光线通信原理第07章

1、7.1 光放大器概述光放大器概述7.2 掺铒光纤放大器掺铒光纤放大器7.3 光纤喇曼放大器光纤喇曼放大器7.4 其他光放大器其他光放大器光纤通信中用光纤来传输光信号。光光纤通信中用光纤来传输光信号。光纤的中继距离受限于光纤的损耗和色散。纤的中继距离受限于光纤的损耗和色散。就损耗而言，目前光纤损耗典型值在就损耗而言，目前光纤损耗典型值在1.31m波段为波段为0.35dB/km左右，在左右，在1.55m波段为波段为0.25dB/km左右。左右。以以1989年诞生的掺铒光纤放大器年诞生的掺铒光纤放大器(Erbium Doped Fiber Amplifier，EDFA)代代表的光放大器技术可以说是光

2、纤通信技术表的光放大器技术可以说是光纤通信技术上的一次革命。上的一次革命。光放大器在光纤通信系统目前最重要光放大器在光纤通信系统目前最重要的 应 用 就 是 促 使 了 波 分 复 用 技 术的 应 用 就 是 促 使 了 波 分 复 用 技 术(Wavelength Division Multiplexing，WDM)走向实用化。走向实用化。光放大器还将促进光孤子通信技术的光放大器还将促进光孤子通信技术的实用化。光孤子通信是利用光纤的非线性实用化。光孤子通信是利用光纤的非线性来补偿光纤的色散作用的一种新型通信方来补偿光纤的色散作用的一种新型通信方式。式。光放大器的发展最早可追溯到光放大器的发

3、展最早可追溯到1923年年A斯梅卡尔预示的自发喇曼散射。斯梅卡尔预示的自发喇曼散射。1928年年印度加尔各答大学的喇曼观测到自发喇曼印度加尔各答大学的喇曼观测到自发喇曼效应。效应。光放大器按原理不同大体上有三种类光放大器按原理不同大体上有三种类型。型。(1) 掺杂光纤放大器，就是利用稀土掺杂光纤放大器，就是利用稀土金属离子作为激光工作物质的一种放大器。金属离子作为激光工作物质的一种放大器。(2) 传输光纤放大器，其中有受激喇传输光纤放大器，其中有受激喇曼散射曼散射(Stimulated Raman Scattering，S R S ) 光 纤 放 大 器 、 受 激 布 里 渊 散 射光 纤

4、放 大 器 、 受 激 布 里 渊 散 射(Stimulated Brilliouin Scattering，SBS)光光纤放大器和利用四波混频效应纤放大器和利用四波混频效应(FWM)的光的光放大器等。放大器等。(3) 半导体激光放大器。其结构大体半导体激光放大器。其结构大体上与激光二极管上与激光二极管(Laser Diode，LD)相同。相同。这几种类型的光放大器的工作原理和这几种类型的光放大器的工作原理和激励方式各不相同。激励方式各不相同。放大器的增益定义为放大器的增益定义为式中：式中：Pout，Pin分别为放大器输出端与输分别为放大器输出端与输入端的连续信号功率。入端的连续信号功率。in

5、outPPG 人们希望放大器的增益在很宽的频带人们希望放大器的增益在很宽的频带内与波长无关。这样在应用这些放大器的内与波长无关。这样在应用这些放大器的系统中，便可放宽单信道传输波长的容限，系统中，便可放宽单信道传输波长的容限，也可在不降低系统性能的情况下，极大地也可在不降低系统性能的情况下，极大地增加增加WDM系统的信道数目。系统的信道数目。由于信号放大过程消耗了高能级上粒由于信号放大过程消耗了高能级上粒子，因而使增益系数减小，当放大器增益子，因而使增益系数减小，当放大器增益减小为峰值的一半时，所对应的输出功率减小为峰值的一半时，所对应的输出功率就叫饱和输出功率，这是放大器的一个重就叫饱和输出

6、功率，这是放大器的一个重要的参数，饱和功率用要的参数，饱和功率用Pouts表示。表示。放大器本身产生噪声，放大器噪声使放大器本身产生噪声，放大器噪声使信号的信噪比信号的信噪比(Signal-to-Noise Ratio，SNR)下降，造成对传输距离的限制，是光放大下降，造成对传输距离的限制，是光放大器的另一重要指标。器的另一重要指标。光纤放大器的噪声主要来自它的放大光纤放大器的噪声主要来自它的放大自发辐射自发辐射(Amplified Spontaneous Emission，ASE)。由于放大器中产生自发辐射噪声，使由于放大器中产生自发辐射噪声，使得放大后的信噪比下降。它定义为输入信得放大后的

