第七章 光 放 大 器
7.1 光放大器概述
7.2 掺铒光纤放大器
7.3 光纤喇曼放大器
7.4 其他光放大器
7.1 光放大器概述
7.1.1 光放大器在现代光纤通光纤通信中用光纤来传输光信号 。 光纤的中继距离受限于光纤的损耗和色散 。
就损耗而言,目前光纤损耗典型值在
1.31μm波段为 0.35dB/km左右,在 1.55μm
波段为 0.25dB/km左右 。
以 1989年诞生的掺铒光纤放大器
(Erbium Doped Fiber Amplifier,EDFA)
代表的光放大器技术可以说是光纤通信技术上的一次革命 。
光放大器在光纤通信系统目前最重要的应用就是促使了波分复用技术
(Wavelength Division Multiplexing,WDM)
走向实用化 。
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来补偿光纤的色散作用的一种新型通信方式。
7.1.2
光放大器的发展最早可追溯到 1923年
A·斯梅卡尔预示的自发喇曼散射。 1928年印度加尔各答大学的喇曼观测到自发喇曼效应。
7.1.3
光放大器按原理不同大体上有三种类型 。
(1) 掺杂光纤放大器,就是利用稀土金属离子作为激光工作物质的一种放大器 。
(2) 传输光纤放大器,其中有受激喇曼散 射 ( Stimulated Raman Scattering，
SRS) 光 纤 放 大 器,受 激 布 里 渊 散 射
(Stimulated Brilliouin Scattering,SBS)光纤放大器和利用四波混频效应 (FWM)的光放大器等 。
(3) 半导体激光放大器 。 其结构大体上与激光二极管 (Laser Diode,LD)相同 。
这几种类型的光放大器的工作原理和激励方式各不相同 。
7.1.4 光纤放大器的重要指标
1.
(1) 增益 G与增益系数 g
放大器的增益定义为式中,Pout,Pin分别为放大器输出端与输入端的连续信号功率 。
(2)
人们希望放大器的增益在很宽的频带内与波长无关 。 这样在应用这些放大器的系统中,便可放宽单信道传输波长的容限,
也可在不降低系统性能的情况下,极大地增加 WDM系统的信道数目 。
(3)
由于信号放大过程消耗了高能级上粒子,因而使增益系数减小,当放大器增益减小为峰值的一半时,所对应的输出功率就叫饱和输出功率,这是放大器的一个重要的参数,饱和功率用 Pouts表示 。
2.
放大器本身产生噪声,放大器噪声使信号的信噪比 (Signal-to-Noise Ratio,SNR)
下降,造成对传输距离的限制,是光放大器的另一重要指标 。
(1)
光纤放大器的噪声主要来自它的放大自发辐射 (Amplified Spontaneous Emission，
ASE)。
(2)
由于放大器中产生自发辐射噪声,使得放大后的信噪比下降 。 它定义为输入信噪比与输出信噪比之比 。
(SNR)in和 (SNR)out分别代表输入与输出的信噪比 。 它们都是在接收机端将光信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。
7.2.1 掺铒光纤放大器的工作原理第五章已经介绍过激光器的工作原理：
经泵浦源的作用,工作物质粒子由低能级跃迁到高能级 (一般通过另一辅助能级 )，
在一定泵浦强度下,得到了粒子数反转分布而具有光放大作用 。 当工作频带范围内的信号光输入时便得到放大 。 这也就是掺铒光纤放大器的基本工作原理 。
只是 EDFA(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，
光与物质的作用区很长，有利于降低对泵浦源功率的要求。
泵浦效率 Wp可以用来衡量泵浦的有效性,其表达式如下：
Wp=放大器增益 (dB)/泵浦功率 (mW)
7.2.2 掺铒光纤放大器的结构
1.
在同向泵浦方案中,泵浦光与信号光从同一端注入掺铒光纤 。
2.
反向泵浦,泵浦光与信号光从不同的方向输入掺杂光纤,两者在掺铒光纤中反向传输 。
3.
为了使掺铒光纤中的铒离子能够得到充分的激励,必须提高泵浦功率 。
4.
