第六章 光放大器

第六章光放大器长距离光纤传输每隔一定距离要增加光中继器，以便保证信号质量。光-电-光转换再生中继器结构再整形（re-shaping）再放大(re-amplifying)再定时（re-timing）典型的数字光电中继器原理框图由一个没有线路码型变换和反变换的光接收和光发射相连接的系统全光中继器本章内容光放大器的基本应用形式半导体光放大器(SOA)掺铒光纤放大器(EDFA)光纤拉曼放大器(FRA)光放大器在光纤通信系统中的四种用途半导体光放大器

（SOA：SemiconductorOpticalAmplifier）TWSOAF-PSOASOA工作机理SOA是一个具有或不具有端面反射的半导体激光器。采用正向偏置的PN结，对其进行电流注入来激活电子，实现粒子数反转分布，当外光场射入时产生受激辐射实现对入射光功率的放大。光放大器增益分布曲线g(ω)和相应的放大器增益频谱曲线G(ω)介质的增益系数放大器增益系数（放大倍数）：放大器带宽和增益带宽增益饱和G0为不饱和放大器增益放大器噪声用放大器噪声指数Fn来量度SNR下降的程度，定义讨论受限于散粒噪声的理想探测器例：假如输入信号功率为300μW，在1nm带宽内的输入噪声功率是30nW，输出信号功率是60mW，在1nm带宽内的输出噪声功率增大到20μW，计算光放大器的噪声指数？解：光放大器使输出信噪比下降了，但同时也使输出功率增加了，所以可容忍SNR的下降。不同反射率时的F-PSOA的增益频谱FPA与TWA的带宽比较TWA的增益与波长的关系增益小的波纹状，反映出解理面剩余反射率的影响，此时R约0.04%。TWA对反射率的要求减小端面反射反馈，可制出TWA。减小反射率的一个简单方法是在界面上镀以抗反射膜（增透膜）（反射率小于1%）。但TWA要求R<0.1%，且最小反射率还取决于放大器增益本身。减小反射率的方法（一）角度解理面或有源区倾斜结构在大多数情况下，使用抗反射膜和有源区倾斜，可以使反射率小于<0.1%减小反射率的方法（二）有源区端面和解理面之间插入透明窗口区SOA的优点SOA的缺点与光纤耦合损耗大；噪声指数的典型值为5-7dB；

（噪声机理：自发辐射、有源区的吸收和散射损耗、剩余解理面的反射率）稳定性差，因增益与偏振态、温度等因素有关。减小偏振态对SOA增益影响的三种结构掺铒光纤放大器结构

EDFA---ErbiumDopedFiberAmplifier掺铒光纤（EDF---ErbiumDopedFiber)EDFA工作原理泵浦光是如何将能量转移给信号的?EDFA工作机理在泵浦源(980nm或1480nm)的作用下，在掺铒光纤中出现了粒子数的反转分布。通过输入信号光的诱导，使处于粒子数反转分布状态下的高能级电子跃迁到低能级，并释放出与入射光子一样的一个光子，即产生了受激辐射，从而使光信号（1530nm---1560nm)得到放大。EDFA结构EDFA由掺铒光纤、一个或多个泵浦光源、光波分复用器、光隔离器等组成。1.同向泵浦结构2.反向泵浦结构3.双向泵浦结构同向泵浦结构EDFA主要特性泵浦特性对于给定的放大器长度增益频谱增益带宽（FWHM）大于10nm纤芯中掺入铝离子，带宽还可增大且增益频谱相当平坦。小信号增益EDFA的增益与铒离子浓度、芯径、掺杂光纤长度和泵浦功率有关。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。小信号增益当泵浦功率一定时，放大器在某一最佳长度时获得最大增益，如果放大器长度超过此值，由于泵浦的消耗，最佳点后的掺铒光纤不能受到足够泵浦，而且要吸收已放大的信号能量，导致增益很快下降。增益饱和（或压缩）特性

在EDFA泵浦功率一定的情况下，输入功率较小时，放大器的增益不随入射信号的增加而变化。当输入信号增大到一定值后，增益开始随信号功率的增加而下降，这是入射信号导致EDFA出现增益饱和的缘故。放大器噪声放大器的噪声指数与放大器长度L和泵浦功率Pp有关。泵浦光功率Fn反向泵浦双向泵浦输出光功率同向泵浦输出光功率掺铒光纤长度双向泵浦反向泵浦同向泵浦Fn反向泵浦同向泵浦双向泵浦EDFA的优点1.工作波长与光纤最小损耗窗口一致。2.耦合效率高。4.增益高，噪声低。5.增益特性对温度和光偏振状态不敏感。EDFA的缺点波长固定，明显存在着工作波段和增益带宽的局限性。可调节的波长有限，只能换用其他掺杂光纤。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。自发辐射噪声的影响，尤其是当系统级联时，自发辐射噪声的影响会大大降低系统接收端的信噪比。光纤拉曼放大器FRA拉曼(Raman)现象在1928年被发现，拉曼放大技术从1984年开始研究并应用。90年代早期，EDFA取代它成为焦点，光纤拉曼放大器（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。光纤拉曼放大器FRA光纤中的非线性效应SRS受激拉曼散射实现光信号的放大增益介质：系统传输光纤基于非线性光学效应，利用强泵浦光通过光纤传输时产生受激拉曼散射，使组成光纤的石英晶格振动和泵浦光之间发生相互作用，产生比泵浦光波长P还长的散射光（斯托克斯光P–s

）。该散射光与波长相同的信号光(P–s

)重叠，从而使弱信号光放大，获得拉曼增益。就石英玻璃而言，泵浦光波长与待放大信号光波长之间的频率差大约为13THz。FRA光纤(a)无泵激光的1550nm传输光功率(dB)波长1550nm波长光功率(dB)1550nm1450nm光纤(b)有泵激光的1550nm传输1550nm经光纤传输衰减1450nm1550nm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。硅光纤拉曼增益系数频谱曲线增益带宽（FWHM）可以达到约8THz泵浦功率为200mW时，最大增益值为7.78dB泵浦功率为100mW时，最大增益值为3.6dB。在增益峰值附近的增益带宽约为7~8THz。小信号光在长光纤内的拉曼增益FRA放大增益和泵浦功率的关系增益饱和多波长反向泵浦FRA减小了泵浦光和信号光相互作用的长度，从而减小泵浦噪声对信号光的影响。多波长泵浦增益带宽FRA的优