第六章光放大器

1、第六章第六章 光放大器光放大器 长距离光纤传输每隔一长距离光纤传输每隔一定距离要增加光中继器，以定距离要增加光中继器，以便保证信号质量。便保证信号质量。光光-电电-光转换再生中继器结构光转换再生中继器结构再整形（再整形（re-shaping）再放大再放大(re-amplifying)再定时（再定时（re-timing）典型的数字光电中继器原理框图典型的数字光电中继器原理框图由一个没有线路码型变换和反变换的光接收和光发射相连接的系统由一个没有线路码型变换和反变换的光接收和光发射相连接的系统全光中继器全光中继器本章内容本章内容v光放大器的基本应用形式光放大器的基本应用形式v半导体光放大器半导体光放

2、大器(SOA)v掺铒光纤放大器掺铒光纤放大器(EDFA)v光纤拉曼放大器光纤拉曼放大器(FRA)光放大器在光纤通信系统中的四种用途光放大器在光纤通信系统中的四种用途光光发发射射机机EDFA光光接接收收机机EDFA光光纤纤光光纤纤(a)在在线线放放大大器器在在线线放放大大器器光光发发射射机机光光接接收收机机EDFA光光纤纤(c)前前置置放放大大器器接接收收机机前前置置放放大大器器光光发发射射机机EDFA光光接接收收机机光光纤纤(b)功功率率放放大大器器光光发发射射机机功功率率增增强强器器光光发发射射机机EDFA光光接接收收机机(d)补补偿偿损损耗耗放放大大器器光光纤纤总总线线节节点点在在局局域域

3、网网中中用用于于补补偿偿分分配配损损耗耗EDFA半导体光放大器半导体光放大器（SOA：Semiconductor Optical Amplifier）注入电流注入电流输入输入光信号光信号输出光信号输出光信号有源区有源区Lz = 0z = Lz z注入电流注入电流输入输入光信号光信号输出光信号输出光信号有源区有源区Lz = z = Lz z反射面反射面R反射面反射面R0TW SOAF-P SOASOA工作机理工作机理vSOA是一个具有或不具有端面反射的半导体是一个具有或不具有端面反射的半导体激光器。采用正向偏置的激光器。采用正向偏置的PN结，对其进行电结，对其进行电流注入来激活电子，实现粒子数反

4、转分布，当流注入来激活电子，实现粒子数反转分布，当外光场射入时产生受激辐射实现对入射光功率外光场射入时产生受激辐射实现对入射光功率的放大。的放大。光放大器光放大器增益分布曲线增益分布曲线g()和相应的放大器和相应的放大器增益频谱曲线增益频谱曲线G()相对增益0.00.20.40.60.81.0-4-2024归一化失谐G( )g ( )02TAg )/1 (/122200mPPTggsatzPgPPGinout,exp)(介质的增益系数介质的增益系数放大器增益系数（放大倍数）：放大器增益系数（放大倍数）：)exp()2/ln(2ln(002/10LgGGvvgA放大器带宽和增益带宽放大器带宽和增

5、益带宽增益饱和增益饱和归一化放大器增益0.00.20.40.60.81.0归一化输出功率10010 210 110110dB15dB30dBG0=PoutPsat/G0G/-satout01expGPPGGGG0为不饱和放大器增益为不饱和放大器增益放大器噪声放大器噪声v用放大器噪声指数用放大器噪声指数Fn来量度来量度SNR下降的程度，定义下降的程度，定义outinnSNRSNRFhfnGfSfSGPfRSRGPfRGPqRGPIspspspinin) 1()(4)(4)(2SNRspin2in22out谱密度自发辐射引入的噪声频spspn212nGGnF122NNNnsp自发辐射系数讨论受限于

6、散粒噪声的理想探测器讨论受限于散粒噪声的理想探测器的理想探测器的响应度是量子效率为12)(2)()(222hfqRfhfPfRPqRPISNRinininsin例：假如输入信号功率为300W，在1nm带宽内的输入噪声功率是30nW，输出信号功率是60mW，在 1nm带宽内的输出噪声功率增大到20W，计算光放大器的噪声指数？5.2dB33. 31031010)()(33或outinnSNRSNRF解：解：光放大器使输出信噪比下降了，但同时也使输出功率增光放大器使输出信噪比下降了，但同时也使输出功率增加了，所以可容忍加了，所以可容忍SNR的下降。的下降。不同反射率时的不同反射率时的F-P SOA的

