集成光電子器件lpl(第六章光放大器)

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1、1 2 內(nèi)容提要 4.1 光 放 大 器 基 本 概 述 4.2 摻 鉺 光 纖 放 大 器 4.3 光 纖 拉 曼 放 大 器 4.4 半 導(dǎo) 體 光 放 大 器 4.5 幾 種 新 型 放 大 器 4.6 光 放 大 器 的 測(cè) 試 3 光放大器基本概述 常 規(guī) 的 光 電 混 合 中 繼 器 放 大 光 信 號(hào) 時(shí) ， 需 要 進(jìn) 行 光電 轉(zhuǎn) 換 、 電 放 大 、 再 定 時(shí) 、 脈 沖 整 形 以 及 電 光 轉(zhuǎn) 換 ，這 種 方 式 已 經(jīng) 滿 足 不 了 現(xiàn) 代 通 信 傳 輸 的 要 求 。z=0 z=L衰 減 光 放大 器光 放 大 器 的 作 用 4 半 導(dǎo) 體 光 放

2、大 器 （ SOA）n 利 用 半 導(dǎo) 體 制 作 的 半 導(dǎo) 體 光 放 大 器 （ SOA）n 小 型 化 ， 容 易 與 其 他 半 導(dǎo) 體 器 件 集 成 ;性 能 與光 偏 振 方 向 有 關(guān) ， 器 件 與 光 纖 的 耦 合 損 耗 大 光 纖 放 大 器 (OFA)n 利 用 稀 土 摻 雜 的 光 纖 放 大 器 （ EDFA、 PDFA） n 利 用 光 纖 非 線 性 效 應(yīng) 制 作 的 非 線 性 光 纖 放 大器 （ FRA、 FBA）n 性 能 與 光 偏 振 方 向 無(wú) 關(guān) ， 器 件 與 光 纖 的 耦 合損 耗 很 小光放大器的分類 5 幾種光放大器的比較 6

3、 光 發(fā) 射 機(jī) +功 率 放 大 器 +光 接 收 機(jī) 光 發(fā) 射 機(jī) +前 置 放 大 器 +光 接 收 機(jī) 光 發(fā) 射 機(jī) +線 路 放 大 器 +光 接 收 機(jī) 光 發(fā) 射 機(jī) +功 率 放 大 器 +前 置 放 大 器 +光 接 收 機(jī) 光 發(fā) 射 機(jī) +功 率 放 大 器 +線 路 放 大 器 +光 接 收 機(jī) 光 發(fā) 射 機(jī) +線 路 放 大 器 +前 置 放 大 器 +光 接 收 機(jī) 光 發(fā) 射 機(jī) +功 率 放 大 器 +線 路 放 大 器 +前 置 放 大 器 +光 接收 機(jī) 光放大器的應(yīng)用 7 電 流輸 入 光 信 號(hào) 輸 出 光 信 號(hào) 輸 出 光 信 號(hào)摻 雜 光 纖

4、輸 入 光 信 號(hào)泵 浦 光 波 分 復(fù) 用 器 輸 出 光 信 號(hào)純 石 英 光 纖輸 入 光 信 號(hào) 泵 浦 光波 分 復(fù) 用 器（ a） 半 導(dǎo) 體 光 放 大 器 （ b） 摻 雜 光 纖 放 大 器 （ c） 受 激 散 射 光 纖 放 大 器光放大器的基本工作原理n在 泵 浦 能 量 （ 電 或 光 ） 的 作 用 下 ， 實(shí) 現(xiàn) 粒 子 數(shù) 反 轉(zhuǎn) （ 非 線 性 光 纖 放大 器 除 外 ） ， 然 后 通 過(guò) 受 激 輻 射 實(shí) 現(xiàn) 對(duì) 入 射 光 的 放 大 。n光 放 大 器 是 基 于 受 激 輻 射 或 受 激 散 射 原 理 實(shí) 現(xiàn) 入 射 光 信 號(hào) 放 大 的

5、一種 器 件 。 其 機(jī) 制 與 激 光 器 完 全 相 同 。 實(shí) 際 上 ， 光 放 大 器 在 結(jié) 構(gòu) 上 是一 個(gè) 沒 有 反 饋 或 反 饋 較 小 的 激 光 器 。 8 光放大器的參數(shù)n 增 益 : 指 信 號(hào) 放 大 的 倍 數(shù)n 增 益 飽 和 :增 益 飽 和 是 放 大 器 放 大 能 力 的 一 種 限 制因 素 ， 接 近 飽 和 時(shí) ， 增 益 成 非 線 性 ， 達(dá) 到 飽 和 后 ，信 號(hào) 便 無(wú) 法 再 放 大 。 n 噪 聲 指 數(shù) :用 來(lái) 量 化 經(jīng) 放 大 器 后 的 信 噪 比 劣 化 指 標(biāo) 。 9 光放大器之增益頻譜和帶寬n 增 益 G是 描 述

