集成光电子器件lpl(第六章光放大器)

1、1 2 内容提要内容提要 4.1 4.1 光放大器基本概述光放大器基本概述 4.2 4.2 掺铒光纤放大器掺铒光纤放大器 4.3 4.3 光纤拉曼放大器光纤拉曼放大器 4.4 4.4 半导体光放大器半导体光放大器 4.5 4.5 几种新型放大器几种新型放大器 4.6 4.6 光放大器的测试光放大器的测试 3 光放大器基本概述光放大器基本概述 常规的光电混合中继器放大光信号时，需要进行光 电转换、电放大、再定时、脉冲整形以及电光转换， 这种方式已经满足不了现代通信传输的要求。 z=0 z=L 衰减 光放 大器 光放大器的作用光放大器的作用 4 半导体光放大器（半导体光放大器（SOASOA） n

2、利用半导体制作的半导体光放大器（利用半导体制作的半导体光放大器（SOASOA） n 小型化，容易与其他半导体器件集成小型化，容易与其他半导体器件集成; ;性能与性能与 光偏振方向有关，器件与光纤的耦合损耗大光偏振方向有关，器件与光纤的耦合损耗大 光纤放大器光纤放大器(OFA)(OFA) n 利用利用稀土掺杂稀土掺杂的光纤放大器（的光纤放大器（EDFAEDFA、PDFAPDFA） n 利用光纤利用光纤非线性效应非线性效应制作的非线性光纤放大制作的非线性光纤放大 器（器（FRAFRA、FBAFBA） n 性能与光偏振方向无关，器件与光纤的耦合性能与光偏振方向无关，器件与光纤的耦合 损耗很小损耗很小

3、 光放大器的光放大器的分类分类 5 几种光放大器的比较几种光放大器的比较 6 光发射机+功率放大器+光接收机 光发射机+前置放大器+光接收机 光发射机+线路放大器+光接收机 光发射机+功率放大器+前置放大器+光接收机 光发射机+功率放大器+线路放大器+光接收机 光发射机+线路放大器+前置放大器+光接收机 光发射机+功率放大器+线路放大器+前置放大器+光接 收机 光放大器的光放大器的应用应用 7 电流电流 输入光信号输入光信号输出光信号输出光信号 输出光信号输出光信号 掺杂光纤掺杂光纤 输入光信号输入光信号 泵浦光泵浦光 波分复用器波分复用器 输出光信号输出光信号 纯石英光纤纯石英光纤 输入光信

4、号输入光信号 泵浦光泵浦光 波分复用器波分复用器 （a a）半导体光放大器）半导体光放大器（b b）掺杂光纤放大器）掺杂光纤放大器（c c）受激散射光纤放大器）受激散射光纤放大器 光放大器光放大器的基本工作原理的基本工作原理 n在泵浦能量（电或光）的作用下，实现粒子数反转（非线性光纤放在泵浦能量（电或光）的作用下，实现粒子数反转（非线性光纤放 大器除外），然后通过受激辐射实现对入射光的放大。大器除外），然后通过受激辐射实现对入射光的放大。 n光放大器是基于光放大器是基于受激辐射或受激散射受激辐射或受激散射原理实现入射光信号放大的一原理实现入射光信号放大的一 种器件。其机制与激光器完全相同。实际

5、上，光放大器在结构上是种器件。其机制与激光器完全相同。实际上，光放大器在结构上是 一个一个没有反馈或反馈较小的激光器。没有反馈或反馈较小的激光器。 8 光放大器的光放大器的参数参数 n增益增益: : 指指信号信号放大的放大的倍数倍数 n增益增益饱和饱和: :增益饱和是放大器放大能力的一种限制增益饱和是放大器放大能力的一种限制 因素，因素，接近饱和时接近饱和时，增益成非，增益成非线性线性，达到饱和后达到饱和后， 信号信号便便无法无法再放大。再放大。 n噪声指数噪声指数: :用用来量化经来量化经放大器放大器后的后的信噪比信噪比劣化劣化指标指标。 9 光放大器之光放大器之增益频谱和带宽增益频谱和带宽

