第6章光放大器.ppt

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1、第6章 光放大器,6.1 引言 6.2 掺铒光纤放大器EDFA 6.3 受激拉曼光纤放大器SRA 6.4 受激布里渊光纤放大器SBA 6.5 其他光纤放大器 6.6 半导体光放大器SOA,6.7 光放大器的应用 6.8 光纤激光器 6.9 光波长变换器,6.1 引 言,在光放大器研制成功之前， 主要采用光电混合中继器（或称再生器）放大光信号。 首先将光纤中送来的光信号转换为电信号， 然后对电信号进行放大， 最后再将放大了的电信号转换为光信号送到光纤中去， 如图6.1所示。,根据不同的要求， 可将再生器分为三种类型: 只有放大和均衡功能的1R再生器， 用于模拟信号的传输; 2R再生器， 即在1R

2、的基础上加上数字信号处理(如整形(Reshaping)的再生器； 3R再生器， 即在2R的基础上再增加重新定时与判决功能（Retiming）的再生器。 它们的功能如图6.2所示。,图6.1 传统的中继器原理框图,图6.2 三种再生器的功能,尽管这种方式对于单个波长且数据速率不太高的通信很适用， 但对于高速率的多个波长系统显然是相当复杂的， 每一波长就需一个再生器， 如有N个波长就需要N个这样的再生器， 造价是相当高的。 另一方面， 对于很高的数据速率， 电放大器的实现难度很大。 因此， 人们试图对光信号直接放大， 如果这种放大的带宽较宽， 则可以同时对多个波长进行放大， 因而只需一个放大器即可

3、。 人们经过很大的努力， 终于研制成功了全光放大器， 它可同时对多个波长进行放大。 光放大器从功能上来看属于1R再生器。,6.2 掺铒光纤放大器EDFA,光纤放大器是提升衰减的光信号， 延长光纤的传输距离的关键器件。 光纤放大器的主要特性如下： (1) 增益: 是输出光功率与输入光功率的比值（以dB为单位）。 (2) 增益效率: 是增益对输入光功率的函数。 (3) 增益带宽: 是放大器放大信号的有效频率范围。,(4) 增益饱和: 一般情况下输入信号应该足够大， 以便能引起放大器的饱和增益。 饱和时的增益随信号功率增加而减小。 (5) 增益波动: 是增益带宽内的增益变化范围（以 dB为单位）。

4、(6) 噪声: 与放大光信号有关的噪声包括两个方面： 光场噪声和强度/光电流噪声。 光场噪声指由光谱分析仪（OSA）测量出的光噪声谱， 如光放大器中输出的ASE(放大的自发辐射)噪声是这种噪声的主要部分。,强度/光电流噪声是指与光束相联系的功率或光电流的波动， 这种噪声的谱宽典型值可达几十 GHz。 常见的强度噪声类型有: 散粒噪声； 信号与自发辐射差拍噪声(简称SI-SP噪声)； 自发辐射与自发辐射差拍噪声(简称SP-SP噪声)等。,6.2.1 EDFA的放大原理 铒(Er)是一种稀土元素， 在制造光纤过程中， 设法向其掺入一定量的三价铒离子， 便形成了掺铒光纤（EDF）。 除了所掺的铒以外

5、， 这种光纤的构造与通信中单模光纤的构造一样， 如图6.3所示。 铒离子位于EDF的纤芯中央地带， 将铒离子放在这里有利于其最大地吸收泵浦和信号能量， 从而产生好的放大效果。,环绕在纤芯外的折射率较低的玻璃包层则完善了波导结构并提供了抗机械强度的特性， 保护层的加入则将光纤总直径增大到 250 m。 由于它的折射率较包层而言有所增加， 因而它可将任何不希望在其包层中传播的光转移掉。,图6.3 掺铒光纤芯层的几何模型,图6.4 铒的能级图,铒的能级图如图6.4所示。 其发光原理可用三能级系统来解释， 基态为4I15/2， 激发态为4I13/2， 4I11/2。 在泵浦光的激励下， 4I11/2能

6、级上的粒子数不断增加， 又由于其上的粒子不稳定， 很快跃迁到亚稳态4I13/2能级， 从而实现了粒子数反转。,当具有1550 nm波长的光信号通过这段掺铒光纤时， 亚稳态的粒子以受激辐射的形式跃迁到基态， 并产生出和入射光信号中的光子一模一样的光子， 从而大大增加了信号光中的光子数量， 即实现了信号光在掺铒光纤的传输过程中不断被放大的功能， 掺铒光纤放大器也由此得名。,在铒粒子受激辐射的过程中， 有少部分粒子以自发辐射形式自己跃迁到基态， 产生带宽极宽且杂乱无章的光子， 并在传播中不断地得到放大， 从而形成了自发辐射放大ASE(Amplified Spontaneous Emission)噪声

