WDM系统中光放大器的性能介绍

1光放大器概述

我们知道光纤有一定的衰耗,光信号尤其是光WDM(wavelength-division multiplex光波分复用)信号沿光纤传播将会衰减,传输距离受衰减的制约。因此,为了使光信号特别是光WDM信号传得更远,我们必须在中途对光进行放大。传统的增强光信号的方法是使用再生器。但是,这种方法存在许多缺点。随着光通信技术的发展,尤其是光WDM的进步,我们有了一种直接光放大技术—— 光放大器。

1.1 光放大器的特点

光放大器的工作不需要转换光信号到电信号,放大后再转回光信号,它是直接对光进行放大。这个特性导致光放大器比再生器有两大优势。第一,光放大器支持任何比特率和信号格式;第二,光放大器不仅支持单个信号波长放大—— 像再生器,而且支持多个波长信号(光WDM)的光信号放大。

1.2 光放大器的分类

现在主要有两种类型的光放大器:半导体光放大器(SOA)和光纤放大器(OFA)。半导体光放大器利用半导体材料固有的受激辐射放大机制,实现光放大,其原理和结构与半导体激光器相似。光纤放大器与半导体放大器不同,光纤放大器的活性介质(或称增益介质)是一段特殊的光纤或传输光纤,并且和泵浦激光器相连,当信号光通过这一段光纤时,信号光被放大。光纤放大器又可以分为掺稀土离子光纤放大器(Rare Earth Ion Doped Fiber Amplifier)和非线性光纤放大器。

1.3 光放大器的主要性能参数

光放大器是一个模拟器件,所以它的性能参数都是模拟参数。

1.3.1 增益(Gain)

增益是输出光功率与输入光功率之比,也就是:

增益＝POUT/PIN

其中POUT和PIN分别是输出光功率和输入光功率,功率的单位为瓦特,通常我们用分贝(dB)为单位来表示增益,也就是:

增益(dB)＝10lg(POUT/PIN)

1.3.2 噪声指数(NF)

光放大器的噪声指数(NF,Noise Figure)的定义式为光放大器输入输出端口的信噪比(SNR,Signal to Noise Ratio)的比值:

1.3.3 增益带宽

所谓增益带宽是指光放大器有效的频率(或波长)范围,通常指增益从最大值下降3dB时,对应的波长范围,对于WDM系统,所有光波长通道都要得到放大,因此,光放大器必须具有足够宽的增益带宽。

1.3.4 饱和输出功率

光放大器的输入光功率范围有一定的要求,当输入光功率大于某一阈值时,PT就会出现增益饱和;增益饱和是指输出功率不再随输入功率增加而增加或增加很小。根据ITU-T的建议,当增益比正常情况低3dB时的输出光功率称为饱和输出功率,Ps,其单位通常用dBm表示。

2掺铒光纤放大器

一种类型的光纤放大器是掺稀土离子光纤放大器。掺稀土离子光纤放大器是利用稀土金属离子作为工作物质,利用离子的受激辐射进行光信号放大。用在光放大器中的稀土金属离子通常有铒(Er)、钕(Nd)、镨(Pr)、铥(Tm)等。掺稀土离子光纤放大器中比较成熟的是掺铒光纤放大器(EDFA)。

2.1 掺铒光纤放大器的工作原理

2.1.1 掺铒光纤中Er3+离子受激辐射和自发辐射

掺铒光纤是光纤放大器的核心,它是一种内部掺有一定浓度Er3+的光纤,为了阐明其放大原理,需要从铒离子的能级图讲起。铒离子的外层电子具有三能级结构,其中E1是基态能级,E2是亚稳态能级,E3是高能级。

当用高能量的泵浦激光来激励掺铒光纤时,可以使铒离子的束缚电子从基态能级大量激发到高能级E3上。然而,高能级是不稳定的,因而铒离子很快会经历无辐射跃迁落入亚稳态能级E2。而E2能级是一个亚稳态的能带,在该能级上,粒子的存活寿命较长(大约10ms)。受到泵浦光激励的粒子,以非辐射跃迁的形式不断地向该能级汇集,从而实现粒子数反转分布－即亚稳态能级E2上的离子数比基态E1上的多。当具有1550nm波长的光信号通过这段掺铒光纤时,亚稳态的粒子受信号光子的激发以受激辐射的形式跃迁到基态,并产生出与入射信号光子完全相同的光子,从而大大增加了信号光中的光子数量,即实现了信号光在掺铒光纤传输过程中的不断被放大的功能。

在EDF中绝大多数受激Er离子因受激辐射而被迫回到基态E1,但它们中有一部分是自发回落到基态的。当这些受激离子衰变时,它们也自发地辐射光子。自发辐射的光子与信号光子在相同的频率(波长)范围内,但它们是随机的。那些与信号光子同方向的自发辐射光子也在EDF中放大。这些自发辐射并被放大的光子组成放大的自发辐射(ASE)。由于它们是随机的,它们对信号没有贡献,却产生了在信号光谱范围内的噪声。

2.1.2 掺铒光纤放大器光学结构

为了实现光功率放大的目的,将一些光无源器件、泵浦源和掺铒光纤以特定的光学结构组合在一起,就构成了EDFA光放大器。信号光和泵浦激光器发出的泵浦光,经过WDM耦合器后进入掺铒光纤EDF,其中两只泵浦激光器构成两级泵浦,掺铒光纤EDF在泵浦光的激励下可以产生放大作用,从而也就实现了放大光信号的功能。