7、增益频谱的增益频谱频率频率增益增益 g GFPAR=0.03R=0.32R=0 0GFPAmaxGFPAmin0+2 0-2 0行波放大器行波放大器( ) 2ss211 RGGR maxFPA)( G / )(sin4)1 ()()1)(1 ()(22122121LmsFPAfffRRGRRGfGRRfG信号增益波长01020301.441.461.481.501.521.54/dBm(TE)横电模/ 频率增益 gGFPA00GTWAvvvFPAvTWAFPA与与TWA的带宽比较的带宽比较TWA的增益与波长的关系的增益与波长的关系增益小的波纹状，反映出解理面剩余增益小的波纹状，反映出解理面剩余

8、反射率的影响，此时反射率的影响，此时R约约0.04%。TWA对反射率的要求对反射率的要求v减小端面反射反馈，可制出减小端面反射反馈，可制出TWA。v减小反射率的一个简单方法是在界面上镀以抗反射膜减小反射率的一个简单方法是在界面上镀以抗反射膜（增透膜）（反射率小于（增透膜）（反射率小于1%）。）。v但但TWA要求要求R0.1%，且最小反射率还取决于放大器，且最小反射率还取决于放大器增益本身。增益本身。17. 021RRG减小反射率的方法（一）减小反射率的方法（一）有有源源区区光光输输入入光光输输出出反反射射角度解理面或有源区倾斜结构角度解理面或有源区倾斜结构在大多数情况下，使用抗反射膜和有源区倾

9、斜，可在大多数情况下，使用抗反射膜和有源区倾斜，可以使反射率小于以使反射率小于 0.1%减小反射率的方法（二）减小反射率的方法（二）透透明明区区有有源源区区光光输输入入光光输输出出增增透透膜膜有源区端面和解理面之间插入透明窗口区有源区端面和解理面之间插入透明窗口区SOA的优点的优点可可调调谐谐光光栅栅滤滤波波器器增增益益区区D DB BR R调调谐谐半半导导体体光光放放大大探探测测E EA A调调制制抗抗反反射射膜膜高高反反射射膜膜后后镜镜面面前前镜镜面面I ISOA的缺点的缺点v与光纤耦合损耗大；与光纤耦合损耗大；v噪声指数的典型值为噪声指数的典型值为5-7dB； （噪声机理：自发辐射、有源

10、区的吸收和散射损耗、（噪声机理：自发辐射、有源区的吸收和散射损耗、剩余解理面的反射率）剩余解理面的反射率）v稳定性差，因增益与偏振态、温度等因素有关。稳定性差，因增益与偏振态、温度等因素有关。减小偏振态对减小偏振态对SOA增益影响的三种结构增益影响的三种结构偏振分光器放大器(a)(b) 两个放大器并接TETM两个结平面相互垂直的放大器串接偏振合光器TMTE反射镜法拉第旋转器放大器芯片偏振控制输出输入45(c) 光信号通过同一个放大器两次, 极化旋转了o90,使总增益与偏振态无关o掺铒光纤放大器结构掺铒光纤放大器结构EDFA-Erbium Doped Fiber Amplifier输入信号输入信

11、号泵浦泵浦光隔离器光隔离器光隔离器光隔离器波分复用器波分复用器掺铒光纤掺铒光纤输出信号输出信号熔接熔接掺铒光纤（掺铒光纤（EDF-Erbium Doped Fiber)2b2aEr3+-Al203-Ge02-Si02F-Si02 Ge02-Si02 ErEr直径125直径125硅包层硅包层 m径向分布场径向分布场 掺锗区 掺锗区（直径3 )（直径3 ) m 0.010.04 6 6 掺铒区 掺铒区（浓度1100 2500ppm)（浓度1100 2500ppm) 00.20.40.60.81.0010002000300040005000b/appm-wt铒铒离离子子浓浓度度图图 7.1.1 铒离

12、子浓度铒离子浓度与与 b/a值的关系值的关系图图 7.1.2 掺铒光纤结构掺铒光纤结构和折射率分布和折射率分布EDFA工作原理工作原理1530nm980nm980nm泵浦光泵浦光放大后放大后的信号光的信号光.1E2E3E信号光信号光1550nm1550nm0能级能级 3rE0.80eV1.27eV铒离子能级图铒离子能级图泵浦光是如何将能量转移给信号的泵浦光是如何将能量转移给信号的?EDFA工作机理工作机理v在泵浦源在泵浦源(980nm或或1480nm)的作用下，在掺铒的作用下，在掺铒光纤中出现了粒子数的反转分布。通过输入信光纤中出现了粒子数的反转分布。通过输入信号光的诱导，使处于粒子数反转分布

