光放大器的原理與應(yīng)用
光放大器(OA)一般由增益介質(zhì)、泵浦光和輸入輸出耦合結(jié)構(gòu)組成， 可以作為前置放大器、線路放大器、功率放大器，是光纖通信中的關(guān)鍵部件之一。其作用就是對(duì)復(fù)用后的光信號(hào)進(jìn)行光放大，以延長(zhǎng)無(wú)中繼系統(tǒng)或無(wú)再生系統(tǒng)的光纜傳輸距離。一個(gè)好的光放大器應(yīng)具有輸出功率高、放大帶寬寬、噪聲系數(shù)低、增益譜平坦等特性。目前光放大器形式主要有三種：1) 利用激光二極管(LD)制作的半導(dǎo)體光放大器(SOA)；2) 利用摻稀土光纖制作的光纖放大器，其中以摻鉺光纖放大器(EDFA)為主；3) 利用常規(guī)光纖非線性效應(yīng)制作的分布式光放大器，典型的是光纖拉曼放大器(FRA)。下面對(duì)SOA、EDFA和FRA光放大器進(jìn)行比較。
1．半導(dǎo)體光放大器
現(xiàn)代光放大器中zui早出現(xiàn)的是半導(dǎo)體光放大器（SOA）。它的基本結(jié)構(gòu)、原理和特性與半導(dǎo)體激光器非常相似。它們工作原理都是基于激光半導(dǎo)體介質(zhì)固有的受激輻射光放大機(jī)制，所不同的在于SOA去掉了構(gòu)成激光振蕩的諧振腔，并且SOA是由電流直接激勵(lì)驅(qū)動(dòng)的。
半導(dǎo)體光放大器的優(yōu)點(diǎn)是尺寸小、頻帶寬、增益高；但缺點(diǎn)是與光纖的耦合損耗太大、易受環(huán)境溫度的影響、工作穩(wěn)定性較差。但半導(dǎo)體光放大器容易集成，適宜同光集成和光電集成電路結(jié)合使用。
通常光半導(dǎo)體放大器分為兩大類：一種是將普通半導(dǎo)體激光器用作光放大器，稱為法布里——泊羅（F-P）半導(dǎo)體激光放大器（FPA），另一種是在F-P激光器的兩個(gè)端面上涂上抗反射膜，以獲得寬頻、低噪的高輸出特性。由于這種放大器是在光行進(jìn)過(guò)程中對(duì)光進(jìn)行放大的，故被稱為行波式光放大器。
由于半導(dǎo)體光放大器的工作原理決定了其放大增益不是很高，因此半導(dǎo)體放大器在現(xiàn)代光通信系統(tǒng)中作為純粹功率放大應(yīng)用較少，它更多的是被用作高速通信網(wǎng)中光開(kāi)關(guān)、光復(fù)用／解復(fù)用器和波長(zhǎng)變換器等光信號(hào)處理模塊。
2．摻鉺光纖放大器
摻餌光纖放大器（EDFA）主要由合波器WDM、泵浦激光器(大功率LD)、光隔離器和摻鉺光纖(長(zhǎng)10～30m)構(gòu)成。EDFA的研制成功，是光通信發(fā)展的一個(gè)“里程碑”。它的出現(xiàn)打破了光纖通信傳輸距離受光纖損耗的限制，使全光通信距離延長(zhǎng)*千公里，為光纖通信帶來(lái)了革命性的變化。
摻鉺光纖放大器主要由摻鉺光纖、泵浦光源、耦合器、光隔離器等組成。有同（前）向泵浦、反（后）向泵浦和雙向泵浦3種泵浦方式，其區(qū)別在于信號(hào)光與泵浦光的注入方向不同。同向泵浦也稱為前向泵浦，它的信號(hào)光與泵浦光以同一方向從摻鉺光纖的輸入端注入。反向泵浦也稱為后向泵浦，它的信號(hào)光與泵浦光以兩個(gè)不同方向注入進(jìn)摻鉺光纖。雙向泵浦就是同向泵浦與反向泵浦合并的方式。三種泵浦方式的結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。三種泵浦方式的性能比較見(jiàn)表1。
泵浦效率=信號(hào)光輸出功率/泵浦光功率 噪聲
同向泵浦 61% 在未飽和區(qū)，同向泵浦式摻鉺光纖放大器的噪聲系數(shù)zui小，由于輸出功率加大將導(dǎo)致粒子反轉(zhuǎn)數(shù)的下降，故在飽和區(qū)，噪聲系數(shù)將增大。
反向泵浦 76%
雙向泵浦 77%
EDFA是利用摻鉺光纖中摻雜的稀土離子在泵浦光源(波長(zhǎng)980nm或1480nm)的作用下，形成粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，產(chǎn)生受激輻射，輻射光隨入射光的變化而變化，進(jìn)而對(duì)入射光信號(hào)提供光增益。其放大范圍為1530～1565nm，增益譜比較平坦的部分是1540～1560nm，幾乎可以覆蓋整個(gè)WDM系統(tǒng)的1550nm工作波長(zhǎng)范圍。
EDFA的優(yōu)點(diǎn)是:1)通常工作在1530～1565nm光纖損耗zui低的窗口；2)增益高，在較寬的波段內(nèi)提供平坦的增益，是WDM理想的光纖放大器；3)噪聲系數(shù)低，接近量子極限，各個(gè)信道間的串?dāng)_極小，可級(jí)聯(lián)多個(gè)放大器；4)放大頻帶寬，可同時(shí)放大多路波長(zhǎng)信號(hào)；5)放大特性與系統(tǒng)比特率和數(shù)據(jù)格式無(wú)關(guān)；6)輸出功率大，對(duì)偏振不敏感；7)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，與傳輸光纖易耦合。
