光纤通信原理第七章

1、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 光纤通信系统中的应用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 1.31m波段为0.35dB/km左右，在1.55m 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 史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 光放大器的分类光放大器按原理不同大体上有三

2、 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. 光放大器的增益 (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) 放大器的带宽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) 增益饱和与饱和输出功率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

3、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. 放大器噪声 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) 光纤放大器的噪声来 源 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) 噪声系数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

4、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. 同向泵浦 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 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. 双向泵浦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. 三种泵浦方式比较 (1) 信号输出功率 (2) 噪声特性 图7.5所示表示噪声指数与输出光功 率之间的关系。 (3) 饱和输出特性 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的重要指标 1. EDFA的增益特性增益系数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

5、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的带宽 图7.9所示是掺铒硅光纤的g-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1.55m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-曲线3. EDFA的噪声系数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N有关。 7.2.4 掺铒光纤放大器的系 统应用 1. EDFA用作前置放大器 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用作功率放大器 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用作线路放大器 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在本地网中的应 用 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

6、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34dB，串话也很小。(5) 增益特性不敏感。首先是EDFA增 益对温度不敏感，在100C内增益特性保持 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 容时，可只改动端机而不改动线路。EDFA也有固有的缺点：(1) 波长固定，只能放大1.55m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 长有限，只能换用其他元素；(2) 增益带宽不平坦，在WDM系统中需要采用特殊的

7、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：在玻 璃介质中参与喇曼散射的是光学声子；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；响应时间很短，为瞬态效应；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； 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. 光纤喇曼放大器的增 益 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； ；P为泵浦光在 光纤中的衰减常数。2. 喇曼放大器的带宽增益带宽由泵浦波长决定，选择适当的泵浦

8、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. 噪声指数 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：ASE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. 分立式喇曼放大器的 应用 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

9、。2. DRA传输系统典型结 构 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主要有以下缺点。 喇曼光纤放大器所需要的泵浦光功率高。 作用距离太长，增益系数偏低。 对偏振敏感。7.4 其他光放大器7.4.1 光纤布里渊放大器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；为散射光传播方向和入射光

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