第8章光放大器(0)

1、第第8章章 光放大器光放大器8.1 作用作用z=0衰减衰减z=L光放光放大器大器 8.1 作用作用：常规的常规的放大光信号时，需要进行：放大光信号时，需要进行：电光转换电光转换光电转换光电转换电放大电放大 再定时再定时脉冲整形脉冲整形光信号光信号光信号光信号电信号电信号电信号电信号电信号电信号 8.1 作用作用 8.2 分类分类 8.3 工作波段工作波段 8.3 工作波段工作波段 8.4 基本概念基本概念 8.4.1 功率放大功率放大 8.4 基本概念基本概念 8.4.2 增益饱和增益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

2、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。G0S0outS0ln22GPPG P PS S为饱和功率为饱和功率饱和功率：饱和功率：放大器增益降至小信号增益一半时的放大器增益降至小信号增益一半时的输出功率。输出功率。3dBPs当当Pin增大到一定值后，光放大器的增益增大到一定值后，光放大器的增益G开始下降。开始下降。饱和区域饱和区域线性放大线性放大区域区域 8.4 基本概念基本概念 8.4.3 放大器噪声放大器噪声n半导体光放大器中，受激辐射总是伴随有自发辐射的产生，自发辐射也与信号一起被放大，产生放大自发辐射噪声（ASE)。 ASE噪声是主要的噪声源。n

3、光放大器在放大过程中都会把ASE噪声叠加到信号光上，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用噪声指数数NF来表示，其定义为：outinSNRSNRdBNF)()(log10)(10hnGSspsp1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122NNNnspu 对于原子都处于激发态或对于原子都处于激发态或 完全粒子数反转的光放大器，完全粒子数反转的光放大器， n nspsp=1;=1;u 当粒子数不完全反转时，当粒子数不完全反转时， n nspsp11；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噪声指数噪声指数为：为：)2lg(10)1(2lg10

4、spspnGnGNF对对n nspsp=1=1的完全粒子数反转的理想放大器，被放大信号的的完全粒子数反转的理想放大器，被放大信号的SNRSNR也降低了也降低了二倍二倍（或（或3dB3dB）。）。对大多数实际的放大器对大多数实际的放大器NFNF均超过均超过3dB 3dB ，并可能达到，并可能达到6 68dB8dB。希望放大器的希望放大器的NFNF尽可能低尽可能低。 8.5 光放大器类型光放大器类型 8.5.1 掺铒光纤放大器掺铒光纤放大器 1 工作原理工作原理 EDFA的核心部件为掺铒光纤。的核心部件为掺铒光纤。EDFA 主要由掺铒光纤主要由掺铒光纤(EDF)、泵浦光源、耦合器、光隔离器及组成，

5、泵浦光源、耦合器、光隔离器及组成，结构如图所示。结构如图所示。 泵浦光除了泵浦光除了980nm和和1480nm外，外，514nm、532nm、667nm和和800nm EDFA的工作原理的工作原理：Er+3吸收泵浦能量，由基态跃迁到高能级泵浦态，对于不同的泵浦波长，电子跃迁至不同的能级，当用980nm波长泵浦时， Er+3从基态跃迁至泵浦态，由于泵浦态载流子的寿命时间只有1us，电子以非辐射方式由泵浦态迅速预驰至亚稳态，在亚稳态上载流子有较长的寿命，在源源不断的泵浦作用下，亚稳态上的粒子数积累，从而实现粒子数反转分布。当由1550nm光信号通过已被激活的掺铒光纤时，在光信号的感应下，亚稳态上的

6、粒子以受激辐射的方式跃迁到基态。对应于每一次跃迁，都将产生一个与感应光子完全一样的光子，从而实现了利用泵浦光能作用，通过掺铒光纤的饵离子受激辐射使光信号在传播过程中不断得到放大。EDFA的主要优点有：的主要优点有： 工作波长正好落在光纤通信最佳波段工作波长正好落在光纤通信最佳波段(15001600 nm)； 其主体是一段光纤(EDF)，与传输光纤的耦合损耗很小， 可达0.1 dB。 增益高增益高，约为3040 dB; 饱和输出光功率大， 约为1015 dBm； 增益特性与光偏振状态无关。 噪声指数小噪声指数小， 一般为47 dB； 用于多信道传输时， 隔离度大，无串扰，适用于波分复用系统。 频

