1、WDM系統(tǒng)中光放大器的性能介紹作者：賀偉來源：科技資訊2011年第26期摘要：本文將介紹光放大器的基本性能，較仔細(xì)地介紹了三種光放大器，包括摻鉺光纖放 大器（EDFA）、半導(dǎo)體光放大器（SOA）、拉曼光纖放大器的基本原理和優(yōu)缺點(diǎn)。關(guān)鍵詞：WDM系統(tǒng)光放大器性能中圖分類號(hào)：TN919 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1672-3791（2011）09（b）-0000-001光放大器概述我們知道光纖有一定的衰耗，光信號(hào)尤其是光WDM（wavelength-division multiplex光波 分復(fù)用）信號(hào)沿光纖傳播將會(huì)衰減，傳輸距離受衰減的制約。因此，為了使光信號(hào)特別是光WDM 信號(hào)傳得更遠(yuǎn)，我們必須

2、在中途對(duì)光進(jìn)行放大。傳統(tǒng)的增強(qiáng)光信號(hào)的方法是使用再生器。但是， 這種方法存在許多缺點(diǎn)。隨著光通信技術(shù)的發(fā)展，尤其是光WDM的進(jìn)步，我們有了一種直接光 放大技術(shù) 光放大器。1.1光放大器的特點(diǎn)光放大器的工作不需要轉(zhuǎn)換光信號(hào)到電信號(hào)，放大后再轉(zhuǎn)回光信號(hào)，它是直接對(duì)光進(jìn)行放 大。這個(gè)特性導(dǎo)致光放大器比再生器有兩大優(yōu)勢(shì)。第一，光放大器支持任何比特率和信號(hào)格式; 第二，光放大器不僅支持單個(gè)信號(hào)波長(zhǎng)放大一一像再生器，而且支持多個(gè)波長(zhǎng)信號(hào)（光WDM） 的光信號(hào)放大。1.2光放大器的分類現(xiàn)在主要有兩種類型的光放大器：半導(dǎo)體光放大器（SOA）和光纖放大器（OFA）。半導(dǎo)體 光放大器利用半導(dǎo)體材料固有的受激輻射放

3、大機(jī)制，實(shí)現(xiàn)光放大，其原理和結(jié)構(gòu)與半導(dǎo)體激光 器相似。光纖放大器與半導(dǎo)體放大器不同，光纖放大器的活性介質(zhì)（或稱增益介質(zhì)）是一段特 殊的光纖或傳輸光纖，并且和泵浦激光器相連，當(dāng)信號(hào)光通過這一段光纖時(shí)，信號(hào)光被放大。 光纖放大器又可以分為摻稀土離子光纖放大器（Rare Earth Ion Doped Fiber Amplifier ）和 非線性光纖放大器。1.3光放大器的主要性能參數(shù)光放大器是一個(gè)模擬器件，所以它的性能參數(shù)都是模擬參數(shù)。1.3.1 增益（Gain）增益是輸出光功率與輸入光功率之比，也就是：增益= POUT/PIN其中POUT和PIN分別是輸出光功率和輸入光功率，功率的單位為瓦特，通

4、常我們用分貝 （dB）為單位來表示增益，也就是：增益（dB）=10lg （POUT/PIN）1.3.2噪聲指數(shù)（NF）光放大器的噪聲指數(shù)（NF, Noise Figure）的定義式為光放大器輸入輸出端口的信噪比 （SNR, Signal to Noise Ratio）的比值1.3.3增益帶寬所謂增益帶寬是指光放大器有效的頻率（或波長(zhǎng)）范圍，通常指增益從最大值下降3dB時(shí)， 對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)范圍，對(duì)于WDM系統(tǒng)，所有光波長(zhǎng)通道都要得到放大，因此，光放大器必須具有足 夠?qū)挼脑鲆鎺挕?.3.4飽和輸出功率光放大器的輸入光功率范圍有一定的要求，當(dāng)輸入光功率大于某一閾值時(shí)，圖2中PT，就 會(huì)出現(xiàn)增益飽和；增

5、益飽和是指輸出功率不再隨輸入功率增加而增加或增加很小。根據(jù)ITU-T 的建議，當(dāng)增益比正常情況低3dB時(shí)的輸出光功率稱為飽和輸出功率，圖2中Ps，其單位通常 用dBm表示。2摻鉺光纖放大器一種類型的光纖放大器是摻稀土離子光纖放大器。摻稀土離子光纖放大器是利用稀土金屬 離子作為工作物質(zhì)，利用離子的受激輻射進(jìn)行光信號(hào)放大。用在光放大器中的稀土金屬離子通 常有鉺（Er）、釹（Nd）、錯(cuò)（Pr）、銩（Tm ）等。摻稀土離子光纖放大器中比較成熟的是摻 鉺光纖放大器（EDFA）2.1摻鉺光纖放大器的工作原理2.1.1摻鉺光纖中Er3+離子受激輻射和自發(fā)輻射摻鉺光纖是光纖放大器的核心，它是一種內(nèi)部摻有一定濃

