第10章 光放大器1

第十章光放大器

王立湖南文理學院電氣工程系

光放大器的重要性影響：光放大器最重要的意義在于促使波分復用技術(shù)(WDM)

走向?qū)嵱没?、促進了光接入網(wǎng)的實用化歷史：以1989年誕生的摻鉺光纖放大器

(ErbiumDopedFiberAmplifier,EDFA)

代表的全光放大技術(shù)是光纖通信技

術(shù)上的一次革命動機：解決電中繼器設備復雜、維護難、成本高的問題

DavidPayne光放大器的類型及其特點(1)半導體放大器：易與其他半導體器件集成，但性能與光偏振方向有關(guān)，器件與光纖的耦合損耗大。結(jié)構(gòu)大體上與激光二極管(LaserDiode,LD)相同

（2）光纖喇曼放大器（FAR）它是利用石英光纖的非線性效應而制成。在合適波長的強光作用下，石英光纖會出現(xiàn)受激喇曼散射（SRS）效應，當光信號沿著這受激發(fā)的一段光纖中傳輸時，可以使其實現(xiàn)光放大。FRA具有頻帶寬、增益高、輸出功率大、響應快等優(yōu)點；其缺點是需要大功率的半導體激光器作泵浦源（約數(shù)瓦）。

鉺（Er）是一種稀土元素。將它注入到纖芯中，即形成了一種特殊光纖，它在泵浦光的作用下可直接對某一波長的光信號進行放大。

EDFA的主要優(yōu)點有：

①工作波長處在1530～1565nm范圍，與光纖最小損耗窗口一致；

②對摻鉺光纖進行激勵的泵浦功率低，僅需幾十毫瓦；

③連接損耗低，耦合效率高。因為它是光纖型放大器，因此易于與光纖耦合連接，且連接損耗可低至0.1dB。

④增益高且特性穩(wěn)定、噪聲低、輸出功率大。增益可達40dB，且在100℃內(nèi)增益特性保持穩(wěn)定，也與偏振無關(guān)。噪聲系數(shù)可低至3～4dB，輸出功率可達14～40dBm；

⑤對各種類型、速率與格式的信號傳輸透明。

（3）摻鉺光纖放大器（EDFA）EDFA的缺點有：①波長固定，只能放大1550nm左右的光波，可調(diào)節(jié)的波長有限；②增益帶寬不平坦，在WDM系統(tǒng)中需要采用特殊的手段來進行增益譜補償。光放大器的工作原理光放大器與激光器的唯一區(qū)別就是光放大器沒有正反饋機制(2)受激輻射(1)能量注入摻鉺光纖放大器工作原理結(jié)構(gòu)功率轉(zhuǎn)換效率及增益放大器噪聲系統(tǒng)的應用

摻鉺光纖放大器的工作原理1.

摻鉺光纖放大器（EDFA）的基本結(jié)構(gòu)摻鉺光纖放大器主要由摻鉺光纖（EDF）、泵浦光源、光耦合器、光隔離器以及光濾波器等組成。如圖所示。

光隔離器光耦合器光隔離器光濾波器泵浦光源摻鉺光纖輸入光信號輸出光信號

摻鉺光纖放大器結(jié)構(gòu)示意圖光隔離器是防止反射光影響光放大器穩(wěn)定工作，保證光信號只能正向傳輸?shù)钠骷?。光濾波器的作用是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)的信噪比.光耦合器是將輸入光信號和泵浦光源輸出的光波混合起來的無源光器件，一般采用波分復用器。摻鉺光纖是一段長度大約為10～100m的石英光纖，將稀土元素鉺離子注入到纖芯中，濃度約為25㎎/㎏。泵浦光源為半導體激光器，輸出的光功率為10～100mW，工作波長約為980nm或1480nm。按照泵浦光源的泵浦方式不同，EDFA又可有三種不同的結(jié)構(gòu)方式:（1）同向泵浦結(jié)構(gòu)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。其優(yōu)點是構(gòu)成簡單，噪聲指數(shù)較小;缺點是輸出較低。（2）反向泵浦結(jié)構(gòu)在反向泵浦方案中，泵浦光與信號光從不同的方向輸入摻鉺光纖，兩者在摻鉺光纖中反向傳輸。其優(yōu)點是：當光信號放大到很強時，泵浦光也強，不易達到飽和，輸出功率比同向泵浦高;缺點是噪聲性能差，如圖所示。

