宽带光网络第11章光放技术

1、第11章 光放大技术11.1 光放大器概述 11.2 掺铒光纤放大器EDFA11.3 半导体光放大器SOA11.4 光纤拉曼放大器FRA11.1 光放大器概述光放大器的出现，可视为光纤通信发展史上的重要里程碑。光放大器出现之前，光纤通信的中继器采用光电光(O-E-O)变换方式。 装置复杂、耗能多、不能同时放大多个波长信道，在WDM系统中复杂性和成本倍增，可实现1R、2R、3R中继光放大器（O-O） 多波长放大、低成本，只能实现1R中继光放大器的原理 光放大器的功能：提供光信号增益，以补偿光信号在通路中的传输衰减，增大系统的无中继传输距离。 在泵浦能量（电或光）的作用下，实现粒子数反转（非线性光

2、纤放大器除外），然后通过受激辐射实现对入射光的放大。 光放大器是基于受激辐射或受激散射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。实际上，光放大器在结构上是一个没有反馈或反馈较小的激光器。光放大器的类型利用稀土掺杂的光纤放大器（EDFA、PDFA）利用半导体制作的半导体光放大器（SOA）利用光纤非线性效应制作的非线性光纤放大器（FRA、FBA）几种光放大器的比较放大器类型原理激励方式工作长度噪声特性与光纤耦合与光偏振关系稳定性掺稀土光纤放大器粒子数反转光数米到数十米好容易无好半导体光放大器粒子数反转电100m1mm差很难大差光纤(喇曼)放大器光学非线性(喇曼)效应光数千米好容易大

3、好光放大器的应用研究新热点展宽带宽：C-band 40nm, L-band 再加40nm；均衡功能：针对点对点系统的增益均衡，针对全光网的功率均衡；监控管理功能：在线放大器，全光网路由改变；动态响应特性；其它波段的光纤放大器，如Raman放大器。11.2 掺铒光纤放大器EDFA掺杂光纤放大器利用掺入石英光纤的稀土离子作为增益介质，在泵浦光的激发下实现光信号的放大，放大器的特性主要由掺杂元素决定。工作波长为1550nm的铒(Er)掺杂光纤放大器(EDFA)工作波长为1300nm的镨(Pr)掺杂光纤放大器(PDFA)工作波长为1400nm的铥(Tm)掺杂光纤放大器(TDFA)目前，EDFA最为成熟

4、，是光纤通信系统必备器件。掺铒光纤放大器给光纤通信领域带来的革命EDFA解决了系统容量提高的最大的限制光损耗补偿了光纤本身的损耗，使长距离传输成为可能大大增加了功率预算的冗余，系统中引入各种新型光器件成为可能支持了最有效的增加光通信容量的方式-WDM推动了全光网络的研究开发热潮为什么要用掺铒光纤放大器工作频带正处于光纤损耗最低处(1525-1565nm)；频带宽，可以对多路信号同时放大-波分复用；对数据率/格式透明，系统升级成本低；增益高(40dB)、输出功率大(30dBm)、噪声低(45dB)；全光纤结构，与光纤系统兼容；增益与信号偏振态无关，故稳定性好；所需的泵浦功率低(数十毫瓦)。EDF

5、A的工作原理EDFA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。EDFA中的Er3+能级结构泵浦波长可以是520、650、800、980、1480nm波长短于980nm的泵浦效率低，因而通常采用980和1480nm泵浦。掺铒光纤放大器的基本结构三种泵浦方式的EDFAEDFA的工作特性光放大器的增益放大器的噪声EDFA的多信道放大特性EDFA的大功率化一、光放大器的增益增益G是描述光放大器对信号放大能力的参数。定义为：G与光放大器的泵浦功率、掺杂光纤的参数和输入光信号有很复杂的关系。insoutsPPdBG,10log10)(小信号增益随泵浦功率

6、而变的曲线二、放大器的噪声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Fn来表示，其定义为：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。outinnSNRSNRF)()(ASE噪声ASE噪声近似为白噪声，噪声功率谱密度为：hnGSspsp1122NNNnspspspnnGGnF212ASE噪声三、 EDFA的多信道放大特性EDFA的增益恢复时间g10ms(SOA的g=0.11ns),其增益不能响应调制信号的快速变化，不存在增益调

7、制，四波混频效应也很小，所以在多信道放大中不引入信道间串扰(SOA则不然)，是其能够用于多信道放大的关键所在。EDFA对信道的插入、分出或无光故障等因素引起的输入光功率的变化（较低速变化）能产生响应-瞬态特性。在系统应用中应予以控制-增益钳制。15441569典型的典型的EDFAEDFA增益谱增益谱固有的增益不平坦，增益固有的增益不平坦，增益差随级联放大而积累增大差随级联放大而积累增大各信道的信噪比差别增大各信道的信噪比差别增大各信道的接收灵敏度不同各信道的接收灵敏度不同增益谱的形状随信号功率而变，在有信道增益谱的形状随信号功率而变，在有信道上、下的动态情况下，失衡情况更加严重上、下的动态情况

8、下，失衡情况更加严重增益钳制技术(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。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。EDFA的大功率化(2)11.3 半导体光放大器SOA行波半导体光放大器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

9、饱和性。SOA增益偏振相关性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。11.4 光纤拉曼放大器FRA拉曼现象在1928年被发现。90年代早期，EDFA取代它成为焦点，FRA受到冷遇。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。特别是高功率二极管泵浦激光器的迅猛发展，又为FRA的实现奠定了坚实的基础。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，就可以达到在任意波段进行宽带光放大，甚至可在12701670nm整个波段内提供放大。光纤拉曼放大器Properties of Raman Scattering in FibersRaman Amplifiers光纤拉曼放大器的泵浦要求高能量输出。消偏输出和偏振混合输出。（拉曼散射增益具有偏振依赖性）泵浦波长至关重要。信号光在1300nm波段时，最佳泵浦波长约在12201240nm，而在1550nm波段时，最佳泵浦波长约在1