6、 n增益G是描述光放大器对信号放大能力的参数。定义为： in out P P dBG 10 log10)( ( )exp ( ) GgL n G与光放大器的泵浦功率、掺杂光纤的参数和输入光信号 关系。 n G()与g()间存在指数依存关系。当=0时，放大器的 增益G()和增益系数g()均达到最大。 10 光放大器之光放大器之增益频谱和带宽增益频谱和带宽 11 增益增益饱和饱和 输入光功率较小时，输入光功率较小时，G是一常数，即输出光功率是一常数，即输出光功率Pout与输入光功率与输入光功率Pin成正成正 比例。比例。G0光放大器的小信号增益。光放大器的小信号增益。 G0 S 0 outS 0

7、ln2 2 G PP G P PS S为饱和功率为饱和功率 饱和输出功率：饱和输出功率：放大器增益降至小信号增益一半放大器增益降至小信号增益一半 时的输出功率。时的输出功率。 3dB Psout 当当Pin增大到一定值后，光放大器的增增大到一定值后，光放大器的增 益益G开始下降。增益饱和现象。开始下降。增益饱和现象。 饱和区域饱和区域 12 放大器的噪声放大器的噪声 n所有光放大器在放大过程中都会把自发辐射（或散射） 叠加到信号光上，导致被放大信号的信噪比（SNR）下 降，其降低程度通常用噪声指数NF来表示，其定义为： n主要噪声源：放大的自发辐射噪声（ASE），它源于放 大器介质中电子空穴对

8、的自发复合。自发复合导致了 与光信号一起放大的光子的宽谱背景。 out in SNR SNR dBNF )( )( log10)( 10 13 EDFA放大放大1540波长信号时产生的影响波长信号时产生的影响 14 ASE噪声噪声 nASEASE噪声近似为白噪声，噪声功率谱密度为：噪声近似为白噪声，噪声功率谱密度为： hnGS spsp 1自发辐射系数或自发辐射系数或 粒子数反转系数粒子数反转系数 12 2 NN N n sp 对于原子都处于激发态对于原子都处于激发态 或完全粒子数反转的光或完全粒子数反转的光 放大器，放大器，n nsp sp=1; =1; 当粒子数不完全反转时，当粒子数不完全

9、反转时， n nsp sp1 1； 激发态的粒子数激发态的粒子数基态的粒子数基态的粒子数 15 研究发现，接收机前接入光放大器后，新增加的研究发现，接收机前接入光放大器后，新增加的 噪声主要来自噪声主要来自ASEASE噪声与信号本身的差拍噪声。噪声与信号本身的差拍噪声。 噪声指数噪声指数为：为： )2lg(10 )1(2 lg10 sp sp n G nG NF 表明：即使对表明：即使对n nsp sp=1 =1的完全粒子数反转的理想放大器，的完全粒子数反转的理想放大器， 被放大信号的被放大信号的SNRSNR也降低了二倍（或也降低了二倍（或3dB3dB）。对大多数）。对大多数 实际的放大器实际

10、的放大器F Fn n均超过均超过3dB 3dB ，并可能达到，并可能达到68dB68dB。希望。希望 放大器的放大器的F Fn n尽可能低。尽可能低。 ASE噪声噪声 16 自发辐射的影响是增加一些起伏到放大后 的功率上，在光电探测过程中该功率又转变成 电流的起伏。 研究结果表明，在接收机噪声中占统治地 位的是来自自发辐射与信号本身的拍频噪声， 即自发辐射与放大后的信号在光电探测器相干 混频，并产生光电流的外差成份。 ASE噪声噪声 17 掺铒光纤放大器掺铒光纤放大器 l 以掺铒光纤为增益介质。 l 1985年，南安普敦大学的Mears等人制成了EDFA。 l 1986年，他们用Ar离子激光器

11、做泵浦源又制造出工作波 长为1540 nmnm的EDFA。 l 90年代初，波长1.55m的EDFA宣告研制成功并能实际推 广应用。 l 1994年开始，EDFA进入商用，包括Corning、Lucent和 JDS Uniphase等许多著名公司 。 l 我国研究EDFA起步比较晚，是从上世纪90年代开始的。 掺铒光纤放大器简介掺铒光纤放大器简介 18 掺铒光纤放大器特性掺铒光纤放大器特性 高增益（高增益（30dB30dB） 宽带（约宽带（约100nm100nm） 低噪声（低噪声（4 46dB6dB） 偏振不敏感偏振不敏感 高输出功率（高输出功率（16dBm16dBm） 19 EDFAEDFA

