光纖通信原理第七章

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1、第七章 光 放 大 器 7.1 光放大器概述 7.2 摻鉺光纖放大器 7.3 光纖喇曼放大器 7.4 其他光放大器 7.1 光放大器概述 7.1.1 光放大器在現(xiàn)代光纖通 光纖通信中用光纖來傳輸光信號 。 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

2、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 來補(bǔ)償光纖的色散作用的一種新型通信方 式。 7.1.2 光放大器的發(fā)展最早可追溯到 1923年 A斯梅卡爾預(yù)示的自發(fā)喇曼散射。 1928年 印度加爾各答大學(xué)的喇曼觀測到自發(fā)喇曼 效應(yīng)。 7.1.3 光放大器按原理不同大體上有三種類 型 。 (1) 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 。 (2) 傳輸光纖放大器 ， 其中有受激喇 曼散射 ( Stimu

3、lated 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 。 (3) 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 。 這幾種類型的光放大器的工作原理和 激勵方式各不相同 。 7.1.4 光纖放大器的重要指標(biāo) 1. (1) 增益 G與增益系數(shù) g 放大器的增益定義為 式中： Pout， Pin分別為放大器輸出端與輸 入端的連續(xù)信號功率 。 (2) 人們希望放大器的增益在很寬的頻帶 內(nèi)與

4、波長無關(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 。 (3) 由于信號放大過程消耗了高能級上粒 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 ， 所對應(yīng)的輸出功率 就叫飽和輸出功率 ， 這是放大器的一個重 要的參數(shù) ， 飽和功率用 Pouts表示 。 2. 放大器本身產(chǎn)生噪聲 ， 放大器噪聲使 信號的信噪比 (Signal-to-Noise Ratio， SNR) 下降 ， 造成對傳輸距離的限制 ， 是光放大 器的另一重要指標(biāo) 。 (1) 光纖放大器的噪聲主要來自它的放大

5、 自發(fā)輻射 (Amplified Spontaneous Emission， ASE)。 (2) 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 號轉(zhuǎn)換成光電流后的功率來計算的 。 7.2 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。對這種 摻雜光纖放大器影響較大的工作可追溯到 1963年對玻璃激光器的研究。 7.2.1 摻鉺光纖放大器的工作 原理 第五章已經(jīng)介紹過激光器的工作原理： 經(jīng)泵浦源的作用 ， 工作

6、物質(zhì)粒子由低能級 躍遷到高能級 (一般通過另一輔助能級 )， 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) 的信號光輸入時便得到放大 。 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，有利于降低對泵 浦源功率的要求。 泵浦效率 Wp可以用來衡量泵浦的有效 性 ， 其表達(dá)式如下： Wp=放大器增益 (dB)/泵浦功率 (mW) 7.2.2 摻鉺光纖放大器的結(jié)構(gòu) 1. 在同向泵浦方案中 ， 泵浦光與信號光 從同一端注入摻鉺光纖 。 2. 反向泵浦 ， 泵浦光與

7、信號光從不同的 方向輸入摻雜光纖 ， 兩者在摻鉺光纖中反 向傳輸 。 3. 為了使摻鉺光纖中的鉺離子能夠得到充分 的激勵 ， 必須提高泵浦功率 。 4. (1) (2) 圖 7.5所示表示噪聲指數(shù)與輸出光功率之間 的關(guān)系 。 (3) 同向泵浦式 EDFA的飽和輸出光功率最小 。 圖 7.5 噪聲指數(shù)與輸出功率之間的關(guān)系 7.2.3EDFA 1. EDFA 增益系數(shù) g(z)與高能級和低能級的粒 子數(shù)目差及泵浦功率有關(guān) ， 對增益系數(shù) g(z) 在整個摻鉺光纖長度上進(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)度及光纖的長度有關(guān) 。 2. EDFA 圖 7.9

8、所示是摻鉺硅光纖的 g-曲線 ， 從圖中可以看出增益系數(shù)隨著波長的不同 而不同 。 EDFA實(shí)現(xiàn)寬頻帶和增益平坦度經(jīng)過 了 3個階段 ， 如表 7.1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 7. 9 摻 鉺 離 子 硅 光 纖 的g- 曲 線 3. EDFA EDFA的噪聲系數(shù) Fn決定于自發(fā)輻射 ， 即噪聲系數(shù)與粒子反轉(zhuǎn)差 N有關(guān) 。 7.2.4 摻鉺光纖放大器的系統(tǒng)應(yīng)用 1. EDFA 由于 EDFA的低噪聲特性 ， 使它很適 于作接收機(jī)的前置放大器 。 2. EDFA 功率放大器是將 EDFA直接放在光發(fā)