7、带宽频带宽，在1550 nm窗口，频带宽度为2040 nm， 可进行多信道传输，有利于增加传输容量。EDFA也有固有的缺点：(1) 波长固定波长固定，只能放大1.55m左右的光波，换用不同基质的光纤时，铒离子能级也只能发生很小的变化，可调节的波长有限，只能换用其他元素；(2) 增益带宽不平坦增益带宽不平坦，在WDM系统中需要采用特殊的手段来进行增益谱补偿。 2 工作特性工作特性输入功率小，增益大；输入功率大，增益就会出现饱和。输入功率小，增益大；输入功率大，增益就会出现饱和。即：即：输入功率随着输入功率的增加而降低输入功率随着输入功率的增加而降低。 （1） 增益与输出功率增益与输出功率几米长的

8、短掺铒光纤，几米长的短掺铒光纤，最大增益最大增益的波长位于的波长位于1530nm1535nm1530nm1535nm光功率沿着光纤长度而增加，增益是可以光功率沿着光纤长度而增加，增益是可以累计累计的。的。 （2） 工作波长工作波长C C波段放大器的波长范围波段放大器的波长范围1530nm1565nm1530nm1565nm，掺铒，掺铒L L波段放大器的波长范围波段放大器的波长范围1570nm1605nm1570nm1605nm，铒，铒- -铝共掺铝共掺 （3） 增益均衡增益均衡EDFAEDFA在其在其整个工作波长范围的增益是不均衡的。在其在其整个工作波长范围的增益是不均衡的。解决解决EDFAE

9、DFA的增益不均衡的问题的解决办法：的增益不均衡的问题的解决办法：1 1）增加光滤波器来减小最强光谱线的功率；）增加光滤波器来减小最强光谱线的功率；2 2）利用不同类型的光放大器，如拉曼光纤放大器。）利用不同类型的光放大器，如拉曼光纤放大器。 （4） 噪声系数噪声系数EDFAEDFA的噪声主要包括：的噪声主要包括：1 1）信号光的散粒噪声；）信号光的散粒噪声；2 2）放大的）放大的自发辐射光的散粒噪声；自发辐射光的散粒噪声；3 3）自发辐射光谱与信号光之间的）自发辐射光谱与信号光之间的差拍噪声；差拍噪声；4 4）自发辐射光谱间的差拍噪声。）自发辐射光谱间的差拍噪声。EDFAEDFA的噪声系数与

10、输入信号功率、泵浦方的噪声系数与输入信号功率、泵浦方式和泵浦波长有关。式和泵浦波长有关。1 1）在小信号情况下，）在小信号情况下，EDFAEDFA的噪声系数随着的噪声系数随着输入信号光功率的增加而略微减小输入信号光功率的增加而略微减小，而在，而在EDFAEDFA处在饱和状态时，噪声系数随着信号处在饱和状态时，噪声系数随着信号功率的增加而增大。功率的增加而增大。2 2） EDFA EDFA的噪声系数会的噪声系数会随泵浦功率的增加随泵浦功率的增加而减小而减小。3 3）当掺铒光纤长度增长时，）当掺铒光纤长度增长时，同向泵浦方式的噪声系数最小同向泵浦方式的噪声系数最小，双向居中，双向居中，反向泵浦最大

11、。反向泵浦最大。4 4）980nm980nm泵浦激光器采用的是泵浦激光器采用的是三能级三能级工作方式，具有比较高的反转水平，工作方式，具有比较高的反转水平，良好的噪声性能良好的噪声性能。1480nm1480nm泵浦的是二能级工作方式，噪声性能比较差，泵浦的是二能级工作方式，噪声性能比较差，输出功率较大。输出功率较大。 1）前向泵浦：具有良好的噪声性能）前向泵浦：具有良好的噪声性能2）反向泵浦：输出功率高；）反向泵浦：输出功率高；3）双向泵浦：良好的增益和噪声性能，成本高。）双向泵浦：良好的增益和噪声性能，成本高。 3 应用应用 （1） 泵浦方式泵浦方式多级泵浦Er3+ Doped FiberP

