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1、第四章 光放大器,内容提要,4.1 光放大器基本概述 4.2 掺铒光纤放大器 4.3 光纤拉曼放大器 4.4 半导体光放大器 4.5 几种新型放大器 4.6 光放大器的测试,4.1 光放大器基本概述,常规的光电混合中继器放大光信号时，需要进行光电转换、电放大、再定时、脉冲整形以及电光转换，这种方式已经满足不了现代通信传输的要求。 提供光信号增益，以补偿光信号在通路中的传输衰减，增大系统的无中继传输距离。,z=0,z=L,光放大器的作用,半导体光放大器（SOA） 利用半导体制作的半导体光放大器（SOA） 小型化，容易与其他半导体器件集成;性能与光偏振方向有关，器件与光纤的耦合损耗大 光纤放大器(
2、OFA) 利用稀土掺杂的光纤放大器（EDFA、PDFA） 利用光纤非线性效应制作的非线性光纤放大器（FRA、FBA） 性能与光偏振方向无关，器件与光纤的耦合损耗很小,光放大器的分类,几种光放大器的比较,光发射机+功率放大器+光接收机 光发射机+前置放大器+光接收机 光发射机+线路放大器+光接收机 光发射机+功率放大器+前置放大器+光接收机 光发射机+功率放大器+线路放大器+光接收机 光发射机+线路放大器+前置放大器+光接收机 光发射机+功率放大器+线路放大器+前置放大器+光接收机,光放大器的应用,电流,输入光信号,输出光信号,输出光信号,掺杂光纤,输入光信号,泵浦光,波分复用器,输出光信号,纯
3、石英光纤,输入光信号,泵浦光,波分复用器,（a）半导体光放大器,（b）掺杂光纤放大器,（c）受激散射光纤放大器,光放大器的基本工作原理,在泵浦能量（电或光）的作用下，实现粒子数反转（非线性光纤放大器除外），然后通过受激辐射实现对入射光的放大。 光放大器是基于受激辐射或受激散射原理实现入射光信号放大的一种器件。其机制与激光器完全相同。实际上，光放大器在结构上是一个没有反馈或反馈较小的激光器。,光放大器的参数,增益: 指信号放大的倍数 增益饱和:增益饱和是放大器放大能力的一种限制因素，接近饱和时，增益成非线性，达到饱和后，信号便无法再放大。 噪声指数:用来量化经放大器后的信噪比比劣化指标。,光放大
4、器之增益频谱和带宽,增益G是描述光放大器对信号放大能力的参数。定义为：,输出信号光功率,输入信号光功率,G与光放大器的泵浦功率、掺杂光纤的参数和输入光信号关系。,G()与g()间存在指数依存关系。当=0时，放大器的增益G()和增益系数g()均达到最大。,L光纤长度； g()增益系数,两能级光放大器增益谱及其相应介质的洛伦兹增益谱特性,光放大器之增益频谱和带宽,增益饱和,放大器的噪声,所有光放大器在放大过程中都会把自发辐射（或散射）叠加到信号光上，导致被放大信号的信噪比（SNR）下降，其降低程度通常用噪声指数NF来表示，其定义为： 主要噪声源：放大的自发辐射噪声（ASE），它源于放大器介质中电子
5、空穴对的自发复合。自发复合导致了与光信号一起放大的光子的宽谱背景。,ASE:Amplified Spontaneous Emission,EDFA放大1540波长信号时产生的影响,ASE噪声叠加在信号上，导致信噪比下降。,宽谱光源,ASE噪声,ASE噪声近似为白噪声，噪声功率谱密度为：,对于原子都处于激发态或完全粒子数反转的光放大器，nsp=1; 当粒子数不完全反转时， nsp1；,研究发现，接收机前接入光放大器后，新增加的噪声主要来自ASE噪声与信号本身的差拍噪声。噪声指数为：,表明：即使对nsp=1的完全粒子数反转的理想放大器，被放大信号的SNR也降低了二倍（或3dB）。对大多数实际的放大
