光纤通信_第5章 光放大器

1、第第5章章 光放大器光放大器 5.1 引言引言 5.2 掺铒光纤放大器掺铒光纤放大器EDFA 5.3 受激拉曼光纤放大器受激拉曼光纤放大器SRA 5.4 其他光纤放大器其他光纤放大器5.5 半导体光放大器半导体光放大器SOA 5.6光放大器的应用光放大器的应用5.1 引引 言言 在光放大器研制成功之前， 主要采用光电混合中光电混合中继器继器（或称再生器再生器）放大光信号。 首先将光纤中送来光纤中送来的光信号转换为电信号，的光信号转换为电信号， 然后对电信号进行放大，然后对电信号进行放大， 最最后再将放大了的电信号转换为后再将放大了的电信号转换为光信号送到光纤中去光信号送到光纤中去， 如图5.1

2、所示。 根据不同的要求， 可将再生器分为三种类型: 只有放大和均衡功能的1R再生器， 用于模拟信号的传输; 2R再生器， 即在1R的基础上加上数字信号处理(如整形(Reshaping)的再生器； 3R再生器， 即在2R的基础上再增加重新定时与判决功能（Retiming）的再生器。图5.1 传统的中继器原理框图 光电变换(O/E)放大器电光变换(E/O)光纤光纤光的范围电的范围光的范围 尽管这种方式对于单个波长且数据速率不太高的单个波长且数据速率不太高的通信很适用通信很适用， 但对于高速率的多个波长系统显然是相当复杂的， 每一波长就需一个再生器， 如有N个波长就需要N个这样的再生器，造价是相当高

3、的。另一方面， 对于很高的数据速率高的数据速率，电放大器的实现难度很大电放大器的实现难度很大。 因此， 人们试图对光信号直接放大， 如果这种放大的带宽较宽， 则可以同时对多个波长进行放大，因而只需一个放大器即可。 人们经过很大的努力， 终于研制成功了全光放大器， 它可同时对多个波长进行放大。 5.2 掺铒光纤放大器掺铒光纤放大器EDFA 光纤放大器是提升衰减的光信号， 延长光纤的传输距离的关键器件。 光纤放大器的主要特性如下： (1) 增益: 输出光功率与输入光功率的比值（以dB为单位）。 (2) 增益效率: 增益对输入光功率的函数。 (3) 增益带宽: 放大器放大信号的有效频率范围。 (4)

4、 增益饱和: 输入信号足够大， 引起放大器的饱和增益。 饱和时的增益随信号功率增加而减小。 (5) 增益波动: 是增益带宽内的增益变化范围（以 dB为单位）。 5.2.1 EDFA的放大原理 铒(Er)是一种稀土元素， 在制造光纤过程中， 设法向其掺入一定量的三价铒离子， 便形成了掺铒光纤（EDF）。 除了所掺的铒以外， 这种光纤的构造与通信中单模光纤的构造一样， 如图5.3所示。 铒离子位于EDF的纤芯中央地带， 将铒离子放在这里有利于其最大地吸收泵浦和信号能量， 从而产生好的放大效果。 图5.3 掺铒光纤芯层的几何模型 掺铒高密度带(1002000 ppm)直径36 m掺锗的纤芯直径125

5、 mSiO2包层直径250 m涂覆层 铒离子的发光原理可用三能级系统来解释， 在泵浦光的激励下，高能级上的粒子数不断增加， 又由于其上的粒子不稳定， 很快跃迁到亚稳态能级， 从而实现了粒子数反转。 当具有1550 nm波长的光信号通过这段掺铒光纤时， 亚稳态的粒子以受激辐射的形式跃迁到基态， 并产生出和入射光信号中的光子一模一样的光子， 从而大大增加了信号光中的光子数量， 即实现了信号光在掺铒光纤的传输过程中不断被放大的功能， 掺铒光纤放大器也由此得名。 在铒粒子受激辐射的过程中， 有少部分粒子以自发辐射形式自己跃迁到基态， 产生带宽极宽且杂乱无章的光子， 并在传播中不断地得到放大， 从而形成