12、一般由一般由掺铒光纤掺铒光纤(EDF)(EDF)、泵浦光泵浦光(PUMP-LD)(PUMP-LD)、光无源器件、控制、光无源器件、控制 单元单元和和通信接口通信接口五个部分组成。五个部分组成。 掺铒光纤放大器的基本组成掺铒光纤放大器的基本组成 正向泵浦时由于在输入端具有很高的粒 子数反转，噪声指数最小 反向泵浦时由于能在输出端提供较强的泵 浦功率以延迟增益饱和现象的发生，转换效 率较高，输出功率较高、噪声指数最大 双向泵浦时由于泵浦光沿铒光纤长度泵 浦比较均匀，因而它兼具高功率及低噪声 指数的特性。 20 EDFA中的中的Er3+能级结构能级结构 n泵浦波长可以是520、650、800、980

13、、1480nm,波长短于 980nm的泵浦效率低，980nm和1480nm的LD已经商品化, 因而通常采用980和1480nm泵浦。 21 EDFA的工作原理的工作原理 nEDFA采用掺铒离子单模光纤为增益介质，在泵浦光作用下 产生粒子数反转，在信号光诱导下实现受激辐射放大。 22 增益随着EDF长度的增加先增大，在达到增益最大值后，增益开 始随着EDF长度的增加逐渐变小。这说明了EDFA优化设计中存在最佳 铒光纤长度问题。这是因为泵浦光激发基态粒子到上能级，通过受 激辐射实现光信号放大，当泵浦光沿EDF传输时，将因受激吸收而不 断衰减，导致反转粒子数不断减少，当长度超过最佳长度后，泵浦 光就

14、不能让信号光得到充分的放大，同时信号光也被吸收，此时增 益下降。 不管是正向泵浦还是反向泵浦，1480 nmnm泵浦得到的噪声指数 和增益都高于980 nmnm泵浦所得。反向泵浦的噪声指数和增益大于 正向泵浦，长度越长，这种差别就越明显。 因此，人们在设计混合泵浦EDFA时候，通常把1480 nm激光作为 反向泵浦，980 nm作为正向泵浦。 掺铒光纤放大器的基本特性掺铒光纤放大器的基本特性 23 增益均衡问题增益均衡问题 不同信道之间存在强烈的竞争。从而导致系统出现误 码。 当多个波长的光信号通过EDFA时，不同信道的增益会 有所不同，而且这种增益差还会随着级联放大而累积 增大，导致某些信道

15、的增益剧增而另一些信道的增益 剧减，低电平信道信号的SNR恶化，高电平信道信号 也因为光纤非线性效应而使信号特性恶化。 信道数目的变化将造成剩余信道总功率的随机变化从 而影响系统的稳定性. 掺铒光纤放大器的多通道放大掺铒光纤放大器的多通道放大 24 解决方案解决方案 光纤本征型，选用不同掺杂即光纤基质成分，从而改善 EDFA的特性。如研制蹄化物玻璃材料光纤； 用增益谱反转的各种无源滤波器补偿型，如利用Bragg光 纤光栅、双锥光纤、周期调制的双芯光纤等等； 用增益谱反转的各种有源滤波器补偿型，如利用集成电 光M-Z干涉仪，声光滤波器； 用不同掺杂材料和掺杂量的光纤进行混合组合EDFA型； 对铒

16、光纤进行周期性弯曲来改变EDFA的增益谱和噪声指 数； 自引入激射光的增益锁定控制。 掺铒光纤放大器的多通道放大掺铒光纤放大器的多通道放大 25 n利用利用光纤非线性效应光纤非线性效应中的中的SRSSRS原理原理进行进行光放大。光放大。 n无需无需利用利用掺杂掺杂的的光纤作为光纤作为增益增益介质介质，直接使用，直接使用传输传输 的的光纤光纤即即可获得可获得增益。增益。 n获得获得增益之波長增益之波長约为泵浦源约为泵浦源波波长往长往长波长方向长波长方向移位移位 100 nm100 nm，只要，只要挑选对挑选对所需之所需之泵浦源的泵浦源的波長，即可波長，即可 放大放大光纤光纤低低损耗带宽损耗带宽內