6、 光 放 大 器 對(duì) 信 號(hào) 放 大 能 力 的 參 數(shù) 。 定 義 為 ：inoutPPdBG 10log10)( ( ) exp ( ) G g L n G與 光 放 大 器 的 泵 浦 功 率 、 摻 雜 光 纖 的 參 數(shù) 和 輸 入 光 信 號(hào)關(guān) 系 。 n G()與 g()間 存 在 指 數(shù) 依 存 關(guān) 系 。 當(dāng) =0時(shí) ， 放 大 器 的增 益 G()和 增 益 系 數(shù) g()均 達(dá) 到 最 大 。 10 光放大器之增益頻譜和帶寬 11 增益飽和輸 入 光 功 率 較 小 時(shí) ， G是 一 常 數(shù) ， 即 輸 出 光 功 率 Pout與 輸 入 光 功 率 Pin成 正比 例

7、。 G0光 放 大 器 的 小 信 號(hào) 增 益 。G0 S 0out S 0ln22GP PG PS為 飽 和 功 率飽 和 輸 出 功 率 ： 放 大 器 增 益 降 至 小 信 號(hào) 增 益 一 半時(shí) 的 輸 出 功 率 。3dBPsout 當(dāng) Pin增 大 到 一 定 值 后 ， 光 放 大 器 的 增益 G開 始 下 降 。 增 益 飽 和 現(xiàn) 象 。飽 和 區(qū) 域 12 放大器的噪聲n 所 有 光 放 大 器 在 放 大 過(guò) 程 中 都 會(huì) 把 自 發(fā) 輻 射 （ 或 散 射 ）疊 加 到 信 號(hào) 光 上 ， 導(dǎo) 致 被 放 大 信 號(hào) 的 信 噪 比 （ SNR） 下降 ， 其 降

8、低 程 度 通 常 用 噪 聲 指 數(shù) NF來(lái) 表 示 ， 其 定 義 為 ：n 主 要 噪 聲 源 ： 放 大 的 自 發(fā) 輻 射 噪 聲 （ ASE） ， 它 源 于 放大 器 介 質(zhì) 中 電 子 空 穴 對(duì) 的 自 發(fā) 復(fù) 合 。 自 發(fā) 復(fù) 合 導(dǎo) 致 了與 光 信 號(hào) 一 起 放 大 的 光 子 的 寬 譜 背 景 。 outinSNRSNRdBNF )( )(log10)( 10 13 EDFA放大1540波長(zhǎng)信號(hào)時(shí)產(chǎn)生的影響 14 ASE噪聲n ASE噪 聲 近 似 為 白 噪 聲 ， 噪 聲 功 率 譜 密 度 為 ： hnGS spsp 1 自 發(fā) 輻 射 系 數(shù) 或粒 子

9、數(shù) 反 轉(zhuǎn) 系 數(shù) 122 NNNnsp 對(duì) 于 原 子 都 處 于 激 發(fā) 態(tài)或 完 全 粒 子 數(shù) 反 轉(zhuǎn) 的 光放 大 器 ， nsp=1;當(dāng) 粒 子 數(shù) 不 完 全 反 轉(zhuǎn) 時(shí) ， nsp1； 激 發(fā) 態(tài) 的 粒 子 數(shù) 基 態(tài) 的 粒 子 數(shù) 15 研 究 發(fā) 現(xiàn) ， 接 收 機(jī) 前 接 入 光 放 大 器 后 ， 新 增 加 的噪 聲 主 要 來(lái) 自 ASE噪 聲 與 信 號(hào) 本 身 的 差 拍 噪 聲 。噪 聲 指 數(shù) 為 ： )2lg(10)1(2lg10 spsp nG nGNF 表 明 ： 即 使 對(duì) nsp=1的 完 全 粒 子 數(shù) 反 轉(zhuǎn) 的 理 想 放 大 器 ，被

10、放 大 信 號(hào) 的 SNR也 降 低 了 二 倍 （ 或 3dB） 。 對(duì) 大 多 數(shù)實(shí) 際 的 放 大 器 Fn均 超 過(guò) 3dB ， 并 可 能 達(dá) 到 68dB。 希 望放 大 器 的 F n盡 可 能 低 。 ASE噪聲 16 自 發(fā) 輻 射 的 影 響 是 增 加 一 些 起 伏 到 放 大 后的 功 率 上 ， 在 光 電 探 測(cè) 過(guò) 程 中 該 功 率 又 轉(zhuǎn) 變 成電 流 的 起 伏 。 研 究 結(jié) 果 表 明 ， 在 接 收 機(jī) 噪 聲 中 占 統(tǒng) 治 地位 的 是 來(lái) 自 自 發(fā) 輻 射 與 信 號(hào) 本 身 的 拍 頻 噪 聲 ，即 自 發(fā) 輻 射 與 放 大 后 的 信