7、， 并消耗了部分泵浦功率， 因此， 需增设光滤波器以降低ASE噪声对系统的影响。 目前， 由于980 nm和1480 nm的泵浦效率高于其他波长的泵浦效率， 因此它们得到了广泛的应用， 并已完全商用化。,6.2.2 EDFA的组成结构 图6.5显示了EDFA的基本组成， 包括： 泵浦激光、 波分复用(WDM)耦合器、 光隔离器和掺铒光纤（EDF）。 这些基本组件可以组成许多不同拓扑结构的放大器。 为了获得增益， 光能必须注入掺铒光纤中， 我们把这种能量称为泵浦， 它以980 nm或1480 nm的波长传送光能。 泵浦的功率典型范围是10400 mW。 WDM合波/分波器能有效地将信号光和泵浦光

8、耦合进/出掺铒光纤。,图6.5 EDFA的基本组成,光隔离器将系统所产生的任何反射回放大器的光减小到一个可接受的水平。 如果没有光隔离器， 光反射将降低放大器的增益并附加噪声， 如图6.5所示。 EDFA常用的结构有三种， 即同向泵浦、 反向泵浦和双向泵浦。,(1) 同向泵浦是一种信号光与泵浦光以同一方向从掺铒光纤的输入端注入的结构， 也称为前向泵浦。 (2) 反向泵浦是一种信号光与泵浦光从两个不同方向注入掺铒光纤的结构， 也称为后向泵浦。 （3） 双向泵浦是同向泵浦与反向泵浦结合的方式， 它们的原理框图分别示于图6.6（a）、 (b)、 (c)。,图6.6 EDFA的三种结构,EDFA有如下

9、优点： （1） 转移效率高， 从泵浦源吸收的光功率转移到被放大的光信号上的功率效率大于50%。 （2） 放大的谱宽与目前WDM系统的光谱范围一致， 适合于WDM光纤通信。 （3） 具有较高的饱和输出光功率， 为1 mW(1025 dBm)。 （4） 动态范围大。,（5） 噪声指数小（48 dB）。 （6） 与光纤的耦合损耗小（1 dB）。 （7） 增益稳定性好， 因为与偏振无关， 导致了良好的稳定性。 （8） 增益时间常数较大。 当然， EDFA也存在ASE噪声、 串扰、 增益饱和等问题。,6.2.3 EDFA的增益与带宽 增益特性代表了放大器的放大能力， 其定义为输出功率与输入功率之比。 E

10、DFA的增益通常为1540 dB。 增益大小与多种因素如光纤中的掺铒浓度、 泵浦光功率、 光纤长度、 泵浦光的波长等因素有关联。 当铒的浓度超过一定值时， 增益反而降低， 其原因是存在增益饱和效应， 过量铒会产生聚合， 引起反转浓度减少， 因此要控制好铒的掺入量。 泵浦功率小时输出光功率增加很快， 随着泵浦功率增加， 放大器增益出现饱和， 即泵浦功率增加很多， 而增益基本保持不变， 此时放大器的增益效率将随着泵浦功率的增加而下降。,开始时增益随掺铒光纤长度的增加而上升， 但当光纤超过了一定长度后， 增益反而逐渐下降， 因此存在着一个可获得最佳增益的最佳长度， 但应注意， 这一长度只能是最大增益

11、长度， 而不是掺铒光纤的最佳长度， 因为还涉及到其他特性(如噪声特性等)。 另外， 增益还与泵浦条件(包括泵浦功率和泵浦波长)有关， 目前采用的主要泵浦波长是980 nm和1480 nm。,6.2.4 EDFA的噪声类型 1. 放大的自发辐射(ASE) 光放大器的激活介质所产生的噪声主要是由放大的自发辐射(ASE)而引起的。 这个现象的物理过程是： 绝大多数受激载流子因受激辐射而被迫落到较低的能带上， 但它们中一部分是自发辐射落到较低的能带上的, 当它们衰变时， 这些载流子自发地辐射光子; 自发辐射的光子落在与信号光相同的频率范围内， 但它们在相位和方向上是随机的;,那些与信号同方向的自发辐射

12、光子被激活介质放大, 这些由自发辐射产生并经放大了的光子组成放大的自发辐射(ASE), 因为它们在相位上是随机的， 它们对于信号光没有贡献而产生了信号带宽内的噪声。 没有外部激发所产生的自发辐射依赖于较高和较低能级上相对的粒子数， 这很容易理解。 自发辐射因子即粒子数反转因子(nsp)可以定义为,其中， N2和N1分别是高低能级上的粒子数。 当高能级粒子数大大多于低能级粒子数时， 则意味着N2(N2-N1)近似为1， 自发辐射因子达到其最小值。 在这种情况下， 我们将会有一个理想的放大器， 但这种情况从来不会得到， 所以实际nsp的范围典型值是1.44.0。 自发辐射因子越大， 光放大器所产生

