光纤通信技术第六章

光放大器光纤通信技术第六章王建萍[e-mail]信息光电子研究所清华大学电子工程系第六章光放大器6.1光放大器概述6.2掺铒光纤放大器EDFA6.3半导体光放大器SOA6.4光纤拉曼放大器FRA6.1光放大器概述光放大器的出现，可视为光纤通信发展史上的重要里程碑。光放大器出现之前，光纤通信的中继器采用光－电－光(O-E-O)变换方式。装置复杂、耗能多、不能同时放大多个波长信道，在WDM系统中复杂性和成本倍增，可实现1R、2R、3R中继光放大器（O-O）多波长放大、低成本，只能实现1R中继光放大器的原理光放大器的功能：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。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。光放大器的类型利用稀土掺杂的光纤放大器（EDFA、PDFA）利用半导体制作的半导体光放大器（SOA）利用光纤非线性效应制作的非线性光纤放大器（FRA、FBA）几种光放大器的比较放大器类型原理激励方式工作长度噪声特性与光纤耦合与光偏振关系稳定性掺稀土光纤放大器粒子数反转光数米到数十米好容易无好半导体光放大器粒子数反转电100m~1mm差很难大差光纤(喇曼)放大器光学非线性(喇曼)效应光数千米好容易大好光放大器的应用线路放大(In-line)：周期性补偿各段光纤损耗功率放大(Boost)：增加入纤功率,延长传输距离前置预放大(Pre-Amplify):提高接收灵敏度局域网的功率放大器：补偿分配损耗，增大网络节点数研究新热点展宽带宽：C-band40nm,L-band再加40nm；均衡功能：针对点对点系统的增益均衡，针对全光网的功率均衡；监控管理功能：在线放大器，全光网路由改变；动态响应特性；其它波段的光纤放大器，如Raman放大器。第六章光放大器6.1光放大器概述6.2掺铒光纤放大器EDFA6.3半导体光放大器SOA6.4光纤拉曼放大器FRA6.2掺铒光纤放大器EDFA掺杂光纤放大器利用掺入石英光纤的稀土离子作为增益介质，在泵浦光的激发下实现光信号的放大，放大器的特性主要由掺杂元素决定。工作波长为1550nm的铒(Er)掺杂光纤放大器(EDFA)工作波长为1300nm的镨(Pr)掺杂光纤放大器(PDFA)工作波长为1400nm的铥(Tm)掺杂光纤放大器(TDFA)目前，EDFA最为成熟，是光纤通信系统必备器件。掺铒光纤放大器给光纤通信领域带来的革命EDFA解决了系统容量提高的最大的限制——光损耗补偿了光纤本身的损耗，使长距离传输成为可能大大增加了功率预算的冗余，系统中引入各种新型光器件成为可能支持了最有效的增加光通信容量的方式-WDM推动了全光网络的研究开发热潮为什么要用掺铒光纤放大器工作频带正处于光纤损耗最低处(1525-1565nm)；频带宽，可以对多路信号同时放大-波分复用；对数据率/格式透明，系统升级成本低；增益高(40dB)、输出功率大(~30dBm)、噪声低(4~5dB)；全光纤结构，与光纤系统兼容；增益与信号偏振态无关，故稳定性好；所需的泵浦功率低(数十毫瓦)。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。Inputsignal1530nm-1570nmAmplifiedoutputsignalPowerlaser(Pump)980nmor1480nmFibercontainingerbiumdopant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。信号光沿光纤长度得到放大，泵浦光沿光纤长度不断衰减。EDFA中的Er3+能级结构泵浦波长可以是520、650、800、980、1480nm波长短于980nm的泵浦效率低，因而通常采用980和1480nm泵浦。铒离子简化能级示意图吸收泵浦光快速非辐射跃迁光放大受激辐射产生噪声自发辐射受激吸收基态能带泵浦能带980nm1480nm亚稳态能带1550nm掺铒光纤放大器的基本结构掺铒光纤：当一定的泵浦光注入到掺铒光纤中时，Er3+从低能级被激发到高能级上，由于在高能级上的寿命很短，很快以非辐射跃迁形式到较低能级上，并在该能级和低能级间形成粒子数反转分布。半导体泵浦二极管：为信号放大提供足够的能量，使物质达到粒子数反转。波分复用耦合器：将信号光和泵浦光合路进入掺铒光纤中。光隔离器：使光传输具有单向性，放大器不受发射光影响，保证稳定工作。三种泵浦方式的EDFALD2WDM2EDFAPCAPCinoutLD1WDM1LDWDMEDFAPCAPCinoutLDWDMEDFAPCAPCinout同向泵浦(前向泵浦)型：好的噪声性能反向泵浦(后向泵浦)型：输出信号功率高双向泵浦型：输出信号功率比单泵浦源高3dB，且放大特性与信号传输方向无关MultistageEDFA由于光纤对1480nm的光损耗较小，所以1480nm泵浦光又常用于遥泵方式。RemotePumpingEDFA的工作特性光放大器的增益放大器的噪声EDFA的多信道放大特性EDFA的大功率化一、光放大器的增益增益G是描述光放大器对信号放大能力的参数。定义为：G与光放大器的泵浦功率、掺杂光纤的参数和输入光信号有很复杂的关系。insoutsPPdBG,,10log10)(输出信号光功率输入信号光功率小信号增益G＝30dB时，增益对输入光功率的典型依存关系输入光功率较小时，G是一常数，即输出光功率PS,OUT与输入光功率PS,IN成正比例。G0光放大器的小信号增益。G0饱和输出功率：放大器增益降至小信号增益一半时的输出功率。3dBPout,sat当PS,IN增大到一定值后，光放大器的增益G开始下降。