒子以受激輻射的形式躍遷到基級(jí)，并釋放出與入射光信號(hào)中的光子一模一樣的光子，即實(shí)現(xiàn)了對(duì)入射光信號(hào)的相干放大。Er3+的能級(jí)系統(tǒng)中，有多個(gè)能級(jí)可以作為高能級(jí)，因此泵浦源的光波長可以有多種選擇。目前EDFA的首選泵浦波長是980nm和14

9、80nm。EDFA的性能參數(shù)EDFA的性能參數(shù)主要有功率增益、輸出功率和噪聲系數(shù)。功率增益增益特性表示了放大器的放大能力。功率增益為輸出功率與輸入功率之比。EDFA的功率增益通常為1540dB。影響EDFA增益的因素主要有泵浦光功率、摻鉺的濃度以及摻鉺光纖的長度等。此外，EDFA增益還與泵浦光波長有關(guān)。輸出功率EDFA的輸出功率并不總是隨著輸入功率的增加而成比例增長的，而是呈現(xiàn)飽和趨勢(shì)。其原因是當(dāng)輸入功率增加時(shí)，受激輻射加快，粒子反轉(zhuǎn)數(shù)減少，使受激輻射光減弱，導(dǎo)致增益飽和,輸出功率趨于平穩(wěn)。通常將飽和增益下降3dB時(shí)所對(duì)應(yīng)的輸出功率定義為EDFA的最大輸出功率，又稱為3dB飽和輸出功率，一般為

10、815dBm。增加泵浦光功率或EDF長度,都可使EDFA的飽和輸出光功率增大。噪聲系數(shù)(F)EDFA的噪聲主要有信號(hào)光的噪聲、自發(fā)輻射(ASE)喜聲、ASE光與信號(hào)光之間的差拍噪聲以及ASE光譜間的差拍噪聲4種。以上4種噪聲中，后兩種影響最大，尤其第3種噪聲是決定EDFA性能的重要因素。EDFA的噪聲特性可以用噪聲系數(shù)F來衡量、為EDFA的輸入信噪比與輸出信噪比的比值。它與同向傳播的ASE頻譜密度和EDFA的增益相關(guān)?，F(xiàn)已證明，對(duì)于任何利用受激輻射進(jìn)行放大的光放大器，其F最小值為3dB，這個(gè)極限被稱為噪聲系統(tǒng)的量子極限。對(duì)于980nm的泵浦，其F基本可達(dá)到該極限，數(shù)值為3.23.4dB；而14

11、80nm的泵浦，F(xiàn)的典型值為46dB。EDFA的泵浦方式同向泵浦是指泵浦光與信號(hào)光從同一端注入EDF。在EDF的輸入端，泵浦光較強(qiáng)，故粒子反轉(zhuǎn)激勵(lì)也強(qiáng)，信號(hào)一進(jìn)入光纖即可得到較強(qiáng)的放大。其優(yōu)點(diǎn)是構(gòu)成簡單，缺點(diǎn)是泵浦光將沿光纖長度衰減，因此容易造成增益飽和而使噪聲增加。反向泵浦是指泵浦光與信號(hào)光從不同的方向輸入EDF，兩者在光纖中反向傳輸。其優(yōu)點(diǎn)是當(dāng)光信號(hào)放大到很強(qiáng)時(shí)，泵浦光也強(qiáng)，不易達(dá)到飽和，因而噪聲性能較好。為了使EDFA中雜質(zhì)粒子得到充分的激勵(lì)，可用多個(gè)泵浦源激勵(lì)光纖。幾個(gè)泵浦源可同時(shí)前向泵浦，同時(shí)后向泵浦，或同時(shí)進(jìn)行前向泵浦和后向泵浦(稱為雙向泵浦)。雙向泵浦方式結(jié)合了同向泵浦和反向泵浦

12、的優(yōu)點(diǎn)，使泵浦光在光纖中均勻分布，從而使其增益在光纖中也均勻分布。EDFA在WDM系統(tǒng)中的應(yīng)用EDFA在WDM系統(tǒng)中可以作為前置放大器、線路放大器和功率放大器。EDFA作前置放大器時(shí)，放在光接收機(jī)之前，以提高光接收機(jī)的靈敏度，一般工作于小信號(hào)或線性狀態(tài)，信號(hào)輸入功率約一40dBm。要求EDFA的增益足夠高，噪聲系數(shù)則越小越好。EDFA用作線路放大器時(shí)，可以直接插入到光纖傳輸鏈路中作為光中繼放大器，省去了電中繼器的光電光轉(zhuǎn)換過程，直接放大光信號(hào)，以補(bǔ)償傳輸線路損耗，延長中繼距離。一般工作在近飽和區(qū)，信號(hào)輸入功率約一20dBm。要求EDFA同時(shí)具有較高的增益和輸出光功率，還應(yīng)有對(duì)其工作狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)

