光纤通信(朱宗玖)第六章

第六章光中继器和光放大器6.1光中继器6.2光放大器概述6.3掺铒光纤放大器6.4其他光放大器6.1光中继器光中继器的功能是补偿光的衰减，对失真的脉冲信号进行整形。光中继器有多种，其中一种称为3R中继器，它由光检测器与前置放大器、主放大器、判决再生电路、光源与驱动电路等组成，其基本功能是均衡放大、识别再生和再定时。经再生后的输出脉冲，完全消除了附加的噪声和畸变，即使在由多个中继站组成的系统中，噪声和畸变也不会积累，这就是数字通信作长距离通信时最突出的优点。图6.1是数字光中继器的方框图。6.2光放大器概述6.2.1光放大器的分类根据放大机制不同，光纤放大器可分为掺稀土光纤放大器和非线性光纤放大器两大类。掺稀土光纤放大器是在制作光纤时，采用特殊工艺，在光纤芯层沉积中掺入极小浓度的稀土元素，如铒、镨或铷等离子，可制作出相应的掺铒、掺镨或掺铷光纤。这种光纤放大器实质上是一种特殊的激光器，它的工作腔是一段掺稀土粒子光纤，泵浦光源一般采用半导体激光器。当前光纤通信系统工作在两个低损耗窗口：1.55μm波段和1.31μm波段。选择不同的掺杂元素，可使放大器工作在不同窗口。1.掺铒光纤放大器掺铒光纤放大器(EDFA)工作在1.55μm窗口的损耗系数较1.31μm窗口的低，仅0.2dB/km。已商用的EDFA噪声低、增益曲线好、放大器带宽大，与波分复用(WDM)系统兼容，泵浦效率高，工作性能稳定，技术成熟，在现代长途高速光通信系统中备受青睐。2.掺镨光纤放大器掺镨光纤放大器(PDFA)工作在1.31μm波段，已敷设的光纤90%都工作在这一窗口。PDFA对现有通信线路的升级和扩容有重要的意义。目前已经研制出低噪声、高增益的PDFA，但是，它的泵浦效率不高，工作性能不稳定，增益对温度敏感，离实用还有一段距离。3.非线性OFA非线性OFA是利用光纤的非线性实现对信号光放大的一种激光放大器。当光纤中光功率密度达到一定阈值时，将产生受激拉曼散射(SRS)或受激布里渊散射(SBS)，形成对信号光的相干放大。非线性OFA可相应分为拉曼光纤放大器(RFA)和布里渊光纤放大器(BFA)。4.半导体激光放大器其结构大体上与激光二极管相同。如果在法布里－珀罗腔两个端面镀反射率合适的介质膜就形成了F-P型LD光放大，又叫驻波型光放大；如果在两端面根本不镀介质膜或者增透膜则形成行波型光放大。半导体激光器指的是前者，而半导体光放大器指的是后者。6.2.2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-NoiseRatio，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(AmplifiedSpontaneousEmission，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。6.3掺铒光纤放大器6.3.1图6.2示出掺铒光纤放大器(EDFA)的工作原理，说明了光信号为什么会放大的原因。从图6.2(a)可以看到，在掺铒光纤(EDF)中，铒离子(Er3+)有三个能级：其中能级1代表基态，能量最低；能级2是亚稳态，处于中间能级；能级3代表激发态，能量最高。当泵浦光的光子能量等于能级3和能级1的能量差时，铒离子吸收泵浦光从基态跃迁到激发态(1-3)，但是激发态是不稳定的，Er3+很快返回到能级2。如果输入的信号光的光子能量等于能级2和能级1的能量差，则处于能级2的Er3+将跃迁到基态，产生受激辐射光，因而信号光得到放大。由此可见，这种放大是由于泵浦光的能量转换为信号光的结果。为提高放大器增益，应提高对泵浦光的吸收，使基态Er3+尽可能跃迁到激发态，图6.2(b)示出EDFA增益和吸收频谱。