光纤放大器

2021-04-29 16:31:01      点击:
光放大器的开发成功及其产业化是光纤通信技术中的一个非常重要的成果,它大大地促进了光复用技术、光弧子通信以及全光网络的发展。顾名思义,光放大器就是放大光信号。

光纤放大器一般都由增益介质、泵浦光和输入输出耦合结构组成。目前光纤放大器主要有掺铒光纤放大器、半导体光放大器和光纤拉曼放大器三种,根据其在光纤网络中的应用,光纤放大器主要有三种不同的用途:在发射机侧用作功率放大器以提高发射机的功率;在接收机之前作光预放大器以极大地提高光接收机的灵敏度;在光纤传输线路中作中继放大器以补偿光纤传输损耗,延长传输距离。

光放大器不但可对光信号进行直接放大,同时还具有实时、高增益、宽带、低噪声、低损耗的全光放大功能,是新一代光纤通信系统中必不可少的关键器件。

光纤放大器原理及分类


EDFA的原理
EDFA的泵浦过程需要使用三能级系统,在掺铒光纤中注入足够强的泵浦光,就可以将大部分处于基态的Er3+离子抽运到激发态,处于激发态的Er3+离子又迅速无辐射地转移到亚稳态。由于Er3+离子在亚稳态能级上寿命较长,因此很容易在亚稳态与基态之间形成粒子数反转。当信号光子通过掺铒光纤时,与处于亚稳态的Er3+离子相互作用发生受激辐射效应,产生大量与自身完全相同的光子,这时通过掺铒光纤传输的信号光子迅速增多,产生信号放大作用。Er3+离子处于亚稳态时,除了发生受激辐射和受激吸收以外,还要产生自发辐射(ASE),它造成EDFA的噪声。

掺铒光纤放大器(EDFA)具有增益高、噪声低、频带宽、输出功率高、连接损耗低和偏振不敏感等优点,直接对光信号进行放大,无需转换成电信号,能够保证光信号在最小失真情况下得到稳定的功率放大。

EDFA的结构
典型的EDFA结构主要由掺铒光纤(EDF)、泵浦光源、耦合器、隔离器等组成。

掺铒光纤是EDFA的核心部件。它以石英光纤作为基质,在纤芯中掺人固体激光工作物质铒离子,在几米至几十米的掺铒光纤内,光与物质相互作用而被放大、增强。光隔离器的作用是抑制光反射,以确保放大器工作稳定,它必须是插入损耗低,与偏振无关,隔离度优于40 dB。

EDFA的特性及性能指标
增益特性表示了放大器的放大能力,其定义为输出功率与输入功率之比,Pout,Pin分别表示放大器输出端与输入端的连续信号功率。增益系数是指从泵浦光源输入1 mW泵浦光功率通过光纤放大器所获得的增益。g0是由泵浦强度定的小信号增益系数,由于增益饱和现象,随着信号功率的增加,增益系数下降;Is,Ps分别为饱和光强和饱和光功率,是表明增益物质特性的量,与掺杂系数、荧光时间和跃迁截面有关。

增益和增益系数的区别在于:增益主要是针对输入信号而言的,而增益系数主要是针对输入泵浦光而言的。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1 480 nm。由于各处的增益系数是不同的,而增益须在整个光纤上积分得到,故此特性可用以通过选择光纤长度得到较为平坦的增益谱。

EDFA的带宽
增益频谱带宽指信号光能获得一定增益放大的波长区域。实际上的EDFA的增益频率变化关系比理论的复杂得多,它还与基质光纤及其掺杂有关。在EDFA的增益谱宽已达到上百纳米.而且增益谱较平坦。ED-FA的增益频谱范围在1 525~1 565 nm之间。

EDFA的级联结构
EDFA对光信号功率的放大,特别在无线光通信大功率(瓦级)应用中,常常采用级联的方式,比如两级或者三级放大。之所以采用级联的方式,是因为在EDFA的掺铒光纤(EDF)中插入一个光隔离器,构成带光隔离器的两段级联EDFA,由于光隔离器有效地抑制了第二段:EDF的反向自发辐射(ASE),使其不能进入第一段EDF,减少了泵浦功率在反向ASE上的消耗,使泵浦光子更有效地转换成信号光能量,从而可以明显改善EDFA的增益、噪声系数和输出功率等特性。本文采用丽级级联放大,将1~2 mW的1 550 nm光信号,经EDFA放大到1 W左右。

光信号由LD激光器产生,是已调制的信号,第一级放大采用单包层掺铒光纤放大器,980 nm单模半导体激光器作为泵浦源,将光功率放大到50 mW附近。第一级采用单模半导体激光器泵浦,先将光信号稳定可靠的放大到一定功率,保证了整个光信号的完整,又为下一级光放大提供了较高的光功率基础。第二级采用双包层光纤放大器,多模半导体激光器泵浦源将光功率放大到1 W左右。双包层光纤放大器纤芯比单包层纤芯大,泵浦功率可以有效地耦台到纤芯中,使第二级光信号的输出功率可达到瓦级。