12、umpPumpInput SignalOutput SignalOpticalIsolator第一级同向泵浦第一级同向泵浦: : 得到低的噪声指数得到低的噪声指数第二级反向泵浦第二级反向泵浦: : 得到高的输出功率得到高的输出功率 3 泵浦方式泵浦方式（2） 基本应用基本应用EDFA具体的应用形式：具体的应用形式：后置后置放大器、放大器、在线在线放大器、放大器、前置前置放大器和放大器和补偿器件损耗补偿器件损耗放大器。放大器。EDFA的增益平坦技术：应用可调光衰减器的增益平坦技术：应用可调光衰减器EDFA的增益锁定技术：通过功率监测和自动反馈控制的增益锁定技术：通过功率监测和自动反馈控制系统以解

13、决系统以解决EDFA的增益竞争的增益竞争EDFA的增益竞争：的增益竞争：EDFA的输入波道发生变化时，导致输入光的输入波道发生变化时，导致输入光功率的变化，会使功率的变化，会使EDFA的增益能量重新分配。的增益能量重新分配。1.1. 滤波器均衡：滤波器均衡： 采用透射谱与掺杂光纤增益谱反对称的滤波器使增益平采用透射谱与掺杂光纤增益谱反对称的滤波器使增益平坦坦, , 如：如：薄膜滤波、紫外写入长周期光纤光栅、周期调制的薄膜滤波、紫外写入长周期光纤光栅、周期调制的双芯光纤等。双芯光纤等。 只能实现静态增益谱的平坦，在信道功率突变只能实现静态增益谱的平坦，在信道功率突变时增益谱仍会发生变化。时增益谱

14、仍会发生变化。增益钳制技术(1)电控：监测EDFA的输入光功率，根据其大小调整泵浦功率，从而实现增益钳制，是目前最为成熟的方法。泵浦控制均衡放大器（电控）泵浦控制均衡放大器（电控）增益钳制技术(2) 在系统中附加一波长信道，根据其它信道的功率，改变附加波长的功率，而实现增益钳制。 8.5 光放大器类型光放大器类型 8.5.2 拉曼光纤放大器（拉曼光纤放大器（FRA) 1 工作原理工作原理 频率为频率为 p p和和 s s的泵浦光和信号光通过耦合器输入光纤；的泵浦光和信号光通过耦合器输入光纤； 泵浦光和光纤介质发生受激拉曼散射，产生频移量为泵浦光和光纤介质发生受激拉曼散射，产生频移量为介质振动频

15、率的介质振动频率的散散射光；射光； 当信号光频率等于散射光频率，信号光得到放大。当信号光频率等于散射光频率，信号光得到放大。FRAFRA是靠非线性散射实现放大功能，不需要能级间粒子数反转是靠非线性散射实现放大功能，不需要能级间粒子数反转EDFA 波长范围波长范围35nm (1530-1565nm)拉曼放大器拉曼放大器 波长范围波长范围400nm （1270nm-1670nm）ppoRapgeG)1(1oGGoos 0：输入信号功输入信号功率对泵浦光功率率对泵浦光功率的比例的比例)0()0(psspoPPff拉曼拉曼增益常数增益常数Rgppa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

16、光的光纤衰减常数 输入的泵浦光功率输入的泵浦光功率 pfopsf)0(sP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 8.5.2 拉曼光纤放大器拉曼光纤放大器 2 工作特性工作特性FRAFRA增益介质为传输光纤、增益波长由泵浦波长决定。增益介质为传输光纤、增益波长由泵浦波长决定。u 峰值增益频移：峰值增益频移：100 nm100 nm。（增益波长由泵浦光波长决定）。（增益波长由泵浦光波长决定）u 反向泵浦为主，也可同向泵浦。（拉曼增益与泵浦功率成正比）反向泵浦为主，也可同向泵浦。（拉曼增益与泵浦功率成正比）u 支撑技术支撑技术: : 大功率泵浦激光器，目前已取

17、得实用化。大功率泵浦激光器，目前已取得实用化。 受激布里渊散射原理受激布里渊散射原理 当一个窄线宽、 高功率信号沿光纤传输时， 将产生一个与输入光信号同向的声波， 此声波波长为光波长的一半， 且以声速传输。 理解非线性布里渊效应的一个简单方法是将此声波想像为一个把入射光反射回去的移动布拉格光栅， 由于光栅向前移动， 因此反射光经多普勒频移后变为一个较低的频率值。 对于工作于1.3434 m的二氧化硅光纤， 布里渊频偏约为11 GHz， 且决定于光纤中的声速， 反射光线宽取决于声波的损耗， 它可在几十至几百兆赫兹的范围内变动。 8.5 光放大器类型光放大器类型 8.5.3 布里渊光纤放大器布里渊

