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1、第七章第七章 光光 放放 大大 器器7.1 光放大器概述光放大器概述7.2 掺铒光纤放大器掺铒光纤放大器7.3 光纤喇曼放大器光纤喇曼放大器7.4 其他光放大器其他光放大器7.1 光放大器概述光放大器概述7.1.1 光光放放大大器器在在现现代代光光纤纤通通信信系统中的应用系统中的应用光光纤纤通通信信中中用用光光纤纤来来传传输输光光信信号号。光光纤纤的的中中继继距距离离受受限限于于光光纤纤的的损损耗耗和和色色散散。就就损损耗耗而而言言，目目前前光光纤纤损损耗耗典典型型值值在在1.31m波波段段为为0.35dB/km左左右右，在在1.55m波段为波段为0.25dB/km左右。左右。以以 1989年
2、年 诞诞 生生 的的 掺掺 铒铒 光光 纤纤 放放 大大 器器(Erbium Doped Fiber Amplifier，EDFA)代代表表的的光光放放大大器器技技术术可可以以说说是是光光纤纤通通信信技技术术上的一次革命。上的一次革命。光光放放大大器器在在光光纤纤通通信信系系统统目目前前最最重重要要的的 应应 用用 就就 是是 促促 使使 了了 波波 分分 复复 用用 技技 术术(Wavelength Division Multiplexing，WDM)走向实用化。走向实用化。光放大器还将促进光孤子通信技术的光放大器还将促进光孤子通信技术的实用化。光孤子通信是利用光纤的非线性实用化。光孤子通信
3、是利用光纤的非线性来补偿光纤的色散作用的一种新型通信方来补偿光纤的色散作用的一种新型通信方式。式。7.1.2 光放大器的发展史光放大器的发展史光放大器的发展最早可追溯到光放大器的发展最早可追溯到1923年年A斯梅卡尔预示的自发喇曼散射。斯梅卡尔预示的自发喇曼散射。1928年年印度加尔各答大学的喇曼观测到自发喇曼印度加尔各答大学的喇曼观测到自发喇曼效应。效应。7.1.3 光放大器的分类光放大器的分类光光放放大大器器按按原原理理不不同同大大体体上上有有三三种种类类型。型。(1) 掺掺杂杂光光纤纤放放大大器器，就就是是利利用用稀稀土土金金属离子作为激光工作物质的一种放大器。属离子作为激光工作物质的一
4、种放大器。(2) 传传输输光光纤纤放放大大器器，其其中中有有受受激激喇喇曼曼散散射射(Stimulated Raman Scattering，SRS)光光纤纤放放大大器器、受受激激布布里里渊渊散散射射(Stimulated Brilliouin Scattering，SBS)光光纤纤放放大大器器和和利利用用四四波波混混频频效效应应(FWM)的的光光放放大大器器等等。(3) 半半导导体体激激光光放放大大器器。其其结结构构大大体体上上与激光二极管与激光二极管(Laser Diode，LD)相同。相同。这这几几种种类类型型的的光光放放大大器器的的工工作作原原理理和和激励方式各不相同。激励方式各不相同
5、。7.1.4 光纤放大器的重要指标光纤放大器的重要指标1. 光放大器的增益光放大器的增益(1) 增益增益G与增益系数与增益系数g放大器的增益定义为放大器的增益定义为式式中中：Pout，Pin分分别别为为放放大大器器输输出出端端与与输输入入端的连续信号功率。端的连续信号功率。(2) 放大器的带宽放大器的带宽人人们们希希望望放放大大器器的的增增益益在在很很宽宽的的频频带带内内与与波波长长无无关关。这这样样在在应应用用这这些些放放大大器器的的系系统统中中，便便可可放放宽宽单单信信道道传传输输波波长长的的容容限限，也也可可在在不不降降低低系系统统性性能能的的情情况况下下，极极大大地地增加增加WDM系统