13、的放大的自发辐射的功率也越大。 这里要记住的是， 光放大器的自发辐射产生在与信号放大相同的波带(频带)里。 这就是自发辐射是增加被放大信号噪声的主要原因。,放大的自发辐射的平均总功率PASE满足下式：,(6.1),其中， hf是光子的能量， G是放大器增益， B是放大器的光带宽。 这个公式清楚地表达了这样一种思想： 用nsp定量表示的自发辐射越大， 放大的自发辐射(ASE)也越大。,2. EDFA的噪声 EDFA的噪声主要有四种： 信号光的散粒噪声； 被放大的自发辐射(ASE)； ASE光谱与信号光之间的差拍噪声(指的是信号和ASE经光检测器输出的光生电流表达式中的交叉项)； ASE光谱间的差

14、拍噪声(指的是ASE的二次项)。 以上四种噪声中， 后两种影响最大， 尤其是第三种噪声是决定EDFA性能的重要因素。 EDFA噪声特性可用噪声系数来度量， 其定义为EDFA的输入信噪比与输出信噪比的比值， 它与同向传播的ASE频谱密度和放大器增益密切相关。,经理论分析表明， 在EDFA的开始部分, 信号光功率增加得越快， 即粒子数反转程度越高， 则EDFA输出端ASE就越小， 相应的噪声系数也较小。 目前市场上销售的EDFA一般可达30 dB以上的增益, 噪声系数一般为45 dB。 EDFA的输出功率一般为1017 dBm， 在1550 nm的波长处， 窗口增益带宽为2040 dB， 所以ED

15、FA广泛应用于多信道传输系统。,6.3 受激拉曼光纤放大器SRA,6.3.1 SRA的放大原理 拉曼效应是在光纤介质中传输高功率信号时发生的非线性相互作用， 它是由介质的分子激励(声子)所诱发的非弹性光子散射。 光与声子相互作用导致斯托克斯(Stokes)线的频移(与信号光频不同)， 适当地选择光纤介质和泵浦频率， 可以将Stokes线调谐到被放大信号的频率上。,受激拉曼散射(SRS)过程可以看成是物质分子对光子的散射过程， 或者说光（光子）与物质（分子）的相互谐振作用过程。 SRS的基本过程是激光束进入介质以后， 光子被介质吸收，使介质分子由基能级E1激发到高能级E3, E3E1p。 这里，

16、H =h2(h是普朗克常量)， p是入射光角频率。 但高能级是一个不稳定状态， 它将很快跃迁到一个较低的亚稳态能级E2并发射一个散射光子， 其角频率为s, 且sp， 然后驰豫回到基态， 并产生一个能量为的光学声子。 光学声子的角频率由分子的谐振频率决定。 这个非弹性散射过程前后总的能量是守恒的， 即,散射光称为斯托克斯(Stokes)光， 其角频率为s。 这个过程如图6.7(b)所示， 这是一个基本的斯托克斯散射过程。,（6.2）,实际上还可能存在另一个散射过程， 如果少数分子在吸收光子能量以前已处在激发态E2， 则它吸收光子能量以后将被激发到一个更高的能级E4上， 这个分子从E4跃迁直接回到

17、基能级E1， 将发射一个所谓反斯托克斯(AntiStokes)光子(如图6.7(c)所示)， 则反斯克托斯光的角频率as为 as=p+ （6.3）,图6.7给出了SRA的原理性结构示意。 频率为p和as的泵浦光和信号光通过WDM合波器输入至光纤， 当这两束光在光纤中一起传输时， 泵浦光的能量通过SRS效应转移给信号光， 使信号光得到放大。 泵浦光和信号光亦可分别在光纤的两端输入， 在反向传输过程中同样能实现弱信号的放大。,图6.7 SRA的原理性结构示意,乍看SRA的工作原理与其他光放大器没有多大差别， 都是靠转移泵浦能量实现放大的， 实际上是有很大不同的。 SOA用电泵浦， 需要粒子数反转;

18、 SRA是靠非谐振、 非线性散射实现放大功能的， 不需要能级间粒子数反转。 SRA是靠非线性介质的受激散射， 一个入射泵浦光子通过非弹性散射转移其部分能量， 产生另一个低能和低频光子， 称为斯托克斯频移光， 而剩余的能量被介质以分子振动(光学声子)的形式吸收， 完成振动态之间的跃迁。,斯托克斯频移pas， 它在SRS过程中起着重要作用。 由分子振动能级确定， 其值决定了产生SRS的频率范围。 对非晶态石英光纤， 其分子振动能级融合在一起， 形成了一条能带， 因此可在较宽的频差（pas）范围（40 THz）内通过SRS效应实现信号的光放大。,SRA最显著的优点是： 它能够提供整个波段的光放大。