(1)
(2)
图 7.5所示表示噪声指数与输出光功率之间的关系 。
(3)
同向泵浦式 EDFA的饱和输出光功率最小 。
图 7.5 噪声指数与输出功率之间的关系
7.2.3EDFA
1,EDFA
增益系数 g(z)与高能级和低能级的粒子数目差及泵浦功率有关,对增益系数 g(z)
在整个掺铒光纤长度上进行积分,就可求出光纤放大器的增益 G,所以,放大器的增益应与泵浦强度及光纤的长度有关 。
2,EDFA
图 7.9所示是掺铒硅光纤的 g-λ曲线,
从图中可以看出增益系数随着波长的不同而不同 。
EDFA实现宽频带和增益平坦度经过了 3个阶段,如表 7.1所示 。
光纤在 1.55μm低损耗区具有 200nm带宽,而目前使用的 EDFA增益带宽仅为
35nm左右 。
图
7.
9
掺铒离子硅光纤的g-
λ
曲线
3,EDFA
EDFA的噪声系数 Fn决定于自发辐射,
即噪声系数与粒子反转差 ΔN有关 。
7.2.4 掺铒光纤放大器的系统应用
1,EDFA
由于 EDFA的低噪声特性,使它很适于作接收机的前置放大器 。
2,EDFA
功率放大器是将 EDFA直接放在光发射机之后用来提升输出功率 。
3,EDFA
EDFA用作线路放大器是它在光纤通信系统的一个重要应用 。
4,EDFA
EDFA可在宽带本地网,特别在电视分配网中得到应用 。
7.2.5 掺铒光纤放大器的优缺点
EDFA之所以得到迅速的发展,源于它的一系列优点 。
(1) 工作波长与光纤最小损耗窗口一致,可在光纤通信中获得广泛应用 。
(2) 耦合效率高 。 因为是光纤型放大器,易于光纤耦合连接,也可用熔接技术与传输光纤熔接在一起,损耗可降至 0.1dB，
这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部
(4) 增益高，噪声低。输出功率大，增益可达 40dB,输出功率在单向泵浦时可达
14dBm,双向泵浦时可达 17dBm,甚至可达 20dBm,充分泵浦时，噪声系数可低至
3~4dB，
(5) 增益特性不敏感。首先是 EDFA增益对温度不敏感，在 100° C内增益特性保
(6) 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信号，高速率信号和低速率信号，系统扩容
EDFA
(1) 波长固定，只能放大 1.55μm左右的光波，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
(2) 增益带宽不平坦，在 WDM系统中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
7.3.1 光纤喇曼放大器的工作原理受激喇曼散射主要性质包括,① 在玻璃介质中参与喇曼散射的是光学声子； ② 在所有类型的光纤中都会发生,但喇曼增益稀疏的形状和峰值与泵浦源的波长和功率有关； ③ 响应时间很短,为瞬态效应；
④ 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,但实际上在非保偏光纤中由于模式混扰的原因而表现为增益无关； ⑤ 增益谱很宽,但不平坦 。 最大增益频移为
13.2THz,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可分为两类：分立式喇曼放大器 (Raman Amplifier,RA)和分布式 喇 曼 放 大 器 ( Distributed Raman
Amplifier,DRA)。
7.3.3 光纤喇曼放大器的性能
1.
在连续波的工作条件下,并忽略泵浦光消耗,光纤喇曼放大器的增益可由下式表示：
式中,gR为喇曼增益系数； Aeff为光纤在泵浦波长处的有效面积； P0为泵浦光功率；； αP为泵浦光在光纤中的衰减常数。
2.
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 。
3.
由于喇曼放大是分布式获得增益的过程,其等效噪声比分立式放大器要小 。 为了比较 DRA与分立式放大器的性能,定义
DRA的等效集中噪声指数 FR为式中,ρASE是光纤末端放大自发辐射 (ASE)
密度； GR是在光纤末端信号的喇曼增益 。
分布式喇曼放大器经常与 EDFA混合使用,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
F=FR+FE/GR
式中,GR和 FR分别是 DRA的增益和噪声指数； FE是 EDFA的噪声指数 。 因为 FR通常要比作为功率放大器的 EDFA的噪声指数
FE要小,所以由上式可知,只要增加喇曼增益 GR,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
1.