增益饱和现象。饱和区域增益G与输入光波长的关系增益谱G()：增益G与信号光波长的关系。光放大器的增益谱不平坦。对于给定的放大器长度（EDF长度），增益随泵浦功率在开始时按指数增加，当泵浦功率超过一定值时，增益增加变缓，并趋于一恒定值。小信号增益随泵浦功率而变的曲线小信号增益随放大器长度而变的曲线当泵浦功率一定时，放大器在某一最佳长度时获得最大增益，如果放大器长度超过此值，由于泵浦的消耗，最佳点后的掺铒光纤不能受到足够泵浦，而且要吸收已放大的信号能量，导致增益很快下降。因此，在EDFA设计中，需要在掺铒光纤结构参数的基础上，选择合适的泵浦功率和光纤长度，使放大器工作于最佳状态。二、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Fn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。outinnSNRSNRF)()(AmplifiedSpontaneousEmissionEDFA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：hnGSspsp1自发发射因子或粒子数反转因子122NNNnsp•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；激发态的粒子数基态的粒子数研究发现，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：spspnnGGnF212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器Fn均超过3dB，并可能达到6~8dB。希望放大器的Fn尽可能低。ASE噪声三、EDFA的多信道放大特性EDFA的增益恢复时间g~10ms(SOA的g=0.1~1ns),其增益不能响应调制信号的快速变化，不存在增益调制，四波混频效应也很小，所以在多信道放大中不引入信道间串扰(SOA则不然)，是其能够用于多信道放大的关键所在。EDFA对信道的插入、分出或无光故障等因素引起的输入光功率的变化（较低速变化）能产生响应--瞬态特性。在系统应用中应予以控制--增益钳制。•多信道放大中存在的其它问题：增益平坦增益钳制高的输出功率EDFA的级联特性信道间增益竞争，多级级连使用导致“尖峰效应”15441569典型的EDFA增益谱固有的增益不平坦，增益差随级联放大而积累增大各信道的信噪比差别增大各信道的接收灵敏度不同增益平坦增益谱的形状随信号功率而变，在有信道上、下的动态情况下，失衡情况更加严重BER接收光功率光功率波长光功率波长光发射机光发射机光发射机光发射机N123光接收机光接收机光接收机光接收机EDFA1N321.滤波器均衡：采用透射谱与掺杂光纤增益谱反对称的滤波器使增益平坦,如：薄膜滤波、紫外写入长周期光纤光栅、周期调制的双芯光纤等。只能实现静态增益谱的平坦，在信道功率突变时增益谱仍会发生变化。EDFA+均衡器→合成增益增益平坦/均衡技术(1)2.新型宽谱带掺杂光纤：如掺铒氟化物玻璃光纤（30nm平坦带宽）、铒/铝共掺杂光纤（20nm）等，静态增益谱的平坦，掺杂工艺复杂。3.声光滤波调节：根据各信道功率，反馈控制放大器输出端的多通道声光带阻滤波器，调节各信道输出功率使之均衡，动态均衡需要解复用、光电转换、结构复杂，实用性受限增益平坦/均衡技术(2)4.预失真技术不灵活，传输链路变换后，输入功率也要随之调整增益平坦/均衡技术(3)•EDFA对信道的插入、分出或信道无光故障等因素引起的输入光功率的变化（较低速变化）能产生响应--瞬态特性•瞬态特性使得剩余信道获得过大的增益，并输出过大的功率，而产生非线性，最终导致其传输性能的恶化--需进行自动增益控制•对于级联EDFA系统，瞬态响应时间可短至几~几十s，要求增益控制系统的响应时间相应为几~几十s增益钳制增益钳制技术(1)电控：监测EDFA的输入光功率，根据其大小调整泵浦功率，从而实现增益钳制，是目前最为成熟的方法。LDPumpInOut泵浦控制均衡放大器（电控）EDFA增益钳制技术(2)在系统中附加一波长信道，根据其它信道的功率，改变附加波长的功率，而实现增益钳制。注入激光WDM系统要求EDFA具有足够高的输出功率，以保证各信道获得足够的光功率。方法：多级泵浦221916输出功率（dBm）15401570四、EDFA的大功率化(1)EDFA的大功率化(2)=0.7%=1.3%纤芯内包层外包层用于制作大功率EDFA的双包层光纤结构图芯层：5m内包层：50m芯层(掺铒)，传播信号层(SM)内包层，传播泵浦光(MM)双包层光纤是实现EDFA的重要技术，信号光在中心的纤芯里以单模传播，而泵浦光则在内包层中以多模传输。EDFA的宽带化长波段（L-band）掺铒光纤放大器L波段的造价甚高的原因：低反转水平，需长掺铒光纤，强泵浦，此波段其它光器件价格较高。第六章光放大器6.1光放大器概述6.2掺铒光纤放大器EDFA6.3半导体光放大器SOA6.4光纤拉曼放大器FRA6.3半导体光放大器SOAR1R2I半导体光放大器示意图SOA也是一种重要的光放大器，其结构类似于普通的半导体激光器。•半导体光放大器的放大特性主要决定于激光腔的反射特性与有源层的介质特性。•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：----法布里－珀罗放大器(FP－SOA)----行波放大器(TW－SOA)多峰值、带宽窄，不适合通信系统应用，只可用于一些信号处理。F-P半导体光放大器入射光从左端面进入，通过具有增益