掺铒光纤放大器
掺铒光纤放大器是利用掺铒光纤这一活性介质,当泵浦光输入到EDF中时,就可以将大部分处于基态的Er3+抽运到激发态上,处于激发态的Er3+又迅速无辐射地转移到亚稳态上,由于Er3+在亚稳态上的平均停留时间为10ms,因此很容易在亚稳态与基态之间形成粒子数反转,此时,信号光子通过掺铒光纤,在受激辐射效应作用下产生大量与自身完全相同的光子,使信号光子迅速增多,这样在输出端就可以得到被不断放大的光信号。

自80年代末至90年代初研制成掺铒光纤放大器(EDFA),并开始应用于1.55mm频段的光纤通信系统以来,推动了光纤通信向全光传输方向发展,且目前EDFA的技术开发和商品化最成熟;应用广泛的C波段EDFA通常工作在1530~1565nm光纤损耗最低的窗口,具有输出功率大、增益高、与偏振无关、噪声指数低、放大特性与系统比特率和数据格式无关,且同时放大多路波长信号等一系列的特性,在长途光通信系统中得到了广泛的应用。其不足是C-Band EDFA的增益带宽只有35nm,仅覆盖石英单模光纤低损耗窗口的一部分,制约了光纤固有能够容纳的波长信道数。

然而随着因特网技术的迅速发展,要求光纤传输系统的传输容量要不断地扩大,面对传输容量的扩大,目前主要有三种解决途径:

增加每个波长的传输速率;
减少波长间距;
增加总的传输带宽。

半导体光放大器
半导体光放大器(SOA)是采用通信用激光器相类似的工艺制作而成的一种行波放大器,当偏置电流低于振荡阈值时,激光二极管就能对输入相干光实现光放大作用。由于半导体放大器具有体积小、结构较为简单、功耗低、寿命长、易于同其它光器件和电路集成、适合批量生产、成本低,可实现增益兼开关功能等特性,在全光波长变换、光交换、谱反转、时钟提取、解复用中的应用受到了广泛的重视,特别是目前应变量子阱材料的半导体光放大器的研制成功,已引起人们对SOA的广泛研究兴趣。

国内武邮院与华中科技大学合作成功地研制开发了在光网络中的关键器件--半导体光放大器,并很快实现了产品化,成为继Alcatel公司之后能够批量供应国际市场应用于光开关的半导体光放大器的供货商,这标志着我国自行研制的应变量子阱器件迈出了商品化生产的关键一步。但半导体光放大器与掺铒光纤放大器相比存在着噪声大、功率较小、对串扰和偏振敏感、与光纤耦合时损耗大,工作稳定性较差等缺陷,迄今为止,其性能与掺铒光纤放大器仍有较大的差距。又由于半导体光放大器覆盖了1300~1600nm波段,既可用于1300nm窗口的光放大器,也可以用于1550nm窗口的光放大器,且在DWDM多波长光纤通信系统中,无需增益锁定,那么它不仅可作为光放大器一种有益的选择方案,而且还可以促成1310nm窗口DWDM系统的实现。

光纤拉曼放大器
受激拉曼散射(SRS)是光纤中的一种非线性现象,它将一小部分入射光功率转移到频率比其低的斯托克斯波上;如果一个弱信号与一强泵浦光波同时在光纤中传输,并使弱信号波长置于泵浦光的拉曼增益带宽内,弱信号光即可以得到放大,这种基于受激拉曼散射机制的光放大器即称为光纤拉曼放大器(FRA)。

近年来光纤拉曼放大器倍受关注,已成为研制开发的热点,它具有许多优点:

(1)增益介质为普通传输光纤,与光纤系统具有良好的兼容性;

(2)增益波长由泵浦光波长决定,不受其它因素的限制,理论上只要泵浦源的波长适当,就可以放大任意波长的信号光;

(3)增益高、串扰小、噪声指数低、频谱范围宽、温度稳定
性好。

正因为光纤拉曼放大器有这么多的优点,它可以放大掺铒光纤放大器所不能放大的波段,并可在1292~1660nm光谱范围内进行光放大,获得比EDFA宽得多的增益带宽;再次增益介质为普通光纤,可制作分立式或分布式FRA,分布式光纤拉曼放大器可以对信号光进行在线放大,增加光放大的传输距离,应用于40Gbit/s的高速光网络中,也特别适用于海底光缆通信系统,而且因为放大是沿着光纤分布而不是集中作用,所以输入光纤的光功率大为减少,从而非线性效应尤其是四波混频效应大大减少,这对于大容量DWDM系统是十分适用的。FRA是EDFA的补充,而不是代替,两者结合起来可获得大于100nm增益平坦宽带,这就是采用分布式光纤拉曼放大器的好处。

但光纤拉曼放大器有一个主要的缺点就是需要特大功率的泵浦激光器,解决这个问题的主要途径有:一是研究降低阈值功率的泵浦激光器,使得普通的大功率半导体激光器能作为拉曼泵浦使用;其二是提高获得更大输出功率泵浦激光器的研制水平;其三是将多个泵浦源激光器的波长采用列阵、单片组合的方法复用在一起,获得一个大功率输出的泵浦激光器,此种方法不但可提供一个宽带的增益谱,而且还可以通过调节单个激光器的功率来调整增益斜率。