6、度Er3+的光纖，為了闡明其放大 原理，需要從鉺離子的能級(jí)圖講起。鉺離子的外層電子具有三能級(jí)結(jié)構(gòu)，其中E1是基態(tài)能級(jí)， E2是亞穩(wěn)態(tài)能級(jí)，E3是高能級(jí)。當(dāng)用高能量的泵浦激光來激勵(lì)摻鉺光纖時(shí)，可以使鉺離子的束縛電子從基態(tài)能級(jí)大量激發(fā) 到高能級(jí)E3上。然而，高能級(jí)是不穩(wěn)定的，因而鉺離子很快會(huì)經(jīng)歷無輻射躍遷落入亞穩(wěn)態(tài)能級(jí) E2。而E2能級(jí)是一個(gè)亞穩(wěn)態(tài)的能帶，在該能級(jí)上，粒子的存活壽命較長(zhǎng)（大約10ms）。受到 泵浦光激勵(lì)的粒子，以非輻射躍遷的形式不斷地向該能級(jí)匯集，從而實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布一即 亞穩(wěn)態(tài)能級(jí)E2上的離子數(shù)比基態(tài)E1上的多。當(dāng)具有1550nm波長(zhǎng)的光信號(hào)通過這段摻鉺光纖時(shí)， 亞穩(wěn)態(tài)的粒子受

7、信號(hào)光子的激發(fā)以受激輻射的形式躍遷到基態(tài)，并產(chǎn)生出與入射信號(hào)光子完全 相同的光子，從而大大增加了信號(hào)光中的光子數(shù)量，即實(shí)現(xiàn)了信號(hào)光在摻鉺光纖傳輸過程中的 不斷被放大的功能。在EDF中絕大多數(shù)受激Er離子因受激輻射而被迫回到基態(tài)E1，但它們中有一部分是自發(fā) 回落到基態(tài)的。當(dāng)這些受激離子衰變時(shí)，它們也自發(fā)地輻射光子。自發(fā)輻射的光子與信號(hào)光子 在相同的頻率（波長(zhǎng)）范圍內(nèi)，但它們是隨機(jī)的。那些與信號(hào)光子同方向的自發(fā)輻射光子也在EDF中放大。這些自發(fā)輻射并被放大的光子組成放大的自發(fā)輻射（ASE）。由于它們是隨機(jī)的， 它們對(duì)信號(hào)沒有貢獻(xiàn)，卻產(chǎn)生了在信號(hào)光譜范圍內(nèi)的噪聲。2.1.2摻鉺光纖放大器光學(xué)結(jié)構(gòu)為了

8、實(shí)現(xiàn)光功率放大的目的，將一些光無源器件、泵浦源和摻鉺光纖以特定的光學(xué)結(jié)構(gòu)組 合在一起，就構(gòu)成7EDFA光放大器。信號(hào)光和泵浦激光器發(fā)出的泵浦光，經(jīng)過WDM耦合器后進(jìn) 入摻鉺光纖EDF，其中兩只泵浦激光器構(gòu)成兩級(jí)泵浦，摻鉺光纖E DF在泵浦光的激勵(lì)下可以產(chǎn) 生放大作用，從而也就實(shí)現(xiàn)了放大光信號(hào)的功能。摻鉺光纖摻鉺光纖的工作機(jī)理前面已經(jīng)詳細(xì)介紹，這里不累述。光耦合器光耦合器，顧名思義，就是具有耦合的功能，其作用是將信號(hào)光和泵浦光耦合，并一起送 入摻鉺光纖，也稱光合波器，通常使用光纖熔錐型耦合器。光隔離器光路中兩只隔離器的作用分別是：輸入光隔離器可以阻擋摻鉺光纖中反向ASE對(duì)系統(tǒng)發(fā)射 器件造成干擾，

9、以及避免反向ASE在輸入端發(fā)生反射后又進(jìn)入摻鉺光纖產(chǎn)生更大的噪聲；輸出 光隔離器則可避免輸出的放大光信號(hào)在輸出端反射后進(jìn)入摻鉺光纖消耗粒子數(shù)從而影響摻鉺光 纖的放大特性。泵浦激光器泵浦激光器是EDFA的能量源泉，它的作用是為光信號(hào)的放大提供能量。通常是一種半導(dǎo)體 激光器，輸出波長(zhǎng)為980nm或1480nm，泵浦光經(jīng)過摻鉺光纖時(shí)，將鉺離子從低能級(jí)泵浦到高能 級(jí)，從而形成粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，而當(dāng)信號(hào)光經(jīng)過時(shí)，能量就會(huì)轉(zhuǎn)移到光信號(hào)中，從而實(shí)現(xiàn)光放大的 作用。分光器EDFA中所用的分光器為一分二器件，其作用是將主通道上的光信號(hào)分出一小部分光信號(hào)送 入光探測(cè)器以實(shí)現(xiàn)對(duì)主通道中光功率的監(jiān)測(cè)功能。光探測(cè)器光探測(cè)器是

