光纤通信第五章+光放大器1

1、刘建国刘建国中国科学院大学中国科学院大学光纤通信技术三大问题光纤通信技术三大问题n如何提高光纤链路的速率？n如何提高通信系统的容量？n根据不同的应用需求，如何选择合适的通信器件？optical pre- amplifierphoto- detectorsemiconductor laseroptical modulatoroptical fiberelectrical signaloptical signaloptical receiverelectronicsoptical transmitteroptical amplifieroptical fiberoptical fiberoptic

2、al transmitteroptical receiverrepeaterinformation receiverreceiver electronicsinformation sourcedrive electronicsoptical pre- amplifierphoto- detectorsemiconductor laseroptical modulatoroptical fiberelectrical signaloptical signaloptical receiverelectronicsoptical transmitteroptical amplifieroptical

3、 fiberoptical fiberoptical transmitteroptical receiverrepeaterinformation receiverreceiver electronicsinformation sourcedrive electronics光发送机中继器光放大器光接收机光源光纤光纤光纤信源信宿电信号光信号内容提要内容提要n 光放大概述n 光放大器分类 EDFA SOA FRA内容提要内容提要n 光放大概述n 光放大器分类 EDFA SOA FRAn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，但可实现3R中继TransmitterRepe

4、aterElectronics (amplification, filtering, decision circuits)photodetectorlaserReceivern在WDM系统中，每个波长需要配备一个中继器，且需要波分复用器和解复用器，复杂性和成本倍增：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。光放大器是基于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。n EDFA诞生：诞生：1987年前后，南安普顿大学和贝尔实验室先后独立报道掺铒光纤放大器EDFA，这是光纤通信新一轮突破的开始，但只能实现1R中继。

5、DAVIDN.PAYNEandW.ALECGAMBLING影响：影响：光放大器最重光放大器最重要的意义在于促使波要的意义在于促使波分复用技术分复用技术 (WDM) 走向走向实用化、促进了实用化、促进了光接入网的实用化光接入网的实用化光放大器的工作原理光放大器的工作原理光放大器与激光器的唯一区别就是光放大器没有正反馈机制(2) 受激辐射(1) 能量注入 光光放放大大器器的的类类型型和和应应用用在线光放大：在线光放大：用于不需要光再生只需要简单放大的场合前置光放大：前置光放大：用于提高接收机的灵敏度功率放大：功率放大：增加发送功率，从而增加光纤中继距离、补偿插入 损耗和功率分配损耗 如PON中)所

6、有光放大器在放大过程中都会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（大信号的信噪比（SNR）下降下降n 噪声指数Fn，其定义为：n 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)()(增益特性：增益特性：增益G与信号光波长有关增益谱不平坦。n 光放大概述n 光放大器分类 EDFA SOA FRAn 稀土掺杂光纤放大器EDFA、PDFA、TDFAn 半导体光放大器SOAn 光纤非线性放大器拉曼放大

7、器、布里渊放大器，参量放大器n 原理：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。泵浦激泵浦激光器光器铒离子简化能级示意图吸收泵浦光快速非辐射跃迁光放大受激辐射产生噪声自发辐射受激吸收基态能带泵浦能带980nm1480nm亚稳态能带原理：把泵浦光能量转化为信号光能量工作范围：1530 1560 nm铒离子的三能带结构hvhvhvhvhvhvhvhv980 nm亚稳态能带泵浦能带转化成机械能前前向向泵泵浦浦EDFA后后向向泵泵浦浦EDFA反向泵浦反向泵浦反向泵浦反向泵浦反向泵浦反向泵浦反向泵浦反向泵浦双双向向泵泵浦浦EDFAinsi

8、npspinsoutsPPPPG,1EDFA的增益：随输的增益：随输入功率的入功率的变化变化Why?EDFA的增益：随增益介质长度的增益：随增益介质长度变化变化Why?0L吸收区增益降低同向泵浦对于给定的放大器长度（EDF长度），增益随泵浦功率在开始时按指数增加，当泵浦功率超过一定值时，增益增加变缓，并趋于一恒定值。增益随泵浦功率而变的增益随泵浦功率而变的曲线曲线(Why)EDFA 光放大器的光放大器的噪声噪声ASE噪声叠加在信号上，导致信噪比下降15441569典型的EDFA增益谱固有的增益不平坦，增益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接收灵敏度不同增益谱的形状随信号功率而

9、变，在有信道上、下的动态情况下，失衡情况更加严重n 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。方法1：多级泵浦用于制作大功率EDFA的双包层光纤结构图芯层：5m内包层： 50m芯层(掺铒)，传播信号层(SM)内包层，传播泵浦光(MM)方法2：双包层光纤是实现EDFA的重要技术，信号光在中心的纤芯里以单模传播，而泵浦光则在内包层中以多模传输。Multistage EDFA内插隔离器，抑制ASE，降低噪声指数小信号增益，低噪声指数大功率放大输出n 拉曼现象在1928年被发现。n 1930年诺贝尔物理学奖n 90年代早期，EDFA取代它成为焦点，

10、FRA受到冷遇。n 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。n 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。n 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。拉拉曼放大器曼放大器 (Raman)： 传输光纤作为增益介质传输光纤作为增益介质 受激拉曼散射受激拉曼散射是强激光的光电场与是强激光的光电场与原子中的电子激发、分子中的振动或原子中的电子激发、分子中的振动或与晶体中的晶格相耦合