11、號(hào) 在 光 電 探 測(cè) 器 相 干混 頻 ， 并 產(chǎn) 生 光 電 流 的 外 差 成 份 。 ASE噪聲 17 摻鉺光纖放大器 l 以 摻 鉺 光 纖 為 增 益 介 質(zhì) 。l 1985年 ， 南 安 普 敦 大 學(xué) 的 Mears等 人 制 成 了 EDFA。l 1986年 ， 他 們 用 Ar離 子 激 光 器 做 泵 浦 源 又 制 造 出 工 作 波長(zhǎng) 為 1540 nmnm的 EDFA。l 90年 代 初 ， 波 長(zhǎng) 1.55 m的 EDFA宣 告 研 制 成 功 并 能 實(shí) 際 推廣 應(yīng) 用 。 l 1994年 開 始 ， EDFA進(jìn) 入 商 用 ， 包 括 Corning、 Lu

12、cent和JDS Uniphase等 許 多 著 名 公 司 。l 我 國(guó) 研 究 EDFA起 步 比 較 晚 ， 是 從 上 世 紀(jì) 90年 代 開 始 的 。 摻 鉺 光 纖 放 大 器 簡(jiǎn) 介 18 摻鉺光纖放大器特性 高 增 益 （ 30dB） 寬 帶 （ 約 100nm） 低 噪 聲 （ 4 6dB） 偏 振 不 敏 感 高 輸 出 功 率 （ 16dBm） 19EDFA一 般 由 摻 鉺 光 纖 (EDF)、 泵 浦 光 (PUMP-LD)、 光 無(wú) 源 器 件 、 控 制單 元 和 通 信 接 口 五 個(gè) 部 分 組 成 。 摻鉺光纖放大器的基本組成 正 向 泵 浦 時(shí) 由 于

13、在 輸 入 端 具 有 很 高 的 粒子 數(shù) 反 轉(zhuǎn) ， 噪 聲 指 數(shù) 最 小 反 向 泵 浦 時(shí) 由 于 能 在 輸 出 端 提 供 較 強(qiáng) 的 泵浦 功 率 以 延 遲 增 益 飽 和 現(xiàn) 象 的 發(fā) 生 ， 轉(zhuǎn) 換 效率 較 高 ， 輸 出 功 率 較 高 、 噪 聲 指 數(shù) 最 大 雙 向 泵 浦 時(shí) 由 于 泵 浦 光 沿 鉺 光 纖 長(zhǎng) 度 泵浦 比 較 均 勻 ， 因 而 它 兼 具 高 功 率 及 低 噪 聲指 數(shù) 的 特 性 。 20 EDFA中的Er3+能級(jí)結(jié)構(gòu)n 泵 浦 波 長(zhǎng) 可 以 是 520、 650、 800、 980、 1480nm,波 長(zhǎng) 短 于980nm的

14、 泵 浦 效 率 低 ， 980nm和 1480nm的 LD已 經(jīng) 商 品 化 ,因 而 通 常 采 用 980和 1480nm泵 浦 。 21 EDFA的工作原理n EDFA采 用 摻 鉺 離 子 單 模 光 纖 為 增 益 介 質(zhì) ， 在 泵 浦 光 作 用 下產(chǎn) 生 粒 子 數(shù) 反 轉(zhuǎn) ， 在 信 號(hào) 光 誘 導(dǎo) 下 實(shí) 現(xiàn) 受 激 輻 射 放 大 。 22 增 益 隨 著 EDF長(zhǎng) 度 的 增 加 先 增 大 ， 在 達(dá) 到 增 益 最 大 值 后 ， 增 益 開始 隨 著 EDF長(zhǎng) 度 的 增 加 逐 漸 變 小 。 這 說(shuō) 明 了 EDFA優(yōu) 化 設(shè) 計(jì) 中 存 在 最 佳鉺 光

15、纖 長(zhǎng) 度 問(wèn) 題 。 這 是 因 為 泵 浦 光 激 發(fā) 基 態(tài) 粒 子 到 上 能 級(jí) ， 通 過(guò) 受激 輻 射 實(shí) 現(xiàn) 光 信 號(hào) 放 大 ， 當(dāng) 泵 浦 光 沿 EDF傳 輸 時(shí) ， 將 因 受 激 吸 收 而 不斷 衰 減 ， 導(dǎo) 致 反 轉(zhuǎn) 粒 子 數(shù) 不 斷 減 少 ， 當(dāng) 長(zhǎng) 度 超 過(guò) 最 佳 長(zhǎng) 度 后 ， 泵 浦光 就 不 能 讓 信 號(hào) 光 得 到 充 分 的 放 大 ， 同 時(shí) 信 號(hào) 光 也 被 吸 收 ， 此 時(shí) 增益 下 降 。 不 管 是 正 向 泵 浦 還 是 反 向 泵 浦 ， 1480 nmnm泵 浦 得 到 的 噪 聲 指 數(shù)和 增 益 都 高 于 9