7、信噪比下降。它定义为输入信噪比与输出信噪比之比。噪比与输出信噪比之比。(SNR)in和和(SNR)out分别代表输入与输分别代表输入与输出的信噪比。它们都是在接收机端将光信出的信噪比。它们都是在接收机端将光信号转换成光电流后的功率来计算的。号转换成光电流后的功率来计算的。outinnSNRSNRF)()(掺铒光纤放大器是将掺铒光纤在泵浦掺铒光纤放大器是将掺铒光纤在泵浦源的作用下而形成的光纤放大器。对这种源的作用下而形成的光纤放大器。对这种掺杂光纤放大器影响较大的工作可追溯到掺杂光纤放大器影响较大的工作可追溯到1963年对玻璃激光器的研究。年对玻璃激光器的研究。第五章已经介绍过激光器的工作原理：

8、第五章已经介绍过激光器的工作原理：经泵浦源的作用，工作物质粒子由低能级经泵浦源的作用，工作物质粒子由低能级跃迁到高能级跃迁到高能级(一般通过另一辅助能级一般通过另一辅助能级)，在一定泵浦强度下，得到了粒子数反转分在一定泵浦强度下，得到了粒子数反转分布而具有光放大作用。当工作频带范围内布而具有光放大作用。当工作频带范围内的信号光输入时便得到放大。这也就是掺的信号光输入时便得到放大。这也就是掺铒光纤放大器的基本工作原理。铒光纤放大器的基本工作原理。只是只是EDFA(及其他掺杂光纤放大器及其他掺杂光纤放大器)细细长的纤形结构使得有源区能量密度很高，长的纤形结构使得有源区能量密度很高，光与物质的作用区

9、很长，有利于降低对泵光与物质的作用区很长，有利于降低对泵浦源功率的要求。浦源功率的要求。泵浦效率泵浦效率Wp可以用来衡量泵浦的有效可以用来衡量泵浦的有效性，其表达式如下：性，其表达式如下：Wp=放大器增益放大器增益(dB)/泵浦功率泵浦功率(mW)在同向泵浦方案中，泵浦光与信号光在同向泵浦方案中，泵浦光与信号光从同一端注入掺铒光纤。从同一端注入掺铒光纤。反向泵浦，泵浦光与信号光从不同的反向泵浦，泵浦光与信号光从不同的方向输入掺杂光纤，两者在掺铒光纤中反方向输入掺杂光纤，两者在掺铒光纤中反向传输。向传输。为了使掺铒光纤中的铒离子能够得到充分为了使掺铒光纤中的铒离子能够得到充分的激励，必须提高泵浦

10、功率。的激励，必须提高泵浦功率。图图7.5所示表示噪声指数与输出光功率之间所示表示噪声指数与输出光功率之间的关系。的关系。同向泵浦式同向泵浦式EDFA的饱和输出光功率最小。的饱和输出光功率最小。图图7.5 噪声指数与输出功率之间的关系噪声指数与输出功率之间的关系增益系数增益系数g(z)与高能级和低能级的粒与高能级和低能级的粒子数目差及泵浦功率有关，对增益系数子数目差及泵浦功率有关，对增益系数g(z)在整个掺铒光纤长度上进行积分，就可求在整个掺铒光纤长度上进行积分，就可求出光纤放大器的增益出光纤放大器的增益G，所以，放大器的，所以，放大器的增益应与泵浦强度及光纤的长度有关。增益应与泵浦强度及光纤

11、的长度有关。图图7.9所示是掺铒硅光纤的所示是掺铒硅光纤的g-曲线，曲线，从图中可以看出增益系数随着波长的不同从图中可以看出增益系数随着波长的不同而不同。而不同。EDFA实现宽频带和增益平坦度经过实现宽频带和增益平坦度经过了了3个阶段，如表个阶段，如表7.1所示。所示。光纤在光纤在1.55m低损耗区具有低损耗区具有200nm带带宽，而目前使用的宽，而目前使用的EDFA增益带宽仅为增益带宽仅为35nm左右。左右。图图7.9 掺铒离子硅光纤的掺铒离子硅光纤的g-曲线曲线表 7-1 EDFA 宽带、增益平坦化的进程增益平坦放大波段关键技术第一代1.55 m 放大波段（一部分）15401560nm 波

12、段 掺铝 （A1） 、 磷 （P） 使用改善频带特性的均衡器 构成混合型 EDFA第二代1.55 m 放大波段、全波段15301560nm 波段（15251564nm） 提高光均衡器的性能长周期光纤光栅 复用法布里珀罗滤波器 氟化物 EDFA第三代EDFA 放大波段、 全波段1.55 m 放大波段+1.58 m 放大波段15301600nm 波段 并联型放大器（1.55 m 波段+1.58 m 波段增益平坦型 EDFA） 碲化物 EDFA（+均衡器）EDFA的噪声系数的噪声系数Fn决定于自发辐射，决定于自发辐射，即噪声系数与粒子反转差即噪声系数与粒子反转差N有关。有关。由于由于EDFA的低噪声

