光纤通信原理-光放大器

第8章 光放大器 引入：

光放大器简介

拉曼，1888－1970，印度物理学家，因光散射方面的研究工作和拉曼效应的发现，获得了1930年度的诺贝尔物理学奖。

第8章 光放大器8.1光放大器概述 8.2半导体光放大器 8.3掺铒光纤放大器 8.4拉曼光纤放大器8.1光放大器概述 光放大器不需要把光信号转换为电信号，可以直接放大光信号。光放大器的优点：(1)支持任何比特率和信号调制格式，因为光放大器只是简单地放大输入的光信号功率。这种属性通常被描述为光放大器对任何比特率以及信号格式是透明的。(2)多波长，光放大器不仅支持单个信号波长放大，而且支持一定波长范围的光信号放大。(3)支持波分复用，光放大器特别是EDFA的出现，波分复用技术才得到迅速发展，并且使波分复用成为大容量光通信系统的主力。【讨论与创新】(1)在电子技术中，微弱的电信号是如何放大的呢？能否按照电子技术中的三极管的原理和思想，制作一个光的三极管呢？(2)什么是全光的3R再生器？(3)如何实现全光的3R再生器？8.2半导体光放大器

8.2.1半导体光放大器的原理 8.2.2半导体光放大器的特性 8.2.1半导体光放大器的原理半导体光放大器（SOA，SemiconductorOpticalAmplifier）是通过受激辐射放大入射光信号，本质上，SOA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。半导体光放大器布里-珀罗腔放大器（FPA，Fabry-PerotAmplifier）行波放大器（TWA，Traveling-WaveAmplifier）法布里-珀罗腔放大器（FPA）的结构，如图所示，放大器两侧有部分反射镜面，它是由半导体晶体的解理面形成的，其自然反射率达32%。当信号光进入腔体后，在两个镜面间来回反射并被放大，最后以较高的强度辐射出去。行波放大器（TWA）的结构，如图所示，在两个端面上有增透膜以大大地降低端面的反射系数，或者端面上有适当的切面角度，所以不会发生内反射。入射光信号只要通过一次就会得到放大，行波光放大器实际上是一个没有反馈的激光器。8.2.2半导体光放大器的特性当入射光的频率等于共振频率增益时，FPA放大器的放大倍数如果那么这时达到了激光振荡反射率R=0.32，可得GFPA=7.1，即增益为8.5dB；反射率R=0.32，可得GFPA=867，即增益为29.4dB。说明：能够通过改变单程功率放大因子，可增加FPA放大器的增益随着反射系数的降低，增益振荡幅度逐渐减小，法布里-珀罗放大器（FPA）变成了行波放大器（TWA）与半导体激光器的主要不同之处是TWA带有抗反射涂层，以防止放大器端面的反射，为了产生反射率小于0.1％的抗反射膜，人们己经做了相当大的努力现在，我们又一次明白了工程师所面对的复杂问题，在半导体激光器中，我们需要端面的反射率要几乎等于1，但在行波放大器（TWA）中，我们需要端面的反射率要几乎等于0，但是他们的确做到了！SOA是唯一使用电泵浦的放大器，使用InGaAsP制造，具有体积小、结构简单、功耗低、频带宽、增益高等特点，易于同其他器件集成，目前已报道可与半导体激光器、光检测器、光调制器、光开关等器件集成。SOA还可用于光纤通信系统中的光开关、波长转换和在线放大器等方面。8.3掺铒光纤放大器