光隔離器光耦合器光隔離器光濾波器泵浦光源摻鉺光纖輸入光信號輸出光信號圖

反向泵浦式摻鉺光纖放大器結(jié)構(gòu)（3）雙向泵浦結(jié)構(gòu)在雙向泵浦方案中，有兩個泵浦光源，其中一個泵浦光與信號光以同一方向注入摻鉺光纖，另一個泵浦光從相反方向注入摻鉺光纖。這種方式結(jié)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，從而使其增益在光纖中均勻分布，輸出功率最大.如圖所示。

光隔離器輸入光信號摻鉺光纖光耦合器光隔離器光濾波器泵浦光源輸出光信號光耦合器泵浦光源

雙向泵浦式摻鉺光纖放大器結(jié)構(gòu)泵浦光功率Fn反向泵浦雙向泵浦輸出光功率同向泵浦輸出光功率摻鉺光纖長度雙向泵浦反向泵浦同向泵浦Fn反向泵浦同向泵浦雙向泵浦(a)轉(zhuǎn)換效率的比較

(b)噪聲系數(shù)與放大器輸出功率的關(guān)系

(c)噪聲系數(shù)與摻鉺光纖長度之間的關(guān)系不同泵浦方式下輸出功率及噪聲特性比較2.

摻鉺光纖放大器的工作原理摻鉺光纖放大器的工作原理與半導體激光器的工作原理相同，它之所以能放大光信號，簡單地說，是在泵浦源的作用下，在摻鉺光纖中出現(xiàn)了粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布，產(chǎn)生了受激輻射，從而使光信號得到放大。由于EDFA具有細長的纖形結(jié)構(gòu),使得有源區(qū)的能量密度很高,光和物質(zhì)的作用區(qū)很長,這樣可以降低對泵浦源功率的要求。摻鉺光纖放大器的工作原理

EDFA：EribiumDopedOptical-FiberAmplifier

在摻鉺光纖（EDF）中，鉺離子有三個能級：基態(tài)E1、亞穩(wěn)態(tài)E2和激發(fā)態(tài)E3。當泵浦光的光子能級等于E3和E1的能量差時，鉺離子吸收泵浦光的光能從基態(tài)躍遷到激發(fā)態(tài)，但激發(fā)態(tài)不穩(wěn)定，電子很快返回到E2，若輸入的信號光的光子能量等于E2和E1之間能量差，則電子從E2躍遷到E1，產(chǎn)生受激輻射光，故光信號被放大。

在摻鉺光纖中如何形成離子數(shù)翻轉(zhuǎn)

EDFA模塊元件40/32/16通道DWDM用C-BandEDFA實物圖980nm泵浦激光器組件

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摻鉺光纖放大器的特性1)．

功率增益功率增益反映摻鉺光纖放大器的放大能力，定義為輸出信號光功率Pout與輸入信號光功率Pin之比，一般以分貝（dB）來表示。

EDFA的功率轉(zhuǎn)換效率輸出能量不超過原有信號能量與注入的泵浦能量之和功率轉(zhuǎn)換效率極限情況下泵浦光都用于放大信號光，那么此時：EDFA的輸入、輸出功率可以用能量守恒原則表示：EDFA的增益：隨輸入功率的變化假設沒有自發(fā)輻射，由能量守恒原則有：當輸入功率非常大時，即Ps,in

>>(lp/ls)Pp,in

，放大器增益是1，即對信號無放大↑↓EDFA的增益：隨增益介質(zhì)長度變化當泵浦光足夠強時，長為L的EDFA最大增益為：其中r為稀土元素的濃度，se是信號發(fā)射截面0L吸收區(qū)增益降低同向泵浦2)．

噪聲特性摻鉺光纖放大器的噪聲主要來自它的自發(fā)輻射。在激光器中，自發(fā)輻射是產(chǎn)生激光振蕩所不可缺少的，而在放大器中它卻成了有害噪聲的來源。

它與被放大的信號在光纖中一起傳播、放大、在檢測器中檢測時便得到下列幾種形式的噪聲：①自發(fā)輻射的散彈噪聲；②自發(fā)輻射的不同頻率光波間的差拍噪聲；③信號光與自發(fā)輻射光間的差拍噪聲；④信號光的散彈噪聲。由于本身產(chǎn)生的噪聲，使放大后信號的信噪比下降，造成對傳輸距離的限制，因而是放大器的一項重要指標。衡量摻鉺光纖放大器噪聲特性可用噪聲系數(shù)F來表示，它定義為放大器的輸入信噪比與輸出信噪比之比。