13、特性，使它很适的低噪声特性，使它很适于作接收机的前置放大器。于作接收机的前置放大器。功率放大器是将功率放大器是将EDFA直接放在光发直接放在光发射机之后用来提升输出功率。射机之后用来提升输出功率。EDFA用作线路放大器是它在光纤通用作线路放大器是它在光纤通信系统的一个重要应用。信系统的一个重要应用。EDFA可在宽带本地网，特别在电视可在宽带本地网，特别在电视分配网中得到应用。分配网中得到应用。EDFA之所以得到迅速的发展，源于之所以得到迅速的发展，源于它的一系列优点。它的一系列优点。(1) 工作波长与光纤最小损耗窗口一工作波长与光纤最小损耗窗口一致，可在光纤通信中获得广泛应用。致，可在光纤通信

14、中获得广泛应用。(2) 耦合效率高。因为是光纤型放大耦合效率高。因为是光纤型放大器，易于光纤耦合连接，也可用熔接技术器，易于光纤耦合连接，也可用熔接技术与传输光纤熔接在一起，损耗可降至与传输光纤熔接在一起，损耗可降至0.1dB，这样的熔接反射损耗也很小，不易自激。这样的熔接反射损耗也很小，不易自激。(3) 能量转换效率高。激光工作物质集能量转换效率高。激光工作物质集中在光纤芯子，且集中在光纤芯子中的近中在光纤芯子，且集中在光纤芯子中的近轴部分，而信号光和泵浦光也是在近轴部轴部分，而信号光和泵浦光也是在近轴部分最强，这使得光与物质作用很充分。分最强，这使得光与物质作用很充分。(4) 增益高，噪声

15、低。输出功率大，增增益高，噪声低。输出功率大，增益可达益可达40dB，输出功率在单向泵浦时可达，输出功率在单向泵浦时可达14dBm，双向泵浦时可达，双向泵浦时可达17dBm，甚至可，甚至可达达20dBm，充分泵浦时，噪声系数可低至，充分泵浦时，噪声系数可低至34dB，串话也很小。，串话也很小。(5) 增益特性不敏感。首先是增益特性不敏感。首先是EDFA增增益对温度不敏感，在益对温度不敏感，在100C内增益特性保内增益特性保持稳定，另外，增益也与偏振无关。持稳定，另外，增益也与偏振无关。(6) 可实现信号的透明传输，即在波分可实现信号的透明传输，即在波分复用系统中可同时传输模拟信号和数字信复用系

16、统中可同时传输模拟信号和数字信号，高速率信号和低速率信号，系统扩容号，高速率信号和低速率信号，系统扩容时，可只改动端机而不改动线路。时，可只改动端机而不改动线路。EDFA也有固有的缺点：也有固有的缺点：(1) 波长固定，只能放大波长固定，只能放大1.55m左右左右的光波，换用不同基质的光纤时，铒离子的光波，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；长有限，只能换用其他元素；(2) 增益带宽不平坦，在增益带宽不平坦，在WDM系统中系统中需要采用特殊的手段来进行增益谱补偿。需要采用特殊的手段来进行增益谱补偿。受激喇

17、曼散射主要性质包括：在玻璃介受激喇曼散射主要性质包括：在玻璃介质中参与喇曼散射的是光学声子；在所质中参与喇曼散射的是光学声子；在所有类型的光纤中都会发生，但喇曼增益稀有类型的光纤中都会发生，但喇曼增益稀疏的形状和峰值与泵浦源的波长和功率有疏的形状和峰值与泵浦源的波长和功率有关；响应时间很短，为瞬态效应；关；响应时间很短，为瞬态效应；增益具有偏振依赖性，当泵浦光与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，垂直时信号光偏振方向平行时增益最大，垂直时增益最小，但实际上在非保偏光纤中由于增益最小，但实际上在非保偏光纤中由于模式混扰的原因而表现为增益无关；增模式混扰的原因而表现为增益无

18、关；增益谱很宽，但不平坦。最大增益频移为益谱很宽，但不平坦。最大增益频移为13.2THz，并且可以扩展到，并且可以扩展到30THz。 光纤喇曼放大器可分为两类：分立式光纤喇曼放大器可分为两类：分立式喇曼放大器喇曼放大器(Raman Amplifier，RA)和分布和分布式喇曼放大器式喇曼放大器(Distributed Raman Amplifier，DRA)。在连续波的工作条件下，并忽略泵浦在连续波的工作条件下，并忽略泵浦光消耗，光纤喇曼放大器的增益可由下式光消耗，光纤喇曼放大器的增益可由下式表示：表示：式中：式中：gR为喇曼增益系数；为喇曼增益系数；Aeff为光纤在泵为光纤在泵浦波长处的有效