6.3.2掺铒光钎放大器的构成和特性图6.4为光纤放大器构成原理图。1.掺铒光纤放大器的泵浦方式泵浦激光器为光放大器源源不断地提供能量，在放大过程中将能量转换为信号光的能量，目前商用化的光放大器一般都采用如下3种泵浦方式：同向泵浦、反向泵浦、双向泵浦。(1)同向泵浦同向泵浦的结构如图6.6所示。在这种方案中，泵浦光与信号光从同一端注入掺铒光纤，在掺铒光纤的输入端，泵浦光较强，其增益系数大，信号一进入光纤即得到较强的放大。同向泵浦的优点是构成简单、噪声性能较好。(2)反向泵浦反向泵浦也称后向泵浦，其结构框图如图6.7所示。泵浦光与信号光从不同的方向输入掺铒光纤，两者在光纤中反向传输，其优点是：当光信号放大到很强时，泵浦光也强，不易达到饱和，因而具有较高的输出功率。(3)双向泵浦为了使EDFA中铒粒子得到充分激励，必须提高泵浦功率，可用2个泵浦源激励掺铒光纤。双向泵浦方案的结构框图如图6.8所示。这种方式结合了同向泵浦和反向泵浦的优点，使泵浦光在光纤中均匀分布，从而使其增益在光纤中也均匀分布。(3)三种泵浦方式的比较①信号输出功率②噪声特性③饱和输出特性2.掺铒光纤放大器的优点(1)工作波长处在1.53~1.56um范围，与光纤最小损耗窗口一致；(2)所需的泵浦源功率低，仅需几十毫瓦，而拉曼放大器需要0.5~1W的泵浦源进行激励；(3)增益高，噪声低，输出功率大；(4)连接损耗低，因为是光纤放大器，因此与光纤连接比较容易，连接损耗可低至0.1dB。3.掺铒光纤放大器的应用(1)应用形式EDFA的应用，归纳起来可以分为三种形式，如图6.12所示。①中继放大器(LA：LineAmplifier)。在光纤线路上每隔一定距离设置一个光纤放大器，以延长干线网的传输距离。作为中继放大器时EDFA有中继距离长、可用作数字、模拟以及相干光通信的线路放大器、可传输不同的码率、可同时传输若干个波长的光信号等特点。②前置放大器(PA：Preamplifier)。此放大器置于光接收机前面，放大非常微弱的光信号，以改善接收灵敏度。作为前置放大器，对噪声要求非常苛刻。③后置放大器(BA：BoosterAmplifier)。此放大器置于光发射机后面，以提高发射光功率，对后置放大器噪声要求不高，而饱和输出光功率是主要参数。(2)EDFA对传输系统的影响①非线性问题。解决的方法有：减少光纤的非线性系数；提高SBS的功率阈值。②光浪涌问题。解决的方法是在系统中加入光浪涌保护装置，即控制EDFA泵浦功率来消除光浪涌。③色散问题。解决的方法是通过在光纤线路上增加色散补偿光纤(DCF)抵消原光纤的正色散，实现长距离的传输。6.4其他光放大器6.4.1掺镨光纤放大器掺镨光纤放大器(PDFA)是工作于1300nm波长的、以掺镨光纤作为增益介质的、以1017nm附近波长的激光器作为泵浦光源的一种光纤放大器，PDFA的特性主要取决于掺镨光纤的吸收和发射特性，即光谱特性，而其光谱特性则取决于镨离子(Pr3+)的能级结构。1.掺镨光纤的能级结构掺镨光纤采用氟玻璃作为基质材料,这种掺杂光纤的能级结构如图6.13所示，这是一种准四能级系统，1G4、1D2和3P0的能级寿命为110、350和58μs,泵浦光子的基态吸收(GSA)发生在3H4能级和1G4能级之间，同时泵浦光子在1G4～3P0能级间及1G4～1D2间产生激发态吸收(ESA)以及在亚稳能级1G4和基态3H4能级间产生受激辐射(1050nm附近很强的ASE)。信号光子被1G4～3H5产生的1310nm的受激辐射光放大，信号光子同时被3H4～3F4GSA和1G4～1D2ESA吸收。