16、80 nmnm泵 浦 所 得 。 反 向 泵 浦 的 噪 聲 指 數(shù) 和 增 益 大 于正 向 泵 浦 ， 長(zhǎng) 度 越 長(zhǎng) ， 這 種 差 別 就 越 明 顯 。 因 此 ， 人 們 在 設(shè) 計(jì) 混 合 泵 浦 EDFA時(shí) 候 ， 通 常 把 1480 nm激 光 作 為反 向 泵 浦 ， 980 nm作 為 正 向 泵 浦 。摻鉺光纖放大器的基本特性 23 增 益 均 衡 問(wèn) 題 不 同 信 道 之 間 存 在 強(qiáng) 烈 的 競(jìng) 爭(zhēng) 。 從 而 導(dǎo) 致 系 統(tǒng) 出 現(xiàn) 誤碼 。 當(dāng) 多 個(gè) 波 長(zhǎng) 的 光 信 號(hào) 通 過(guò) EDFA時(shí) ， 不 同 信 道 的 增 益 會(huì)有 所 不 同 ， 而 且

17、 這 種 增 益 差 還 會(huì) 隨 著 級(jí) 聯(lián) 放 大 而 累 積增 大 ， 導(dǎo) 致 某 些 信 道 的 增 益 劇 增 而 另 一 些 信 道 的 增 益劇 減 ， 低 電 平 信 道 信 號(hào) 的 SNR惡 化 ， 高 電 平 信 道 信 號(hào)也 因 為 光 纖 非 線 性 效 應(yīng) 而 使 信 號(hào) 特 性 惡 化 。 信 道 數(shù) 目 的 變 化 將 造 成 剩 余 信 道 總 功 率 的 隨 機(jī) 變 化 從而 影 響 系 統(tǒng) 的 穩(wěn) 定 性 .摻鉺光纖放大器的多通道放大 24 解 決 方 案 光 纖 本 征 型 ， 選 用 不 同 摻 雜 即 光 纖 基 質(zhì) 成 分 ， 從 而 改 善EDFA的

18、 特 性 。 如 研 制 蹄 化 物 玻 璃 材 料 光 纖 ； 用 增 益 譜 反 轉(zhuǎn) 的 各 種 無(wú) 源 濾 波 器 補(bǔ) 償 型 ， 如 利 用 Bragg光纖 光 柵 、 雙 錐 光 纖 、 周 期 調(diào) 制 的 雙 芯 光 纖 等 等 ； 用 增 益 譜 反 轉(zhuǎn) 的 各 種 有 源 濾 波 器 補(bǔ) 償 型 ， 如 利 用 集 成 電光 M-Z干 涉 儀 ， 聲 光 濾 波 器 ； 用 不 同 摻 雜 材 料 和 摻 雜 量 的 光 纖 進(jìn) 行 混 合 組 合 EDFA型 ； 對(duì) 鉺 光 纖 進(jìn) 行 周 期 性 彎 曲 來(lái) 改 變 EDFA的 增 益 譜 和 噪 聲 指數(shù) ； 自 引 入

19、激 射 光 的 增 益 鎖 定 控 制 。 摻鉺光纖放大器的多通道放大 25n 利 用 光 纖 非 線 性 效 應(yīng) 中 的 SRS原 理 進(jìn) 行 光 放 大 。n 無(wú) 需 利 用 摻 雜 的 光 纖 作 為 增 益 介 質(zhì) ， 直 接 使 用 傳 輸?shù)?光 纖 即 可 獲 得 增 益 。n 獲 得 增 益 之 波 長(zhǎng) 約 為 泵 浦 源 波 長(zhǎng) 往 長(zhǎng) 波 長(zhǎng) 方 向 移 位100 nm， 只 要 挑 選 對(duì) 所 需 之 泵 浦 源 的 波 長(zhǎng) ， 即 可放 大 光 纖 低 損 耗 帶 寬 內(nèi) 的 任 意 波 段 信 號(hào) 。n 利 用 多 個(gè) 不 同 波 長(zhǎng) 的 泵 浦 源 組 合 可 以 獲

20、 得 超 寬 帶 、增 益 平 坦 的 放 大 器 。 光纖拉曼放大器 拉 曼 放 大 器 的 簡(jiǎn) 介 26 n 拉 曼 現(xiàn) 象 在 1928年 被 發(fā) 現(xiàn) 。n 90年 代 早 期 ， EDFA取 代 它 成 為 焦 點(diǎn) ， FRA受 到 冷 遇 。n 隨 著 光 纖 通 信 網(wǎng) 容 量 的 增 加 ， 對(duì) 放 大 器 提 出 新 的 要 求 ，傳 統(tǒng) 的 EDFA已 很 難 滿 足 ， FRA再 次 成 為 研 究 的 熱 點(diǎn) 。n 高 功 率 二 極 管 泵 浦 激 光 器 的 迅 猛 發(fā) 展 ， 為 FRA的 實(shí) 現(xiàn)奠 定 了 堅(jiān) 實(shí) 的 基 礎(chǔ) 。n 人 們 對(duì) FRA的 興 趣 來(lái)