10、一種光強(qiáng)度檢測(cè)器，它的作用是將接收的光功率通過光/電轉(zhuǎn)換變成光電流，從 而對(duì)EDFA模塊的輸入、輸出光功率進(jìn)行監(jiān)測(cè)。2.2摻鉺光纖放大器的優(yōu)缺點(diǎn)摻鉺光纖放大器的主要優(yōu)點(diǎn)：1）工作波長(zhǎng)與單模光纖的最小衰減窗口一致；2）耦合效率高。由于是光纖放大器，易與傳 輸光纖耦合連接；3）增益特性與系統(tǒng)比特率和數(shù)據(jù)格式無關(guān)。摻鉺光纖放大器的主要缺點(diǎn)：增益波長(zhǎng)范圍固定：Er離子的能級(jí)之間的能級(jí)差決定了 EDFA 的工作波長(zhǎng)范圍是固定的，只能在1550nm窗口。3摻鉺光纖放大器3.1拉曼光纖放大器的原理在常規(guī)光纖系統(tǒng)中，光功率不大，光纖呈線性傳輸特性。當(dāng)注入光纖一非線性光學(xué)介質(zhì)中 的光功率非常高時(shí)，高能量（波長(zhǎng)較

11、短）的泵浦光散射，將一小部分入射功率轉(zhuǎn)移到另一頻率 下移的光束，頻率下移量由介質(zhì)的振動(dòng)模式?jīng)Q定，此過程稱為拉曼效應(yīng)。3.2拉曼光纖放大器的特點(diǎn)拉曼光纖放大器有三個(gè)突出的特點(diǎn)：1）其增益波長(zhǎng)由泵浦光波長(zhǎng)決定，只要泵浦源的波長(zhǎng)適當(dāng)，理論上可得到任意波長(zhǎng)的信號(hào) 放大。2）其增益介質(zhì)為傳輸光纖本身；這使拉曼光纖放大器可以對(duì)光信號(hào)進(jìn)行在線放大，構(gòu)成 分布式放大，實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)距離的無中繼傳輸和遠(yuǎn)程泵浦，尤其適用于海底光纜通信等不方便設(shè)立中 繼器的場(chǎng)合，而且因?yàn)榉糯笫茄毓饫w分布而不是集中作用，光纖中各處的信號(hào)光功率都比較小， 從而可降低非線性效應(yīng)尤其是四波混頻（FWM）效應(yīng)的干擾。3）噪聲指數(shù)低，這使其與常規(guī) E

12、DFA混合使用時(shí)可大大降低系統(tǒng)的噪聲指數(shù)，增加傳輸跨距。3.3拉曼光纖放大器的優(yōu)缺點(diǎn)拉曼光纖放大器的優(yōu)點(diǎn)：1）在任何類型光纖上都有增益，增益波長(zhǎng)由泵浦波長(zhǎng)決定；2）放大器結(jié)構(gòu)較簡(jiǎn)單；3）可抑 制非線性效應(yīng)；拉曼光纖放大器的主要缺點(diǎn)：1）泵浦的光子效率較低，需要高功率泵浦；2）強(qiáng)烈的偏振相關(guān)增益，采用正交泵浦方式；3） 瞬態(tài)增益，采用后向泵浦方式；4半導(dǎo)體光放大器4.1半導(dǎo)體光放大器的原理載有原始數(shù)據(jù)的光輸入信號(hào)通過耦合光設(shè)備進(jìn)入半導(dǎo)體光放大器的有源區(qū)。因?yàn)閱文９饫w 的模場(chǎng)直徑MFD的典型值是9.3 pm，而有源區(qū)的厚度尺寸較小甚至可能是十分之幾微米。輸入 信號(hào)光子激發(fā)電子一空穴復(fù)合，并輻射出與輸入信號(hào)相同的光子。4.2半導(dǎo)體光放大器的特點(diǎn)半導(dǎo)體光放大器的主要優(yōu)點(diǎn)：1）SOA能工作在1310nm和1550nm兩個(gè)波長(zhǎng)窗口上，甚至能同時(shí)工作在兩個(gè)波長(zhǎng)窗口上； 2）SOA有較寬的工作帶寬；3）SOA能夠和其他的半導(dǎo)體器件和光學(xué)器件集成為一個(gè)芯片，稱為光 電集成電路（OEIC）。半導(dǎo)體光放大器的主要缺點(diǎn):1)SOA存在相對(duì)較高的串?dāng)_和噪聲；2)SOA對(duì)偏振較敏感，而且，像其他半導(dǎo)體器件一樣， SOA對(duì)溫度敏感；3)半導(dǎo)體光放