光通信系统设计-光放大器

1光放大器一般概念掺铒光纤放大器 半导体光放大器 光纤拉曼放大器光放大器应用2再生中继器的缺点任何光纤通信系统的传输距离都受光纤损耗或色散限制；因此，传统的长途光纤传输系统，需要每隔一定的距离，就增加一个再生中继器，以便保证信号的质量。这种再生中继器的基本功能是进行光-电-光转换，并在光信号转变为电信号时进行再生、整形和定时处理，恢复信号形状和幅度，然后再转换回光信号，沿光纤线路继续传输。这种方式有许多缺点。首先，通信设备复杂，系统的稳定性和可靠性不高，特别是在多信道光纤通信系统中更为突出，因为每个信道均需要进行波分解复用，然后光-电-光变换，经波分复用后，再送回光纤信道传输，所需设备更复杂，费用更昂贵。其次，传输容量受到一定的限制。3WDM光-电-光转换再生中继器结构通信设备复杂，系统的稳定性和可靠性不高，传输容量受到一定的限制。4光放大器出现多年来，人们一直在探索能否去掉上述光-电-光转换过程，直接在光路上对信号进行放大，然后再传输，即用一个全光传输中继器代替目前的这种光-电-光再生中继器。经过多年的努力，科学家们已经发明了几种光放大器，其中掺铒光纤放大器（EDFA）、分布光纤拉曼放大器（DRA）和半导体光放大器（SOA）技术已经成熟，众多公司已有商品出售。本章对这几种放大器进行简要的介绍。56.1一般概念6.1.1增益频谱和带宽6.1.2增益饱和6.1.3放大器噪声6.1.4光放大器应用66.1一般概念光放大器通过受激发射放大入射光信号，其机理与激光器的相同。的确，光放大器只是一个没有反馈的激光器，其核心是当放大器被光或电泵浦时，使粒子数反转获得光增益。该增益通常不仅与入射信号的频率（或波长）有关，而且与放大器内任一点的局部光强有关；该频率和光强与光增益的关系又取决于放大器介质。

7行波光放大器是一个没有反馈的激光器。其核心是当放大器被光或电泵浦时，使粒子数反转获得光增益。行波半导体光放大器8图6.1.1（b）光放大器增益分布曲线和相应的放大器增益频谱曲线增益系数：

该式表示当入射光频与原子跃迁频率相同时增益最大。时增益的减小由洛伦兹（Lorentzian）分布曲线描述

放大倍数：

96.1.1增益频谱和带宽对于洛伦兹频谱曲线，增益带宽与的关系是：

放大器带宽定义为曲线半最大值的全宽（FWHM），它与增益带宽的关系是：10图6.1.2饱和放大器增益

与输出功率的关系G0为不饱和放大器增益116.1.3放大器噪声与电子放大器类似，用放大器噪声指数Fn来量度SNR下降的程度，并定义为：得出放大后信号的SNR该式表示，即使对于理想的放大器放大后信号的

SNR也要比输入信号的

SNR降低3dB。

12用光放大器取代光-电-光中继器，作为在线放大器使用。插在光发射机之后，来增强光发射机功率，作为功率放大器，可增加传输距离（10~100）km。在接收机之前，插入一个光放大器，对微弱光信号进行预放大，提高接收机灵敏度，这样的放大器称为前置放大器，也可以用来增加传输距离。补偿局域网（LAN）的分配损耗。6.1.3光放大器应用136.2半导体光放大器6.2.1放大器设计6.2.2行波光放大器特性6.2.3半导体光放大器的应用14半导体光放大器外形15半导体