18、光纤放大器(SBR)布里渊散射效应 输入信号(0194 THz)反射信号(0B)0.53 m光纤纤芯A5.8 mm / s声波：B11 GHz SBA利用强激光与光纤中的弹性声波场相互作用利用强激光与光纤中的弹性声波场相互作用产生的产生的后向散射光后向散射光来实现对光信号的放大。来实现对光信号的放大。 其主要特点是高增益、其主要特点是高增益、 低噪声、低噪声、 窄带宽窄带宽， 因而可因而可以形成分布式放大，以形成分布式放大， 用作光滤波器用作光滤波器 8.5 光放大器类型光放大器类型 8.5.3 布里渊光纤放大器布里渊光纤放大器 8.5 光放大器类型光放大器类型 8.5.3 布里渊光纤放大器布

19、里渊光纤放大器 工作原理工作原理 频率为频率为 p p和和 s s的泵浦光和信号光通过耦合器输入光纤；的泵浦光和信号光通过耦合器输入光纤； 泵浦光和光纤介质发生受激布里渊散射，产生频移量为泵浦光和光纤介质发生受激布里渊散射，产生频移量为布里渊频移量布里渊频移量的的散射光；散射光； 当信号光频率等于布里渊频移的光频率，信号光得到放大。当信号光频率等于布里渊频移的光频率，信号光得到放大。pn外加正向偏压实现结区粒子数反转泵浦导致受激辐射，信号光被放大内部的自发辐射产生自发辐射噪声(ASE)，它也会被放大没有谐振腔的选择，SOA将同时输出放大的光信号和自发辐射噪声与半导体激光器工作原理类似。 8.5

20、 光放大器类型光放大器类型 8.5.4 半导体光放大器半导体光放大器 8.5 光放大器类型光放大器类型 8.5.4 半导体光放大器半导体光放大器 TWSOA与FPSOA的区别在于端面的反射率大小， TWSOA具有极低的端面反射率，通常在0.1%以下。 降低端面反射方法： 倾斜有源区法、窗面结构。 TWSOA的增益、增益带宽和噪声特性都可以满足光纤通信的要求，但如下两个缺点限制着它在光纤通信中的实际应用： 对光信号偏振态的敏感性； 对光信号增益的饱和性。 由于半导体有源层的横截面呈扁长方形，对横向（长方形的由于半导体有源层的横截面呈扁长方形，对横向（长方形的宽边方向）和竖向（长方形的窄边方向）的

21、光场约束不同，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，因而光场在竖向的衍射泄漏强于横向，因而竖向的光增益弱于横竖向的光增益弱于横向向。 采用宽、厚可比拟的有源层设计；采用宽、厚可比拟的有源层设计； 采用张应变；采用张应变； 使用方法上解决。使用方法上解决。 相同结构相同结构SOASOA互互相相垂直并接垂直并接，在，在输入端采用偏振输入端采用偏振分束器将信号分束器将信号分分成成TETE和和TMTM偏振偏振信号信号, ,分别输入至分别输入至相互垂直的相互垂直的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

22、号合成，得到与输入光同得到与输入光同偏振态的放大信偏振态的放大信号。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，但反向通过前，但反向通过前，采用法拉第旋转器使返回光旋转采用法拉第旋转器使返回光旋转90900 0第二次放大后，用第二次放大后，用耦合器取出输出光信号。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，所得增益所得增益将与偏振将与偏振无关无关。 半导体光放大器的半导体光放大器的：。 半导体光放大器的半导体光放大器的：SOA的应用 多信道放大中存在问题 噪声大 信道串扰(交叉增益调制XGM、四波混频FWM) 增益饱和引起信号畸变 152015251530153515401545155015551560-40-30-20-1001020Wavelength/nmP/dBm152015251530153515401545155015551560-30-25-20-15-10-5051015Wavelength/nmP/dBm (a) Pin=-30dBm (b) Pin=-10dBm 、不同输入光功率的情况下SOA的正向出射谱其他应用：光波长转换（XGM, XPM, FWM）光开关：直接调制SOA的注入电流实现光的通断。特点：高速、无损光信号处理器件。 SOA中的增益饱和特性 基于XGM效应的波长转换装置图 8.5 光放