6、了自发辐射放大ASE(Amplified Spontaneous Emission)噪声， 并消耗了部分泵浦功率， 因此， 需增设光滤波器光滤波器以降低ASE噪声对系统的影响。 目前， 由于980 nm和和1480 nm的泵浦效率高于其他波长的泵浦效率， 因此它们得到了广泛的应用， 并已完全商用化。 5.2.2 EDFA的组成结构 图5.5显示了EDFA的基本组成， 包括： 泵浦激光、泵浦激光、 波分复用波分复用(WDM)耦合器、耦合器、 光隔离器和掺铒光纤光隔离器和掺铒光纤（EDF）。 这些基本组件可以组成许多不同拓扑结构的放大器。 为了获得增益， 光能必须注入掺铒光纤中， 我们把这种能量称

7、为泵浦泵浦， 它以980 nm或1480 nm的波长传送光能。 泵浦的功率典型范围是10400 mW。 WDM合波合波/分波器能有效地将信号光和泵浦光耦分波器能有效地将信号光和泵浦光耦合进合进/出掺铒出掺铒光纤光纤。 图5.5 EDFA的基本组成 输入隔离器熔接头掺铒光纤(EDF)WDM耦合器泵浦激光(980 nm或1480 nm) 光隔离器将系统所产生的任何反射回放大器的光减系统所产生的任何反射回放大器的光减小到一个可接受的水平小到一个可接受的水平。 如果没有光隔离器， 光反射将降低放大器的增益并附加噪声， 如图5.5所示。 EDFA常用的结构有三种， 即同向泵浦、同向泵浦、 反向泵浦和反向

8、泵浦和双向泵浦双向泵浦。 (1) 同向泵浦同向泵浦是一种信号光与泵浦光以同一方向从掺铒光纤的输入端注入的结构，噪声性能较好。 (2) 反向泵浦反向泵浦是一种信号光与泵浦光从两个不同方向注入掺铒光纤的结构， 输出信号功率高。 （3）双向泵浦双向泵浦是同向泵浦与反向泵浦结合的方式，输出功率高于单向泵浦，它们的原理框图分别示于图5.6（a）、 (b)、 (c)。 图5.6 EDFA的三种结构 (a)(b)铒光纤输入光输出光信号泵浦LDWDM铒光纤输入光泵浦LDWDM输出光(c)铒光纤输入光泵浦LDWDM输出光信号泵浦LDWDM光隔离器偏振器 EDFA有如下优点： （1） 转移效率高， 从泵浦源吸收的

9、光功率转移到被放大的光信号上的功率效率大于50%。 （2） 放大的谱宽与目前WDM系统的光谱范围一致， 适合于WDM光纤通信。 （3） 具有较高的饱和输出光功率， 大约为1025 dBm。 （5） 与光纤的耦合损耗小（1 dB）。 （6） 增益稳定性好， 因为与偏振无关， 导致了良好的稳定性。 当然， EDFA也存在ASE噪声、 串扰、 增益饱和等问题。 5.2.3 EDFA的增益与带宽 增益特性代表了放大器的放大能力， 其定义为输输出功率与输入功率之比出功率与输入功率之比。 EDFA的增益通常为1540 dB。 增益大小与多种因素如光纤中的掺铒浓度、掺铒浓度、 泵浦泵浦光功率、光功率、 光纤