光放大器的

机理半导体光放大器的机理与激光器的相同，即通过受激发射放大入射光信号。光放大器只是一个没有反馈的激光器，其核心是当放大器被光或电泵浦时，使粒子数反转获得光增益。该增益通常不仅与入射信号的频率（或波长）有关，而且与放大器内任一点的局部光强有关，该频率和光强与光增益的关系又取决于放大器介质。166.2半导体光放大器对于半导体光放大器(SOA)的研究，早在1962年发明半导体激光器不久就已开始了。然而，只有在上世纪80年代，在认识到它将在光波系统中具有广泛应用前景的驱使下，才对SOA进行了广泛的研究和开发。17行波光放大器是一个没有反馈的激光器。其核心是当放大器被光或电泵浦时，使粒子数反转获得光增益。行波半导体光放大器18半导体激光器由于在解理面存在反射，当偏流低于阈值时是放大器。减小腔体界面反射，可使激光器变为放大器。这种放大器就称为F-P放大器。F-PSOA的结构和原理19F-P谐振腔反射率R越大，SOA的增益越大。但是，当R超过一定值后，光放大器将变为激光器。当GsR=1时，式（6.2.2）将变为无限大，此时，SOA产生激光发射。不同反射率时的F-PSOA的增益频谱

202122角度解理面或有源区倾斜结构。在解理面处的反射光束，因角度解理面的缘故已与前向光束分开。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%）图6.2.3减小反射率的方法23有源区端面和解理面之间插入透明窗口区。光束在到达半导体和空气界面前，在该窗口区已发散，经界面反射的光束进一步发散，只有极小部分光耦合进薄的有源层。图6.2.3减小反射率的方法24半导体激光放大器（SOA）特性增益：芯片30

35dB,除8

10dB的耦合损耗外，还有22

25dB的增益。带宽很宽，可以对窄至几个ps的超窄光脉冲进行放大。可与光发射机和接收机一起单片集成在一起。25图6.2.3半导体光放大器带宽和增益频谱曲线(a)法布里-玻罗放大器(F-PA)和行波放大器(TWA)的带宽比较(b)行波光放大器的增益与波长的关系26图6.2.4用来减小偏振态对半导体光放大器增益影响的三种结构27图6.2.4用来减小偏振态对半导体光放大器增益影响的三种结构信号通过同一个放大器两次，但是两次间的极化旋转了，使得总增益与偏振态无关28波长可调激光器+光放大

+调制器集成化器件296.2.3半导体光放大器的应用SOA存在增益受偏振影响、信道交叉串扰以及耦合损耗较大等缺点，所以不能作为在线放大器使用。SOA可以在1.3

m光纤系统中作为光放大使用，因为一般的EDFA不能在该窗口使用。SOA芯片具有高达30~35dB的增益，除输入和输出端存在总共8~10dB的耦合损耗外，还有22~25dB的增益。另外行波半导体光放大器具有很宽的带宽，可以对窄至几个ps的超窄光脉冲进行放大。在DWDM光纤通信中，可作为波长路由器中的波长转换和快速交换器件使用。在OTDM中，也可以用作时钟恢复和解复用器的非线性器件。306.3光纤拉曼放大器6.3.1分布式拉曼放大器的工作原理和特性6.3.2拉曼放大器对系统性能的影响6.3.3拉曼放大技术应用316.3光纤拉曼放大器EDFA只能工作在1530~1564nm之间的C波段；光纤拉曼放大器可用于全波光纤工作窗口。因为分布式拉曼放大器的增益频谱只由泵浦波长决定，而与掺杂物的能级电平无关，所以只要泵浦波长适当，就可以在任意波长获得信号光的增益光纤拉曼放大器已成功地应用于DWDM系统和无中继海底光缆系统中。32DRA工作原理增益介质：系统传输光纤。工作原理：基于非线性光学效应。如果一个弱信号光与一个强泵浦光同时在一根光纤中传输，并且弱信号光的波长在泵浦光的喇曼增益带宽内，则强泵浦光的能量,通过受激喇曼散射,耦合到光纤硅材料的振荡模中，然后又以较长的波长发射，该波长就是信号光的波长，从而使弱信号光得到放大，获得喇曼增益。336.3.1分布式拉曼放大器（DRA）的工作原理和特性与EDFA利用掺铒光纤作为它的增益介质不同，分布式拉曼放大器（DRA）利用系统中的传输光纤作为它的增益介质。光纤拉曼放大器（FRA）是基于非线性光学效应的原理，它利用强泵浦光束通过光纤传输时产生受激拉曼散射，一个较高能量（较短波长）的入射泵浦光子产生一个较低能量（较长波长）的光子，剩余的能量以分子振荡的形式（光声子）被介质吸收。34如果一个弱信号光与一个强泵浦光同时在一根光纤中传输，并且弱信号光的波长在泵浦光的拉曼增益带宽内，则强泵浦光的能量通过受激拉曼散射耦合到光纤硅材料的振荡模中，然后又以较长的波长发射，该波长就是信号光的波长，从而使弱信号光得到放大，获得拉曼增益。6.3.1分布式拉曼放大器的工作原理和特性356.3.3喇曼放大技术应用分布式喇曼放大器不但能够工作在EDFA常使用到的C波段（1530~1564nm）而且也能工作在波长较短的S波段（1350~1450nm）和较长的L波段（1564~1620nm），完全满足全波光纤对工作窗口的要求。36受激拉曼散射