13、控。EDFA作為功率放大器時(shí)，裝在光發(fā)送機(jī)之后，對(duì)光源發(fā)出的光信號(hào)進(jìn)行放大，以補(bǔ)償無源光器件的損耗和提高發(fā)送光功率。通常工作于深飽和區(qū)，要求EDFA在保持適中的增益和噪聲系數(shù)下，能提供盡可能高的輸出光功率，必要時(shí)可用雙泵浦。(6)WDM系統(tǒng)對(duì)EDFA的要求為了確保WDM系統(tǒng)的傳輸質(zhì)量，WDM系統(tǒng)中使用的EDFA應(yīng)具有足夠的帶寬、平坦的增益、低噪聲系數(shù)和高輸出功率。EDFA增益帶寬目前，EDFA可用增益頻譜范圍為15301565nm,增益帶寬為35nm左右，可以滿足432信道的WDM系統(tǒng)。如果希望進(jìn)一步增大帶寬，以利用波長資源，則必須開發(fā)新型的光放大庚器。WDM系統(tǒng)對(duì)EDFA增益平坦度的要求ED

14、FA的增益平坦度(GF)是指在整個(gè)可用增益的帶寬內(nèi)，最大增益波長點(diǎn)的增益與最小增益波長點(diǎn)的增益之差。在WDM系統(tǒng)中，要求EDFA的GF越小越好。一般EDFA在它的工作波段內(nèi)存在著一定的增益起伏，即不同波長所得到的增益不同。雖然增益差值不大，但當(dāng)多個(gè)EDFA級(jí)聯(lián)應(yīng)用時(shí)，這種增益差值會(huì)線性積累，嚴(yán)重時(shí)，信號(hào)到達(dá)接收端后，有些高增益信道的接收光功率過大使接收機(jī)過載，而某些低增益信道的接收光功率過小而達(dá)不到接收機(jī)靈敏度。因此，要使各信道上的增益偏差處于允許范圍內(nèi)，放大器的增益就必須平坦。使光纖放大器增益平坦的技術(shù)有兩種途徑：一是增益均衡技術(shù)；二是光纖技術(shù)。a.增益均衡技術(shù)增益均衡技術(shù)是利用損耗特性與放

15、大器的增益波長特性相反的增益均衡器來抵消增益的不均勻性，這種技術(shù)的關(guān)鍵在于放大器的增益曲線和均衡器的損耗特性精密吻合，使綜合特性平坦。增益均衡技術(shù)可以分為固定式的和動(dòng)態(tài)的。現(xiàn)階段實(shí)用化的固定式增益平坦技術(shù)主要有光纖光柵技術(shù)和介質(zhì)多層薄膜濾波器技術(shù)等。增益均衡用的光纖光柵是一種長周期光纖光柵。其光柵周期一般為數(shù)百um。通過多個(gè)長周期的光柵組合，可以構(gòu)成具有與EDFA增益波長特性相反的增益均衡器。使用該技術(shù)，在15281568nm的40nm帶寬內(nèi)，可以實(shí)現(xiàn)增益偏差在5%以內(nèi)的帶寬增益平坦的EDFA。動(dòng)態(tài)的增益均衡技術(shù)是指動(dòng)態(tài)增益可調(diào)的增益平坦濾波器技術(shù)，主要有法拉第旋轉(zhuǎn)體型增益可調(diào)濾波器技術(shù)、波導(dǎo)

16、MZ型增益可調(diào)型濾波器技術(shù)、陣列波導(dǎo)型動(dòng)態(tài)增益可調(diào)濾波器技術(shù)和聲光型動(dòng)態(tài)增益可調(diào)濾波器技術(shù)等。b.光纖技術(shù)所謂光纖技術(shù)是指通過改變光纖材料或者利用不同光纖的組合來改變EDF的特性，從而改善EDFA的增益平坦性?？煞譃闉V波器型和本征型兩類。濾波器型是在EDFA中內(nèi)插無源濾波器將1530nm的增益峰降低，或?qū)ｉT設(shè)計(jì)其透射譜與EDFA增益譜相反的光濾波器將增益譜削平，但濾波器型結(jié)構(gòu)工藝都較復(fù)雜，附加損耗大，輸出功率會(huì)減小。本征型是在EDF中摻入別的雜質(zhì)（如摻鋁EDFA、摻釔EDFA）或改變EDF基質(zhì)（如氟化物EDFA、碲化物EDFA）。其最大優(yōu)點(diǎn)是無需制作和引入附加元件。EDFA增益特性的優(yōu)化技術(shù)采用放大波段內(nèi)的增益控制和光譜均衡方法，能取得EDFA增益特性優(yōu)化的良好結(jié)果。EDFA的增益控制技術(shù)有許多種，典型的有控制泵浦源增益的方法，EDFA內(nèi)部的監(jiān)測(cè)電路通過監(jiān)測(cè)輸入和輸出功率的比值來控制泵浦源的輸出，當(dāng)輸入波長某些信號(hào)丟失時(shí)，輸入功率會(huì)減小，輸出功率和輸入功率的比值會(huì)增加，通過反饋電路，降低泵浦源的輸出功率，保持（輸出/輸入）增益不變，從而使EDFA的總輸出功率減少，保持輸出信號(hào)電平的穩(wěn)定。另外，還有飽和波長的方法。在發(fā)送端，除了傳輸信號(hào)的工作波長外，系統(tǒng)還發(fā)送另一個(gè)波長作為飽和波長。在正常情況下，該波長的輸出功率很小，當(dāng)線路的某些信號(hào)失去時(shí)