9、射機(jī)之后用來提升輸出功率 。 3. EDFA EDFA用作線路放大器是它在光纖通 信系統(tǒng)的一個重要應(yīng)用 。 4. EDFA EDFA可在寬帶本地網(wǎng) ， 特別在電視 分配網(wǎng)中得到應(yīng)用 。 7.2.5 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

10、集中在光纖芯子中的近 軸部分，而信號光和泵浦光也是在近軸部 (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可達(dá) 14dBm， 雙向泵浦時可達(dá) 17dBm， 甚至可 達(dá) 20dBm， 充分泵浦時，噪聲系數(shù)可低至 34dB， (5) 增益特性不敏感。首先是 EDFA增 益對溫度不敏感，在 100 C內(nèi)增益特性保 (6) 可實(shí)現(xiàn)信號的透明傳輸，即在波分 復(fù)用系統(tǒng)中可同時傳輸模擬信號和數(shù)字信 號，高速率信號和低速率信號，系統(tǒng)擴(kuò)容 EDFA (1) 波長固定，只能放大 1.55m左右 的光波，換用不同基質(zhì)的光纖時，鉺離子 能級也只能發(fā)生很小的變化，可調(diào)節(jié)的波 (2) 增

11、益帶寬不平坦，在 WDM系統(tǒng)中 需要采用特殊的手段來進(jìn)行增益譜補(bǔ)償。 7.3 光纖喇曼放大器 7.3.1 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發(fā)生 ， 但喇曼增益稀 疏的形狀和峰值與泵浦源的波長和功率有 關(guān)； 響應(yīng)時間很短 ， 為瞬態(tài)效應(yīng)； 增益具有偏振依賴性 ， 當(dāng)泵浦光與 信號光偏振方向平行時增益最大 ， 垂直時 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。 7.3.2 光纖喇曼放大

12、器的結(jié)構(gòu) 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)。 7.3.3 光纖喇曼放大器的性能 1. 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. 增益帶寬由泵浦波長決定 ， 選擇適當(dāng) 的泵浦光波長 ， 就可得到任意波長的信號 放大 ， DRA的增益頻譜是每個波長的泵浦 光單獨(dú)產(chǎn)生的增益頻

13、譜疊加的結(jié)果 ， 所以 它由泵浦波長的數(shù)量和種類決定 。 3. 由于喇曼放大是分布式獲得增益的過 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 ， 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)?FR通常 要比作為功率

14、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) 。 7.3.4 光纖喇曼放大器的系統(tǒng)應(yīng)用 1. 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一樣可用來對光信號進(jìn)行集中放 大 ， 因此主要用于 EDFA無法放大的波段 。 2. DRA 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)的每個傳輸單元 內(nèi) ， 在 EDFA的輸入端注入反向的喇曼泵 浦 ， 信號將會沿光纖實(shí)現(xiàn)分布式喇曼放大 ， 由于 DRA具有噪

15、聲低 、 增益帶寬與泵浦波 長和功率相關(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)可以同時發(fā)揮兩種光纖放大器的優(yōu)勢 。 7.3.5 光纖喇曼放大器的優(yōu)缺點(diǎn) FRA具有以下優(yōu)點(diǎn) 。 (1) 增益波長由泵浦光波長決定 ， 只 要泵浦源的波長適當(dāng) ， 理論上可以得到任 意波長的信號放大 ， 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?大是沿光纖集中作用而不是集中作用，光 纖中各處的信號光功率都比較小，從而可 降低各種光纖非線性效應(yīng)

16、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 單波長泵浦可實(shí)現(xiàn) 40nm范圍的有效增益； 如果采用多個泵浦源 ， 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)方式可通過優(yōu)化配置泵浦光波長和強(qiáng)度 來實(shí)現(xiàn) 。 (6) 喇曼放大的作用時間為飛秒 (10-15s) 級 ， 可實(shí)現(xiàn)超短脈沖的放大 。 FRA 喇曼光纖放大器所需要的泵浦光功 率高。 作用距離太長，增益系數(shù)偏低。 對偏振敏感。 7.4 其他光放大器 7.4.1 物體內(nèi)部會持續(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

17、 耳是聽不見的 ， 它對通過物質(zhì)的光波會產(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未來最有可能 的用途就是受激布里淵放大器。 7.4.2 半導(dǎo)體光放大器 半導(dǎo)體光放大器 (SOA)是采用與通信 用激光器相類似的工藝制作而成的一種行 波放大器 ， 當(dāng)偏置電流低于振蕩閾值時 ， 激光二極管就能對輸入相干光實(shí)現(xiàn)光放大 作用 。 7.4.3 摻鉺波導(dǎo)光放大器 摻鉺波導(dǎo)放大器 (EDWA)是由嵌入非 晶體摻鉺玻璃基片上的波導(dǎo)組成的 。