6、器Fn均超过3dB ，并可能达到68dB。希望放大器的Fn尽可能低。,ASE噪声,自发辐射的影响是增加一些起伏到放大后的功率上，在光电探测过程中该功率又转变成电流的起伏。 研究结果表明，在接收机噪声中占统治地位的是来自自发辐射与信号本身的拍频噪声，即自发辐射与放大后的信号在光电探测器相干混频，并产生光电流的外差成份。,ASE噪声,4.2 掺铒光纤放大器,以掺铒光纤为增益介质。 1985年，南安普敦大学的Mears等人制成了EDFA。 1986年，他们用Ar离子激光器做泵浦源又制造出工作波长为1540 nmnm的EDFA。 90年代初，波长1.55m的EDFA宣告研制成功并能实际推广应用。 19
7、94年开始，EDFA进入商用，包括Corning、Lucent和JDS Uniphase等许多著名公司 。 我国研究EDFA起步比较晚，是从上世纪90年代开始的。,掺铒光纤放大器简介,掺铒光纤放大器特性,高增益（30dB） 宽带（约100nm） 低噪声（46dB） 偏振不敏感 高输出功率（16dBm）,EDFA一般由掺铒光纤(EDF)、泵浦光(PUMP-LD)、光无源器件、控制单元和通信接口五个部分组成。,掺铒光纤放大器的基本组成,正向泵浦时由于在输入端具有很高的粒子数反转，噪声指数最小,反向泵浦时由于能在输出端提供较强的泵浦功率以延迟增益饱和现象的发生，转换效率较高，输出功率较高、噪声指数最
8、大,双向泵浦时由于泵浦光沿铒光纤长度泵浦比较均匀，因而它兼具高功率及低噪声指数的特性。,EDFA中的Er3+能级结构,铒离子简化能级示意图,泵浦波长可以是520、650、800、980、1480nm,波长短于980nm的泵浦效率低，980nm和1480nm的LD已经商品化,因而通常采用980和1480nm泵浦。,EDFA的工作原理,EDFA采用掺铒离子单模光纤为增益介质，在泵浦光作用下产生粒子数反转，在信号光诱导下实现受激辐射放大。,信号光与波长较其为短的光波(泵浦光)同沿光纤传输，泵浦光的能量被光纤中的稀土元素离子吸收而使其跃迁至更高能级，并可通过能级间的受激发射转移为信号光的能量。信号光沿
9、光纤长度得到放大，泵浦光沿光纤长度不断衰减。,增益随着EDF长度的增加先增大，在达到增益最大值后，增益开始随着EDF长度的增加逐渐变小。这说明了EDFA优化设计中存在最佳铒光纤长度问题。这是因为泵浦光激发基态粒子到上能级，通过受激辐射实现光信号放大，当泵浦光沿EDF传输时，将因受激吸收而不断衰减，导致反转粒子数不断减少，当长度超过最佳长度后，泵浦光就不能让信号光得到充分的放大，同时信号光也被吸收，此时增益下降。 不管是正向泵浦还是反向泵浦，1480 nmnm泵浦得到的噪声指数和增益都高于980 nmnm泵浦所得。反向泵浦的噪声指数和增益大于正向泵浦，长度越长，这种差别就越明显。 因此，人们在设
10、计混合泵浦EDFA时候，通常把1480 nm激光作为反向泵浦，980 nm作为正向泵浦。,掺铒光纤放大器的基本特性,增益均衡问题 不同信道之间存在强烈的竞争。从而导致系统出现误码。 当多个波长的光信号通过EDFA时，不同信道的增益会有所不同，而且这种增益差还会随着级联放大而累积增大，导致某些信道的增益剧增而另一些信道的增益剧减，低电平信道信号的SNR恶化，高电平信道信号也因为光纤非线性效应而使信号特性恶化。 信道数目的变化将造成剩余信道总功率的随机变化从而影响系统的稳定性.,掺铒光纤放大器的多通道放大,解决方案 光纤本征型，选用不同掺杂即光纤基质成分，从而改善EDFA的特性。如研制蹄化物玻璃材
11、料光纤； 用增益谱反转的各种无源滤波器补偿型，如利用Bragg光纤光栅、双锥光纤、周期调制的双芯光纤等等； 用增益谱反转的各种有源滤波器补偿型，如利用集成电光M-Z干涉仪，声光滤波器； 用不同掺杂材料和掺杂量的光纤进行混合组合EDFA型； 对铒光纤进行周期性弯曲来改变EDFA的增益谱和噪声指数； 自引入激射光的增益锁定控制。,掺铒光纤放大器的多通道放大,利用光纤非线性效应中的SRS原理进行光放大。 无需利用掺杂的光纤作为增益介质，直接使用传输的光纤即可获得增益。 获得增益之波長约为泵浦源波长往长波长方向移位100 nm，只要挑选对所需之泵浦源的波長，即可放大光纤低损耗带宽內的任意波段信号。 利