19、通过适当改变泵浦激光器的光波波长就可以得到在任意波段进行光放大的宽带放大器， 甚至可在12791670 nm整个波段内提供放大。 目前， SRA已在以下三个波段取得了成功: （1） 1300 nm波段。 （2） 1400 nm波段。 （3） 1550 nm波段。,拉曼光纤放大器的主要问题在于所需泵浦的种类， 其次是如何使放大器本身作为一个谐振腔来获得高数量级的拉曼效应。 目前， 拉曼光纤放大器的小信号增益为30 dB， 饱和输出功率为+25 dBm， 特别适于作光功率放大级。,6.3.2 SRA的性能与应用 光纤拉曼放大器有两种类型的应用， 一种称为集中式SRA， 另一种称为分布式SRA。 (

20、1) 集中式SRA： 主要作为高增益、 高功率放大， 其长度约为12 km， 泵浦功率为12 W， 可提供30 dB的增益和接近泵浦功率大小的输出功率， 放大光信号的波长由泵浦采用的波长决定。通常用1.06 m或1.32 m的Nd：YAG激光器作为泵浦源，放大1.12 m和1.40 m的光信号。 如果采用高阶斯托克斯线作为泵浦， 由1.06 m激光器产生的三阶斯托克斯线可泵浦放大1.3 m的信号。,(2) 分布式SRA： 主要作为光纤传输系统中传输光纤损耗的分布式补偿放大， 实现光纤通信系统光信号的透明传输， 即增益与损耗相等， 输出功率与输入功率相等。 分布式SRA主要在1.3 m和1.5

21、m光纤通信系统中用作多路信号和高速超短光脉冲信号耗的补偿放大， 亦可作为光接收机的前置放大器。 当用作损耗补偿放大时， 光纤既是增益介质，又是传输介质， 光纤既存在损耗， 又产生增益， 增益补偿损耗， 实现净增益为零的无损透明传输。 鉴于这种应用特点， 在1.5 m光纤通信系统中，,均采用泵浦效率比较低的 1.48 m 半导体激光器作为泵浦光源， 其典型值为几毫瓦至十几毫瓦， 通常传输距离可达几十至一百千米。 为了实现长距离通信， 每经几十千米后需再注入泵浦功率， 构成分布式级联光纤拉曼放大。 采用这种方案， 贝尔实验室用SRA补偿光孤子脉冲的传输损耗， 实验结果是： 采用环路试验系统， 每隔

22、41.7 km重复注入泵浦功率， 使55 ps的光孤子脉冲稳定传输了6000 km。,6.4 受激布里渊光纤放大器SBA,6.4.1 SBA的放大原理 当一个窄线宽、 高功率信号沿光纤传输时， 将产生一个与输入光信号同向的声波， 此声波波长为光波长的一半， 且以声速传输。 理解非线性布里渊效应的一个简单方法是将此声波想像为一个把入射光反射回去的移动布拉格光栅， 由于光栅向前移动， 因此反射光经多普勒频移后变为一个较低的频率值， 图6.8显示了这个效应。,对于工作于1.55 m的二氧化硅光纤， 布里渊频偏约为11 GHz， 且决定于光纤中的声速， 反射光线宽取决于声波的损耗， 它可在几十至几百兆

23、赫兹的范围内变动。,图6.8 布里渊散射效应,SBA利用强激光与光纤中的弹性声波场相互作用产生的后向散射光来实现对光信号的放大。 其主要特点是高增益、 低噪声、 窄带宽， 因而可以形成分布式放大， 用作光滤波器。 SBA可以应用于：,（1） 高增益、 低噪声的光前置放大器， 可提高接收机的灵敏度。 （2） 多通道的相干光通信（第6章介绍）， 能有选择性地放大光载波， 抑制调制产生的边频， 这样放大后的光载波可以用作本振光， 实现零差检测。 （3） 多通道光选择器， 如SCM（副载波调制）、 WDM光纤通信系统。,6.4.2 SBA的性能与应用 SBA是一种高增益、 低功率输出、 窄带宽放大器。

24、 高增益、 低功率输出特性使其可用作接收机的前置放大器， 提高接收机的灵敏度。 但是由于室温下高的声学声子数， 使SBA的噪声指数过大（15 dB）， 因此这种应用受到限制。,SBA的窄带宽放大特性， 使其能放大信号的比特率比较低， 一般小于100 Mbs。 所以， 在一般光波通信系统中， SBA的应用价值并不大。 但SBA的窄带放大特性可作为一种选频放大器， 在相干和多信道光波通信系统中有一定用处。例如在相干通信系统中， 可用 SBA有选择性地放大光载波而不放大调制边带， 利用放大后的光载波作为本振光， 实现零差检测。 若采用这种方案， 对一个80 Mbs的比特流进行放大， 则载波得到的放大