8.3.1EDFA的原理 8.3.2EDFA的特性 8.3.3EDFA模块产品 8.3.1EDFA的原理

1964年，美国光学公司制成了第一台掺铒玻璃激光器。1970年，光纤出现后，进行在光纤中掺杂激光器件的研究。1985年，英国南安普顿大学的迈尔斯等人制成了掺铒光纤激光器。在短短的几年时间里，EDFA的研究工作硕果累累，并迅速实用化。1.掺铒光纤放大器的原理掺铒光纤放大器（EDFA，Erbium-DopedFiberAmplifier）是将掺铒光纤在泵浦源作用下形成的光纤放大器。同向泵浦结构反向泵浦结构双向泵浦结构同向泵浦的EDFA的优点是构成简单，噪声指数较小；缺点是输出功率较低。反向泵浦结构的优点是当光信号放大到很强时，不易达到饱和，输出功率比同向泵浦高；缺点是噪声性能差。双向泵浦结构中，可从两个方向激励光纤，这种泵浦结构，结合前面两种泵浦的优点，使泵浦光在光纤中均匀分布，从而使其增益在光纤中均匀分布。(1)掺铒光纤掺铒光纤（EDF）是光纤放大器的核心，它是一种内部掺有一定浓度Er3+的光纤。(2)高功率泵浦源要获得粒子数反转，我们需要把铒离子抽运到中间能级。980nm波长1480nm波长实验证明，980nm作为泵浦波长，具有更小的噪声指数（3dB）和更高的泵浦效率（6～11dB/mW），而1480nm泵浦可获得更高的输出功率。为了使EDFA稳定可靠工作，泵浦光源需要自动温度和功率控制。(3)波分复用器(4)光隔离器(5)光滤波器2.EDFA的优点(1)工作频带正处于光纤损耗最低处（1525～1565nm）；(2)能量转换效率高(3)频带宽，可以对多路信号同时放大(4)增益高，噪声低，输出功率大，增益达40dB。(5)增益对温度不敏感(6)可实现信号的透明传输3.EDFA的类型(1)增强放大器（OBA，OpticalBoosterAmplifier），也称为后置放大器。(2)线路放大器（OLA，OpticalLineAmplifier）(3)前置放大器（OPA，OpticalPreamplifier）8.3.2EDFA的特性1.EDFA的增益放大器的增益G定义为放大器输出端Pout与输入端Pin连续信号功率的比值。2.增益与泵浦功率、掺铒光纤长度的关系不同泵浦功率时，EDFA信号增益与光纤长度的关系掺铒光纤有一个最大增益长度那么设计一个掺铒光纤放大器时，最大增益长度到底选取多少米呢？感兴趣的读者可以利用OptiSystem软件做仿真分析。假设没有自发辐射，可用下面的关系式来估算增益【例题2】一个EDFA用做功率放大器，设其增益为10dB，泵浦波长为λ=980nm，输入光信号的功率为0dBm，假如波长为1550nm，求所用的最小泵浦源功率为多少？3.增益饱和与饱和输出功率当泵浦光功率足够大，而信号光与ASE很弱时，上下能级的粒子数反转程度很高，并可认为沿EDFA长度方向上的上能级粒子数保持不变，放大器的增益将达到很高的值，而且随输入信号光功率的增加，增益仍维持恒定不变，这种增益称为小信号增益，其值一般在20～30dB。当给定输入泵浦光功率时，随着信号光和ASE光的增大，上能级粒子数的增加将因不足以补偿消耗而逐渐减少，增益也将不能维持初始值不变，光放大器的增益开始下降，这种现象称为增益饱和。EDFA饱和输出光功率饱和增益值不是一个确定值，随输入功率和饱和深度以及泵浦光功率而变。4.增益与波长关系比较常用的增益平坦技术是在EDFA中插入损耗谱与EDFA增益谱相反的镀膜型的增益平坦滤波器（GFF，GainFlatteningFilters），可使光纤放大器的部分波长增益峰值减小，从而达到增益平坦化的目的5.EDFA的带宽增益带宽是指光放大器有效的频率（或波长）范围，通常指增益从最大值下降3dB时，对应的波长范围。C波段EDFA工作在1530～1565nmL波段EDFA范围大约在1565～1625nm6.EDFA的噪声在掺铒光纤中，与信号同方向的自发辐射光子被激活介质放大，这些由自发辐射产生并经放大了的光子组成放大的自发辐射（ASE），因为它们在相位上是随机的，它们对于信号光没有贡献，形成了信号带宽内的噪声。自发辐射因子放大器的噪声用噪声系数NF来表示它定义为输入信噪比与输出信噪比的比值，信噪比是以光信号转换成光电流后的电功率来计算的在充分泵浦的理想情况下，NF的极限值为2这是最小的噪声系数，或者叫噪声系数极限。EDFA极低的噪声，使其成为光纤通信中的理想放大器，也是它在光纤通信系统中广泛应用的一个重要原因。但即使它的噪声这样低，当在长距离光纤通信系统采用多级EDFA级联时，由于噪声的影响，系统的长度也会受到限制。思考一下，这个问题呢又该如何解决呢？