分立式喇曼放大器所用的光纤增益介质比较短,泵浦功率要求很高,一般在几瓦到几十瓦,可产生 40dB以上的高增益,
像 EDFA一样可用来对光信号进行集中放大,因此主要用于 EDFA无法放大的波段 。
2,DRA
采用 DRA技术的传输系统典型结构如图 7.14所示,在 WDM系统的每个传输单元内,在 EDFA的输入端注入反向的喇曼泵浦,信号将会沿光纤实现分布式喇曼放大,
由于 DRA具有噪声低,增益带宽与泵浦波长和功率相关的特点,EDFA又具有高增益,低成本的特点,所以这种混合放大结构可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
FRA具有以下优点 。
(1) 增益波长由泵浦光波长决定,只要泵浦源的波长适当,理论上可以得到任意波长的信号放大,这样的 FRA就可扩展到 EDFA不能使用的波段,为波分复用进一步增加容量拓宽了空间 。
(2) 增益介质可以为传输光纤本身，
如此实现的 FRA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。
(3) 噪声指数低，可提升原系统的信噪比。
(4) 喇曼增益谱比较宽,在普通 DSF上单波长泵浦可实现 40nm范围的有效增益；
如果采用多个泵浦源,则可容易地实现宽带放大 。
(5) FRA的饱和功率比较高,增益谱调节方式可通过优化配置泵浦光波长和强度来实现 。
(6) 喇曼放大的作用时间为飞秒 (10-15s)
级,可实现超短脉冲的放大 。
FRA
① 喇曼光纤放大器所需要的泵浦光功率高。
② 作用距离太长，增益系数偏低。
③ 对偏振敏感。
7.4 其他光放大器
7.4.1
物体内部会持续产生微弱的声波,这种声波的频率很高 (一般在 109Hz左右 ),人耳是听不见的,它对通过物质的光波会产生作用 。 根据光波的多普勒效应,推导出布里渊散射公式：
式中,v0,vs,vp分别代表入射光,
散射光和超声波的频率； v代表超声波的速度； c是光波的传播速度； n是物质的折射率； θ为散射光传播方向和入射光传播方向之间的夹角 。
在光纤通信领域,SBS未来最有可能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 (SOA)是采用与通信用激光器相类似的工艺制作而成的一种行波放大器,当偏置电流低于振荡阈值时,
激光二极管就能对输入相干光实现光放大作用 。
7.4.3 掺铒波导光放大器掺铒波导放大器 (EDWA)是由嵌入非晶体掺铒玻璃基片上的波导组成的 。
7.1 光放大器概述
7.2 掺铒光纤放大器
7.3 光纤喇曼放大器
7.4 其他光放大器
7.1 光放大器概述
7.1.1 光放大器在现代光纤通光纤通信中用光纤来传输光信号 。 光纤的中继距离受限于光纤的损耗和色散 。
就损耗而言,目前光纤损耗典型值在
1.31μm波段为 0.35dB/km左右,在 1.55μm
波段为 0.25dB/km左右 。
以 1989年诞生的掺铒光纤放大器
(Erbium Doped Fiber Amplifier,EDFA)
代表的光放大器技术可以说是光纤通信技术上的一次革命 。
光放大器在光纤通信系统目前最重要的应用就是促使了波分复用技术
(Wavelength Division Multiplexing,WDM)
走向实用化 。
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来补偿光纤的色散作用的一种新型通信方式。
7.1.2
光放大器的发展最早可追溯到 1923年
A·斯梅卡尔预示的自发喇曼散射。 1928年印度加尔各答大学的喇曼观测到自发喇曼效应。
7.1.3
光放大器按原理不同大体上有三种类型 。
(1) 掺杂光纤放大器,就是利用稀土金属离子作为激光工作物质的一种放大器 。
(2) 传输光纤放大器,其中有受激喇曼散 射 ( Stimulated Raman Scattering，
SRS) 光 纤 放 大 器,受 激 布 里 渊 散 射
(Stimulated Brilliouin Scattering,SBS)光纤放大器和利用四波混频效应 (FWM)的光放大器等 。
(3) 半导体激光放大器 。 其结构大体上与激光二极管 (Laser Diode,LD)相同 。
这几种类型的光放大器的工作原理和激励方式各不相同 。
7.1.4 光纤放大器的重要指标
1.
(1) 增益 G与增益系数 g
放大器的增益定义为式中,Pout,Pin分别为放大器输出端与输入端的连续信号功率 。
(2)
人们希望放大器的增益在很宽的频带内与波长无关 。 这样在应用这些放大器的系统中,便可放宽单信道传输波长的容限,
也可在不降低系统性能的情况下,极大地增加 WDM系统的信道数目 。
(3)
由于信号放大过程消耗了高能级上粒子,因而使增益系数减小,当放大器增益减小为峰值的一半时,所对应的输出功率就叫饱和输出功率,这是放大器的一个重要的参数,饱和功率用 Pouts表示 。
2.
