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第十一章 光 放 大 器,11.1 光放大器的基本應(yīng)用和類型 11.2 半導(dǎo)體光放大器 11.3 摻鉺光纖放大器 11.4 傳輸光纖放大器 11.5 系統(tǒng)應(yīng)用 11.6 波長(zhǎng)變換器,11.1光放大器的基本應(yīng)用和類型,11.1.1 光放大器在現(xiàn)代光纖通信系統(tǒng)中的應(yīng)用 光纖通信中用光纖來(lái)傳輸光信號(hào)。光纖的中繼距離受限于光纖的損耗和色散。就損耗而言，目前光纖損耗典型值在1.31m波段為0.35dB/km左右，在1.55m波段為0.25dB/km左右。,以1989年誕生的摻鉺光纖放大器(Erbium Doped Fiber Amplifier，EDFA)代表的光放大器技術(shù)可以說(shuō)是光纖通信技術(shù)上的一次革命。 光放大器在光纖通信系統(tǒng)目前最重要的應(yīng)用就是促使了波分復(fù)用技術(shù)(Wavelength Division Multiplexing，WDM)走向?qū)嵱没?光放大器還將促進(jìn)光孤子通信技術(shù)的實(shí)用化。光孤子通信是利用光纖的非線性來(lái)補(bǔ)償光纖的色散作用的一種新型通信方式。,三種主要應(yīng)用 在線光放大：用于不需要光再生只需要簡(jiǎn)單放大的場(chǎng)合 前置光放大：用于抑制接收機(jī)中熱噪聲造成的信噪比下降 功率放大：增加發(fā)送功率，從而增加光纖中繼距離、補(bǔ)償插入 損耗和功率分配損耗,Fig. 11.1: Applications of optical amplifiers,11.1.3 光放大器的分類 光放大器按原理不同大體上有三種類型。 (1)半導(dǎo)體激光放大器。其結(jié)構(gòu)大體上與 激光二極管(Laser Diode，LD)相同。 (2)摻雜光纖放大器，就是利用稀土金屬離子作為激光工作物質(zhì)的一種放大器。 (3) 傳輸光纖放大器，其中有受激喇曼散射(Stimulated Raman Scattering，SRS)光纖放大器、受激布里淵散射(Stimulated Brilliouin Scattering，SBS)光纖放大器和利用四波混頻效應(yīng)(FWM)的光放大器等。,放大器的工作原理,光放大器與激光器的唯一區(qū)別就是光放大器沒(méi)有正反饋機(jī)制,外加電(光)泵浦,SOA電泵浦 EDFA光泵浦,11.2 半導(dǎo)體光放大器 (SOA),在解理面來(lái)回反射并得到放大 直到較高的強(qiáng)度在發(fā)射出去 容易制作，但光信號(hào)增益對(duì)放 大器溫度及入射光頻率變化都 很敏感,入射光信號(hào)僅經(jīng)過(guò)一次放大即 被輸出 帶寬寬、飽和功率高以及偏振 靈明度低，因此使用更為廣泛,11.1.4 光纖放大器的重要指標(biāo) 1. 光放大器的增益 (1) 增益G與增益系數(shù)g 放大器的增益定義為 式中：Ps,out，Ps,in分別為放大器輸出端與輸入端的信號(hào)功率。,有源區(qū)單程增益,其中,為零信號(hào)增益,式中：Pamp,sat為放大器的飽和功率。g0為沒(méi)有輸入信號(hào)時(shí)單位長(zhǎng)度的非飽和介質(zhì)增益,放大器增益對(duì)輸入功率的依存關(guān)系,光功率過(guò)大使增益反而下降 這是因?yàn)檩斎胄盘?hào)超過(guò)飽和 功率時(shí)，有源區(qū)中激活的載 流子數(shù)目被大量消耗。