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1、第五章 光放大器5.1 光放大器一般概念一、中继距离所谓中继距离是指传输线路上不加放大器时信号所能传输的最大距离。当信号在传输线上传输时，由于传输线的损耗会使信号不断衰减，信号传输的距离越长，其衰减程度就越多，当信号衰减到一定程度后，对方就收不到信号。为了延长通信的距离往往要在传输线路上设置一些放大器，也称为中继器，将衰减了的信号放大后再继续传输，显然，中继器越多，传输线的成本就越高，通信的可靠性也会降低，若某一中继器出现故障，就会影响全线的通信。在通信系统设计中，传输线路的损耗是要考虑的基本因素，下表列出了电缆和光纤每千米传输损耗，线路类型损耗 dB / km对称电缆2.06 ( 1 kHz
2、时)细同轴电缆（f 1.2 / 4.4）5.24 (1 MHz时)，28.70 (50 MHz时)粗同轴电缆（f 2.2 / 9.4）2.42 (1 MHz时)，18.77 (60 MHz时)850nm波长多模光纤1510nm波长多模光纤 5 11510nm波长单模光纤1550nm波长单模光纤0.560.2可见，光纤的传输损耗较之电缆要小很多，所以能实现很长的中继距离。在1550nm波长区，光纤的衰减系统可低至0.2dB/km，它对降低通信成本，提高通信的可靠性及稳定性具有特别重大的意义。二、光放大器光信号沿光纤传输一定距离后，会因为光纤的衰减特性而减弱，从而使传输距离受到限制。通常，对于多模
3、光纤，无中继距离约为20多公里，对于单模光纤，不到80公里。为了使信号传送的距离更大，就必须增强光信号。光纤通信早期使用的是光电光再生中继器，需要进行光电转换、电放大、再定时脉冲整形及电光转换，这种中继器适用于中等速率和单波长的传输系统。对于高速、多波长应用场合，则中继的设备复杂，费用昂贵。而且由于电子设备不可避免地存在着寄生电容，限制了传输速率的进一步提高，出现所谓的“电子瓶颈”。在光纤网络中，当有许多光发送器以不同比特率和不同格式将光发送到许多接收器时，无法使用传统中继器，因此产生了对光放大器的需要。经过多年的探索，科学家们已经研制出多种光放大器。光放大器的作用如图5.1所示。图5.1与传
4、统中继器比较起来，它具有两个明显的优势，第一，它可以对任何比特率和格式的信号都加以放大，这种属性称之为光放大器对任何比特率和信号格式是透明的。第二，它不只是对单个信号波长，而是在一定波长范围内对若干个信号都可以放大。光放大器是基于受激辐射机理来实现入射光功率放大的，工作原理如图所示。图5.2图5.2中的激活介质为一种稀土掺杂光纤，它吸收了泵浦源提供的能量，使电子跳到高能级上，产生粒子数反转，输入信号光子通过受激辐射过程触发这些已经激活的电子，使跃迁到较低的能级，从而产生一个放大信号。泵浦源是具有一定波长的光能量源。对目前使用较为普及的掺铒光纤放大器来说，其泵浦光源的波长有1480nm和980n
5、m两种，激活介质则为掺铒光纤。图5.3示出了掺铒光纤放大器中掺铒光纤（EDF）长度、泵浦光强度与信号光强度之间的关系。图5.3由图可知，泵浦光能量入射到掺铒光纤中后，把能量沿光纤逐渐转移到信号上，也即对信号光进行放大。当沿掺铒光纤传输到某一点时，可以得到最大信号光输出。所以对掺铒光纤放大器而言，有一个最佳长度，这个长度大约在2040米。而1480nm泵浦光的功率为数十毫瓦。需要指出的是，在图5.2关于光纤通信系统的构成中，再生中继器与光放大器的作用是不同的，我们用图5.4来说明。图5.4再生中继器可产生表示原有信息的新信号，消除脉冲信号传输后的展宽，将脉冲调整到原来水平，从这个意义上讲，光放大