另外,由于1G4～3H5能级之间的能量差与1G4～1D2能级之间的能量差是相互匹配的，因而在(1G4～1D2)与(1G4～3H5)能级之间产生交互变换跃迁的效应，这种效应会使亚稳能级1G4上的粒子数减少，从而使增益特性变差。泵浦光子因激发态吸收而跃迁到3P0能级及1D2能级的粒子后发生迟豫跃迁而转移到1G4上，其泵浦分路系数分别为B64=2%和B54=9%。2.掺镨光纤的光谱特性掺镨光纤的光谱特性如图6.14所示:σ14为泵浦吸收截面，由图6.14可以看出泵浦带较宽，中心波长在1015nm处；σ41为自发辐射截面，峰值波长在1050nm附近；σ42为发射截面，中心波长在1310nm处，提供信号光的放大；σ45为激发态吸收(ESA)截面，产生了一个峰值在1380nm附近的激发态吸收带，其短波长延伸至1290nm，因而能将波长大于1290nm的信号吸收，限制了放大器的性能；σ13为基态吸收(GSA)截面，其峰值波长为1440nm。从图6.14可以看出放大器的长波长部分性能会受到σ13和σ45的影响。3.掺镨光纤放大器的结构目前商用化PDFA常采用的结构如图6.15所示:(1)泵浦源实验结果表明，PDFA的峰值泵浦波长在1017nm附近，但整个-3dB增益的泵浦带宽很宽，鉴于PDFA的泵浦激光器的功率是EDFA的激光器功率的数倍，工作电流比较大，因而泵浦激光器的高可靠性是关键技术，同时APC、ATC电路也有控制难度。(2)掺镨光纤掺镨光纤的增益系数比掺铒光纤的增益系数小得多，对于掺镨光纤的优化除了使用声子能量很低的玻璃基质外，另一种较实用的方案是优化PDF的参数，通常采用的是优化芯径的掺镨浓度。此外，提高光纤的数值孔径、减小PDF的散射损耗也可以显著提高增益系数。(3)掺镨光纤与普通光纤的连接技术PDF的数值孔径很大、芯径较细，而普通光耦合器与光隔离器用的单模光纤的数值孔径很小、芯径较粗，而且两种光纤的成分不同，因而直接熔接时损耗较大，目前采用特殊的V—groove连接技术和TEC熔接技术可将PDF与普通光纤的连接损耗降低到0.3dB以下。6.4.2半导体光放大器(SOA)1.SOA的放大原理(1)SOA的工作原理利用受激辐射来实现对入射光功率的放大,SOA的基本工作原理如图6.16所示(2)SOASOA有两种主要结构，即法布里－珀罗放大器(FPA)和非谐振的行波放大器(TWA)。①在FPA中，形成PN结有源区的晶体的两个解理面作为法布里－珀罗腔的部分反射镜，其自然反射率达到32%。当光信号进入腔内后，它在两个端面来回反射并得到放大，直至以较高的功率发射出去。②TWA的结构与FPA的基本相同，但两个端面上镀的是增透膜，习惯称为防反射膜或涂层AR。镀防反射层的目的是为了减少SOA与光纤之间的耦合损耗，因此有源区不会发生内反射，但只要注入的电流在阈值以上，在腔内仍可获得增益，入射光信号只需通过一次TWA就会得到放大。TWA的功率输出高，对偏振的灵敏度低，光带宽宽，因而它比FPA使用更广。(3)SOA①与偏振无关，因此需要保偏光纤；②具有可靠的高增益(20dB)；③输出饱和功率范围是5~10dBm；④具有大的带宽；⑤工作在0.85、1.30、1.55μs波长范围；⑥小型化的半导体器件易于和其他器件集成；⑦几个SOA可以集成为一个阵列。2.SOA的性能与应用SOA的应用主要集中在以下几个方面。①光信号放大器②光电集成器件③光开关④全光波长变换器6.4.3拉曼光纤放大器拉曼光纤放大器的工作原理拉曼光纤放大器的工作原理基于石英光纤中的非线性效应-受激拉曼散射(SRS)。在一些非线性光学介质中，高能量(波长短,频率高)的泵浦光散射，将一小部分入射功率转移到另一频率下移的光束，频率下移量由介质的振动模式决定，此过程称为受激拉曼散射效应。拉曼光纤放大器有两种类型：一种为集总式拉曼光纤放大器，所用的增益