25、量比调制边带高 30 dB。,在多信道通信系统中， 可在接收端注入一泵浦光， 与多信道光信号的传播方向相反， 通过调节泵浦频率就可选择不同信道的信号进行放大。 但是由于其窄带特性， 一般每信道的比特率亦限制在100 Mbs以内。 在实际的多信道通信系统中， SBS过程通常要限制信道间隔和通道数， 同时限制信号功率和通信距离， 因此通常应设法降低这种影响。,6.5 其他光纤放大器,1. 掺镨光纤放大器（PDFA） EDFA光纤放大器只能对1550 nm波段的光信号进行放大， 为了能对1310 nm波段的光信号进行放大， 人们在光纤中掺入镨。 PDFA具有高的增益（约30 dB）和高的饱和功率（2

26、0 dBm）， 适用于EDFA不能放大的光波波段， 对现有的光纤线路的升级和扩容有重要的意义。,PDFA需采用氟化物光纤（常规通信光纤主要是玻璃光纤）， 泵浦光源也不是常用的980 nm和1480 nm的泵浦光源， 而是采用1017 nm的泵浦激光， 离实用还有一段距离。 掺镨光纤放大器（PDFA）是在非石英光纤如氟化物光纤中掺入镨来对光信号进行放大的， 它与EDFA相比具有如下特点：,（1） 工作在1.3 m波长（12801340 nm）。 （2） 高的增益（约30 dB）。 （3） 高的饱和输出（约20 dBm）。 （4） 高的输出功率（达300 mW)。 （5） 泵浦光源波长为1017

27、nm。,2. 掺铝(AL)EDFA 为了使EDFA本身具有平坦的增益， 人们已尝试了多种改善EDFA特性的方法。 在纤芯中掺铒的同时掺入铝， 是当前应用最普遍的方法， 这样可改变玻璃的组成成分， 迫使铒的放大能级分布改变， 加宽可放大的频率。 通过对EDFA掺铝可以扩大1550 nm波长区。 如果进一步提高铝的掺杂浓度， 不管是对小信号功率， 还是对大信号功率都能提高在1540 nm时的增益， 因而可减小增益差以达到平坦增益的目的。,3. 掺钇(Y)EDFA 在EDFA中掺钇作为铒的激活剂， 以工作在792 nm附近的高功率激光器作为激励源， 可以制成钇光纤放大器。 4. 氟化物EDFA 氟化

28、物掺铒光纤放大器(F-EDFA)是以氟化物为主要材料、 掺铒光纤为主体而构成的光纤放大器。 F-EDFA的特点是：,（1） 有宽的增益平坦度（约30 nm）。 对多波长光传输系统中的应用具有相当大的潜力。这主要是因为在15301560 nm波段的ASE噪声功率波动低于石英功率波动， 可保证平坦增益。 （2） 氟化物光纤有吸水性， 不能与石英光纤熔接， 需采用机械连接方法。 （3） 氟化物光纤放大器只能用1480 nm泵浦， 使得噪声系数至少比980 nm泵浦的石英掺铒光纤放大器高1 dB。 （4） 可靠性有待研究。,5. 宽带碲化物EDFA 碲化物光纤折射率高， 能提供的受激发射截面比氟化物和

29、石英大。 在1600 nm波长时， EDFA在碲化物中的受激发射面是氟化物和石英的两倍。 碲化物材料辐射寿命短， 不到氟化物光纤和石英光纤的1/2， 它反射的受激发射截面也小。 所以， 应用掺碲化物光纤制作放大器可实现宽带放大。 用这种光纤制作EDFA， 其增益特性平坦， 可放大的频带特别宽， 而且与石英系光纤相比， 频带向长波长一侧移动。 其特点为：,（1） 宽的增益平坦度（30 nm）。 如对1500 nm波长区的宽带信号放大， 最高带宽已达到80 nm， 是EDFA最佳数据的两倍。 在15301610 nm的波长区， 得到了20 dB以上的增益， 增益平坦度达1.5 dB。 （2） 放大

30、波段向长波长移动。 硅和氟EDFA大约在超过1627 nm波长时不能放大光信号， 而碲化物EDFA可以工作到1634 nm， 这是碲化物EDFA的固有优点。,6.6 半导体光放大器SOA,究开发光纤通信的初期就已着手研制SOA了， 但受噪声、 偏振相关性、 连接损耗、 非线性失真等因素的影响， 其性能达不到实用化要求。 应用量子阱材料的SOA具有结构简单， 可批量生产, 成本低, 寿命长, 功耗小等优点， 并且便于与其他部件一块集成， 可望制作出1310 nm和1540 nm波段的宽带放大器， 以覆盖EDFA、 PDFA的应用窗口。 SOA在波长变换器中的应用现已引起广泛重视， 并将逐步得到应