21、 源 于 這 種 放 大 器 可 以 提 供 整 個(gè) 波長(zhǎng) 波 段 的 放 大 。 通 過(guò) 適 當(dāng) 改 變 泵 浦 激 光 波 長(zhǎng) ， 就 可 以達(dá) 到 在 任 意 波 段 進(jìn) 行 寬 帶 光 放 大 ， 甚 至 可 在 12701670nm整 個(gè) 波 段 內(nèi) 提 供 放 大 。拉曼放大器的簡(jiǎn)介 27 n 分 立 式 FRA采 用 拉 曼 增 益 系 數(shù) 較 高 的 特 種 光 纖 （ 如 高摻 鍺 光 纖 等 ） ， 這 種 光 纖 長(zhǎng) 度 一 般 為 幾 公 里 ， 泵 浦 功率 要 求 很 高 ， 一 般 為 數(shù) 瓦 ， 可 產(chǎn) 生 40 dB以 上 的 高 增益 ， 用 于 實(shí) 現(xiàn) E

22、DFA無(wú) 法 實(shí) 現(xiàn) 的 波 段 的 集 總 式 放 大 。n 分 布 式 RFA主 要 作 為 傳 輸 系 統(tǒng) 中 傳 輸 光 纖 損 耗 的 分 布式 補(bǔ) 償 放 大 ， 實(shí) 現(xiàn) 光 纖 通 信 系 統(tǒng) 光 信 號(hào) 的 透 明 傳 輸 ，主 要 用 于 1.3 m和 1.5 m光 纖 通 信 系 統(tǒng) 中 作 為 多 路 信號(hào) 和 高 速 超 短 光 脈 沖 信 號(hào) 傳 輸 損 耗 的 補(bǔ) 償 放 大 ， 亦 可作 為 光 接 收 機(jī) 的 前 置 放 大 器 。拉曼放大器的簡(jiǎn)介 28 FRA原 理 簡(jiǎn) 介 ：物 理 機(jī) 制 ：A.光 纖 拉 曼 散 射 效 應(yīng) （ SRS)一 個(gè) 入 射 光

23、 子 （ pump)的湮 滅 ， 產(chǎn) 生 一 個(gè) 下 移stokes頻 率 的 光 子 和 另 一個(gè) 具 有 相 當(dāng) 能 量 和 動(dòng) 量 的 光學(xué) 光 子B.與 pump光 子 相 差stokes頻 率 的 信 號(hào) 光 子 ，經(jīng) 受 激 散 射 過(guò) 程 被 放 大 FRA是 靠 非 線 性 散 射 實(shí) 現(xiàn) 放 大 功能 ， 不 需 要 能 級(jí) 間 粒 子 數(shù) 反 轉(zhuǎn)光纖拉曼放大器原理簡(jiǎn)介(1) 29 頻 率 為 p和 s的 泵 浦 光 和 信 號(hào) 光通 過(guò) 耦 合 器 輸 入 光 纖 ， 當(dāng) 這 兩 束光 在 光 纖 中 一 起 傳 輸 時(shí) ， 泵 浦 光的 能 量 通 過(guò) SRS效 應(yīng) 轉(zhuǎn)

24、移 給 信 號(hào)光 ， 使 信 號(hào) 光 得 到 放 大 。峰 值 增 益 頻 移 ： 13.2THz反 向 泵 浦 為 主 ， 也 可 同 向 泵 浦支 撐 技 術(shù) : 14nm的 大 功 率 泵浦 激 光 器 ， 目 前 以 取 得 實(shí) 用 化光纖拉曼放大器原理簡(jiǎn)介(2) 30 pp oRa pgeG )1(1 oGG o os 0：輸入信號(hào)功率對(duì)泵浦光功率的比例)0( )0( psspo PPff拉曼增益常數(shù)Rgppa有效光纖截面積 泵浦光的光纖衰減常數(shù) 輸入的泵浦光功率 pfopsf )0(sP信號(hào)光的功率 泵浦光的頻率 信號(hào)光的頻率 拉曼放大器的特性n 放 大 增 益 n 飽 和 增 益

25、 n 噪 聲 指 數(shù) 同 EDFA 31 拉曼放大器的特性特 性 ： 在 所 有 類 型 光 纖 中 都 會(huì) 發(fā) 生 峰 值 增 益 頻 移 13 THz (60-100nm) 增 益 具 有 偏 振 依 賴 性 ， 當(dāng) 泵 浦 光 與 信 號(hào) 光 偏 振 方 向 平行 時(shí) 增 益 最 大 ， 垂 直 時(shí) 增 益 最 小 為 零 增 益 譜 很 寬 (125nm)但 并 不 平 坦 nAdvantages:n理 論 上 可 以 得 到 任 意 波 長(zhǎng) 的 增 益 ， 前 提 是 需 要 合 適 的 泵 浦源 ；n分 布 或 分 立 放 大 均 能 實(shí) 現(xiàn) ；n使 用 光 纖 作 為 放 大 介