6、器并不能代替再生中继器。光放大器存在着噪声积累，而且不能消除色散对脉冲展宽。当信号的传输距离在500公里到800公里之间时，可采用光放大器来补偿信号的衰减，当超过这个距离时，再生中继器则是必不可少的。对光纤放大器的主要要求是：高增益，低噪声，高的输出光功率，低的非线性失真， 1. 增益系数光放大器是基于受激辐射或受激散射的原理来实现对微弱入射光进行放大的，其机制与激光器类似。当光介质在泵浦电流或泵浦光作用下产生粒子数反转时就获得了光增益。增益系数可表示为 式中是由泵浦强度决定的增益峰值，为入射光信号频率，为介质原子跃迁频率，T2称作偶极子弛豫时间，P是信号光功率，Psat是饱和功率，它与介质特
7、性有关。对于小信号放大有P / Psat 1，则上式变为设光放大器增益介质长度为L，信号光功率将沿着放大器的长度按指数规律增长 利用初始条件，对上式积分，得到定义 为放大器增益（或放大倍数）或 由上式可见，放大器增益是频率的函数。当时，放大器增益为最大，此时小信号增益系数也为最大。图5.6画出了放大器增益曲线和其增益系数曲线。图5.6当降至最大值一半时，记，则。经计算，。我们将称作的半最大值全宽FWHM（Full Width at Half Maximum）。记为的FWHM，即当降至最大值一半时(即，)所对应的宽度。也称作光放大器的带宽。经计算，2 增益饱和当输入光功率比较小时，G是一个常数，
8、也就是说输出光功率与输入光功率成正比，此时的增益用符号G0表示，称为光放大器的小信号增益。但当G增大到一定数值后，光放大器的增益开始下降，这种现象称为增益饱和，如图5.7所示。图5.7 增益G与输入光功率的关系曲线当光放大器的增益降至小信号增益G0的一半，也就是用分贝表示为下降3dB时，所对应的输出功率称为饱和输出光功率。后面会看到，它与饱和功率Psat有区别。产生增益饱和的原理可由来解释。当P较大时，分母中P/Psat不能省略。为简化讨论，假设，则有将上式代入，并积分，利用，使用初始条件、，就可以得到大信号增益式中，是放大器不饱和时()的放大倍数由上式分析可知，随着的增加，G值将下降。根据饱
9、和输出光功率的定义，可求得它的表达式3放大器噪声光放大器是基于受激辐射或散射机理工作的。在这个过程中，绝大多数受激粒子因受激辐射而被迫跃迁到较低的能带上，但也有一部分是自发跃迁到较低能带上的，它们会自发地辐射光子。自发辐射光子的频率在信号光的范围内，但相位和方向却是随机的。那些与信号光同方向的自发辐射光子经过有源区时被放大，所以叫做放大的自发辐射。因为它们的相位时随机的，对于有用信号没有贡献，就形成了信号带宽内的噪声。光放大器的主要噪声来源是放大的自发辐射ASE (Amplified Spontaneous Emission)。放大自发辐射功率等于式中，是光子能量，G是放大器增益，是光带宽，是
10、自发辐射因子，它的定义是和分别是处于基态能级和激发态能级上的粒子数。当高能级上的粒子数远大于低能级粒子数时，。这时自发辐射因子为最小值。但实际的在1.4到4之间。自发辐射噪声是一种白噪声(噪声频谱密度几乎是常数)，叠加到信号光上，会劣化信噪比SNR。信噪比的劣化用噪声系数Fn表示，其定义为式中SNR指的是由光电探测器将光信号转变成电信号的信噪比（信噪比定义为平均信号功率与噪声功率之比），SNRin表示光放大前的光电流信噪比，SNRout表示放大后的光电流信噪比。（1） 输入信噪比光放大器输入端的信号功率经光检测器转化为光电流为式中，R为光检测器的响应度。则表示检测的电功率。由于信号光的起伏，光