10、长度、光纤长度、 泵浦光的波长泵浦光的波长等因素有关联。 当铒的浓度超过一定值时， 增益反而降低， 其原因是存在增益饱和效应， 过量铒会产生聚合， 引起反转浓度减少， 因此要控制好铒的掺入量。 泵浦功率小时输出光功率增加很快， 随着泵浦功率增加， 放大器增益出现饱和增益出现饱和， 即泵浦功率增加很多， 而增益基本保持不变， 此时放大器的增益效率将随着泵浦功率的增加而下降。 增益随掺铒光纤长度光纤长度的增加而上升， 但当光纤超过了一定长度后， 增益反而逐渐下降， 因此存在着一个可获得最佳增益的最佳长度， 但应注意， 这一长度只能是最大增益长度最大增益长度， 而不是掺铒光纤的最佳长度， 因为还涉及

11、到其他特性(如噪声特性等)。 另外， 增益还与泵浦条件(包括泵浦功率和泵浦波长)有关， 目前采用的主要泵浦波长是980 nm和1480 nm。 5.3 受激拉曼光纤放大器受激拉曼光纤放大器SRA 5.3.1 SRA的放大原理 拉曼效应是在光纤介质中传输高功率信号时发生的非线性相互作用， 适当地选择光纤介质和泵浦频率适当地选择光纤介质和泵浦频率， 可以将新产生信号的频率调谐到被放大信号的频率上。 一定频率的信号光和泵浦光通过WDM合波器输入至光纤， 当这两束光在光纤中一起传输时， 泵浦光的能量通过受激拉曼效应转移给信号光， 使信号光得到放大。 泵浦光和信号光亦可分别在光纤的两端输入， 在反向传输

12、过程中同样能实现弱信号的放大。 SRA的工作原理与其它光放大器都是靠转移泵浦能量实现放大的， 实际上是有很大不同的。 SOA用电泵浦，用电泵浦，EDFA用光泵浦，需要粒子数反用光泵浦，需要粒子数反转转; SRA是靠非线性介质的受激散射实现放大功能的，是靠非线性介质的受激散射实现放大功能的， 不需要能级间粒子数反转不需要能级间粒子数反转。 SRA最显著的优点是：能够提供整个波段的光放能够提供整个波段的光放大大。 通过适当改变泵浦激光器的光波波长就可以得到改变泵浦激光器的光波波长就可以得到在任意波段进行光放大的宽带放大器在任意波段进行光放大的宽带放大器， 甚至可在12791670 nm整个波段内提

13、供放大。 目前， SRA已在以下三个波段取得了成功: （1） 1300 nm波段。 （2） 1400 nm波段。 （3） 1550 nm波段。 5.4 其他光纤放大器其他光纤放大器 1. 掺镨光纤放大器（PDFA） EDFA光纤放大器只能对1550 nm波段的光信号进行放大，为了能对1310 nm波段的光信号进行放大， 人们在光纤中掺入镨。PDFA具有高的增益（约具有高的增益（约30 dB）和高的饱和功率和高的饱和功率（20 dBm），适用于EDFA不能放大的光波波段，对现有的光纤线路的升级和扩容有重要的意义。 PDFA需采用氟化物光纤（常规通信光纤主要是玻璃光纤）， 泵浦光源也不是常用的98

14、0 nm和1480 nm的泵浦光源， 而是采用1017 nm的泵浦激光的泵浦激光，离实用还有一段距离。 掺镨光纤放大器（PDFA）是在非石英光纤如氟化氟化物光纤中掺入镨物光纤中掺入镨来对光信号进行放大的， 它与EDFA相比具有如下特点： （1） 工作在1.3 m波长（12801340 nm）。 （2） 高的增益（约30 dB）。 （3） 高的输出功率（达300 mW)。 （4） 泵浦光源波长为1017 nm。 2. 掺铝(AL)EDFA 为了使EDFA本身具有平坦的增益平坦的增益，人们已尝试了多种改善EDFA特性的方法。在纤芯中掺铒的同时掺入铝，是当前应用最普遍的方法，这样可改变玻璃的组成成分