26、 質(zhì) 意 味 著 在 線 放 大 的 可 能 ， 可 以 減 少噪 聲 的 積 累 。nDisadvantages:n泵 浦 功 率 高 （ 500mW） 32 SOA具 有 快 的 動(dòng) 態(tài) 增 益 特 性 、 價(jià) 格 低 、 能 耗 小 、 寬 的帶 寬 、 可 以 工 作 在 0.61.6 m任 意 波 段 ， 易 于 與 其 他 器件 集 成 等 優(yōu) 點(diǎn) 。 早 在 1962年 發(fā) 明 半 導(dǎo) 體 激 光 器 不 久 ， 人 們 就 已 開 始 了SOA的 研 究 。由 于 80年 代 末 期 EDFA的 出 現(xiàn) 并 迅 速 成 為 光 纖 通 信 的 主流 ， SOA的 研 發(fā) 和 應(yīng)

27、 用 曾 相 對(duì) 處 于 低 谷 ， 直 到 90 年 代 后 ，人 們 進(jìn) 一 步 認(rèn) 識(shí) 到 SOA可 以 用 于 實(shí) 現(xiàn) 波 長(zhǎng) 轉(zhuǎn) 換 、 WDM與TDM轉(zhuǎn) 換 等 功 能 ， 才 又 對(duì) SOA進(jìn) 行 了 廣 泛 地 研 究 和 開 發(fā) 。 4.4 半導(dǎo)體光放大器 半 導(dǎo) 體 光 放 大 器 的 簡(jiǎn) 介 33(1)法 布 里 -珀 羅 ( Fabry-Perot Amplifier, FPA ) 將 一般 的 FP半 導(dǎo) 體 激 光 器 當(dāng) 作 光 放 大 器 使 用 。(2) 行 波 式 光 放 大 器 (Travelling-Wave Amplifier, TWA)在 Fabry

28、-Perot激 光 器 的 兩 端 面 上 涂 上 抗 反 射 膜 ， 以 獲得 寬 帶 、 高 輸 出 、 低 噪 聲 的 放 大 光 。 半導(dǎo)體光放大器的分類根 據(jù) 光 放 大 器 端 面 反 射 率 和 工 作 偏 置 條 件 ， 將 半 導(dǎo) 體 光 放大 器 分 為 ： 34 行波半導(dǎo)體光放大器n TW SOA具 有 極 低 的 端 面 反 射 率 ， 通 常 在 0.1%以 下 :入 射 信 號(hào) 只 能 單 程 放 大 （ 行 波 ）n 降 低 端 面 反 射 方 法 ： 傾 斜 有 源 區(qū) 法 、 窗 面 結(jié) 構(gòu) 。n TW SOA的 增 益 、 增 益 帶 寬 和 噪 聲 特 性

29、 都 可 以滿 足 光 纖 通 信 的 要 求 ， 但 如 下 缺 點(diǎn) 限 制 著 它 在 光纖 通 信 中 的 實(shí) 際 應(yīng) 用 ： n 對(duì) 偏 振 （ 亦 即 極 化 態(tài) ） 非 常 敏 感 。 不 同 的 偏 振模 式 ， 具 有 不 同 的 增 益 G， 如 橫 電 模 （ TE） 和橫 磁 模 （ TM） 的 增 益 差 可 達(dá) 58 dB 35 SOA增益偏振相關(guān)性起 因 ： 由 于 半 導(dǎo) 體 有 源 層 的 橫 截 面 呈 扁 長(zhǎng) 方 形 ， 對(duì) 橫 向 （ 長(zhǎng) 方 形的 寬 邊 方 向 ） 和 豎 向 （ 長(zhǎng) 方 形 的 窄 邊 方 向 ） 的 光 場(chǎng) 約 束 不 同 ， 光場(chǎng)

30、 在 豎 向 的 衍 射 泄 漏 強(qiáng) 于 橫 向 ， 因 而 豎 向 的 光 增 益 弱 于 橫 向 。 因此 光 信 號(hào) 的 偏 振 方 向 取 橫 向 時(shí) 的 增 益 大 ， 取 豎 向 時(shí) 的 增 益 小 。解 決 方 法 ： 采 用 寬 、 厚 可 比 擬 的 有 源 層 設(shè) 計(jì) ； 使 用 方 法 上 解 決 。相 同 結(jié) 構(gòu) SOA互 相 垂 直并 接 ， 在 輸 入 端 采 用 偏振 分 束 器 將 信 號(hào) 分 成 TE和 TM偏 振 信 號(hào) ,分 別 輸入 至 相 互 垂 直 的 SOA，然 后 將 兩 只 SOA放 大 的TE和 TM偏 振 信 號(hào) 合 成 ， 得 到 與 輸

