光纤通信技术-第六章-光通信中的光放大器(1)剖析

在1999年10月举办的日内瓦电信展览会上，
朗讯公司展示了一种喇曼放大系统。2001年光 纤喇曼放大器（Fiber Raman Amplifier，FRA） 得以更广泛的应用。目前，光放大器在光纤通 信系统最重要的应用就是促使了波分复用技术 （Wavelength Division Multiplexing,WDM） 走向实用化。
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6.1.1 光放大器的概念
光纤的损耗和色散限制了光纤的传输距离，
延长通信距离的方法是采用中继器，中继器的 放大过程较为复杂，它是将输入的光信号转换 为电信号，在电信号上进行放大、再生、再定 时等处理后，再将经处理后的电信号转换为光 信号经光纤传送出去，这种中继方式称为光/ 电/光中继方式。
光/电/光中继器需要光接收机和光发送机
6.1.2 光放大器的分类
光放大器可以分为半导体光放大器
（SOA）、有源光纤或掺杂光纤放大器（DFA） 和拉曼放大器（FRA）三种主要类型。所有的 放大器都是通过受激辐射或光功率转移过程来 实现入射光功率放大的。
（1）半导体光放大器（SOA）
SOA又称作半导体激光放大器（Semiconductor Laser Amplifier，SLA），它由半导体材料制成，和 半导体激光器（LD）一样都是基于光的受激辐射和放 大。事实上，激光器（Laser）的原意就是受激辐射 引起的光放大（Laser Amplification by Stimulated Emission of Radiation），该名称强调的是激光材料 中由于粒子数反转产生的受激辐射可以引起光放大。
理来实现对微弱入射光进行放大的，其机制与 激光器类似。当光介质在泵浦电流或泵浦光作 用下产生粒子数反转时就获得了光增益。
受激辐射和受激散射光放大器的通用结构
和基本原理如图6-1所示
图6.1 光放大器的通用结构
光放大器是不依赖比特率和调制方式的。
这样就使得系统即使在使用了放大器的情况下 也可以很容易地升级到更高的速率或者变换信 号的调制方式。此外，光放大器具有一个很宽 的增益带宽，这就保证能够一次放大整个 DWDM 的频谱，结果是极大地降低了长距离 传输中的设备需求数量。
6.1光放大器
光放大器的发展最早可追溯到1923年A· 斯梅尔卡预示 的自发喇曼散射，而后，科学家在半个世纪的时间里做了 大量研究。1987年英国南安普敦大学和美国AT&T 贝尔实 验室报道了离子态的稀土元素铒在光纤中可以提供 1.55µm波长处的光增益，这标志着掺铒光纤放大器 （EDFA）的研究取得突破性进展。1989年现安捷伦科技 有限公司制成首件半导体光放大器（Semi-conductor Optical Amplifier，SOA）产品。
6.1.3 光放大器的主要指标
光放大器工作性能的主要指标有放大器的
增益系数与增益带宽、放大器的增益与带宽， 饱和输出功率和放大器噪声。
1. 增益系数与增益带宽
（1）增益系数
在泵浦源的激励下，媒质的外层电子吸收 一定的能量后基态（能级1）跃迁到高能态 （能级3）。在高能态上的电子极不稳定，会 快速到达能量较低的激发态（能级2）。
第六章 光纤通信中的光放大器
6.1 光放大器 6.2 半导体激光放大器（SOA） 6.3 掺铒光纤放大器 6.4 光纤喇曼放大器 6.5 放大器的应用
本章简介
光放大器是可将微弱光信号直接进行光放大的器 件，它的出现使光纤通信技术产生了质的飞跃。本章 根据光放大器的分类主要介绍了SOA放大器、掺杂光 纤放大器和拉曼光纤放大器这三种光放大器的工作原 理、组成结构、评价指标以及应用等内容。光放大器 的诞生从线路上解决了光纤通信的无电再生中继问题， 它为实现光纤通信系统的全光化奠定了坚实的基础。
（2）有源光纤或掺杂光纤放大（DFA）
有源光纤放大器的有源媒体是稀土族元
素（如Er、Pr、Tm、Nd 等），它掺杂在光纤 的玻璃基体中，所以也称作掺杂光纤放大器 （DFA）。DFA是利用光纤中掺杂稀土元素引 起的增益机制实现光放大的。
光纤通信系统最适合的掺杂光纤放大器是 工作波长为1550nm掺铒光纤放大器（EDFA） 和工作波长为1310nm的掺镨光纤放大器 （PDFA）。用于1310nm窗口的PDFA，因受 氟化物光纤制作困难和氟化物光纤特性的限制， 机械强度较差，与常规光纤的熔接较为困难， 究进展比较缓慢，尚未获得广泛应用。
来分别完成光电变换和电光变换，其设备复杂， 维护不便。随着光纤通信的速率不断提高，这 种光电光中继器的成本也随之提高，使得光纤 通信系统的成本增加，性价比下降。
光放大器是可将光纤线路上微弱的光信号
直接放大的器件，它的出现免去了光在放大时 必须经过的光/电/光转换，使光纤通信技术产 生了质的飞跃。
光放大器是基于受激辐射或受激散射的原
如图6.2所示，在一定的条 件下，处于激发态的电子在入 射光的作用下发生受激辐射后 又回到基态。根据能量守恒定 律，受激辐射过程所产生的光 子能量应该等于电子处于激发 态和基态时的能量之差。如果 所产生的光子能量与入射光子 能量一致，则入射光被放大， 这就是光放大器的工作原理。
光放大器的结构与激光器很相似，但它没有反 馈机制，而反馈机制对于发射激光是必要的，足够大 的反馈可能引起自激振荡，即受激辐射所需的初始注 入光子可以从LD内部产生，例如内部的光噪声；而 SOA不能产生自激振荡，因而受激辐射所需的初始注 入光子必须由外部注入，即需要输入光，因此，光放 大器可以放大输入信号，但本身不产生相干的光输出， 仅就是对输入光进行放大。
目前在线路中使用的光放大技术主要是采
用EDFA，EDFA 属于掺杂稀有元素的光纤放 大器家族中的一种，此外其他可能的掺杂元素 还包括钕（通常用于高功率的激光器）和镱 （它们通常和铒一起混合用）等元素。目前已 经商品化并获得大量应用的是EDFA。
（3）拉曼放大器（FRA）
FRA的工作原理是基于受激拉曼散射 （SRS）的非线性效应，在光纤中光功率较高 时就会产生受激拉曼散射。FRA利用强的光源 对光纤进行激发，使光纤产生非线性效应，在 受激发的一段光纤的传输过程中得到放大。它 的主要缺点是需要大功率的半导体激光器做泵 浦源（约0.5-1w），因而其实用化受到了一定 的限制。