19、面积；浦波长处的有效面积；P0为泵浦光功率；为泵浦光功率； ；P为泵浦光在光纤为泵浦光在光纤中的衰减常数。中的衰减常数。)/exp(0effeffRAALPgG PPeffLL)exp(1增益带宽由泵浦波长决定，选择适当增益带宽由泵浦波长决定，选择适当的泵浦光波长，就可得到任意波长的信号的泵浦光波长，就可得到任意波长的信号放大，放大，DRA的增益频谱是每个波长的泵浦的增益频谱是每个波长的泵浦光单独产生的增益频谱叠加的结果，所以光单独产生的增益频谱叠加的结果，所以它由泵浦波长的数量和种类决定。它由泵浦波长的数量和种类决定。由于喇曼放大是分布式获得增益的过由于喇曼放大是分布式获得增益的过程，其等效

20、噪声比分立式放大器要小。为程，其等效噪声比分立式放大器要小。为了比较了比较DRA与分立式放大器的性能，定义与分立式放大器的性能，定义DRA的等效集中噪声指数的等效集中噪声指数FR为为式中：式中：ASE是光纤末端放大自发辐射是光纤末端放大自发辐射(ASE)密度；密度；GR是在光纤末端信号的喇曼增益。是在光纤末端信号的喇曼增益。RASERGhF1)(分布式喇曼放大器经常与分布式喇曼放大器经常与EDFA混合混合使用，当作为前置放大器的使用，当作为前置放大器的DRA与作为功与作为功率放大器的常规率放大器的常规EDFA混合使用时，其等混合使用时，其等效噪声指数为效噪声指数为F=FR+FE/GR式中：式中

21、：GR和和FR分别是分别是DRA的增益和噪声指的增益和噪声指数；数；FE是是EDFA的噪声指数。因为的噪声指数。因为FR通常通常要比作为功率放大器的要比作为功率放大器的EDFA的噪声指数的噪声指数FE要小，所以由上式可知，只要增加喇曼要小，所以由上式可知，只要增加喇曼增益增益GR，就可以减少总的噪声指数。，就可以减少总的噪声指数。分立式喇曼放大器所用的光纤增益介分立式喇曼放大器所用的光纤增益介质比较短，泵浦功率要求很高，一般在几质比较短，泵浦功率要求很高，一般在几瓦到几十瓦，可产生瓦到几十瓦，可产生40dB以上的高增益，以上的高增益，像像EDFA一样可用来对光信号进行集中放一样可用来对光信号进

22、行集中放大，因此主要用于大，因此主要用于EDFA无法放大的波段。无法放大的波段。采用采用DRA技术的传输系统典型结构如技术的传输系统典型结构如图图7.14所示，在所示，在WDM系统的每个传输单元系统的每个传输单元内，在内，在EDFA的输入端注入反向的喇曼泵的输入端注入反向的喇曼泵浦，信号将会沿光纤实现分布式喇曼放大，浦，信号将会沿光纤实现分布式喇曼放大，由于由于DRA具有噪声低、增益带宽与泵浦波具有噪声低、增益带宽与泵浦波长和功率相关的特点，长和功率相关的特点，EDFA又具有高增又具有高增益、低成本的特点，所以这种混合放大结益、低成本的特点，所以这种混合放大结构可以同时发挥两种光纤放大器的优势

23、。构可以同时发挥两种光纤放大器的优势。FRA具有以下优点。具有以下优点。(1) 增益波长由泵浦光波长决定，只增益波长由泵浦光波长决定，只要泵浦源的波长适当，理论上可以得到任要泵浦源的波长适当，理论上可以得到任意波长的信号放大，这样的意波长的信号放大，这样的FRA就可扩展就可扩展到到EDFA不能使用的波段，为波分复用进不能使用的波段，为波分复用进一步增加容量拓宽了空间。一步增加容量拓宽了空间。(2) 增益介质可以为传输光纤本身，增益介质可以为传输光纤本身，如此实现的如此实现的FRA称为分布式放大，因为放称为分布式放大，因为放大是沿光纤集中作用而不是集中作用，光大是沿光纤集中作用而不是集中作用，光纤中各处的信号光功率都比较小，从而可纤中各处的信号光功率都比较小，从而可降低各种光纤非线性效应的影响。降低各种光纤非线性效应的影响。(3) 噪声指数低，可提升原系统的信噪声指数低，可提升原系统的信噪比。噪比。(4) 喇曼增益谱比较宽，在普通喇曼增益谱比较宽，在普通DSF上上单波长泵浦可实现单波长泵浦可实现40nm范围的有效增益；范围的有效增益；如果采用多个泵浦源，则可容易地实现宽如果采用多个泵浦源，则可容易地实现宽带放大。带放大。(5) FRA的饱和功率比较高，增益谱调的饱和功率比较高，增益谱调节方