17、的任意波段內的任意波段信号信号。 n利用利用多个不同波长的泵浦源组合多个不同波长的泵浦源组合可以可以获得超宽带获得超宽带、 增益平坦增益平坦的放大器。的放大器。 光纤拉曼放大器光纤拉曼放大器 拉曼放大器的拉曼放大器的简介简介 26 n拉曼现象在1928年被发现。 n90年代早期，EDFA取代它成为焦点，FRA受到冷遇。 n随着光纤通信网容量的增加，对放大器提出新的要求， 传统的EDFA已很难满足，FRA再次成为研究的热点。 n高功率二极管泵浦激光器的迅猛发展，为FRA的实现 奠定了坚实的基础。 n人们对FRA的兴趣来源于这种放大器可以提供整个波 长波段的放大。通过适当改变泵浦激光波长，就可以

18、达到在任意波段进行宽带光放大，甚至可在1270 1670nm整个波段内提供放大。 拉曼放大器的拉曼放大器的简介简介 27 n分立式FRA采用拉曼增益系数较高的特种光纤（如高 掺锗光纤等），这种光纤长度一般为几公里，泵浦功 率要求很高，一般为数瓦，可产生40 dB以上的高增 益，用于实现EDFA无法实现的波段的集总式放大。 n分布式RFA主要作为传输系统中传输光纤损耗的分布 式补偿放大，实现光纤通信系统光信号的透明传输， 主要用于1.3m和1.5m光纤通信系统中作为多路信 号和高速超短光脉冲信号传输损耗的补偿放大，亦可 作为光接收机的前置放大器。 拉曼放大器的拉曼放大器的简介简介 28 FRAF

19、RA原理简介：原理简介： 物理机制：物理机制： A.A.光纤拉曼散射效应（光纤拉曼散射效应（SRS)SRS) 一个入射光子（一个入射光子（pump)pump)的的 湮灭，产生一个下移湮灭，产生一个下移 stokesstokes频率的光子和另一频率的光子和另一 个具有相当能量和动量的光个具有相当能量和动量的光 学光子学光子 B.B.与与pumppump光子相差光子相差 stokesstokes频率的信号光子，频率的信号光子， 经受激散射过程被放大经受激散射过程被放大 FRAFRA是靠非线性散射实现放大功是靠非线性散射实现放大功 能，不需要能级间粒子数反转能，不需要能级间粒子数反转 光纤拉曼放大器

20、原理简介光纤拉曼放大器原理简介(1) 29 频率为频率为 p p和和 s s的泵浦光和信号光的泵浦光和信号光 通过耦合器输入光纤，当这两束通过耦合器输入光纤，当这两束 光在光纤中一起传输时，泵浦光光在光纤中一起传输时，泵浦光 的能量通过的能量通过SRSSRS效应转移给信号效应转移给信号 光，使信号光得到放大。光，使信号光得到放大。 峰值增益频移：峰值增益频移：13.2THz13.2THz 反向泵浦为主，也可同向泵浦反向泵浦为主，也可同向泵浦 支撑技术支撑技术: 14: 14nmnm的大功率泵的大功率泵 浦激光器，目前以取得实用化浦激光器，目前以取得实用化 光纤拉曼放大器原理简介光纤拉曼放大器原

21、理简介(2) 30 pp oR a pg eG )1( 1 o G G o o s 0：输入信号输入信号 功率对泵浦光功率对泵浦光 功率的比例功率的比例)0( )0( p s s p o P P f f 拉曼拉曼增益常数增益常数 R g p p a有效光纤截面积有效光纤截面积 泵浦光的光纤衰减常数泵浦光的光纤衰减常数 输入的泵浦光功率输入的泵浦光功率 p f o p s f )0( s P信号信号光的功率光的功率 泵浦泵浦光的光的频率频率 信号信号光的光的频率频率 拉曼放大器的拉曼放大器的特性特性 n 放大增益 n 饱和增益 n 噪声指数 同EDFA 31 拉曼放大器的拉曼放大器的特性特性 特

