第六章 光放大器

第六章光放大器長距離光纖傳輸每隔一定距離要增加光中繼器，以便保證信號質(zhì)量。光-電-光轉(zhuǎn)換再生中繼器結(jié)構(gòu)再整形（re-shaping）再放大(re-amplifying)再定時(shí)（re-timing）典型的數(shù)字光電中繼器原理框圖由一個(gè)沒有線路碼型變換和反變換的光接收和光發(fā)射相連接的系統(tǒng)全光中繼器本章內(nèi)容光放大器的基本應(yīng)用形式半導(dǎo)體光放大器(SOA)摻鉺光纖放大器(EDFA)光纖拉曼放大器(FRA)光放大器在光纖通信系統(tǒng)中的四種用途半導(dǎo)體光放大器

（SOA：SemiconductorOpticalAmplifier）TWSOAF-PSOASOA工作機(jī)理SOA是一個(gè)具有或不具有端面反射的半導(dǎo)體激光器。采用正向偏置的PN結(jié)，對其進(jìn)行電流注入來激活電子，實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布，當(dāng)外光場射入時(shí)產(chǎn)生受激輻射實(shí)現(xiàn)對入射光功率的放大。光放大器增益分布曲線g(ω)和相應(yīng)的放大器增益頻譜曲線G(ω)介質(zhì)的增益系數(shù)放大器增益系數(shù)（放大倍數(shù)）：放大器帶寬和增益帶寬增益飽和G0為不飽和放大器增益放大器噪聲用放大器噪聲指數(shù)Fn來量度SNR下降的程度，定義討論受限于散粒噪聲的理想探測器例：假如輸入信號功率為300μW，在1nm帶寬內(nèi)的輸入噪聲功率是30nW，輸出信號功率是60mW，在1nm帶寬內(nèi)的輸出噪聲功率增大到20μW，計(jì)算光放大器的噪聲指數(shù)？解：光放大器使輸出信噪比下降了，但同時(shí)也使輸出功率增加了，所以可容忍SNR的下降。不同反射率時(shí)的F-PSOA的增益頻譜FPA與TWA的帶寬比較TWA的增益與波長的關(guān)系增益小的波紋狀，反映出解理面剩余反射率的影響，此時(shí)R約0.04%。TWA對反射率的要求減小端面反射反饋，可制出TWA。減小反射率的一個(gè)簡單方法是在界面上鍍以抗反射膜（增透膜）（反射率小于1%）。但TWA要求R<0.1%，且最小反射率還取決于放大器增益本身。減小反射率的方法（一）角度解理面或有源區(qū)傾斜結(jié)構(gòu)在大多數(shù)情況下，使用抗反射膜和有源區(qū)傾斜，可以使反射率小于<0.1%減小反射率的方法（二）有源區(qū)端面和解理面之間插入透明窗口區(qū)SOA的優(yōu)點(diǎn)SOA的缺點(diǎn)與光纖耦合損耗大；噪聲指數(shù)的典型值為5-7dB；

（噪聲機(jī)理：自發(fā)輻射、有源區(qū)的吸收和散射損耗、剩余解理面的反射率）穩(wěn)定性差，因增益與偏振態(tài)、溫度等因素有關(guān)。減小偏振態(tài)對SOA增益影響的三種結(jié)構(gòu)摻鉺光纖放大器結(jié)構(gòu)