(SRS)本质上

与受激光发射(SOA)不同在受激发射中，入射光子激发另一个相同的光子发射而没有损失它自己的能量；但在SRS中，入射泵浦光子放弃了它自己的能量，产生了另一个较低能量（较低频率）的光子。与SOA电泵浦不同，SRS必须光泵浦，也不要求粒子数反转。事实上，SRS是一种非谐振非线性现象，它不要求粒子数在能级间转移。37图6.3.1光纤分布式拉曼放大器分布式拉曼放大器（DRA）采用强泵浦光对传输光纤进行泵浦，可以采用前向泵浦，也可以采用后向泵浦；因后向泵浦减小了泵浦光和信号光相互作用的长度，从而也就减小了泵浦噪声对信号的影响，所以通常采用后向泵浦。38图6.3.3小信号光在长光纤内的喇曼增益泵浦功率为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。39图6.3.2测量到的拉曼增益系数频谱增益带宽可以达到约8THz，光纤拉曼放大器相当大的带宽使它们在光纤通信应用中具有极大的吸引力。图6.3.3小信号光在长光纤内的拉曼增益信号光和泵浦光的频率差为13.2THz时，拉曼增益达到最大，该频率差对应于信号光比泵浦光的波长要长60~100nm。此外，光信号的拉曼增益还与泵浦光的功率有关

40图6.3.4光纤拉曼放大器放大增益和泵浦功率的关系实验使用的光纤拉曼放大器长1.3km，泵浦光波长1.017

m，信号光波长1.064

m。放大倍数开始随泵浦光指数增加，但是后来因为增益饱和，开始偏离指数规律。由图可见，1.5W的泵浦功率可以获得30dB的增益。41图6.3.5拉曼增益和集中噪声指数与波长的关系表示拉曼增益和等效（集中）噪声指数和波长关系的模拟结果，模拟时所用到的参数为：信道数40个，均处于C波段（1530~1560nm），每个信道的发射功率为3dBm，用1443nm和1450nm的2个波长的光泵浦，每个泵浦光的功率均为200mW。42

可以采用前向泵浦,也可以采用后向泵浦，因后向泵浦减小了泵浦光和信号光相互作用的长度，从而也就减小了泵浦噪声对信号的影响，所以通常采用后向泵浦。光纤分布式喇曼放大器（DRA）构成