31、 入 光 同 偏 振 態(tài)的 放 大 信 號(hào) 。輸 入 光 信 號(hào) 往 返 兩 次 通 過(guò) 同 一 SOA， 但 反 向通 過(guò) 前 ， 采 用 法 拉 第 旋 轉(zhuǎn) 器 使 返 回 光 旋 轉(zhuǎn) 900第 二 次 放 大 后 ， 用 耦 合 器 取 出 輸 出 光 信 號(hào) 。相 同 結(jié) 構(gòu) SOA互 相 垂 直 串 接 ，所 得 增 益 將 與偏 振 無(wú) 關(guān) 36 4.5 幾種新型放大器 摻 銩 光 纖 放 大 器 波 導(dǎo) 放 大 器 光 子 晶 體 光 纖 放 大 器 37TDFA的能級(jí)泵浦圖 摻銩光纖放大器第 一 級(jí) 泵 浦 通 過(guò) 基態(tài) 吸 收 將 Tm3+由 基 態(tài)泵 浦 到 3H4能 級(jí)

32、， 并 由于 多 量 子 馳 豫 衰 減 到亞 穩(wěn) 態(tài) 3F4第 二 級(jí) 泵 浦 將 Tm3+從能 級(jí) 3F 4泵 浦 到 3H4。第 二 級(jí) 泵 浦 減 少 了3F4能 級(jí) 的 粒 子 數(shù) ， 同時(shí) 增 加 了 3H4的 粒 子 數(shù) ，從 而 實(shí) 現(xiàn) 了 粒 子 數(shù) 反轉(zhuǎn) 。 38利用TDFA和EDFA進(jìn)行三波段超寬帶DWDM傳輸實(shí)驗(yàn)系統(tǒng) 摻銩光纖放大器 TDFA的 主 要 應(yīng) 用 是 DWDM系 統(tǒng) ， 它 的 研 制 成 功 ， 可 以 和 EDFA進(jìn) 行 多波 段 合 波 的 傳 輸 ， 從 而 解 決 了 通 信 容 量 的 問(wèn) 題 。 39EDWA結(jié)構(gòu)示意圖 波導(dǎo)放大器光 波 導(dǎo)

33、放 大 器 可 以 在 較 小 的 器 件 尺 寸 內(nèi) 獲 得 較 大 的 增 益 ， 有 可 能 為集 成 光 路 引 進(jìn) 多 種 有 源 /無(wú) 源 器 件 。 可 以 像 電 路 集 成 一 樣 將 光 波 導(dǎo) 放大 器 、 光 源 、 光 濾 波 器 、 光 探 測(cè) 器 等 有 源 、 無(wú) 源 器 件 集 成 在 一 片 芯 片中 ， 進(jìn) 行 光 電 子 集 成 。摻 釹 光 波 導(dǎo) 放 大 器 （ NDWA， 其 中 心 工 作 波 長(zhǎng) 為 1060nm）摻 鉺 光 波 導(dǎo) 放 大 器 （ EDWA， 其 中 心 工 作 波 長(zhǎng) 為 1550nm） 。 40 (a) 光 子 晶 體 光

34、 纖 （ b） 空 芯 光 子 晶 體 光 纖光子晶體光纖的電子掃描顯微圖 光子晶體光纖放大器光 子 晶 體 光 纖 （ PCF） 又 被 稱 為 微 結(jié) 構(gòu) 光 纖 或 多 孔 光 纖 ， 它 是一 種 由 單 一 介 質(zhì) 構(gòu) 成 （ 通 常 為 熔 融 硅 或 聚 合 物 ） 、 在 二 維 方 向上 緊 密 排 列 （ 通 常 為 周 期 性 六 角 形 ） 而 在 第 三 維 方 向 （ 光 纖 的軸 向 ） 基 本 保 持 不 變 的 波 長(zhǎng) 量 級(jí) 的 空 氣 孔 構(gòu) 成 微 結(jié) 構(gòu) 包 層 的 新型 光 纖 。 它 可 以 視 為 一 種 芯 層 為 破 壞 了 周 期 結(jié) 構(gòu)

35、的 缺 陷 的 二 維光 子 晶 體 ， 且 其 芯 層 可 以 為 實(shí) 芯 材 料 或 空 氣 。 41 類 似 于 EDFA和 RFA， PCFA也 可 以 分 為 光 子 晶 體 光 纖拉 曼 放 大 器 和 摻 鉺 光 子 晶 體 光 纖 放 大 器 。 然 而 到 目 前為 止 ， PCFA還 處 在 研 究 階 段 。 光子晶體光纖放大器 PCF的 結(jié) 構(gòu) 易 于 設(shè) 計(jì) ， 容 易 控 制 光 的 行 為 ， 設(shè) 計(jì) 一種 自 身 具 有 色 散 控 制 、 非 線 性 效 應(yīng) 小 、 泵 浦 功 率 小 、體 積 小 且 寬 帶 的 光 子 晶 體 光 放 大 器 是 完 全