13、状态下的号光的诱导，使处于粒子数反转分布状态下的高能级电子跃迁到低能级，并释放出与入射光高能级电子跃迁到低能级，并释放出与入射光子一样的一个光子，即产生了受激辐射，从而子一样的一个光子，即产生了受激辐射，从而使光信号（使光信号（1530nm-1560nm)得到放大。得到放大。EDFA结构结构vEDFA由掺铒光纤、一个或多个泵浦光源、光波分复由掺铒光纤、一个或多个泵浦光源、光波分复用器、光隔离器等组成。用器、光隔离器等组成。v1.同向泵浦结构同向泵浦结构v2.反向泵浦结构反向泵浦结构v3.双向泵浦结构双向泵浦结构同向泵浦结构同向泵浦结构输入信号输入信号泵浦泵浦光隔离器光隔离器光隔离器光隔离器掺铒

14、光纤掺铒光纤输出信号输出信号熔接熔接波分复用器波分复用器EDFA主要特性主要特性v泵浦特性泵浦特性008020406020406080泵浦功率输出信号功率转换效率92.6%(mW)(mW)00401020305101520泵浦功率小信号增益增益系数(dB)(mW)6.3dB/mW对于给定的放大器长度对于给定的放大器长度v增益频谱增益频谱.1 4801 520 1 540 1 5600246810吸收或增益波长1 500/nm/(dB/m)10-25m2吸收增益截面2461E980 nm泵浦光放大后的信号光信号光1 550 nm1 550 nm0能级3rE1 530 nm980 nm2E3E0.

15、80eV1.27eV 增益带宽（增益带宽（FWHM）大于大于10nm纤芯中掺入纤芯中掺入铝离子铝离子，带宽还可增大且增益频谱相当平坦。，带宽还可增大且增益频谱相当平坦。1.52025101520(dB)1.541.56波长( )m1.58大信号增益1.52040102030小信号增益1.541.56波长( )m1.58(dB)小信号增益小信号增益EDFA的增益的增益 与铒离子浓度、芯径、掺杂光纤长度和泵浦功率有关。与铒离子浓度、芯径、掺杂光纤长度和泵浦功率有关。对于给定的放大器长度对于给定的放大器长度（EDFEDF长度），增益随长度），增益随泵泵浦功率浦功率在开始时按指数增在开始时按指数增加，

16、当泵浦功率超过一定加，当泵浦功率超过一定值时，增益增加变缓，并值时，增益增加变缓，并趋于一恒定值。趋于一恒定值。0-1010302040增益02468102015105mL=(mW)泵浦功率(dB)增益01030200-1010 20 30 40 5040(m)(dB)3mWPP=24561789铒光纤长度小信号增益小信号增益0-1010302040增益02468102015105mL=(mW)泵浦功率(dB)增益01030200-1010 20 30 40 5040(m)(dB)3mWPP=24561789铒光纤长度当泵浦功率一定时，放大当泵浦功率一定时，放大器在某一器在某一最佳长度最佳长度

17、时获得时获得最大增益，如果放大器长最大增益，如果放大器长度超过此值，由于泵浦的度超过此值，由于泵浦的消耗，最佳点后的掺铒光消耗，最佳点后的掺铒光纤不能受到足够泵浦，而纤不能受到足够泵浦，而且要吸收已放大的信号能且要吸收已放大的信号能量，导致增益很快下降。量，导致增益很快下降。增益饱和（或压缩）特性增益饱和（或压缩）特性增益/dBm输入功率/dB0102015-355-30 -20 -15 -10 -5 0 5-25工作点增益(dB)01020155-40-10-5253035/dBm输入功率-35 -30 -20 -15 -10 -5 0-25输出功率(dB)(dBm)噪声指数13m9m长增益

18、线性区 增益压缩区AB长在在EDFAEDFA泵浦功率一定的情况下，泵浦功率一定的情况下，输入功率较小时，放大器的增输入功率较小时，放大器的增益不随入射信号的增加而变化。益不随入射信号的增加而变化。当输入信号增大到一定值后，当输入信号增大到一定值后，增益开始随信号功率的增加而增益开始随信号功率的增加而下降，这是入射信号导致下降，这是入射信号导致EDFAEDFA出现增益饱和的缘故。出现增益饱和的缘故。放大器噪声放大器噪声v放大器的噪声指数与放大器放大器的噪声指数与放大器长度长度L和和泵浦功率泵浦功率Pp有关。有关。噪声指数051508020604010010(m)(dB)2mWPP=3510铒光纤