11、产生的，具有与晶体中的晶格相耦合产生的，具有很强的受激很强的受激特性。特性。如果一个弱信号和一个强泵浦光同时在光纤中传输，并使弱信号波长置于泵浦光的拉曼增益带宽内，则弱信号即可被放大。这种基于SRS机制的光放大器称为光纤拉曼放大器FRA经光纤传输衰减的光 受激拉曼散射效应（SRS)：一个入射光子（pump)的湮灭，产生一个下移stokes频率的光子和另一个具有相当能量和动量的光学光子 与pump光子相差stokes频率的信号光子，经受激散射过程被放大FRA是靠非线性散射实现放大功能，不需要能级间粒子数反转54SRS 是分布式前向散射（以前向为主）谱线以斯托克斯光为主距离主频13.2THz线宽可

12、以达到5000GHz 在所有类型光纤中都会发生 峰值增益频移13 THz (60-100nm) 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，垂直时增益最小为零 增益谱很宽(125nm)但并不平坦n 高能量输出n 消偏输出和偏振混合输出（拉曼散射增益具有偏振依赖性）n 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14401460nm左右处。高功率双包层拉曼光纤激光器是最佳的泵浦源n 当前的研究热点是，它对于喇曼放大的实用化有着举足轻重的作用（宽带平坦高增益）机制：拉曼增益与泵浦波长相关方法：多波长泵浦

13、增益：各个泵浦波长拉曼增益谱的加权和（以dB为单位）Overall gain：所用的光纤比较长，一般为几十公里，泵源功率可降低到几百毫瓦，主要辅助EDFA用于DWDM通信系统性能的提高，抑制非线性效应，提高信噪比。 ：所用的光纤增益介质比较短，一般在几公里，泵浦功率要求很高，一般在几到十几瓦特，可产生40dB以上的高增益，象EDFA一样用来对信号光进行集中放大，主要作为高增益、高功率放大 FRA以传输光纤作为放大介质分布式放大，从而实现一种“无损耗”传输（可降低入纤光功率，避免非线性效应）脉冲幅度z集中放大Nonlinear EffectsNoise High分布放大缺点：泵浦功率大(W),对

14、光纤损害Raman Raman 放大器放大器C band EDFARaman+EDFA光放大器增益曲线SOA也是一种重要的光放大器，其结构类似于普通的半导体激光器。pn外加正向偏压实现结区粒子数反转外部光照导致受激辐射，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原理：SOA的分类的分类容易制作，但光信号增益容易制作，但光信号增益对放大器温度及入射光频对放大器温度及入射光频率变化都很敏感率变化都很敏感带宽宽、饱和功率高以及偏带宽宽、饱和功率高以及偏振灵敏度低，因此使用更为振灵敏度低，因此使用更为广泛广泛67F-P

15、结构的SOAn 端面有较大反射率(30左右)，谐振放大；n 输入信号频率与FP腔谐振频率匹配；n 增益带宽窄，为FP腔的纵模线宽；n 易受温度及电流等环境因素影响TW结构的SOAn 端面反射率极低，单程放大；n 增益带宽极宽，为材料的自发辐射线宽；n 高输出功率入射光从LD左端面进入，通过具有增益的有源层，到达右端面后，部分从端面反射，然后反向通过有源层至左端面，部分光从左端面出射，其余部分又从端面反射，再次通过有源层，如此反复，使入射光得到放大。多峰值、带宽窄，不适合通信系统应用，只可用于一些信号处理。n 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

16、在0.1%以下。n 降低端面反射方法：倾斜有源区法、窗面结构。n 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1.对光信号偏振态的敏感性；2.对光信号增益的饱和性。n 尺寸小，易于制成集成电路n 功耗低、寿命长、成本低n 同时具有光放大和信号处理功能n 与光纤耦合损耗大n 偏振、温度敏感n 噪声系数高（8dB）起因：由于半导体有源层的横截起因：由于半导体有源层的横截面呈扁长方形，对横向（长方形面呈扁长方形，对横向（长方形的宽边方向）和竖向（长方形的的宽边方向）和竖向（长方形的窄边方向）的光场约束不同，光窄边方向）的光场约束不同，光场

17、在竖向的衍射泄漏强于横向，场在竖向的衍射泄漏强于横向，因而竖向的光增益弱于横向。因因而竖向的光增益弱于横向。因此光信号的偏振方向取横向时的此光信号的偏振方向取横向时的增益大，取竖向时的增益小。增益大，取竖向时的增益小。解决方法：采用宽、厚可比拟的解决方法：采用宽、厚可比拟的有源层设计有源层设计；新的使用方法。；新的使用方法。optical pre- amplifierphoto- detectorsemiconductor laseroptical modulatoroptical fiberelectrical signaloptical signaloptical receiverelec

18、tronicsoptical transmitteroptical amplifieroptical fiberoptical fiberoptical transmitteroptical receiverrepeaterinformation receiverreceiver electronicsinformation sourcedrive electronicsoptical pre- amplifierphoto- detectorsemiconductor laseroptical modulatoroptical fiberelectrical signaloptical signaloptical receiverelectron