31、用。,6.6.1 SOA的放大原理 半导体光放大器的工作原理与所有的光放大器一样， 也是利用受激辐射来实现对入射光功率的放大的， 产生受激辐射所需的粒子数反转机制与半导体激光器中使用的完全相同， 即采用正向偏置的PN结， 对其进行电流注入， 实现粒子数反转分布。 SOA与半导体激光器的结构相似， 但它没有反馈机制， 而反馈机制对产生相干的激光是很必要的。 因此SOA只能放大光信号， 但不能产生相干的光输出。,SOA的基本工作原理如图6.9所示， 其中激活介质（有源区）吸收了外部泵浦提供的能量， 电子获得了能量跃迁到较高的能级， 产生粒子数反转。 输入光信号会通过受激辐射过程激活这些电子， 使其

32、跃迁到较低的能级， 从而产生一个放大的光信号。,图6.9 SOA的基本工作原理,SOA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）。 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%。 为了提高反射率， 可在两个端面上镀多层介电薄膜。 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。 FPA的制作容易， 但要求注入电流和温度的稳定性较高， 光信号的输出对放大器的温度和入射光的频率变化敏感。,TWA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

33、层AR。镀防反射涂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使用得更广。 SOA最大的优点是它使用InGaAsP来制造， 因此体积小、 紧凑， 可以与其他半导体和元件集成在一起。 SOA的主要特性是：,(1) 它们与偏振有关， 因此需要保偏光纤。 (2) 它们具有可靠的高增益(20 dB)。 (3) 它们的输出饱和功率范围是510 dBm。 (4) 它们具有大的带宽。 (5) 它们工作在0.85 m

34、， 1.30 m和1.55 m波长范围。 (6) 它们是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。 但是， 由于非线性现象(四波混频)， SOA的噪声指数高， 串扰电平高。,6.6.2 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 因为在世界范围内已铺设了大量的常规单模光纤， 还有很多系统工作在1.30 m波段， 并需要周期性的在线放大器， 而工作波长为1.30 m的EDFA目前尚未达到实用化的水平， 所以仍然需要SOA。,2. 光电集成器件 半导体放大器可与光纤放大器相抗衡的优点是体积小、 成本低以及可集成性, 即可以集

35、成在含有很多其它光电子器件(例如激光器和检测器)的基片上。,3. 光开关 除了能提供增益外， 半导体放大器在光交换系统中可以作为高速开关元件使用。 因为半导体在有泵浦时可以产生放大， 而在没有泵浦时产生吸收。 其运转很简单， 当提供电流泵浦时信号通过， 而需要信号阻断时将泵浦源断开。 通过的信号因半导体中载流子数反转而得到放大， 而受阻的信号则因半导体没有达到载流子反转数而被吸收。 值得注意的是， 只有半导体放大器才能够完成高速交换， 在光纤放大器中由于载流子寿命太长而难以做到这一点。,4. 全光波长变换器AOWC SOA的一个主要应用是利用SOA中发生的交叉增益调制、 交叉相位调制和四波混频

36、效应来实现波长转换。 其具体的介绍参见6.9节相应的内容。,6.7 光放大器的应用,光放大器在不同的光纤通信系统中均有应用。 图6.10给出了其四种基本的应用。 (1) 在线放大器： 如图6.10(a)所示， 即用在线放大器代替光电光混合中继器。 当光纤色散和放大器自发辐射噪声累积尚未使系统性能恶化到不能工作时， 这种代替是完全可行的， 特别是对多信道光波系统更有诱惑力， 可以节约大量的设备投资。,图6.1 光放大的四种应用情形 在线放大器； (b) 后置放大器； (c) 前置放大器； (d) 功率补偿放大器,(2) 后置放大器： 如图6.10(b)所示， 即将光放大器接在光发送机后， 以提高

37、光发送机的发送功率， 增加传输距离。 这种放大器又称为功率放大器。 (3) 前置放大器： 如图6.10(c)所示, 即将光放大器接在光接收机前， 以提高接收功率和信噪比， 增加通信距离。,(4) 功率补偿放大器： 如图6.10(d)所示, 即将光放大器用于补偿局域网中的分配损耗， 以增大网络节点数， 还可以将光放大器用于光子交换系统等多种场合， 这种放大器亦称为功率放大器。 在光波系统中， 不同的应用对光放大器有不同的要求。 从四种放大器的性能看， 掺铒光纤放大器(EDPA)最适合光波通信系统。,6.8 光 纤 激 光 器,利用掺杂光纤（如稀土元素的铒、 镨等）或光纤中的受激拉曼散射SRA、