36、有 可 能 的 。近 年 來(lái) 國(guó) 內(nèi) 外 許 多 學(xué) 者 開 始 了 光 子 晶 體 光 纖 放 大 器（ PCFA） 的 研 究 。 42 4.6 光放大器的測(cè)試 測(cè) 試 參 數(shù) 的 定 義 摻 鉺 光 纖 放 大 器 拉 曼 光 纖 放 大 器 半 導(dǎo) 體 光 放 大 器 43 動(dòng) 態(tài) 范 圍 ： 定 義 為 放 大 器 工 作 于 飽 和 區(qū) 時(shí) ， 保 持恒 定 信 號(hào) 輸 出 功 率 ( 0.5 dB)所 對(duì) 應(yīng) 的 輸 入 信 號(hào) 功率 變 化 范 圍 ， 稱 為 動(dòng) 態(tài) 范 圍 ， 單 位 dB； 增 益 平 坦 度 (GF) ： 指 在 整 個(gè) 可 用 的 增 益 通 帶 內(nèi)

37、，最 大 增 益 波 長(zhǎng) 點(diǎn) 的 增 益 與 最 小 增 益 波 長(zhǎng) 點(diǎn) 的 增 益之 差 ， 單 位 dB。 在 WDM系 統(tǒng) 中 GF越 小 越 好 。 增 益 變 化 ： 指 光 放 大 器 增 益 在 光 放 大 器 工 作 波 段內(nèi) （ 多 通 路 ） 的 變 化 ， 最 大 和 最 小 增 益 變 化 的 數(shù)值 與 通 路 數(shù) 無(wú) 關(guān) 。測(cè)試參數(shù)的定義 44 動(dòng) 態(tài) 增 益 斜 率 (DGT)表 示 不 同 波 長(zhǎng) 信 道 的 增 益 隨 輸 入 光 功 率 變 化而 產(chǎn) 生 的 動(dòng) 態(tài) 變 化 的 差 異)()( )()( 00 GG GGDGT 測(cè)試參數(shù)的定義是 參 考 波 長(zhǎng)

38、 ， 0是 定 義 的波 長(zhǎng) ， G是 標(biāo) 稱 增 益 ， G/是不 同 輸 入 光 功 率 下 的 增 益 。 45 測(cè) 量 EDFA增 益 的 基 本 裝 置 OSA得 到 的 輸 入 信 號(hào) 光 放 大 前 后 譜 摻鉺光纖放大器 46偏振消光法測(cè)量噪聲指數(shù)的裝置圖 摻鉺光纖放大器 ASE R L in 1(dBm)=( )/2 ( ) 3P P P P P 2 1(dB) (dB) (dB)G P P 10 ASE 0(dB) 10log ( / 1/ )NF P h BG G ASE功 率 放 大 器 增 益 噪 聲 指 數(shù) 47 摻鉺光纖放大器具 體 測(cè) 量 噪 聲 指 數(shù) 步 驟

39、 如 下 ：(1) 使 用 光 功 率 計(jì) 測(cè) 量 輸 入 光 功 率 Pin；(2) 在 未 接 入 EDFA時(shí) ， 調(diào) 整 偏 振 控 制 器 使 光 波 只 通 過(guò) 偏 振 分 束 器的 其 中 一 條 路 徑 有 最 大 的 輸 出 ， 用 光 譜 分 析 儀 測(cè) 量 此 時(shí) 信 號(hào) 的 峰值 功 率 P1；(3)接 入 EDFA， 調(diào) 整 偏 振 控 制 器 使 光 譜 儀 測(cè) 量 到 最 大 的 信 號(hào) 峰 值 功率 P 2；(4) 調(diào) 整 偏 振 控 制 器 使 信 號(hào) 峰 值 達(dá) 到 最 小 ， 只 剩 下 ASE功 率 電 平 。采 用 線 性 插 值 方 法 ， 即 在 信

40、 號(hào) 波 長(zhǎng) 左 右 約 0.2nm間 隔 處 測(cè) 量 ASE電平 PL、 PR， 然 后 求 和 取 平 均 值 ， 我 們 認(rèn) 為 這 個(gè) 平 均 值 就 是 信 號(hào) 波長(zhǎng) 的 ASE電 平 ；(5)將 所 得 的 數(shù) 據(jù) 代 入 公 式 ， 即 可 計(jì) 算 出 信 號(hào) 的 ASE功 率 、 放 大 器增 益 和 噪 聲 指 數(shù) 48 放大信號(hào)原始信號(hào)Source Spontaneous Emission , SSEASE+ (Gain x SSE)Noise Figure Gain摻鉺光纖放大器 49測(cè)量RFA拉曼增益系數(shù)的裝置圖 拉曼光纖放大器 50SOA微 調(diào) 架 光 譜 儀偏 振 控制 器可 調(diào) 激光 器 光 衰 減 器 光 隔 離 器光 隔 離 器SOA的測(cè)試系統(tǒng)框圖 半導(dǎo)體光放大器