22、性：特性： 在所有类型光纤中都会发生在所有类型光纤中都会发生 峰值增益频移峰值增益频移13 THz (60-100nm)13 THz (60-100nm) 增益具有偏振依赖性，当泵浦光与信号光偏振方向平增益具有偏振依赖性，当泵浦光与信号光偏振方向平 行时增益最大，垂直时增益最小为零行时增益最大，垂直时增益最小为零 增益谱很宽增益谱很宽(125nm)(125nm)但并不平坦但并不平坦 nAdvantages:Advantages: n理论上可以得到任意波长的增益，前提是需要合适的泵浦理论上可以得到任意波长的增益，前提是需要合适的泵浦 源；源； n分布或分立放大均能实现；分布或分立放大均能实现；

23、n使用光纤作为放大介质意味着在线放大的可能，可以减少使用光纤作为放大介质意味着在线放大的可能，可以减少 噪声的积累。噪声的积累。 nDisadvantages:Disadvantages: n泵浦功率高（泵浦功率高（500mW500mW） 32 SOA具有快的动态增益特性、价格低、能耗小、宽的 带宽、可以工作在0.61.6m任意波段，易于与其他器 件集成等优点。 早在1962年发明半导体激光器不久，人们就已开始了 SOA的研究。 由于80年代末期EDFA的出现并迅速成为光纤通信的主 流，SOA的研发和应用曾相对处于低谷，直到90 年代后， 人们进一步认识到SOA可以用于实现波长转换、WDM与

24、TDM转换等功能，才又对SOA进行了广泛地研究和开发。 4.4 半导体光放大器半导体光放大器 半导体半导体光放大器的光放大器的简介简介 33 (1)(1)法布里法布里- -珀罗珀罗 ( ( FabryFabry-Perot Amplifier, FPA )-Perot Amplifier, FPA ) 将一将一 般的般的FPFP半导体激光器当半导体激光器当作光放大器使用。作光放大器使用。 (2) (2) 行波式光放大器行波式光放大器( (TravellingTravelling-Wave Amplifier, TWA)-Wave Amplifier, TWA) 在在FabryFabry-Per

25、ot-Perot激光器激光器的的两端两端面上面上涂上涂上抗反射膜，以抗反射膜，以获获 得宽带得宽带、高、高输出输出、低、低噪声的噪声的放大光。放大光。 半导体半导体光放大器的光放大器的分类分类 根据光放大器端面反射率和工作偏置条件，将半导体光放根据光放大器端面反射率和工作偏置条件，将半导体光放 大器分为：大器分为： 34 行波半导体光放大器行波半导体光放大器 nTWTWSOASOA具有极低的端面反射率，通常在具有极低的端面反射率，通常在0.1%0.1% 以下以下: :入射信号只能单程放大（行波）入射信号只能单程放大（行波） n降低端面反射方法：倾斜有源区法、窗面结构。降低端面反射方法：倾斜有源

26、区法、窗面结构。 nTWTWSOASOA的增益、增益带宽和噪声特性都可以的增益、增益带宽和噪声特性都可以 满足光纤通信的要求，但如下缺点限制着它在光满足光纤通信的要求，但如下缺点限制着它在光 纤通信中的实际应用：纤通信中的实际应用： n对偏振（亦即极化态）非常敏感。不同的偏振对偏振（亦即极化态）非常敏感。不同的偏振 模式，具有不同的增益模式，具有不同的增益GG，如横电模（，如横电模（TETE）和）和 横磁模（横磁模（TMTM）的增益差可达）的增益差可达58 dB58 dB 35 SOA增益偏振相关性增益偏振相关性 起因：由于半导体有源层的横截面呈扁长方形，对横向（长方形起因：由于半导体有源层的

27、横截面呈扁长方形，对横向（长方形 的宽边方向）和竖向（长方形的窄边方向）的光场约束不同，光的宽边方向）和竖向（长方形的窄边方向）的光场约束不同，光 场在竖向的衍射泄漏强于横向，因而场在竖向的衍射泄漏强于横向，因而竖向的光增益弱于横向竖向的光增益弱于横向。因。因 此光信号的此光信号的偏振方向取横向时的增益大，取竖向时的增益小。偏振方向取横向时的增益大，取竖向时的增益小。 解决方法：采用宽、厚可比拟的有源层设计；使用方法上解决。解决方法：采用宽、厚可比拟的有源层设计；使用方法上解决。 相同结构相同结构SOASOA互相互相垂直垂直 并接并接，在输入端采用偏，在输入端采用偏 振分束器将信号振分束器将信