38、受激布里渊散射SBA可制成各种光纤激光器来产生激光。 光纤激光器具有如下优点： （1） 进行光放大无需光电转换。 光纤激光器的实质是一个波长转换器， 它将泵浦光的波长转换为所需的波长的光信号， 因而不改变原有信号的格式， 可适应模拟与数字传输及混合传输。,（2） 是容易实现低泵浦功率下连续波（CW）输出的激光器。 （3） 其本身的圆柱几何尺寸与光纤易耦合， 输出光功率很容易耦合到光纤中去。 (4） 与光纤光栅结合可制成窄线宽、 可调谐的激光器。,（5） 由于其输出波长由掺杂决定， 因而可选用价格低廉的泵浦激光器， 只需其波长与稀土元素吸收谱相对应。 (6） 可以输出超窄光脉冲， 如数十、 数百

39、飞秒（fs）宽度的脉冲， 这种脉冲可用作孤子通信的光源。,6.8.1 掺铒光纤激光器 可用于制造光纤激光器的稀土元素有Er3+、 Nd3+等， 其中Er3+的放大带在1550 nm窗口， Nd3+的放大带在8500 nm 和1300 nm窗口， 它们构成的激光器的结构基本相同。 下面主要以掺铒光纤激光器为例介绍。掺铒光纤激光器的基本结构包括由一对平面反射镜构成的谐振腔和EDF掺铒光纤。,EDF提供光放大， 谐振腔有选择性地为输出波长的激光提供反馈增益来克服腔内的光损耗。 实际的激光器的构成要复杂一些， 平面反射镜构成的腔用得也不如环形腔多。 图6.11给出了一个实际的掺铒光纤激光器的结构。 图

40、中， 光隔离器和滤波器保证光的单向传输， 两束泵浦激光通过WDM耦合器对铒光纤泵浦。,图 6.11 铒光纤激光器的结构,6.8.2 光纤光栅激光器 光纤光栅激光器是光纤通信系统中一种很有前途的光源， 它的优点主要有： (1) 半导体激光器的波长较难符合ITU-T建议的WDM波长标准， 且成本很高， 而稀土掺杂光纤光栅激光器利用光纤光栅能非常准确地确定波长， 且成本低； (2) 用作增益的稀土掺杂光纤制作工艺比较成熟； (3) 有可能采用灵巧紧凑且效率高的泵浦源； (4) 光纤光栅激光器具有波导式光纤结构， 可以在光纤芯层产生较高的功率密度；,(5) 可以通过掺杂不同的稀土离子， 获得宽带的激光

41、输出， 且波长选择可调谐； (6) 高频调制下的频率啁啾效应小， 可抗电磁干扰， 温度膨胀系数较半导体激光器小。 利用紫外光（UV）光写入技术可制作多种光纤光栅， 可使用不同的泵浦源， 实现多种特性的激光器， 如单波长激光器、 多波长激光器。 图5.12给出了它们的结构。,图 6.12 单/多波长光纤光栅激光器的基本组成 (a) 单波长； (b) 多波长,6.8.3 光纤受激拉曼和受激布里渊激光器 光纤受激拉曼和受激布里渊激光器利用了光纤中的线性效应， 其最大的优点是比稀土元素掺杂光纤激光器具有更高的饱和功率和没有泵浦源的限制。 目前这种技术还不成熟， 有许多问题需要解决。,6.9 光波长变换

42、器,光波长变换技术是指把输入波长上载运的信息转移到新的输出波长上的技术。 相应的器件或装置称为波长变换器。 常规的波长变换技术是指光电光的转换形式， 如图6.13所示。 这种变换形式会带来性能畸变, 低效, 结构不紧凑， 兼容性差等不适应高速大容量光纤通信系统和网络要求的问题。 而全光波长变换技术能直接把输入波长的信息转移到输出波长上， 不必经过光电转换，这就有利于避免电速度的“瓶颈”效应。,图6.13 常规的波长变换器,目前， 人们已经研制了各种各样的全光波长变换技术， 如基于半导体光放大器(SOA)的全光波长变换(AOWC)技术、 基于半导体激光器的AOWC技术和基于其他波导介质(如光纤、

43、 铌酸锂波导)的AOWC技术。 其中， 基于SOA的AOWC技术是最为成功的波长变换技术， 它主要利用SOA中的交叉增益调制(XGM)技术、 交叉相位调制(XPM)技术和四波混频(FWM)技术。,6.9.1 半导体光放大器(SOA)中的交叉增益调制(XGM)技术 SOA中的XGM技术的基本结构及原理分别示于图5.14(a)和图5.14(b)。 CW探测波(c)和泵浦波(s)经耦合器注入SOA， SOA对入射光功率存在增益饱和特性： 当信号光强度增加时， SOA的增益变小；,当信号光强度减弱时， SOA的增益变大。 因而当有调制信息（“1”或“0”）的泵浦波注入SOA时， 泵浦信号将调制SOA的