由于 沒(méi)有足夠的激活載流子來(lái)產(chǎn) 生受激輻射，因此在輸入功 率過(guò)大時(shí)，再增加輸入信號(hào) 也無(wú)法讓輸出信號(hào)增大,(2) 增益飽和與飽和輸出功率 由于信號(hào)放大過(guò)程消耗了高能級(jí)上粒子，因而使增益系數(shù)減小，當(dāng)放大器增益減小為峰值的一半時(shí)，所對(duì)應(yīng)的輸出功率就叫飽和輸出功率，這是放大器的一個(gè)重要的參數(shù)，飽和功率用Pamp,sat表示。,(3) 放大器的帶寬 人們希望放大器的增益在很寬的頻帶內(nèi)與波長(zhǎng)無(wú)關(guān)。這樣在應(yīng)用這些放大器的系統(tǒng)中，便可放寬單信道傳輸波長(zhǎng)的容限，也可在不降低系統(tǒng)性能的情況下，極大地增加WDM系統(tǒng)的信道數(shù)目。,2. 放大器噪聲 放大器本身產(chǎn)生噪聲，放大器噪聲使信號(hào)的信噪比(Signal-to-Noise Ratio，SNR)下降，造成對(duì)傳輸距離的限制，是光放大器的另一重要指標(biāo)。 (1) 光纖放大器的噪聲來(lái)源 光纖放大器的噪聲主要來(lái)自它的放大自發(fā)輻射(Amplified Spontaneous Emission，ASE)。,(2) 噪聲系數(shù) 由于放大器中產(chǎn)生自發(fā)輻射噪聲，使得放大后的信噪比下降。它定義為輸入信噪比與輸出信噪比之比。 (SNR)in和(SNR)out分別代表輸入與輸出的信噪比。它們都是在接收機(jī)端將光信號(hào)轉(zhuǎn)換成光電流后的功率來(lái)計(jì)算的。,11.3 摻鉺光纖放大器,摻鉺光纖放大器是將摻鉺光纖在泵浦源的作用下而形成的光纖放大器。對(duì)這種摻雜光纖放大器影響較大的工作可追溯到1963年對(duì)玻璃激光器的研究。,11.3.1 摻鉺光纖放大器的工作原理 第四章已經(jīng)介紹過(guò)激光器的工作原理：經(jīng)泵浦源的作用，工作物質(zhì)粒子由低能級(jí)躍遷到高能級(jí)(一般通過(guò)另一輔助能級(jí))，在一定泵浦強(qiáng)度下，得到了粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布而具有光放大作用。當(dāng)工作頻帶范圍內(nèi)的信號(hào)光輸入時(shí)便得到放大。這也就是摻鉺光纖放大器的基本工作原理。,只是EDFA(及其他摻雜光纖放大器)細(xì)長(zhǎng)的纖形結(jié)構(gòu)使得有源區(qū)能量密度很高，光與物質(zhì)的作用區(qū)很長(zhǎng)，有利于降低對(duì)泵浦源功率的要求。 泵浦效率Wp可以用來(lái)衡量泵浦的有效性，其表達(dá)式如下： Wp=放大器增益(dB)/泵浦功率(mW),摻鉺光纖放大機(jī)制,原理：把泵浦光能量轉(zhuǎn)化為信號(hào)光能量 工作范圍：1300 1560 nm,鉺原子的三能級(jí)結(jié)構(gòu),11.3.2 摻鉺光纖放大器的結(jié)構(gòu) 1. 同向泵浦 在同向泵浦方案中，泵浦光與信號(hào)光從同一端注入摻鉺光纖。 2. 反向泵浦 反向泵浦，泵浦光與信號(hào)光從不同的方向輸入摻雜光纖，兩者在摻鉺光纖中反向傳輸。 3. 雙向泵浦 為了使摻鉺光纖中的鉺離子能夠得到充分的激勵(lì)，必須提高泵浦功率。