6、的信道数目。系统的信道数目。(3) 增益饱和与饱和输出功率增益饱和与饱和输出功率由由于于信信号号放放大大过过程程消消耗耗了了高高能能级级上上粒粒子子，因因而而使使增增益益系系数数减减小小，当当放放大大器器增增益益减减小小为为峰峰值值的的一一半半时时，所所对对应应的的输输出出功功率率就就叫叫饱饱和和输输出出功功率率，这这是是放放大大器器的的一一个个重重要的参数，饱和功率用要的参数，饱和功率用Pouts表示。表示。2. 放大器噪声放大器噪声放放大大器器本本身身产产生生噪噪声声，放放大大器器噪噪声声使使信信号号的的信信噪噪比比(Signal-to-Noise Ratio，SNR)下下降降，造造成成对
7、对传传输输距距离离的的限限制制，是是光光放大器的另一重要指标。放大器的另一重要指标。(1) 光纤放大器的噪声来源光纤放大器的噪声来源光光纤纤放放大大器器的的噪噪声声主主要要来来自自它它的的放放大大自自 发发 辐辐 射射 (Amplified Spontaneous Emission，ASE)。(2) 噪声系数噪声系数由由于于放放大大器器中中产产生生自自发发辐辐射射噪噪声声，使使得得放放大大后后的的信信噪噪比比下下降降。它它定定义义为为输输入入信信噪比与输出信噪比之比。噪比与输出信噪比之比。(SNR)in和和(SNR)out分分别别代代表表输输入入与与输输出出的的信信噪噪比比。它它们们都都是是在
8、在接接收收机机端端将将光光信信号转换成光电流后的功率来计算的。号转换成光电流后的功率来计算的。7.2 掺铒光纤放大器掺铒光纤放大器掺铒光纤放大器是将掺铒光纤在泵浦掺铒光纤放大器是将掺铒光纤在泵浦源的作用下而形成的光纤放大器。对这种源的作用下而形成的光纤放大器。对这种掺杂光纤放大器影响较大的工作可追溯到掺杂光纤放大器影响较大的工作可追溯到1963年对玻璃激光器的研究。年对玻璃激光器的研究。7.2.1 掺掺铒铒光光纤纤放放大大器器的的工工作作原原理理第第五五章章已已经经介介绍绍过过激激光光器器的的工工作作原原理理：经经泵泵浦浦源源的的作作用用，工工作作物物质质粒粒子子由由低低能能级级跃跃迁迁到到高
9、高能能级级(一一般般通通过过另另一一辅辅助助能能级级)，在在一一定定泵泵浦浦强强度度下下，得得到到了了粒粒子子数数反反转转分分布布而而具具有有光光放放大大作作用用。当当工工作作频频带带范范围围内内的的信信号号光光输输入入时时便便得得到到放放大大。这这也也就就是是掺掺铒光纤放大器的基本工作原理。铒光纤放大器的基本工作原理。只是只是EDFA(及其他掺杂光纤放大器及其他掺杂光纤放大器)细长的纤形结构使得有源区能量密度很高，细长的纤形结构使得有源区能量密度很高，光与物质的作用区很长，有利于降低对泵光与物质的作用区很长，有利于降低对泵浦源功率的要求。浦源功率的要求。泵泵浦浦效效率率Wp可可以以用用来来衡