44、载流子密度， 从而调制增益（“无”或“有”）。 同时， 注入的CW探测波的强度变化也受增益变化影响而按泵浦信号的调制规律变化， 用带通滤波器取出变换后的s信号， 即可实现从p到s的AOWC。,图6.14 SOA-XGM的基本结构和原理 (a) 基本结构； (b) 原理,SOA-XGM方式的主要特点在于有宽的连续波长变换范围（约50 nm）， 高的变换效率， 结构简单。 其主要缺点是， 对于上变换， 消光比变坏， 信号是倒相输出的， TE模增益比TM模增益高约56 dB， 这会使波长变换性能与输出信号偏振态相关。 同时也存在一些技术可以改善这些不足。,6.9.2 半导体光放大器中的交叉相位调制（

45、XPM）技术 当泵浦光入射到SOA中时， 载流子的变化将引起SOA两方面的变化： 一是SOA增益的变化； 二是SOA折射率的变化。 根据SOA中增益变化的原理， 人们制成了基于SOA中XGM型的全光波长变换器。 根据泵浦光造成的SOA中折射率变化的原理， 人们制成了基于SOA中交叉相位调制(XPM)的全光波长变换器。 如图6.15所示， SOA1和SOA2被放置在MZI干涉仪的两个臂上， 造成两臂的相位差不相同。,波长为c的探测波(CW)和波长为s的信号光(或称泵浦光)从不同的方向耦合到干涉仪的两波导臂上， 信号光“0”、 “1”的变化， 将引起折射率随之变化， 探测光通过两臂后相位差也发生变

46、化。 适当的调整既可以使相位差为“0”， 也可以为“”， 前者输出信号为“1”， 后者输出为“0”， 从而实现了对耦合进SOA1的探测光的相位调制。 如果信号光功率使CW（连续光）光相位在“0”和“”之间变化， 也就实现了信号从s到c的变换。,图 6.15 MZI型SOA-XPM型AOWC,XPM方式在光路结构上可分为干涉型和非干涉型。 典型的干涉型结构有马赫曾德尔(Mach-Zehnder)型(MZ)， 如图6.15所示。 图6.16给出了一种非干涉型器件。 与XGM方式相比， XPM方式变换效率高， 消光比性能改善。 若XPM采用整体集成的结构， 则可实现40 Gbs、 30 nm范围无劣

47、化全光波长变换。,图 6.16 非干涉型SOA-XPM型AOWC,6.9.3 半导体光放大器中的四波混频(FWM)技术 SOA不仅具有线性放大功能， 而且还具有若干重要的非线性效应， FWM过程就是其中之一。图5.17中当波长为s的信号探测波和波长为p的CW泵浦波入射到SOA时， 由于光场的三阶非线性相互作用， 因此导致入射波在SOA中混频而产生光谱边带， 新生波的波长cp+2p-s， 其中的称为泵浦波和信号波的失谐波长间隔， 新生波具有已调输入信号波相同的频谱， 保持了原信号的调制信息。,图 6.17 SOA-FWM型AOWC,这种变换方式的特点在于对调制方式和数据速率透明， 有几个THz响

48、应带宽， 超快速工作， 内在啁啾小， 可实现多波长同时转换， 在SOA增益带宽内可对输入、 输出波长连续调谐， 信道波长切换方便。 存在的问题表现在变换效率和偏振依赖性方面， 但也有不少方法对其进行改善。 用这种方式已实现具有40 Gb/s、 24.6 nm和10 Gb/s、 30 nm的高变换效率(0 dB), 高SNR(16 dB), 上下变换范围达30 nm等良好性能的全光波长变换。,习 题 五,1. 光放大器包括哪些种类? 简述它们的原理和特点。 EDFA有哪些优点? 2. EDFA的泵浦方式有哪些? 各有什么优缺点？ 3. 一个EDFA功率放大器， 波长为1542 nm的输入信号功率为2 dBm， 得到的输出功率为Pout=27 dBm， 求放大器的增益。 4. 简述SBA与SRA间的区别。 为什么在SBA中信号与泵浦光必定反向传输?,5. 一个长250 m的半导体激光器用做F-P放大器， 有源区折射率为4， 则放大器通带带宽是多少？ 6. EDFA在光纤通信系统中的应用形式有哪些？ 7. EDFA的主要性能指标有哪些? 说明其含义。 8. 分别叙述光放大器在四种应用场合时各自的要求是什么？ 9. 叙述SOA-XGM波长变换的原理。,