,EDFA的結(jié)構(gòu),輸出功率最小，噪聲性能好,較高的增益，噪聲最大,同向泵浦,反向泵浦,雙向泵浦,構(gòu)成：摻鉺光纖、一個(gè)或多個(gè)泵浦激光器、光隔離器、耦合器,850 nm,輸出功率最大,三種泵浦方式比較 (1) 信號(hào)輸出功率 (2) 噪聲特性 (3) 飽和輸出特性 同向泵浦式EDFA的飽和輸出光功率最小。,圖11.5 噪聲指數(shù)與輸出功率之間的關(guān)系,11.3.3 EDFA的重要指標(biāo) 1. EDFA的增益特性 增益系數(shù)g(z)與高能級(jí)和低能級(jí)的粒子數(shù)目差及泵浦功率有關(guān)，對(duì)增益系數(shù)g(z)在整個(gè)摻鉺光纖長(zhǎng)度上進(jìn)行積分，就可求出光纖放大器的增益G，所以，放大器的增益應(yīng)與泵浦強(qiáng)度及光纖的長(zhǎng)度有關(guān)。,EDFA的功率轉(zhuǎn)換效率,輸出能量不可能超過(guò)原有信號(hào)能量與注入的泵浦能量之和,功率轉(zhuǎn)換效率：,極限情況下泵浦光都用于放大信號(hào)光，那么此時(shí),EDFA的輸入、輸出功率可以用能量守恒原則表示：,EDFA的增益,假設(shè)沒(méi)有自發(fā)輻射，根據(jù)前面的能量守恒原則有： 極端情況下，當(dāng)輸入信號(hào)功率非常大時(shí)，即Ps,in(lp/ls)Pp,in，放大器最大增益是1，這表示放大器對(duì)信號(hào)幾乎沒(méi)有放大。 此外，增益還跟光纖長(zhǎng)度有關(guān)。EDFA中長(zhǎng)為L(zhǎng)的三能級(jí)激光介質(zhì)中最大增益為： 其中r為稀土元素的濃度，se是信號(hào)發(fā)射截面。結(jié)合上述兩個(gè)式子，最大可能的放大增益為：,EDFA增益圖,飽和增益隨泵浦功率增加 而線性增加。另外，類似 于SOA，輸入信號(hào)功率過(guò) 大會(huì)導(dǎo)致增益下降。,在一定的長(zhǎng)度之后，由于泵浦 沒(méi)有足夠能量在放大器的后部 產(chǎn)生足夠的粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，增益 開始下降。在非泵浦區(qū)，吸收 大于增益。,2. EDFA的帶寬 圖11.9所示是摻鉺硅光纖的g-曲線，從圖中可以看出增益系數(shù)隨著波長(zhǎng)的不同而不同。 EDFA實(shí)現(xiàn)寬頻帶和增益平坦度經(jīng)過(guò)了3個(gè)階段，如表11.1所示。 光纖在1.55m低損耗區(qū)具有200nm帶寬，而目前使用的EDFA增益帶寬僅為35nm左右。,圖11.9 摻鉺離子硅光纖的g-曲線,放大器噪聲,放大器的主要噪聲是自發(fā)輻射噪聲(ASE)，來(lái)源于放大器中介質(zhì)中電子-空穴對(duì)的自發(fā)復(fù)合。自發(fā)復(fù)合導(dǎo)致了與光信號(hào)一起放大的光子寬譜背景。因此，光信號(hào)經(jīng)過(guò)放大之后都需要做一個(gè)帶通濾波，抑制ASE噪聲功率。,信噪比及噪聲系數(shù),信號(hào)光和ASE噪聲一同輸入到光檢測(cè)器中進(jìn)行平方檢測(cè)，各種頻率分量相互拍頻： 因此，在光檢測(cè)器之后，由ASE 帶來(lái)的噪聲包括ASE噪聲項(xiàng)和ASE與信號(hào)的拍頻項(xiàng)，它們可以落在檢測(cè)器帶寬內(nèi)減低接收機(jī)的信噪比。在檢測(cè)器之間放置一個(gè)光濾波器，可以大幅度降低ASE噪聲的功率。 