(1)掺铒光纤。

掺铒光纤的工作机理前面已经详细介绍,这里不累述。

(2)光耦合器。

光耦合器,顾名思义,就是具有耦合的功能,其作用是将信号光和泵浦光耦合,并一起送入掺铒光纤,也称光合波器,通常使用光纤熔锥型耦合器。

(3)光隔离器。

光路中两只隔离器的作用分别是:输入光隔离器可以阻挡掺铒光纤中反向ASE对系统发射器件造成干扰,以及避免反向ASE在输入端发生反射后又进入掺铒光纤产生更大的噪声;输出光隔离器则可避免输出的放大光信号在输出端反射后进入掺铒光纤消耗粒子数从而影响掺铒光纤的放大特性。

(4)泵浦激光器。

泵浦激光器是EDFA的能量源泉,它的作用是为光信号的放大提供能量。通常是一种半导体激光器,输出波长为980nm或1480nm,泵浦光经过掺铒光纤时,将铒离子从低能级泵浦到高能级,从而形成粒子数反转,而当信号光经过时,能量就会转移到光信号中,从而实现光放大的作用。

(5)分光器。

EDFA中所用的分光器为一分二器件,其作用是将主通道上的光信号分出一小部分光信号送入光探测器以实现对主通道中光功率的监测功能。

(6)光探测器。

光探测器是一种光强度检测器,它的作用是将接收的光功率通过光/电转换变成光电流,从而对EDFA模块的输入、输出光功率进行监测。

2.2 掺铒光纤放大器的优缺点

掺铒光纤放大器的主要优点。

(1)工作波长与单模光纤的最小衰减窗口一致。(2)耦合效率高。由于是光纤放大器,易与传输光纤耦合连接。(3)增益特性与系统比特率和数据格式无关。

掺铒光纤放大器的主要缺点:增益波长范围固定。Er离子的能级之间的能级差决定了EDFA的工作波长范围是固定的,只能在1550nm窗口。

3掺铒光纤放大器

3.1 拉曼光纤放大器的原理

在常规光纤系统中,光功率不大,光纤呈线性传输特性。当注入光纤－非线性光学介质中的光功率非常高时,高能量(波长较短)的泵浦光散射,将一小部分入射功率转移到另一频率下移的光束,频率下移量由介质的振动模式决定,此过程称为拉曼效应。

3.2 拉曼光纤放大器的特点

拉曼光纤放大器有以下三个突出的特点。

(1)其增益波长由泵浦光波长决定,只要泵浦源的波长适当,理论上可得到任意波长的信号放大。(2)其增益介质为传输光纤本身;这使拉曼光纤放大器可以对光信号进行在线放大,构成分布式放大,实现长距离的无中继传输和远程泵浦,尤其适用于海底光缆通信等不方便设立中继器的场合,而且因为放大是沿光纤分布而不是集中作用,光纤中各处的信号光功率都比较小,从而可降低非线性效应尤其是四波混频(FWM)效应的干扰。(3)噪声指数低,这使其与常规EDFA混合使用时可大大降低系统的噪声指数,增加传输跨距。

3.3 拉曼光纤放大器的优缺点

拉曼光纤放大器的优点如下。

(1)在任何类型光纤上都有增益,增益波长由泵浦波长决定。(2)放大器结构较简单。(3)可抑制非线性效应。

拉曼光纤放大器的主要缺点如下。

(1)泵浦的光子效率较低,需要高功率泵浦。(2)强烈的偏振相关增益,采用正交泵浦方式。(3)瞬态增益,采用后向泵浦方式。

4半导体光放大器

4.1 半导体光放大器的原理

载有原始数据的光输入信号通过耦合光设备进入半导体光放大器的有源区。因为单模光纤的模场直径MFD的典型值是9.3μm,而有源区的厚度尺寸较小甚至可能是十分之几微米。输入信号光子激发电子—空穴复合,并辐射出与输入信号相同的光子。

4.2 半导体光放大器的特点

半导体光放大器的主要优点如下。

(1)SOA能工作在1310nm和1550nm两个波长窗口上,甚至能同时工作在两个波长窗口上。(2)SOA有较宽的工作带宽。(3)SOA能够和其他的半导体器件和光学器件集成为一个芯片,称为光电集成电路(OEIC)。

半导体光放大器的主要缺点如下。

(1)SOA存在相对较高的串扰和噪声。(2)SOA对偏振较敏感,而且,像其他半导体器件一样,SOA对温度敏感。(3)半导体光放大器与光纤耦合的效率较低。

5结语

光放大器的作用是补偿光信号传输和处理过程中的功率衰减。目前主要有两种类型的光放大器:半导体光放大器和光纤放大器。掺铒光纤放大器是运用受激辐射的原理增强光信号的功率,工作波长范围在1550nm窗口;掺铒光纤放大器具有增益高、输出功率大、工作光学带宽较宽、与偏振性小、噪声指数较低等特点,广泛用于光WDM系统中。

半导体光放大器由于其自身的缺点,目前还没有被广泛应用。

参考文献

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