7.EDFA的温度特性由于环境温度的改变，掺铒光纤的荧光谱、吸收谱及荧光寿命将发生变化，温度引起吸收谱和荧光谱的变化，必然导致EDFA增益特性的变化。研究表明，从+85℃～20℃，在1480nm处泵浦，增益温度系数达‒0.7dB/℃，即增益在此温度变化范围内有7dB的变化；

而对于980nm泵浦，增益温度系数为‒0.004dB/℃，即增益在此温度变化范围内只有0.4dB的变化，这是优先选用980nm

作泵浦源的一个重要原因。一般认为在0℃～+50℃范围内，EDFA可稳定工作。8.EDFA的增益锁定当光纤中信道数由于故障等原因突然减少时，光放大器的增益会突然增加，形成“浪涌”，使信号强度突然提高，接收机码元判决时会出现错误，因此掺铒光纤放大器增益需要自动控制。目前采用的解决方案主要是利用光电反馈环实现增益控制和在光域内进行全光自动增益控制。8.3.3EDFA模块产品Finisar固定增益EDFA产品，支持全波段的C和L波段固定增益【讨论与创新】EDFA有何缺点？如何解决呢？8.4拉曼光纤放大器

8.4.1受激拉曼散射 8.4.2拉曼光纤放大器的原理 8.4.3拉曼光纤放大器的特性 8.4.4拉曼光纤放大器模块产品 8.4.1受激拉曼散射光纤中的后向散射光括瑞利散射、拉曼散射和布里渊散射光通过介质时，由于入射光与分子运动相互作用而引起的频率发生变化的散射叫拉曼散射，又称拉曼效应。泵浦光较弱，小于阈值时，光纤分子的热平衡没有被破坏，这时产生散射叫自发拉曼散射，自发拉曼散射的强度一般只有入射光强度的百万分之一或亿万分之一。当泵浦光的功率足够强，超过某个阈值，散射光具有明显的受激特性，产生的拉曼散射叫受激拉曼散射。受激拉曼散射将一小部分入射功率由一光束转移到另一频率下移的光束，频率下移量由介质的振动模式决定，8.4.2拉曼光纤放大器的原理当足够强的短波长泵浦光以一定强度与信号光进入光纤后同时传输，并且它们的频率之差处在光纤的拉曼增益谱范围内，弱信号光即可得到放大，利用这种效应的光放大器称为拉曼光纤放大器（RFA）。RFA是靠非线性散射实现放大功能，不需要能级间粒子数反转，光纤内部将同时进行着光信号的放大和衰减。对于受激拉曼散射，在稳态或者连续波情况下，小功率斯托克斯波的光强随距离变化而增长的规律为受激拉曼散射增益因子可见受激拉曼散射光强随距离的变化量是按指数变化增加的，因而散射光远大于入射光强，或者说大部分泵浦光的能量转移到了斯托克斯波中。另外，受激拉曼散射光是相干光。实验证明，石英光纤具有很宽的受激拉曼散射（SRS）增益谱拉曼增益取决于泵浦光功率、泵浦光波长和信号光波长之间的波长差值。通常情况下，在泵浦光和信号光的波长相差l00nm以内，拉曼增益与该差值基本呈线性关系，随后随该差值快速减小，可用的增益带宽为48nm。拉曼散射泵浦功率的阈值近似如下可以看出泵浦功率的阈值与光纤中的有效面积成正比，与光纤的拉曼增益系数成反比，而且随着有效长度的增加而下降。拉曼散射（SRS）泵浦功率较高，下面估算SRS的泵浦阈值功率。当L足够长时