19、长度Fn放大器增益0203010(dB)10mWPP=235080206040100(m)铒光纤长度40-10泵浦光功率Fn反向泵浦双向泵浦输出光功率同向泵浦输出光功率掺铒光纤长度双向泵浦反向泵浦同向泵浦Fn反向泵浦同向泵浦双向泵浦EDFA的优点的优点1. 工作波长与光纤最小损耗窗口一致。工作波长与光纤最小损耗窗口一致。2.耦合效率高。耦合效率高。4.增益高，噪声低。增益高，噪声低。5.增益特性对温度和光偏振状态不敏感。增益特性对温度和光偏振状态不敏感。EDFA的缺点的缺点v波长固定，明显存在着工作波段和增益带宽的局限性。波长固定，明显存在着工作波段和增益带宽的局限性。可调节的波长有限，只能换

20、用其他掺杂光纤。可调节的波长有限，只能换用其他掺杂光纤。v增益带宽不平坦。在增益带宽不平坦。在WDM系统中需要采用特殊的手段系统中需要采用特殊的手段来进行增益谱补偿。来进行增益谱补偿。v自发辐射噪声的影响，尤其是当系统级联时，自发辐自发辐射噪声的影响，尤其是当系统级联时，自发辐射噪声的影响会大大降低系统接收端的信噪比。射噪声的影响会大大降低系统接收端的信噪比。光纤拉曼放大器光纤拉曼放大器FRAv拉曼拉曼(Raman)现象在现象在1928年被发现，拉曼放大技术从年被发现，拉曼放大技术从1984年年开始开始研究并应用。研究并应用。v90年代早期，年代早期，EDFA取代它成为焦点，光纤拉曼放大器取代

21、它成为焦点，光纤拉曼放大器（FRA）受到）受到冷遇冷遇。v随着光纤通信网容量的增加，对放大器提出新的要求，随着光纤通信网容量的增加，对放大器提出新的要求，传统的传统的EDFA已很难满足，已很难满足，FRA再次成为再次成为研究的热点研究的热点。光纤拉曼放大器光纤拉曼放大器FRA光纤中的非线性效应光纤中的非线性效应SRS受激拉曼散射受激拉曼散射实现光信号的放大实现光信号的放大增益介质：增益介质：系统传输光纤系统传输光纤振动态基态ps传输光纤信号光泵浦光滤波器信号光pss耦合器WDM基于非线性光学效应，利用强泵浦光通过光纤传输时产生受基于非线性光学效应，利用强泵浦光通过光纤传输时产生受激拉曼散射，使

22、组成光纤的石英晶格振动和泵浦光之间发生激拉曼散射，使组成光纤的石英晶格振动和泵浦光之间发生相互作用，产生比泵浦光波长相互作用，产生比泵浦光波长 P还长的散射光（斯托克斯光还长的散射光（斯托克斯光 P s ）。）。该散射光与波长相同的信号光该散射光与波长相同的信号光( P s )重叠，从而使弱信号重叠，从而使弱信号光放大，获得拉曼增益。光放大，获得拉曼增益。就石英玻璃而言，泵浦光波长与待放大信号光波长之间的频就石英玻璃而言，泵浦光波长与待放大信号光波长之间的频率差大约为率差大约为13 THz。FRA(a)(a)无泵激光的无泵激光的1550nm1550nm传输传输(b)(b)有泵激光的有泵激光的1

23、550nm1550nm传输传输经光纤传经光纤传输衰减输衰减如果一个弱信号和一个强如果一个弱信号和一个强泵浦光同时在光纤中传输，泵浦光同时在光纤中传输，并使弱信号波长置于泵浦并使弱信号波长置于泵浦光的拉曼增益带宽内，则光的拉曼增益带宽内，则弱信号即可被放大。这种弱信号即可被放大。这种基于基于SRSSRS机制的光放大器机制的光放大器称为光纤拉曼放大器称为光纤拉曼放大器FRAFRA。喇曼增益波长0510 15 20 2501234561443 1470 1500 1530 1560 1590 162078200mW泵浦功率泵浦光和信号光的频率差泵浦C(THz)（nm）0.00.20.40.60.81

24、.0频率差0 6 1218243036(THz)喇曼增益系数m/W10131mp=spRRg13.2THzgv泵浦功率100mW(dB)波段窗口硅光纤拉曼增益系数频谱曲线硅光纤拉曼增益系数频谱曲线增益带宽（增益带宽（FWHM）可以达到约可以达到约8THz喇喇曼曼增增益益波波长长051015202501234561443 1470 1500 1530 1560 1590 162078200mW泵泵浦浦功功率率泵泵浦浦光光和和信信号号光光的的频频率率差差泵泵浦浦C(THz)（nm）泵泵浦浦功功率率100mW(dB)波波段段窗窗口口v泵浦功率为泵浦功率为200mW200mW时，时，最大增益值为最大增益值为7.78 7.78 dBdBv泵浦功率为泵浦功率为100 mW100 mW时，最大增益值为时，最大增益值为3.6 dB3.6 dB