-----后向泵浦436.3.2拉曼放大器对系统性能的影响光纤通信系统的性能可用Q值来衡量，Q值越大表示系统的信噪比越大而误码率越小。当系统性能主要由信号和放大自发辐射（ASE）引起的自发辐射产生的拍频噪声决定时，此时Q值可用下式表示这里P是入射信号功率，F是放大器噪声指数，G是放大器增益，N是光放大器数量，Be是系统的电带宽，hv是常数。这里的分布式拉曼放大器，已等效为在每段传输光纤内EDFA在线放大器之前，增加了一个分立的前置光放大器。由于EDFA+DRA系统的噪声指数F比只使用EDFA的小4dB，所以EDFA+DRA系统的Q值要比只使用EDFA的大2dB。442.拉曼放大器光信噪比与噪声指数有关的一个重要参数是光信噪比（OSNR）。用光谱分析仪对混合使用EDFA+DRA的32个波长的DWDM系统（使用125km叶状光纤）进行实际测量表明，噪声要比只用常规的EDFA的低4dB。由Q表达式可知，由于EDFA+DRA系统的噪声指数F比只使用EDFA的小4dB，所以前者的Q值要比后者的大2dB。456.3.3拉曼放大技术应用由于分布式拉曼放大器可利用传输光纤做在线放大，它与EDFA的组合使用，可明显的提高长距离光纤通信系统的增益和Q值，降低系统的噪声指数，扩大系统传输的跨距。通过选择泵浦光波长，可实现任意波长的光放大，拉曼放大器是目前唯一能实现1290~1660nm光谱放大的器件。分布式拉曼放大器可使DWDM系统的信道间距减小，扩大系统的带宽容量。所以分布式拉曼放大器具有广泛的应用前景，受到人们的极大重视。46多波长泵浦增益带宽增益波长由泵浦光波长决定，选择适当的泵浦光波长，可得到任意波长的信号放大分布式光纤喇曼放大器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，所以它由泵浦光波长的数量和种类决定。47该图表示6个泵浦波长单独泵浦时，产生的增益频谱和总的增益频谱曲线。由图可见，当泵浦光波长逐渐向长波长方向移动时，增益曲线峰值也逐渐向长波长方向移动。多波长泵浦增益频谱48图6.3.7光功率在分布式拉曼放大传输光纤中的分布表示后向泵浦的光纤分布式拉曼放大器，32个波长的DWDM信号光和2个波长的泵浦光在光纤中反向传输时，光功率在传输光纤中的分布情况。由图可见，在光纤的后半段，信号光功率电平已足够低，所以不会产生光纤的非线性影响。496.4掺铒光纤放大器6.4.1掺铒光纤结构6.4.2工作原理及其特性6.4.3掺铒光纤放大器的优点6.4.4EDFA的应用6.4.5实用EDFA构成50掺铒光纤放大器（EDFA）结构516.4掺铒光纤放大器使用铒离子作为增益介质的光纤放大器，称为掺铒光纤放大器(EDFA)。这些离子在光纤制造过程中被掺入光纤芯中，使用泵浦光直接对光信号放大，提供光增益。虽然掺杂光纤放大器早在1964年就有研究，但是直到1985年才首次研制成功掺铒光纤。1988年低损耗掺铒光纤技术已相当成熟，其性能相当优良，已可以提供实际使用。放大器的特性，如工作波长、带宽由掺杂剂所决定。掺铒光纤放大器因为工作波长在靠近光纤损耗最小的1.55

m波长区，它比其它光放大器更引人注意。526.4.1掺铒光纤结构536.4.2EDFA工作原理及其特性在掺铒离子的能级图中，E1是基态，E2是中间能级，E3代表激发态。若泵浦光的光子能量等于E3与E1之差，铒离子吸收泵浦光后，从E1升至E3。但是激活态是不稳定的，激发到E3的铒离子很快返回到E2。若信号光的光子能量等于E2和E1之差，则当处于E2的铒离子返回E1时则产生信号光子，这就是受激发射，结果使信号光得到放大。54泵浦光是如何将

能量转移给信号的为了提高放大器的增益，应尽可能使基态铒离子激发到激发态能级E3。从以上分析可知，能级E2和E1之差必须是需要放大信号光的光子能量，而泵浦光的光子能量也必须保证使铒离子从基态E1跃迁到激活态E3。EDFA的增益特性与泵浦方式及其光纤掺杂剂有关。可使用多种不同波长的光来泵浦EDFA，但是0.98

m和1.48

m的半导体激光泵浦最有效。使用这两种波长的光泵浦EDFA时，只用几毫瓦的泵浦功率就可获得高达30~40dB的放大器增益。55图6.4.3掺铒光纤放大器的工作原理（a）硅光纤中铒离子的能级图（b）EDFA的吸收和增益频谱56图6.1.4表示输出信号功率与泵浦功率的关系。由图可见，能量从泵浦光转换成信号光的效率很高，因此EDFA很适合作功率放大器。泵浦光功率转换为输出信号光功率的效率为92.6%，60mW功率泵浦时，吸收效率为88%。[(信号输出功率