缺點(diǎn)是:1)在第3窗口以上的波長(zhǎng)，光纖的彎曲損耗較大，而常規(guī)的EDFA不能提供足夠的增益，增益帶寬只有35nm，僅覆蓋石英單模光纖低損耗窗口的一部分。制約了光纖能夠容納的波長(zhǎng)信道數(shù)；2)不便于查找故障，泵浦源壽命不長(zhǎng)；3)存在基于泵浦源調(diào)制和光時(shí)域反射計(jì)(OTDR)的監(jiān)測(cè)與控制技術(shù)問(wèn)題，控制內(nèi)容包括輸出功率的控制和不同波長(zhǎng)通道的增益均衡，EDFA的增益對(duì)100kHz以上的高頻調(diào)制不敏感，對(duì)低于1kHz的調(diào)制，EDFA的輸出信號(hào)會(huì)產(chǎn)生失真。
3．光纖拉曼放大器（FRA）
EDFA的出現(xiàn)確實(shí)*的促進(jìn)了現(xiàn)代光通信系統(tǒng)的發(fā)展。但是隨著現(xiàn)代光網(wǎng)絡(luò)進(jìn)一步發(fā)展，一方面EDFA已經(jīng)不能滿足現(xiàn)有系統(tǒng)對(duì)超大容量的要求，另一方面EDFA也會(huì)帶來(lái)光信號(hào)信噪比的不斷惡化而不能滿足超長(zhǎng)距離傳輸?shù)囊蟆榇耍仨氁岢鲆环N既要滿足超寬帶寬要求，又能滿足超低噪聲要求的新型光放大器。
光纖拉曼放大器（FRA）由于其自身固有的全波段可放大、噪聲指數(shù)小等特性，成為了新一代放大器的。FRA是基于受激拉曼散射(SRS)機(jī)制的光放大器，此光放大技術(shù)是在近年來(lái)大功率半導(dǎo)體激光器研制成功后才真正走向?qū)嵱玫摹Ｔ谠S多非線性介質(zhì)中，SRS是非線性光學(xué)中一個(gè)很重要的非線性效應(yīng)，它將一小部分入射功率由一光束轉(zhuǎn)移到頻率比其低的斯托克斯波上；如果一個(gè)弱信號(hào)與一個(gè)強(qiáng)泵浦光波同時(shí)在光纖中傳輸，并且弱信號(hào)波長(zhǎng)位于泵浦光波的拉曼增益譜帶寬之內(nèi)，則此弱信號(hào)可被該光纖放大。
FRA可分為分立式FRA和分布式FRA，前者所用的光纖增益介質(zhì)比較短，一般在10km以內(nèi)，對(duì)泵浦功率要求很高，一般在幾到十幾瓦，可產(chǎn)生40dB以上的高增益，用來(lái)對(duì)信號(hào)光進(jìn)行集中放大，主要用于EDFA無(wú)法放大的波段；后者所用的光纖比較長(zhǎng)，一般為幾十公里，泵源功率可降到幾百毫瓦，主要輔助EDFA用于DWDM通信系統(tǒng)性能的提高，抑制非線性效應(yīng)，降低信號(hào)的入射功率，提高信噪比，進(jìn)行在線放大。由于FRA增益波長(zhǎng)由泵浦光波長(zhǎng)決定，不受其它因素限制，因此可為任何波長(zhǎng)提供增益，這使得FRA可以在EDFA所不能放大的波段實(shí)現(xiàn)放大，并可在1292～1660nm光譜范圍內(nèi)進(jìn)行光放大，使用多個(gè)泵源還可得到比EDFA寬得多的增益帶寬(后者由于能級(jí)躍遷機(jī)制所限，增益帶寬只有80nm)，這對(duì)于開(kāi)發(fā)光纖的整個(gè)低損耗區(qū)1270～1670nm具有*的作用。
FRA具有帶寬寬、增益高、噪聲低、串?dāng)_小、溫度穩(wěn)定性好等特點(diǎn)，因此與常規(guī)EDFA混合使用時(shí)，可大大降低系統(tǒng)的噪聲系數(shù)，增加傳輸距離；FRA的增益介質(zhì)為光纖，因此與光纖系統(tǒng)有良好的兼容性，可制成分立式或分布式放大器，分布式FRA具有在線放大、延長(zhǎng)傳輸距離、實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)距離無(wú)中繼傳輸和遠(yuǎn)程泵浦的功能，尤其是適用于海底光纜通信等不方便設(shè)立中繼器的場(chǎng)合；由于放大是沿著光纖分布作用而不是集中作用，所以輸入光纖的光功率大為減少，從而非線性效應(yīng)，尤其是四波混頻效應(yīng)大大減少，因此適用于大容量DWDM系統(tǒng)。FRA不足之處在于需要特大功率的泵浦激光器，且一個(gè)泵浦的FRA增益帶寬較窄。
在拉曼放大器的實(shí)際應(yīng)用中，通常是采用拉曼放大器同EDFA混和使用的策略。這種混合放大策略在DWDM超長(zhǎng)傳輸系統(tǒng)中獲得了廣泛的使用。EDFA作為光功率放大器和光前置放大器，而EDFA和拉曼的混合放大器作為光線路放大器。
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