第6章 光通信 之光放大器

第6章光放大器本章内容1光放大器的基础2光放大器3掺杂光纤放大器4拉曼放大器5分布式拉曼放大器1光放大器的基础■光纤的损耗和色散限制了通信距离。■为了满足长距离通信的需要，必须在光纤传输线路上每隔一定距离加入一个中继器，以补偿光信号的衰减和对畸变信号进行整形，然后继续向终端传送。■中继方法：●光电光混合中继器≯结构复杂，价格昂贵且不能用于波分复用系统中。●全光中继器≯对光信号进行直接放大。■传统的光通信系统采用的是光电转换的中继器。■中继器的缺点：≯装置复杂≯体积大≯耗能多■光放大器的优点：≯结构简单≯价格便宜动机：解决电中继设备复杂、维护难、成本高的问题历史：以1989年诞生的掺铒光纤放大器（EDFA）为代表的全光放大技术是光纤通信技术的一次革命。影响：光放大器最重要的意义在于促使波分复用技术（WDM）走向实用化，促进了光接入网的实用化。2光放大器的种类半导体光放大器：谐振式：法布里-泊罗型FPA行波式：TWA光纤放大器：掺稀土元素光纤放大器：1.55um光纤放大器-如，掺饵光纤放大器1.31um光纤放大器-如，掺镨光纤放大器光纤非线性放大器：拉曼光纤放大器—分布式和分立式拉曼放大器布里渊光纤放大器■半导体激光放大器●法布里-珀罗半导体激光放大器（FPA）●行波放大器（TWA）：半导体激光器芯片两端镀上增透膜●利用能级间跃迁的受激现象进行放大的。类似于半导体激光器的工作原理■非线性光纤放大器●利用光纤中的非线性效应，受激拉曼散射（SRS）和受激布里渊散射（SBS）。●需要对光纤注入泵浦光，泵浦光能量通过SRS或SBS传送到信号上，同时部分能量转换成分子震动（SRS）或声子（SBS）。■掺杂光纤放大器●利用掺杂离子在泵浦光作用下形成粒子数反转分布，当有入射光信号通过时实现对入射光信号的放大作用。●优点：≯掺铒与掺镨光纤放大器具有增益高、噪声低、频带宽、输出功率高等优点，具有广泛的应用前景。半导体激光放大器与光纤放大器的比较半导体激光放大器：≯优点：单程增益高，小型化，容易与其他半导体器件集成≯缺点：性能与光偏振方向有关；器件与光纤的耦合损耗大。光纤放大器：实质是把工作物质制作成光纤形状的固体激光器性能与光偏振方向无关，器件与光纤的耦合损耗很小，因而得到广泛应用。3掺铒光纤放大器■掺铒光纤放大器的特点掺铒光纤放大器(EDFA)是将铒离子注入到纤芯中，形成了一种特殊光纤，它在泵浦光的作用下可直接对某一波长的光信号进行放大。高增益、高输出、宽频带、低噪声、增益特性与偏振无关等。EDFA的基本结构■EDFA主要是由掺铒光纤(EDF)、泵浦光源、光耦合器、光隔离器以及光滤波器等组成。其中:•光耦合器是将输入光信号和泵浦光源输出的光波混合起来的无源光器件。•光隔离器是防止反射光影响光放大器的工作稳定性，保证光信号只能正向传输的器件。EDFA的基本应用形式EDFA工作在1550nm窗口已商用的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。掺铒光纤放大器(EDFA)+密集波分复用(WDM)+非零色散光纤(NZ-DSF)+光子集成(PIC)成为国际上长途高速光纤通信线路的主要技术方向。具体的应用形式有以下四种■线路放大—周期性补偿各段光纤损耗；用于不需要光再生，只需要简单放大的场合■功率放大—增加入纤功率，延长传输距离，补偿插入损耗和功率分配损耗■前置放大—用于提高接收灵敏度■局域网放大—补偿分配损耗，增大网络节点数能量跃迁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，Er离子很快返回到能级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Er离子将跃迁到基态（2-1），产生受激辐射光，因而信号光得到放大。这种放大是由泵浦光的能量装换成信号光的能量的结果。EDFA的优点：(1)工作波长与光纤的最小损耗窗口一致(2)耦合效率高(3)能量装换效率高(4)增益高、噪声低(5)增益特性不敏感(6)可实现信号的透明传输EDFA固有的缺点：（1）波长固定（2）增益带宽不平坦4光纤拉曼放大器■光纤拉曼放大器的工作原理•光纤拉曼放大器(FiberRamanAmplifier，FRA)是利用光纤的受激拉曼散射效应制成的。拉曼散射效应•物质内部的分子无时无刻都在振动着，但它们只能在某几个固定的频率上振动，这些频率叫拉曼频率，不同的振动频率对应于不同的分子能量。•当外界光照射时，外来光子能与振动分子发生能量交换，这时在入射光光谱线(称为母线)两边出现一些强度很弱的新谱线，这种效应称为拉曼散射效应。•这些新出现的谱线叫伴线，其中比母线波长长的叫斯托克斯(Strokes)线，比母线波长短的叫反斯托克斯线。它们两个与母线波长的间隔相等，其值等于相应的分子振动频率，约十几个THz。FRA的种类光纤放大器可分为:•分立式拉曼放大器•分布式拉曼放大器采用DRA+EDFA的WDM传输系统拉曼放大器的特点●可制作超带宽光纤放大器1300nm-1700nm整个波段●实现长距离的无中继传输和远程泵浦适合超长距离WDM系统●噪声指数低与EDFA混用，增加传输距离拉曼放大器的特性■受激拉曼放大与偏振相关●同偏振：信号光与泵浦光的偏振方向一致，获得最大增益●正交偏振：两个偏振垂直，增益很小■实际是，两偏振方向基本上是随机的，所以整个拉曼放大器的增益系数是同偏振时的增益与正交时增益之和的二分之一。5分布式拉曼放大器DRA■工作原理基于光纤的非线性效应和受激拉曼散射，够强的光波在线路光纤中传递时能够向其他波长段发生能量平移。■拉曼放大器类型比较≯集总式拉曼≯分布式拉曼■出于成本、安全性、设计难度等考虑，一般的光纤通信系统均采用分布式拉曼放大器（DRA）。DRA的特点■优点：噪声指数低降低发送端光功率全波段放大器增益平坦■缺点:泵浦转化效率低需要W级高功率泵浦很强的正交依赖性■应用:反向和正交应用与EDFA混用工程应用几种光放大器的比较