15、，迫使铒的放大能级分布改变， 加宽可放大的频率。通过对对EDFA掺铝可以扩大掺铝可以扩大1550 nm波长区波长区。如果进一步提高铝的掺杂浓度，不管是对小信号功率，还是对大信号功率都能提高在1540 nm时的增益，因而可减小增益差以达到平坦增益的目的。 3. 掺钇(Y)EDFA 在EDFA中掺钇作为铒的激活剂， 以工作在792 nm附近的高功率激光器作为激励源， 可以制成钇光纤放大器。 4. 氟化物EDFA 氟化物掺铒光纤放大器(F-EDFA)是以氟化物为主要材料、 掺铒光纤为主体而构成的光纤放大器。 F-EDFA的特点是： （1） 有宽的增益平坦度（约30 nm）。对多波长光传输系统中的应用

16、具有相当大的潜力。 （2） 氟化物光纤有吸水性，不能与石英光纤熔接， 需采用机械连接方法。 （3） 氟化物光纤放大器只能用1480 nm泵浦，使得噪声比980 nm泵浦的石英掺铒光纤放大器高。 5. 宽带碲化物EDFA 应用掺碲化物光纤制作放大器可实现宽带放大。 用这种光纤制作EDFA，其增益特性平坦，可放大的频带特别宽，而且与石英系光纤相比，频带向长波长一侧移动。其特点为： 5.5 半导体光放大器半导体光放大器SOA 在研究开发光纤通信的初期，人们就已着手研制SOA。目前，可批量生产, 成本低, 寿命长, 功耗小等优点， 且SOA具有结构简单，便于集成， 可望制作出1310 nm和1540

17、nm波段的宽带放大器，以覆盖EDFA、 PDFA的应用窗口。 SOA在波长变换器中的应用现已引起广泛重视， 并将逐步得到应用。 5.5.1 SOA的放大原理 半导体光放大器是利用受激辐射受激辐射来实现对入射光功率的放大的， 产生受激辐射所需的粒子数反转机制与半导体激光器中使用的完全相同， 即采用正向偏置的PN结， 对其进行电流注入， 实现粒子数反转分布。 SOA与半导体激光器的结构相似， 但它没有反馈机制没有反馈机制， 而反馈机制对产生相干的激光是很必要的。 因此SOA只能放大光信号， 但不能产生相干的光输出。 SOA的基本工作原理如图5.9所示，其中激活介质（有源区）吸收了外部泵浦提供的能量

18、，电子获得了能量跃迁到较高的能级，产生粒子数反转。输入光信号会通过受激辐射过程激活这些电子，使其跃迁到较低的能级，从而产生一个放大的光信号。 图5.9 SOA的基本工作原理 有源层光输入信号光纤ARAR光纤放大的光输出信号AR：防反射涂层泵浦源电流注入(1) 具有可靠的高增益(20 dB)。 (2) 输出饱和功率范围是510 dBm。 (3) 具有大的带宽。 (4) 工作在0.85 m， 1.30 m和1.55 m波长范围。 (5)是小型化的半导体器件， 易于和其他器件集成。 5.5.2 SOA的性能与应用 1. 光信号放大器 因为在世界范围内已铺设了大量的常规单模光纤， 还有很多系统工作在1

19、.30 m波段， 并需要周期性的在线放大器， 而工作波长为1.30 m的PDFA目前尚未达到实用化的水平， 所以仍然需要SOA。 2. 光电集成器件 半导体放大器可与光纤放大器相抗衡的优点是体积小、 成本低以及可集成性, 即可以集成在含有很多其它光电子器件(例如激光器和检测器)的基片上。 3. 光开关 半导体放大器在光交换系统中可以作为高速开关元件使用。 因为半导体在有泵浦时可以产生放大， 而在没有泵浦时产生吸收。 其运转很简单， 当提供电流泵浦时信号通过， 而需要信号阻断时将泵浦源断开 。5.6 光放大器的应用光放大器的应用 光放大器在不同的光纤通信系统中均有应用。 图5.10给出了其四种基本的应用。 (1) 在线放大器在