11、放大器输入端噪声的考虑以光检测器的散粒噪声(即量子噪声)为限制，它可以表示为式中q为电子电荷，B为光检测器的电带宽。由和可以得到输入信噪比（2） 输出信噪比光放大器增益为G，输入光功率 经光放大器放大后的输出为，相应的光检测器电功率就是。光放大器的输出噪声主要由两部分组成，一是放大后的散粒噪声，二是由自发辐射与信号光产生的差拍噪声。由于信号光和ASE具有不同的光频，落在光检测器带宽的差拍噪声功率为式中，为放大自发辐射的功率谱，由此可得输出信噪比所以噪声系数为当光放大器的增益比较大时，噪声系数可用自发辐射因子表示例 假如输入信号的信噪比SNRin为300 W，在1 nm带宽内的输入噪声功率是30
12、 nw，输出信号功率是60 mW，在1 nm带宽内的输出噪声功率增大到20 W，计算光放大器的噪声指数。解：信噪比定义为平均信号功率与噪声功率之比光放大器的输入信噪比为：光放大器的输出信噪比为： 噪声指数为： 或5.2 dB由此看到，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，所以可以容忍输出SNR的下降。5.2 半导体光放大器5.2.1 半导体光放大器的机理1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。2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。半导体光放大器SOA(Semiconductor Optical A
13、mplifier)分成法布里珀罗腔放大器FPA(Fabry-Perot Amplifier)和行波放大器TWA(Traveling-Wave Amplifier) 两大类。图5.8 半导体光放大器的结构和机理法布里珀罗腔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，最后以较高的强度发射出去，见图5.8(a)。F-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。行波放大器在两个端面上有增透膜以大大降低端面的反射系数，或者有适当的切面角度，所以不会发生内反射，入射光信号只
14、要通过一次就会得到放大，见图5.8(b)。行波光放大器实际上是一个没有反馈的激光器二、 光放大器的增益在前面讨论的放大器的特征，是针对没有反馈的光放大器。为强调放大信号仅仅沿向前方向传播，把这种放大器被称为行波（traveling-wave，TW）放大器。由于解理面发生反射（32反射率），半导体激光器经历较大的反馈。当它偏置在阈值以下时，可以用作放大器。但是应该通过考虑法布里一珀罗（FP）腔的办法来把多重反射面包含进去。这种放大器称为法布里一珀罗（FP）放大器。利用的FP干涉仪的理论可以得到放大倍数：其中，R1和R2是端面反射率，m表示腔共振频率 ()，是纵模间隔，也称为FP腔的自由光谱范围。
15、G是单程放大倍数，它对应于行波放大器放大倍数。当增益饱和可以忽略时，由方程给出。由上述的方程可以看到，每当入射光的频率与腔共振频率m一致时，放大倍数达到峰值。而入射光的频率偏离腔共振频率峰时，急剧下降下图给出了对应于不同反射率的FP腔SOA放大器的增益频谱。为方便起见，设图5.10 SOA放大器的增益频谱由图可见，1法布里珀罗放大器的增益谱是一条振荡的曲线。2峰值频率为腔共振频率 ()。3在，在介质原子跃迁频率处，增益最大。如果此时，那么，这时达到了激光振荡。4随着反射系数的降低，增益振荡幅度逐渐减小。当时，由前面可知，即成了行波放大器的增益曲线。这时，法布里一珀罗（FP）放大器变成了行波放大器。考虑到有源区波导结构和吸收损耗，当增益饱和可以忽略时，单程增益可替换为：式中，为光学限制因子，它反映了有源区波导结构对辐射光子的引导作用。g和是有源区每单位长度的增益系数和损耗系数，单位是1/m，L为激活区长度。SOA增益典型值为2030dB。 上式也是增益饱和可以忽略时的行波放大器增益的表达式。三、 光放大器的带宽当放大器的放大倍数从峰值下降峰值一半时，即