信号输入功率)/泵浦功率]图6.4.4输出信号功率与泵浦功率的关系57图6.4.5小信号增益与泵浦功率的关系58图6.4.6小信号增益频谱59图6.4.7大信号增益频谱60例题6.5.1EDFA增益613.EDFA小信号增益EDFA的增益与铒离子浓度、掺铒光纤长度、芯径和泵浦功率有关当处于激发态E3能级的离子很快返回到E2能级，产生的辐射是自发辐射，它对信号光放大不起作用。只有铒离子从E2能级返回E1能级时，发生的受激发射才对信号光的放大有贡献。当忽略自发辐射和激发态吸收时，使用一个简单两能级模型，对EDFA的原理可得到更好地理解。该模型假定三能级系统的激活态能级E3几乎保持空位，因为泵浦到能级E3的离子数快速地转移到能级E2。62两能级模型EDFA的增益与铒离子浓度、掺铒光纤长度、芯径和泵浦功率有关。处于激发态E3能级的离子很快返回E2能级，产生的辐射是自发辐射，它对信号光放大不起作用。只有铒离子从E2能级返回E1能级时，发生的受激发射才对信号光的放大有贡献。因为泵浦到能级E3的离子快速地转移到能级E2，忽略自发辐射和激发态吸收时，能级E3几乎保持空位，可使用一个简单两能级模型，对EDFA的原理可得到更好地理解。63对于给定的泵浦功率，放大器的最大增益对应一个最佳光纤长度，并且当超过这个最佳值后很快降低。其原因是铒光纤的剩余部分没有被泵浦，反而吸收了已放大的信号。小信号增益和光纤长度的关系64

对于给定的放大器长度L，放大器增益最初随泵浦功率按指数函数增加，但是当泵浦功率超过一定值后，增益的增加就减小小信号增益和泵浦功率的关系65EDFA特性小结对于给定的放大器长度L，放大器增益最初随泵浦功率按指数函数增加，但是当泵浦功率超过一定值后，增益的增加就减小。对于给定的泵浦功率，放大器的最大增益对应一个最佳光纤长度，并且当超过这个最佳值后很快降低，其原因是铒光纤的剩余部分没有被泵浦，反而吸收了已放大的信号。选择适当的L值和PP,，获得所需要的增益。当用1.48

m波长的激光泵浦时，如泵浦功率5mW，放大器长度30m，则可获得35dB的光增益。664.放大器噪声676869EDFA泵浦功率对噪声指数的影响该图表示泵浦功率对放大器噪声指数影响的模拟结果。数值计算表明，强泵浦功率的高增益放大器可以得到接近3dB的噪声指数。实验结果也验证了这个结论。噪声指数就像放大器增益一样，与放大器长度和泵浦功率有关。70EDFA泵浦功率对放大器增益的影响

由图可见，泵浦功率越大，放大器增益越大，允许铒光纤也越长。71例6.4.2光放大器噪声指数726.4.3掺铒光纤放大器的优点73746.4.4实用EDFA构成75EDFA各部分作用(1)掺铒光纤 光纤放大器的关键部件是具有增益放大特性的掺铒光纤，因而使掺铒光纤的设计最佳化是主要的技术关键。EDFA的增益与许多参数有关，如铒离子浓度、放大器长度、芯径以及泵浦光功率等。(2)泵浦源 对泵浦源的基本要求是高功率和长寿命。它是保证光纤放大器性能的基本因素。几个波长可有效激励掺铒光纤。最先使用1480nm的InGaAs多量子阱(MQW)激光器，其输出功率可达100mW，泵浦增益系数较高。随后采用980nm波长泵浦，效率高,噪声低，现已广泛使用。76(3)波分复用器

其作用是使泵浦光与信号光进行复合。对它的要求是插入损耗低，因而适用的WDM器件主要有熔融拉锥形光纤耦合器和干涉滤波器。(4)光隔离器

在输入、输出端插入光隔离器是为了抑制光路中的反射，从而使系统工作稳定可靠、降低噪声。对隔离器的基本要求是插入损耗低、反向隔离度大。EDFA各部分作用77图6.4.9放大器增益和噪声指数

与输入功率的关系（a）数值模拟结果增益饱和（或压缩）特性

（b）商用产品的典型特性曲线786.5.2EDFA放大器级联光放大器级联可克服长距离通信系统（如海底光缆系统）的光纤损耗，从而可省去光信号的周期性光-电-光再生。设计一个级联在线放大器光波系统，要求考虑许多因素。最重要的是放大器噪声、光纤色散以及光纤非线性。本节简要地考虑这些设计问题。791.