當(dāng)放大器增益足夠大時(shí)，系統(tǒng)熱噪聲可以忽略；另外，放大的信號(hào)功率一般遠(yuǎn)大于ASE噪聲功率，因此ASE噪聲項(xiàng)一般遠(yuǎn)小于ASE與信號(hào)拍頻項(xiàng)。在這種條件下，假設(shè)檢測(cè)器前加入光濾波器，那么輸出信號(hào)的信噪比可以由下式?jīng)Q定：,EDFA的噪聲圖,泵浦波長(zhǎng) 1480 nm、信號(hào)波長(zhǎng)1558 nm,同向泵浦 噪聲系數(shù),反向泵浦 噪聲系數(shù),11.3.4 摻鉺光纖放大器的優(yōu)缺點(diǎn) EDFA之所以得到迅速的發(fā)展，源于它的一系列優(yōu)點(diǎn)。 (1) 工作波長(zhǎng)與光纖最小損耗窗口一致，可在光纖通信中獲得廣泛應(yīng)用。 (2) 耦合效率高。因?yàn)槭枪饫w型放大器，易于光纖耦合連接，也可用熔接技術(shù)與傳輸光纖熔接在一起，損耗可降至0.1dB，這樣的熔接反射損耗也很小，不易自激。,(3) 能量轉(zhuǎn)換效率高。激光工作物質(zhì)集中在光纖芯子，且集中在光纖芯子中的近軸部分，而信號(hào)光和泵浦光也是在近軸部分最強(qiáng)，這使得光與物質(zhì)作用很充分。 (4) 增益高，噪聲低。輸出功率大，增益可達(dá)40dB，輸出功率在單向泵浦時(shí)可達(dá)14dBm，雙向泵浦時(shí)可達(dá)17dBm，甚至可達(dá)20dBm，充分泵浦時(shí)，噪聲系數(shù)可低至34dB，串話也很小。,(5) 增益特性不敏感。首先是EDFA增益對(duì)溫度不敏感，在100C內(nèi)增益特性保持穩(wěn)定，另外，增益也與偏振無(wú)關(guān)。 (6) 可實(shí)現(xiàn)信號(hào)的透明傳輸，即在波分復(fù)用系統(tǒng)中可同時(shí)傳輸模擬信號(hào)和數(shù)字信號(hào)，高速率信號(hào)和低速率信號(hào)，系統(tǒng)擴(kuò)容時(shí)，可只改動(dòng)端機(jī)而不改動(dòng)線路。,EDFA也有固有的缺點(diǎn)： (1) 波長(zhǎng)固定，只能放大1.55m左右的光波，換用不同基質(zhì)的光纖時(shí)，鉺離子能級(jí)也只能發(fā)生很小的變化，可調(diào)節(jié)的波長(zhǎng)有限，只能換用其他元素； (2) 增益帶寬不平坦，在WDM系統(tǒng)中需要采用特殊的手段來(lái)進(jìn)行增益譜補(bǔ)償。,11.4 光纖喇曼放大器,11.4.1 光纖喇曼放大器的工作原理 受激喇曼散射主要性質(zhì)包括：在玻璃介質(zhì)中參與喇曼散射的是光學(xué)聲子；在所有類型的光纖中都會(huì)發(fā)生，但喇曼增益稀疏的形狀和峰值與泵浦源的波長(zhǎng)和功率有關(guān)；響應(yīng)時(shí)間很短，為瞬態(tài)效應(yīng)；,增益具有偏振依賴性，當(dāng)泵浦光與信號(hào)光偏振方向平行時(shí)增益最大，垂直時(shí)增益最小，但實(shí)際上在非保偏光纖中由于模式混擾的原因而表現(xiàn)為增益無(wú)關(guān)；增益譜很寬，但不平坦。最大增益頻移為13.2THz，并且可以擴(kuò)展到30THz。,11.4.2 光纖喇曼放大器的分類 光纖喇曼放大器可分為兩類：分立式喇曼放大器(Raman Amplifier，RA)和分布式喇曼放大器(Distributed Raman Amplifier，DRA)。,11.4.3 光纖喇曼放大器的性能 1. 