12、用多个不同波长的泵浦源组合可以获得超宽带、增益平坦的放大器。,4.3 光纤拉曼放大器,拉曼放大器的简介,拉曼现象在1928年被发现。 90年代早期，EDFA取代它成为焦点，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。 高功率二极管泵浦激光器的迅猛发展，为FRA的实现奠定了坚实的基础。 人们对FRA的兴趣来源于这种放大器可以提供整个波长波段的放大。通过适当改变泵浦激光波长，就可以达到在任意波段进行宽带光放大，甚至可在12701670nm整个波段内提供放大。,拉曼放大器的简介,分立式FRA采用拉曼增益系数较高的特种光纤（如高
13、掺锗光纤等），这种光纤长度一般为几公里，泵浦功率要求很高，一般为数瓦，可产生40 dB以上的高增益，用于实现EDFA无法实现的波段的集总式放大。 分布式RFA主要作为传输系统中传输光纤损耗的分布式补偿放大，实现光纤通信系统光信号的透明传输，主要用于1.3m和1.5m光纤通信系统中作为多路信号和高速超短光脉冲信号传输损耗的补偿放大，亦可作为光接收机的前置放大器。,拉曼放大器的简介,FRA原理简介：,物理机制： A.光纤拉曼散射效应（SRS) 一个入射光子（pump)的湮灭，产生一个下移stokes频率的光子和另一个具有相当能量和动量的光学光子 B.与pump光子相差stokes频率的信号光子，经
14、受激散射过程被放大,FRA是靠非线性散射实现放大功能，不需要能级间粒子数反转,光纤拉曼放大器原理简介(1),频率为p和s的泵浦光和信号光通过耦合器输入光纤，当这两束光在光纤中一起传输时，泵浦光的能量通过SRS效应转移给信号光，使信号光得到放大。 峰值增益频移：13.2THz 反向泵浦为主，也可同向泵浦 支撑技术: 14nm的大功率泵浦激光器，目前以取得实用化,光纤拉曼放大器原理简介(2),0：输入信号功率对泵浦光功率的比例,拉曼增益常数,有效光纤截面积,泵浦光的光纤衰减常数,输入的泵浦光功率,信号光的功率,泵浦光的频率,信号光的频率,拉曼放大器的特性,放大增益,饱和增益,噪声指数 同EDFA,
15、拉曼放大器的特性,特性： 在所有类型光纤中都会发生 峰值增益频移13 THz (60-100nm) 增益具有偏振依赖性，当泵浦光与信号光偏振方向平行时增益最大，垂直时增益最小为零 增益谱很宽(125nm)但并不平坦,Advantages: 理论上可以得到任意波长的增益，前提是需要合适的泵浦源； 分布或分立放大均能实现； 使用光纤作为放大介质意味着在线放大的可能，可以减少噪声的积累。 Disadvantages: 泵浦功率高（500mW）,SOA具有快的动态增益特性、价格低、能耗小、宽的带宽、可以工作在0.61.6m任意波段，易于与其他器件集成等优点。 早在1962年发明半导体激光器不久，人们就
16、已开始了SOA的研究。 由于80年代末期EDFA的出现并迅速成为光纤通信的主流，SOA的研发和应用曾相对处于低谷，直到90 年代后，人们进一步认识到SOA可以用于实现波长转换、WDM与TDM转换等功能，才又对SOA进行了广泛地研究和开发。,4.4 半导体光放大器,半导体光放大器的简介,(1)法布里-珀罗 ( Fabry-Perot Amplifier, FPA ) 将一般的FP半导体激光器当作光放大器使用。 (2) 行波式光放大器(Travelling-Wave Amplifier, TWA)在Fabry-Perot激光器的两端面上涂上抗反射膜，以获得宽带、高输出、低噪声的放大光。,半导体光放大器的分类,根据光放大器端面反射率和工作偏置条件，将半导体光放大器分为：,行波半导体光放大器,TWSOA具有极低的端面反射率，通常在0.1%以下:入射信号只能单程放大（行波） 降低端面反射方法：倾斜有源区法、窗面结构。 TWSOA的增益