放大器本身产生噪声,放大器噪声使信号的信噪比 (Signal-to-Noise Ratio,SNR)
下降,造成对传输距离的限制,是光放大器的另一重要指标 。
(1)
光纤放大器的噪声主要来自它的放大自发辐射 (Amplified Spontaneous Emission，
ASE)。
(2)
由于放大器中产生自发辐射噪声,使得放大后的信噪比下降 。 它定义为输入信噪比与输出信噪比之比 。
(SNR)in和 (SNR)out分别代表输入与输出的信噪比 。 它们都是在接收机端将光信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。
7.2.1 掺铒光纤放大器的工作原理第五章已经介绍过激光器的工作原理：
经泵浦源的作用,工作物质粒子由低能级跃迁到高能级 (一般通过另一辅助能级 )，
在一定泵浦强度下,得到了粒子数反转分布而具有光放大作用 。 当工作频带范围内的信号光输入时便得到放大 。 这也就是掺铒光纤放大器的基本工作原理 。
只是 EDFA(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，
光与物质的作用区很长，有利于降低对泵浦源功率的要求。
泵浦效率 Wp可以用来衡量泵浦的有效性,其表达式如下：
Wp=放大器增益 (dB)/泵浦功率 (mW)
7.2.2 掺铒光纤放大器的结构
1.
在同向泵浦方案中,泵浦光与信号光从同一端注入掺铒光纤 。
2.
反向泵浦,泵浦光与信号光从不同的方向输入掺杂光纤,两者在掺铒光纤中反向传输 。
3.
为了使掺铒光纤中的铒离子能够得到充分的激励,必须提高泵浦功率 。
4.
(1)
(2)
图 7.5所示表示噪声指数与输出光功率之间的关系 。
(3)
同向泵浦式 EDFA的饱和输出光功率最小 。
图 7.5 噪声指数与输出功率之间的关系
7.2.3EDFA
1,EDFA
增益系数 g(z)与高能级和低能级的粒子数目差及泵浦功率有关,对增益系数 g(z)
在整个掺铒光纤长度上进行积分,就可求出光纤放大器的增益 G,所以,放大器的增益应与泵浦强度及光纤的长度有关 。
2,EDFA
图 7.9所示是掺铒硅光纤的 g-λ曲线,
从图中可以看出增益系数随着波长的不同而不同 。
EDFA实现宽频带和增益平坦度经过了 3个阶段,如表 7.1所示 。
光纤在 1.55μm低损耗区具有 200nm带宽,而目前使用的 EDFA增益带宽仅为
35nm左右 。
图
7.
9
掺铒离子硅光纤的g-
λ
曲线
3,EDFA
EDFA的噪声系数 Fn决定于自发辐射,
即噪声系数与粒子反转差 ΔN有关 。
7.2.4 掺铒光纤放大器的系统应用
1,EDFA
由于 EDFA的低噪声特性,使它很适于作接收机的前置放大器 。
2,EDFA
功率放大器是将 EDFA直接放在光发射机之后用来提升输出功率 。
3,EDFA
EDFA用作线路放大器是它在光纤通信系统的一个重要应用 。
4,EDFA
EDFA可在宽带本地网,特别在电视分配网中得到应用 。
7.2.5 掺铒光纤放大器的优缺点
EDFA之所以得到迅速的发展,源于它的一系列优点 。
(1) 工作波长与光纤最小损耗窗口一致,可在光纤通信中获得广泛应用 。
(2) 耦合效率高 。 因为是光纤型放大器,易于光纤耦合连接,也可用熔接技术与传输光纤熔接在一起,损耗可降至 0.1dB，
这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部
(4) 增益高，噪声低。输出功率大，增益可达 40dB,输出功率在单向泵浦时可达
14dBm,双向泵浦时可达 17dBm,甚至可达 20dBm,充分泵浦时，噪声系数可低至
3~4dB，
(5) 增益特性不敏感。首先是 EDFA增益对温度不敏感，在 100° C内增益特性保
(6) 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信号，高速率信号和低速率信号，系统扩容
EDFA
(1) 波长固定，只能放大 1.55μm左右的光波，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
(2) 增益带宽不平坦，在 WDM系统中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
7.3.1 光纤喇曼放大器的工作原理受激喇曼散射主要性质包括,① 在玻璃介质中参与喇曼散射的是光学声子； ② 在所有类型的光纤中都会发生,但喇曼增益稀疏的形状和峰值与泵浦源的波长和功率有关； ③ 响应时间很短,为瞬态效应；
④ 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,但实际上在非保偏光纤中由于模式混扰的原因而表现为增益无关； ⑤ 增益谱很宽,但不平坦 。 最大增益频移为
13.2THz,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可分为两类：分立式喇曼放大器 (Raman Amplifier,RA)和分布式 喇 曼 放 大 器 ( Distributed Raman
Amplifier,DRA)。
7.3.3 光纤喇曼放大器的性能
1.