是泵浦光损耗系数在波长1550nm处，典型的估算阈值约500mWSRS的阈值功率较高，而光波系统中的注入功率一般低于10mW，因此一般可忽略单信道光纤系统中的受激拉曼散射，而在DWDM系统中则不能忽略。依据泵浦方式不同，拉曼光纤放大器（RFA）可分为前向泵浦、后向泵浦和双向泵浦三种结构。其中泵浦光与信号光同方向传输称为前向泵浦，反之称为后向泵浦，两个方向同时泵浦则称为双向泵浦。与前向泵浦相比较，采用后向泵浦可以避免泵浦噪声串扰到信号中，从而使放大器的噪声较低，同时后向泵浦的偏振依赖性也较小。拉曼光纤放大器有两种类型的应用，一种称为集中式拉曼光纤放大器（LRA），另一种称为分布式拉曼光纤放大器（DRA）。集中式拉曼光纤放大器，对光信号进行集总式放大，介质通常是拉曼增益系数较高的特种光纤，比如色散补偿光纤或高非线性光纤，长度比较短，一般10km以内；泵浦源功率几瓦到几十瓦；集中式LRA主要作为高增益、高功率放大，增益可超过40dB。分布式拉曼放大器常与EDFA混合使用分布式拉曼光纤放大器，沿光纤分布对光信号进行在线放大，主要作为传输光纤损耗的分布式补偿放大，传输信号的普通光纤作增益介质，传输距离比较长，可达100km左右；泵浦源功率几百毫瓦；光纤中各处的信号光功率都比较小，从而可降低各种光纤非线性效应的干扰。8.4.3拉曼光纤放大器的特性1.RFA的增益拉曼光纤放大器的增益随入射信号功率呈指数增长，但入射功率过大时，也会出现增益饱和。2.噪声指数拉曼光纤放大器中噪声来源较多，包括放大器自发辐射（ASE）噪声、瑞利散射噪声、信号串扰等，其产生机制各不相同。（1）自发辐射（ASE）噪声ASE噪声是由于光纤中的自发拉曼散射光与信号光同时被放大，从而构成对放大信号的干扰而产生噪声。ASE噪声包括放大信号注入噪声、ASE注入噪声、信号-ASE自拍频噪声和ASE拍频噪声四个部分。（2）瑞利散射噪声瑞利散射噪声是由于瑞利后向散射引起的，理论和实验研究表明，瑞利散射噪声与放大器的增益和传输距离有关，噪声瑞利散射系数较大的情况下，瑞利散射将会引起放大器性能的严重恶化。（3）泵浦信号串扰噪声由于拉曼散射的响应时间非常快，因此泵浦功率的波动往往会引起拉曼增益的波动，这样就会使得输出信号的光功率发生波动，这样就会导致放大波段信道的相对强度噪声（RIN）比泵浦光源的相对强度噪声还差。另外，由于泵浦同时对多信道放大也会导致信道间的串扰。对于噪声的评价，我们也采用噪声系数来评价噪声性能，噪声系数定义为输入信噪比和输出信噪比之间的比值（两者都是电域的信噪比）。因为拉曼放大器是分布式放大的，其拉曼增益和ASE噪声的产生也是随着传输光纤分布的，通常使用等效噪声系数作为分布式拉曼放大器的噪声评价。经推导，拉曼光纤放大器的等效噪声系数在光纤拉曼放大器中，增益和噪声是两个相互矛盾的因素，增益越大，信号输出功率越大，但噪声功率也越大，结果使得信噪比恶化。因此，在实际应用当中应在保证一定的信噪比的情况下提高增益，尽量减少几种主要噪声源的影响。当作为前置放大器的DRA与作为功率放大器的常规EDFA混合使用时，其等效噪声指数为因为NFR通常要比作为功率放大器的EDFA的噪声指数NFE要小，所以，只要增加拉曼增益GR，就可以减少总的噪声指数。分布式拉曼放大器与EDFA混合使用，在一定范围内，能降低噪声指数，增大传输跨距。3.拉曼放大器带宽RFA的增益带宽由泵浦波长决定，选择适当的泵浦光波长，就可得到任意波长的信号放大，DRA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，所以它由泵浦波长的数量和种类决定。增益平坦带宽超过80nm的拉曼放大器输入端信号：100路，每一路的平均光功率均为‒3dBm；光纤SMF：长度60km；拉曼泵浦：反向泵浦8个、平均功率范围为19.5到21.5dBm；增益带宽：超过80nm；增益波动：小于0.5dB，在输出端引入了一个增益平坦滤波器4.拉曼光纤放大器优缺点(1)带宽较宽，增益平坦(2)降低非线性效应(3)噪声系数低(4)RF