10、衡量量泵泵浦浦的的有有效效性，其表达式如下：性，其表达式如下：Wp=放大器增益放大器增益(dB)/泵浦功率泵浦功率(mW)7.2.2 掺铒光纤放大器的结构掺铒光纤放大器的结构1. 同向泵浦同向泵浦在在同同向向泵泵浦浦方方案案中中，泵泵浦浦光光与与信信号号光光从同一端注入掺铒光纤。从同一端注入掺铒光纤。2. 反向泵浦反向泵浦反反向向泵泵浦浦，泵泵浦浦光光与与信信号号光光从从不不同同的的方方向向输输入入掺掺杂杂光光纤纤，两两者者在在掺掺铒铒光光纤纤中中反反向传输。向传输。3. 双向泵浦双向泵浦为为了了使使掺掺铒铒光光纤纤中中的的铒铒离离子子能能够够得得到到充充分分的激励，必须提高泵浦功率。的激励，
11、必须提高泵浦功率。4. 三种泵浦方式比较三种泵浦方式比较(1) 信号输出功率信号输出功率(2) 噪声特性噪声特性图图7.5所所示示表表示示噪噪声声指指数数与与输输出出光光功功率率之之间间的关系。的关系。(3) 饱和输出特性饱和输出特性同向泵浦式同向泵浦式EDFA的饱和输出光功率最小。的饱和输出光功率最小。图图7.5 噪声指数与输出功率之间的关系噪声指数与输出功率之间的关系7.2.3EDFA的重要指标的重要指标1. EDFA的增益特性的增益特性增增益益系系数数g(z)与与高高能能级级和和低低能能级级的的粒粒子子数数目目差差及及泵泵浦浦功功率率有有关关，对对增增益益系系数数g(z)在在整整个个掺掺
12、铒铒光光纤纤长长度度上上进进行行积积分分，就就可可求求出出光光纤纤放放大大器器的的增增益益G，所所以以，放放大大器器的的增益应与泵浦强度及光纤的长度有关。增益应与泵浦强度及光纤的长度有关。2. EDFA的带宽的带宽图图7.9所所示示是是掺掺铒铒硅硅光光纤纤的的g-曲曲线线，从从图图中中可可以以看看出出增增益益系系数数随随着着波波长长的的不不同同而不同。而不同。EDFA实实现现宽宽频频带带和和增增益益平平坦坦度度经经过过了了3个阶段，如表个阶段，如表7.1所示。所示。光光纤纤在在1.55m低低损损耗耗区区具具有有200nm带带宽宽，而而目目前前使使用用的的EDFA增增益益带带宽宽仅仅为为35nm
13、左右。左右。图图7.9 掺掺铒铒离离子子硅硅光光纤纤的的g-曲曲线线3. EDFA的噪声系数的噪声系数EDFA的的噪噪声声系系数数Fn决决定定于于自自发发辐辐射射，即噪声系数与粒子反转差即噪声系数与粒子反转差N有关。有关。7.2.4 掺铒光纤放大器的系统应用掺铒光纤放大器的系统应用1. EDFA用作前置放大器用作前置放大器由由于于EDFA的的低低噪噪声声特特性性，使使它它很很适适于作接收机的前置放大器。于作接收机的前置放大器。2. EDFA用作功率放大器用作功率放大器功功率率放放大大器器是是将将EDFA直直接接放放在在光光发发射机之后用来提升输出功率。射机之后用来提升输出功率。3. EDFA用
14、作线路放大器用作线路放大器EDFA用用作作线线路路放放大大器器是是它它在在光光纤纤通通信系统的一个重要应用。信系统的一个重要应用。4. EDFA在本地网中的应用在本地网中的应用EDFA可可在在宽宽带带本本地地网网，特特别别在在电电视视分配网中得到应用。分配网中得到应用。7.2.5 掺铒光纤放大器的优缺点掺铒光纤放大器的优缺点EDFA之之所所以以得得到到迅迅速速的的发发展展，源源于于它的一系列优点。它的一系列优点。(1) 工工作作波波长长与与光光纤纤最最小小损损耗耗窗窗口口一一致致，可在光纤通信中获得广泛应用。可在光纤通信中获得广泛应用。(2) 耦耦合合效效率率高高。因因为为是是光光纤纤型型放放