在连续波的工作条件下,并忽略泵浦光消耗,光纤喇曼放大器的增益可由下式表示：
式中,gR为喇曼增益系数； Aeff为光纤在泵浦波长处的有效面积； P0为泵浦光功率；； αP为泵浦光在光纤中的衰减常数。
2.
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 。
3.
由于喇曼放大是分布式获得增益的过程,其等效噪声比分立式放大器要小 。 为了比较 DRA与分立式放大器的性能,定义
DRA的等效集中噪声指数 FR为式中,ρASE是光纤末端放大自发辐射 (ASE)
密度； GR是在光纤末端信号的喇曼增益 。
分布式喇曼放大器经常与 EDFA混合使用,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
F=FR+FE/GR
式中,GR和 FR分别是 DRA的增益和噪声指数； FE是 EDFA的噪声指数 。 因为 FR通常要比作为功率放大器的 EDFA的噪声指数
FE要小,所以由上式可知,只要增加喇曼增益 GR,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
1.
分立式喇曼放大器所用的光纤增益介质比较短,泵浦功率要求很高,一般在几瓦到几十瓦,可产生 40dB以上的高增益,
像 EDFA一样可用来对光信号进行集中放大,因此主要用于 EDFA无法放大的波段 。
2,DRA
采用 DRA技术的传输系统典型结构如图 7.14所示,在 WDM系统的每个传输单元内,在 EDFA的输入端注入反向的喇曼泵浦,信号将会沿光纤实现分布式喇曼放大,
由于 DRA具有噪声低,增益带宽与泵浦波长和功率相关的特点,EDFA又具有高增益,低成本的特点,所以这种混合放大结构可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
FRA具有以下优点 。
(1) 增益波长由泵浦光波长决定,只要泵浦源的波长适当,理论上可以得到任意波长的信号放大,这样的 FRA就可扩展到 EDFA不能使用的波段,为波分复用进一步增加容量拓宽了空间 。
(2) 增益介质可以为传输光纤本身，
如此实现的 FRA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。
(3) 噪声指数低，可提升原系统的信噪比。
(4) 喇曼增益谱比较宽,在普通 DSF上单波长泵浦可实现 40nm范围的有效增益；
如果采用多个泵浦源,则可容易地实现宽带放大 。
(5) FRA的饱和功率比较高,增益谱调节方式可通过优化配置泵浦光波长和强度来实现 。
(6) 喇曼放大的作用时间为飞秒 (10-15s)
级,可实现超短脉冲的放大 。
FRA
① 喇曼光纤放大器所需要的泵浦光功率高。
② 作用距离太长，增益系数偏低。
③ 对偏振敏感。
7.4 其他光放大器
7.4.1
物体内部会持续产生微弱的声波,这种声波的频率很高 (一般在 109Hz左右 ),人耳是听不见的,它对通过物质的光波会产生作用 。 根据光波的多普勒效应,推导出布里渊散射公式：
式中,v0,vs,vp分别代表入射光,
散射光和超声波的频率； v代表超声波的速度； c是光波的传播速度； n是物质的折射率； θ为散射光传播方向和入射光传播方向之间的夹角 。
在光纤通信领域,SBS未来最有可能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 (SOA)是采用与通信用激光器相类似的工艺制作而成的一种行波放大器,当偏置电流低于振荡阈值时,
激光二极管就能对输入相干光实现光放大作用 。
7.4.3 掺铒波导光放大器掺铒波导放大器 (EDWA)是由嵌入非晶体掺铒玻璃基片上的波导组成的 。