(SNR)in和(SNR)out分別代表輸入和輸出信噪比，一般噪聲系數(shù)越小越好。光放大器的基本應用和類型在線光放大：用于不需要光再生只需要簡單放大的場合前置光放大：用于提高接收機的靈敏度功率放大：增加發(fā)送功率，從而增加光纖中繼距離、補償插入損耗和功率分配損耗(如PON中)系統(tǒng)應用：EDFA的應用功率放大器直接放在光發(fā)射機后面，輸入一般在-8dBm左右，輸出功率根據(jù)系統(tǒng)需求而定例：考慮一個用作功放的EDFA，增益為10dB，假設從發(fā)射機獲得的輸入為0dBm，泵浦波長為980nm，那么為了在1540nm處獲得10dBm的輸出，泵浦功率至少應為：在線放大器在線放大器主要用在長距離傳輸系統(tǒng)中周期性地恢復因光纖損耗而減弱的光功率。每個EDFA能恰好補償前面通過長為L的光纖中的功率損耗，即G=exp(-aL)。但補償過程中積累的ASE噪聲會造成信噪比的惡化，它可以通過損傷因子衡量：級聯(lián)EDFA系統(tǒng)的OSNR在線放大器增益控制長距離傳輸系統(tǒng)中光纜損耗的變化或者前置光放大器功能減弱會引起鏈路功率發(fā)生波動。此時，保持在線放大的輸出功率不變是非常必要的。自動補償這種變化的一個辦法就是使放大器工作在增益飽和區(qū)：輸入功率減小時增益變大，輸入功率增加時增益變小。前置放大器前置放大器用來提高由于熱噪聲限制的直接檢測接收機的靈敏度。定義Smin和S*min分別為沒有和有前置放大器時所要求的最小光功率，二者的比值即為檢測靈敏度的改善量：其中N為接收機噪聲電功率，N*為光前置放大器中由ASE引入的噪聲多信道應用SOA中的非線性效應嚴重，易產(chǎn)生信道間干擾，不宜使用EDFA的優(yōu)勢：經(jīng)過補償和處理，EDFA可在1530–1600nm波長范圍提供平坦增益，使各個信道保持相近的信噪比10.3光纖拉曼放大器FRA拉曼現(xiàn)象在1928年被發(fā)現(xiàn)。90年代早期，EDFA取代它成為焦點，F(xiàn)RA受到冷遇。隨著光纖通信網(wǎng)容量的增加，對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。特別是高功率二極管泵浦激光器的迅猛發(fā)展，又為FRA的實現(xiàn)奠定了堅實的基礎(chǔ)。人們對FRA的興趣來源于這種放大器可以提供整個波長波段的放大。通過適當改變泵浦激光波長，就可以達到在任意波段進行寬帶光放大，甚至可在1270～1670nm整個波段內(nèi)提供放大。光纖拉曼放大器光纖(a)無泵激光的1550nm傳輸光功率(dB)波長1550nm波長光功率(dB)1550nm1450nm光纖(b)有泵激光的1550nm傳輸1550nm經(jīng)光纖傳輸衰減的光1450nm1550nm如果一個弱信號和一個強泵浦光同時在光纖中傳輸，并使弱信號波長置于泵浦光的拉曼增益帶寬內(nèi)，則弱信號即可被放大。這種基于SRS機制的光放大器稱為光纖拉曼放大器FRA。FRA原理簡介：物理機制：A.光纖拉曼散射效應（SRS)一個入射光子（pump)的湮滅，產(chǎn)生一個下移stokes頻率的光子和另一個具有相當能量和動量的光學光子B.與pump光子相差stokes頻率的信號光子，經(jīng)受激散射過程被放大FRA是靠非線性散射實現(xiàn)放大功能，不需要能級間粒子數(shù)反轉(zhuǎn)光纖拉曼放大器原理簡介(1)頻率為p和s的泵浦光和信號光通過耦合器輸入光纖，當這兩束光在光纖中一起傳輸時，泵浦光的能量通過SRS效應轉(zhuǎn)移給信號光，使信號光得到放大。峰值增益頻移：～13.2THz反向泵浦為主，也可同向泵浦支撐技術(shù):14nm的大功率泵浦激光器，目前以取得實用化光纖拉曼放大器原理簡介(2)FRA以傳輸光纖作為放大介質(zhì)－分布式放大，從而實現(xiàn)一種“無損耗”傳輸（可降低入纖光功率，避免非線性效應）光纖拉曼放大器－超低噪聲放大原理脈沖幅度z集中放大NonlinearEffectsNoiseHigh分布放大缺點：泵浦功率大(W),對光纖損害.光纖拉曼放大器的泵浦要求高能量輸出。拉曼散射增益具有偏振依賴性泵浦波長至關(guān)重要。信號光在1300nm波段時，最佳泵浦波長約在1220～1240nm，