15、大大器器，易易于于光光纤纤耦耦合合连连接接，也也可可用用熔熔接接技技术术与与传传输输光光纤纤熔熔接接在在一一起起，损损耗耗可可降降至至0.1dB，这这样的熔接反射损耗也很小，不易自激。样的熔接反射损耗也很小，不易自激。(3) 能量转换效率高。激光工作物质能量转换效率高。激光工作物质集中在光纤芯子，且集中在光纤芯子中的集中在光纤芯子，且集中在光纤芯子中的近轴部分，而信号光和泵浦光也是在近轴近轴部分，而信号光和泵浦光也是在近轴部分最强，这使得光与物质作用很充分。部分最强，这使得光与物质作用很充分。(4) 增益高，噪声低。输出功率大，增益高，噪声低。输出功率大，增益可达增益可达40dB，输出功率在单
16、向泵浦时可输出功率在单向泵浦时可达达14dBm，双向泵浦时可达双向泵浦时可达17dBm，甚至甚至可达可达20dBm，充分泵浦时，噪声系数可低充分泵浦时，噪声系数可低至至34dB，串话也很小。串话也很小。(5) 增益特性不敏感。首先是增益特性不敏感。首先是EDFA增增益对温度不敏感，在益对温度不敏感，在100C内增益特性保持内增益特性保持稳定，另外，增益也与偏振无关。稳定，另外，增益也与偏振无关。(6) 可实现信号的透明传输，即在波可实现信号的透明传输，即在波分复用系统中可同时传输模拟信号和数字分复用系统中可同时传输模拟信号和数字信号，高速率信号和低速率信号，系统扩信号，高速率信号和低速率信号，
17、系统扩容时，可只改动端机而不改动线路。容时，可只改动端机而不改动线路。EDFA也有固有的缺点：也有固有的缺点：(1) 波长固定，只能放大波长固定，只能放大1.55m左右左右的光波，换用不同基质的光纤时，铒离子的光波，换用不同基质的光纤时，铒离子能级也只能发生很小的变化，可调节的波能级也只能发生很小的变化，可调节的波长有限，只能换用其他元素；长有限，只能换用其他元素；(2) 增益带宽不平坦，在增益带宽不平坦，在WDM系统中系统中需要采用特殊的手段来进行增益谱补偿。需要采用特殊的手段来进行增益谱补偿。7.3 光纤喇曼放大器光纤喇曼放大器7.3.1 光纤喇曼放大器的工作原理光纤喇曼放大器的工作原理受
18、受激激喇喇曼曼散散射射主主要要性性质质包包括括：在在玻玻璃璃介介质质中中参参与与喇喇曼曼散散射射的的是是光光学学声声子子；在在所所有有类类型型的的光光纤纤中中都都会会发发生生，但但喇喇曼曼增增益益稀稀疏疏的的形形状状和和峰峰值值与与泵泵浦浦源源的的波波长长和和功功率率有有关；关；响应时间很短，为瞬态效应；响应时间很短，为瞬态效应；增增益益具具有有偏偏振振依依赖赖性性，当当泵泵浦浦光光与与信信号号光光偏偏振振方方向向平平行行时时增增益益最最大大，垂垂直直时时增增益益最最小小，但但实实际际上上在在非非保保偏偏光光纤纤中中由由于于模模式式混混扰扰的的原原因因而而表表现现为为增增益益无无关关；增增益益
19、谱谱很很宽宽，但但不不平平坦坦。最最大大增增益益频频移移为为13.2THz，并且可以扩展到并且可以扩展到30THz。 7.3.2 光纤喇曼放大器的结构光纤喇曼放大器的结构光光纤纤喇喇曼曼放放大大器器可可分分为为两两类类：分分立立式式喇喇曼曼放放大大器器(Raman Amplifier，RA)和和分分布布式式 喇喇 曼曼 放放 大大 器器 (Distributed Raman Amplifier，DRA)。7.3.3 光纤喇曼放大器的性能光纤喇曼放大器的性能1. 光纤喇曼放大器的增益光纤喇曼放大器的增益在在连连续续波波的的工工作作条条件件下下，并并忽忽略略泵泵浦浦光光消消耗耗，光光纤纤喇喇曼曼放