EDFA---ErbiumDopedFiberAmplifier摻鉺光纖（EDF---ErbiumDopedFiber)EDFA工作原理泵浦光是如何將能量轉(zhuǎn)移給信號的?EDFA工作機(jī)理在泵浦源(980nm或1480nm)的作用下，在摻鉺光纖中出現(xiàn)了粒子數(shù)的反轉(zhuǎn)分布。通過輸入信號光的誘導(dǎo)，使處于粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布狀態(tài)下的高能級電子躍遷到低能級，并釋放出與入射光子一樣的一個(gè)光子，即產(chǎn)生了受激輻射，從而使光信號（1530nm---1560nm)得到放大。EDFA結(jié)構(gòu)EDFA由摻鉺光纖、一個(gè)或多個(gè)泵浦光源、光波分復(fù)用器、光隔離器等組成。1.同向泵浦結(jié)構(gòu)2.反向泵浦結(jié)構(gòu)3.雙向泵浦結(jié)構(gòu)同向泵浦結(jié)構(gòu)EDFA主要特性泵浦特性對于給定的放大器長度增益頻譜增益帶寬（FWHM）大于10nm纖芯中摻入鋁離子，帶寬還可增大且增益頻譜相當(dāng)平坦。小信號增益EDFA的增益與鉺離子濃度、芯徑、摻雜光纖長度和泵浦功率有關(guān)。對于給定的放大器長度（EDF長度），增益隨泵浦功率在開始時(shí)按指數(shù)增加，當(dāng)泵浦功率超過一定值時(shí)，增益增加變緩，并趨于一恒定值。小信號增益當(dāng)泵浦功率一定時(shí)，放大器在某一最佳長度時(shí)獲得最大增益，如果放大器長度超過此值，由于泵浦的消耗，最佳點(diǎn)后的摻鉺光纖不能受到足夠泵浦，而且要吸收已放大的信號能量，導(dǎo)致增益很快下降。增益飽和（或壓縮）特性

在EDFA泵浦功率一定的情況下，輸入功率較小時(shí)，放大器的增益不隨入射信號的增加而變化。當(dāng)輸入信號增大到一定值后，增益開始隨信號功率的增加而下降，這是入射信號導(dǎo)致EDFA出現(xiàn)增益飽和的緣故。放大器噪聲放大器的噪聲指數(shù)與放大器長度L和泵浦功率Pp有關(guān)。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EDFA的優(yōu)點(diǎn)1.工作波長與光纖最小損耗窗口一致。2.耦合效率高。4.增益高，噪聲低。5.增益特性對溫度和光偏振狀態(tài)不敏感。EDFA的缺點(diǎn)波長固定，明顯存在著工作波段和增益帶寬的局限性?？烧{(diào)節(jié)的波長有限，只能換用其他摻雜光纖。增益帶寬不平坦。在WDM系統(tǒng)中需要采用特殊的手段來進(jìn)行增益譜補(bǔ)償。自發(fā)輻射噪聲的影響，尤其是當(dāng)系統(tǒng)級聯(lián)時(shí)，自發(fā)輻射噪聲的影響會大大降低系統(tǒng)接收端的信噪比。光纖拉曼放大器FRA拉曼(Raman)現(xiàn)象在1928年被發(fā)現(xiàn)，拉曼放大技術(shù)從1984年開始研究并應(yīng)用。90年代早期，EDFA取代它成為焦點(diǎn)，光纖拉曼放大器（FRA）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(diǎn)。光纖拉曼放大器FRA光纖中的非線性效應(yīng)SRS受激拉曼散射實(shí)現(xiàn)光信號的放大增益介質(zhì)：系統(tǒng)傳輸光纖基于非線性光學(xué)效應(yīng)，利用強(qiáng)泵浦光通過光纖傳輸時(shí)產(chǎn)生受激拉曼散射，使組成光纖的石英晶格振動和泵浦光之間發(fā)生相互作用，產(chǎn)生比泵浦光波長P還長的散射光（斯托克斯光P–s

）。該散射光與波長相同的信號光(P–s

)重疊，從而使弱信號光放大，獲得拉曼增益。就石英玻璃而言，泵浦光波長與待放大信號光波長之間的頻率差大約為13THz。FRA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1450nm1550nm如果一個(gè)弱信號和一個(gè)強(qiáng)泵浦光同時(shí)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(jī)制的光放大器稱為光纖拉曼放大器FRA。硅光纖拉曼增益系數(shù)頻譜曲線增益帶寬（FWHM）可以達(dá)到約8THz泵浦功率為200mW時(shí)，最大增益值為7.78dB泵浦功率為100mW時(shí)，最大增益值為3.6dB。在增益峰值附近的增益帶寬約為7~8THz。小信號光在長光纖內(nèi)的拉曼增益FRA放大增益和泵浦功率的關(guān)系增益飽和多波長反向泵浦FRA減小了泵浦光和信號光相互作用的長度，從而減小泵浦噪聲對信號光的影響。多波長泵浦增益帶寬FRA的優(yōu)