光纖喇曼放大器的增益 在連續(xù)波的工作條件下，并忽略泵浦光消耗，光纖喇曼放大器的增益可由下式表示： 式中：gR為喇曼增益系數(shù)；Aeff為光纖在泵浦波長(zhǎng)處的有效面積；P0為泵浦光功率；P為泵浦光在光纖中的衰減常數(shù)。,2. 喇曼放大器的帶寬 增益帶寬由泵浦波長(zhǎng)決定，選擇適當(dāng)?shù)谋闷止獠ㄩL(zhǎng)，就可得到任意波長(zhǎng)的信號(hào)放大，DRA的增益頻譜是每個(gè)波長(zhǎng)的泵浦光單獨(dú)產(chǎn)生的增益頻譜疊加的結(jié)果，所以它由泵浦波長(zhǎng)的數(shù)量和種類決定。,3. 噪聲指數(shù) 由于喇曼放大是分布式獲得增益的過(guò)程，其等效噪聲比分立式放大器要小。為了比較DRA與分立式放大器的性能，定義DRA的等效集中噪聲指數(shù)FR為 式中：ASE是光纖末端放大自發(fā)輻射(ASE)密度；GR是在光纖末端信號(hào)的喇曼增益。,分布式喇曼放大器經(jīng)常與EDFA混合使用，當(dāng)作為前置放大器的DRA與作為功率放大器的常規(guī)EDFA混合使用時(shí)，其等效噪聲指數(shù)為 F=FR+FE/GR 式中：GR和FR分別是DRA的增益和噪聲指數(shù)；FE是EDFA的噪聲指數(shù)。因?yàn)镕R通常要比作為功率放大器的EDFA的噪聲指數(shù)FE要小，所以由上式可知，只要增加喇曼增益GR，就可以減少總的噪聲指數(shù)。,11.4.4 光纖喇曼放大器的系統(tǒng)應(yīng)用 1. 分立式喇曼放大器的應(yīng)用 分立式喇曼放大器所用的光纖增益介質(zhì)比較短，泵浦功率要求很高，一般在幾瓦到幾十瓦，可產(chǎn)生40dB以上的高增益，像EDFA一樣可用來(lái)對(duì)光信號(hào)進(jìn)行集中放大，因此主要用于EDFA無(wú)法放大的波段。,2. DRA傳輸系統(tǒng)典型結(jié)構(gòu) 采用DRA技術(shù)的傳輸系統(tǒng)典型結(jié)構(gòu)如圖7.14所示，在WDM系統(tǒng)的每個(gè)傳輸單元內(nèi)，在EDFA的輸入端注入反向的喇曼泵浦，信號(hào)將會(huì)沿光纖實(shí)現(xiàn)分布式喇曼放大，由于DRA具有噪聲低、增益帶寬與泵浦波長(zhǎng)和功率相關(guān)的特點(diǎn)，EDFA又具有高增益、低成本的特點(diǎn)，所以這種混合放大結(jié)構(gòu)可以同時(shí)發(fā)揮兩種光纖放大器的優(yōu)勢(shì)。,11.4.5 光纖喇曼放大器的優(yōu)缺點(diǎn) FRA具有以下優(yōu)點(diǎn)。 (1) 增益波長(zhǎng)由泵浦光波長(zhǎng)決定，只要泵浦源的波長(zhǎng)適當(dāng)，理論上可以得到任意波長(zhǎng)的信號(hào)放大，這樣的FRA就可擴(kuò)展到EDFA不能使用的波段，為波分復(fù)用進(jìn)一步增加容量拓寬了空間。,(2) 增益介質(zhì)可以為傳輸光纖本身，如此實(shí)現(xiàn)的FRA稱為分布式放大，因?yàn)榉糯笫茄毓饫w集中作用而不是集中作用，光纖中各處的信號(hào)光功率都比較小，從而可降低各種光纖非線性效應(yīng)的影響。 (3) 噪聲指數(shù)低，可提升原系統(tǒng)的信噪比。,(4) 喇曼增益譜比較寬，在普通DSF上單波長(zhǎng)泵浦可實(shí)現(xiàn)40nm范圍的有效增益；如果采用多個(gè)泵浦源，則可容易地實(shí)現(xiàn)寬帶放大。 (5) FRA的飽和功率比較高，增益譜調(diào)節(jié)方式可通過(guò)優(yōu)化配置泵浦光波長(zhǎng)和強(qiáng)度來(lái)實(shí)現(xiàn)。 (6) 喇曼放大的作用時(shí)間為飛秒(10-15s)級(jí)，可實(shí)現(xiàn)超短脈沖的放大。,FRA主要有以下缺點(diǎn)。 喇曼光纖放大器所需要的泵浦光功率高。 作用距離太長(zhǎng)，增益系數(shù)偏低。 對(duì)偏振敏感。,11.4.6光纖布里淵放大器 物體內(nèi)部會(huì)持續(xù)產(chǎn)生微弱的聲波，這種聲波的頻率很高(一般在109Hz左右)，人耳是聽(tīng)不見(jiàn)的，它對(duì)通過(guò)物質(zhì)的光波會(huì)產(chǎn)生作用。根據(jù)光波的多普勒效應(yīng)，推導(dǎo)出布里淵散射公式：,式中：v0、vs、vp分別代表入射光、散射光和超聲波的頻率；v代表超聲波的速度；c是光波的傳播速度；n是物質(zhì)的折射率；為散射光傳播方向和入射光傳播方向之間的夾角。 在光纖通信領(lǐng)域，SBS未來(lái)最有可能的用途就是受激布里淵放大器。,11.5 系統(tǒng)應(yīng)用,功率放大器直接放在光發(fā)射機(jī)后面，輸入一般在-8 dBm左右，一般要求有較高的泵浦功率，以獲得較高的輸出功率。這種放大器的增益要求大于5 dB。 例：考慮一個(gè)用作功放的EDFA，增益為10 dB，假設(shè)從發(fā)射機(jī)獲得的輸入為0 dBm，泵浦波長(zhǎng)為980 nm，那么為了在1540 nm 波長(zhǎng)處獲得10 dBm的輸出，泵浦功率至少應(yīng)為：,在線放大器,在線放大器主要用在長(zhǎng)距離傳輸系統(tǒng)中周期性地恢復(fù)因光纖損耗而減弱的光功率。通常每個(gè) EDFA 能恰好補(bǔ)償前面通過(guò)長(zhǎng)為 L 的光纖中的功率損耗，即G = exp(-aL)。但是補(bǔ)償過(guò)程中積累的ASE噪聲會(huì)造成信噪比的惡化。這種惡化一般可以通過(guò)定義損傷因子來(lái)衡量： 通常在線放大器輸入功率信號(hào)一般在-26 -9 dBm之間，增益一般超過(guò)15 dB。,例,例,考慮一個(gè)包括N個(gè)級(jí)聯(lián)的光放大器的光傳輸路徑，每個(gè)放大器 增益為30 dB。如果光纖損耗為0.2 dB/km，那么在沒(méi)有其它系 統(tǒng)損傷時(shí)，兩個(gè)光放大器之間的距離為150 km。那么，對(duì)于一 條900 km的鏈路，需要5個(gè)放大器即可，而且整個(gè)鏈路上的損 傷因子為： 如果將光放大器的增益降為20 dB，那么兩個(gè)放大器之間的距 離縮減為100 km，于是我們需要8個(gè)放大器才能實(shí)現(xiàn)900 km的 傳輸。在這種情況下，噪聲損傷因子為：,在線放大器增益控制,在使用光放大器的長(zhǎng)距離光纖傳輸系統(tǒng)中，輸入功率會(huì)發(fā) 生波動(dòng)。這種波動(dòng)可以由光纜中損耗的變化或者前置光放大器 功能減弱引起。此時(shí)，保持在線放大的輸出功率不變是非常必 要的。 自動(dòng)補(bǔ)償這種變化的一 個(gè)辦法就是使放大器工作在 增益飽和區(qū)。當(dāng)輸入功率減 小時(shí)，增益變大；當(dāng)輸入功 率增加時(shí)，增益變小；由此 來(lái)保持輸出的功率不變。,前置放大器,前置放大器用來(lái)提高由于熱噪聲限制的直接檢測(cè)接收機(jī)的靈敏度。定義 Smin 為沒(méi)有前置放大器時(shí)要求達(dá)到給定誤碼率時(shí)所需要的最小所需的電信號(hào)功率，