20、放大大器器的的增增益益可可由由下下式式表示：表示：式中：式中：gR为喇曼增益系数；为喇曼增益系数；Aeff为光纤在泵为光纤在泵浦波长处的有效面积；浦波长处的有效面积；P0为泵浦光功率；为泵浦光功率； ；P为泵浦光在光纤为泵浦光在光纤中的衰减常数。中的衰减常数。2. 喇曼放大器的带宽喇曼放大器的带宽增增益益带带宽宽由由泵泵浦浦波波长长决决定定，选选择择适适当当的的泵泵浦浦光光波波长长，就就可可得得到到任任意意波波长长的的信信号号放放大大，DRA的的增增益益频频谱谱是是每每个个波波长长的的泵泵浦浦光光单单独独产产生生的的增增益益频频谱谱叠叠加加的的结结果果，所所以以它由泵浦波长的数量和种类决定。它
21、由泵浦波长的数量和种类决定。3. 噪声指数噪声指数由由于于喇喇曼曼放放大大是是分分布布式式获获得得增增益益的的过过程程，其其等等效效噪噪声声比比分分立立式式放放大大器器要要小小。为为了了比比较较DRA与与分分立立式式放放大大器器的的性性能能，定定义义DRA的等效集中噪声指数的等效集中噪声指数FR为为式式中中：ASE是是光光纤纤末末端端放放大大自自发发辐辐射射(ASE)密度；密度；GR是在光纤末端信号的喇曼增益。是在光纤末端信号的喇曼增益。分分布布式式喇喇曼曼放放大大器器经经常常与与EDFA混混合合使使用用，当当作作为为前前置置放放大大器器的的DRA与与作作为为功功率率放放大大器器的的常常规规E
22、DFA混混合合使使用用时时，其其等等效效噪声指数为噪声指数为F=FR+FE/GR式式中中：GR和和FR分分别别是是DRA的的增增益益和和噪噪声声指指数数；FE是是EDFA的的噪噪声声指指数数。因因为为FR通通常常要要比比作作为为功功率率放放大大器器的的EDFA的的噪噪声声指指数数FE要要小小，所所以以由由上上式式可可知知，只只要要增增加加喇喇曼曼增益增益GR，就可以减少总的噪声指数。就可以减少总的噪声指数。7.3.4 光纤喇曼放大器的系统应用光纤喇曼放大器的系统应用1. 分立式喇曼放大器的应用分立式喇曼放大器的应用分分立立式式喇喇曼曼放放大大器器所所用用的的光光纤纤增增益益介介质质比比较较短短
23、，泵泵浦浦功功率率要要求求很很高高，一一般般在在几几瓦瓦到到几几十十瓦瓦，可可产产生生40dB以以上上的的高高增增益益，像像EDFA一一样样可可用用来来对对光光信信号号进进行行集集中中放放大大，因此主要用于因此主要用于EDFA无法放大的波段。无法放大的波段。2. DRA传输系统典型结构传输系统典型结构采采用用DRA技技术术的的传传输输系系统统典典型型结结构构如如图图7.14所所示示，在在WDM系系统统的的每每个个传传输输单单元元内内，在在EDFA的的输输入入端端注注入入反反向向的的喇喇曼曼泵泵浦浦，信信号号将将会会沿沿光光纤纤实实现现分分布布式式喇喇曼曼放放大大，由由于于DRA具具有有噪噪声声