28、号分成分成TETE 和和TMTM偏振信号偏振信号, ,分别输分别输 入至相互垂直的入至相互垂直的SOASOA， 然后将两只然后将两只SOASOA放大的放大的 TETE和和TMTM偏振信号合成，偏振信号合成， 得到与输入光同偏振态得到与输入光同偏振态 的放大信号。的放大信号。 输入光信号输入光信号往返两次往返两次通过同一通过同一SOASOA，但反向，但反向 通过前，采用法拉第旋转器使返回光旋转通过前，采用法拉第旋转器使返回光旋转90900 0 第二次放大后，用耦合器取出输出光信号。第二次放大后，用耦合器取出输出光信号。 相同结构相同结构SOASOA 互相互相垂直串接垂直串接， 所得增益将与所得增

29、益将与 偏振无关偏振无关 36 4.5 几种新型放大器几种新型放大器 掺铥光纤放大器掺铥光纤放大器 波导放大器波导放大器 光子晶体光纤放大器光子晶体光纤放大器 37 TDFA的能级泵浦图的能级泵浦图 掺铥光纤放大器掺铥光纤放大器 第一级泵浦通过基 态吸收将Tm3+由基态 泵浦到3H4能级，并由 于多量子驰豫衰减到 亚稳态3F4 第二级泵浦将Tm3+从 能级3F4泵浦到3H4。 第二级泵浦减少了 3F4能级的粒子数，同 时增加了3H4的粒子数， 从而实现了粒子数反 转。 38 利用利用TDFA和和EDFA进行三波段超宽带进行三波段超宽带DWDM传输实验系统传输实验系统 掺铥光纤放大器掺铥光纤放大

30、器 TDFA的主要应用是DWDM系统，它的研制成功，可以和EDFA进行多 波段合波的传输，从而解决了通信容量的问题。 39 EDWA结构示意图结构示意图 波导放大器波导放大器 光波导放大器可以在较小的器件尺寸内获得较大的增益，有可能为 集成光路引进多种有源/无源器件。可以像电路集成一样将光波导放 大器、光源、光滤波器、光探测器等有源、无源器件集成在一片芯片 中，进行光电子集成。 掺钕光波导放大器（NDWA，其中心工作波长为1060nm） 掺铒光波导放大器（EDWA，其中心工作波长为1550nm）。 40 (a) 光子晶体光纤光子晶体光纤 （b）空芯光子晶体光纤）空芯光子晶体光纤 光子晶体光纤的

31、电子扫描显微图光子晶体光纤的电子扫描显微图 光子晶体光纤放大器光子晶体光纤放大器 光子晶体光纤（PCF）又被称为微结构光纤或多孔光纤，它是 一种由单一介质构成（通常为熔融硅或聚合物）、在二维方向 上紧密排列（通常为周期性六角形）而在第三维方向（光纤的 轴向）基本保持不变的波长量级的空气孔构成微结构包层的新 型光纤。它可以视为一种芯层为破坏了周期结构的缺陷的二维 光子晶体，且其芯层可以为实芯材料或空气。 41 类似于EDFA和RFA，PCFA也可以分为光子晶体光纤 拉曼放大器和掺铒光子晶体光纤放大器。然而到目前 为止，PCFA还处在研究阶段。 光子晶体光纤放大器光子晶体光纤放大器 PCF的结构易于设计，容易控制光的行为，设计一 种自身具有色散控制、非线性效应小、泵浦功率小、 体积小且宽带的光子晶体光放大器是完全有可能的。 近年来国内外许多学者开始了光子晶体光纤放大器 （PCFA）的研究。 42 4.6 光放大器的测试光放大器的测试 测试参数的定义测试参数的定义 掺铒光纤放大器掺铒光纤放大器 拉曼光纤放大器拉曼光纤放大器 半导体光放大器半导体光放大器 43 动态范围：定义为放大器工作于饱和区时，保持 恒定信号输出功率(0.5 dB)所对应