24、低低、增增益益带带宽宽与与泵泵浦浦波波长长和和功功率率相相关关的的特特点点，EDFA又又具具有有高高增增益益、低低成成本本的的特特点点，所所以以这这种种混混合合放放大大结结构构可可以同时发挥两种光纤放大器的优势。以同时发挥两种光纤放大器的优势。7.3.5 光纤喇曼放大器的优缺点光纤喇曼放大器的优缺点FRA具有以下优点。具有以下优点。(1) 增增益益波波长长由由泵泵浦浦光光波波长长决决定定，只只要要泵泵浦浦源源的的波波长长适适当当，理理论论上上可可以以得得到到任任意意波波长长的的信信号号放放大大，这这样样的的FRA就就可可扩扩展展到到EDFA不不能能使使用用的的波波段段，为为波波分分复复用用进进
25、一一步步增加容量拓宽了空间。增加容量拓宽了空间。(2) 增益介质可以为传输光纤本身，如增益介质可以为传输光纤本身，如此实现的此实现的FRA称为分布式放大，因为放大称为分布式放大，因为放大是沿光纤集中作用而不是集中作用，光纤是沿光纤集中作用而不是集中作用，光纤中各处的信号光功率都比较小，从而可降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影响。低各种光纤非线性效应的影响。(3) 噪声指数低，可提升原系统的信噪噪声指数低，可提升原系统的信噪比。比。(4) 喇喇曼曼增增益益谱谱比比较较宽宽，在在普普通通DSF上上单单波波长长泵泵浦浦可可实实现现40nm范范围围的的有有效效增增益益；如如
26、果果采采用用多多个个泵泵浦浦源源，则则可可容容易易地地实实现现宽宽带放大。带放大。(5) FRA的的饱饱和和功功率率比比较较高高，增增益益谱谱调调节节方方式式可可通通过过优优化化配配置置泵泵浦浦光光波波长长和和强强度来实现。度来实现。(6) 喇喇曼曼放放大大的的作作用用时时间间为为飞飞秒秒(10-15s)级，可实现超短脉冲的放大。级，可实现超短脉冲的放大。FRA主要有以下缺点。主要有以下缺点。 喇曼光纤放大器所需要的泵浦光功喇曼光纤放大器所需要的泵浦光功率高。率高。 作用距离太长，增益系数偏低。作用距离太长，增益系数偏低。 对偏振敏感。对偏振敏感。7.4 其他光放大器其他光放大器7.4.1 光
27、纤布里渊放大器光纤布里渊放大器物物体体内内部部会会持持续续产产生生微微弱弱的的声声波波，这这种种声声波波的的频频率率很很高高(一一般般在在109Hz左左右右)，人人耳耳是是听听不不见见的的，它它对对通通过过物物质质的的光光波波会会产产生生作作用用。根根据据光光波波的的多多普普勒勒效效应应，推推导导出出布里渊散射公式：布里渊散射公式：式式中中：v0、vs、vp分分别别代代表表入入射射光光、散散射射光光和和超超声声波波的的频频率率；v代代表表超超声声波波的的速速度度；c是是光光波波的的传传播播速速度度；n是是物物质质的的折折射射率率；为为散散射射光光传传播播方方向向和和入入射射光光传传播播方方向之
28、间的夹角。向之间的夹角。在光纤通信领域，在光纤通信领域，SBS未来最有可能未来最有可能的用途就是受激布里渊放大器。的用途就是受激布里渊放大器。7.4.2 半导体光放大器半导体光放大器半半导导体体光光放放大大器器(SOA)是是采采用用与与通通信信用用激激光光器器相相类类似似的的工工艺艺制制作作而而成成的的一一种种行行波波放放大大器器，当当偏偏置置电电流流低低于于振振荡荡阈阈值值时时，激激光光二二极极管管就就能能对对输输入入相相干干光光实实现现光光放放大大作用。作用。7.4.3 掺铒波导光放大器掺铒波导光放大器掺掺铒铒波波导导放放大大器器(EDWA)是是由由嵌嵌入入非非晶晶体掺铒玻璃基片上的波导组成的。体掺铒玻璃基片上的波导组成的。
