光纤通信(第3版)第6章 光放大器.ppt

《光纤通信》（第3版） 原荣 编著 WDM光-电-光转换再生中继器结构 通信设备复杂，系统的稳定性和可靠性不高，传输容量受到一定的限制。 光放大器出现 多年来，人们一直在探索能否去掉上述光-电-光转换过程，直接在光路上对信号进行放大，然后再传输，即用一个全光传输中继器代替目前的这种光-电-光再生中继器。 经过多年的努力，科学家们已经发明了几种光放大器，其中掺铒光纤放大器（EDFA）、分布光纤拉曼放大器（DRA）和半导体光放大器（SOA）技术已经成熟，众多公司已有商品出售。本章对这几种放大器进行简要的介绍。 6.1 一般概念 6.1.1 增益频谱和带宽 6.1.2 增益饱和 6.1.3 放大器噪声 6.1.4 光放大器应用 6.1 一般概念 光放大器通过受激发射放大入射光信号，其机理与激光器的相同。的确，光放大器只是一个没有反馈的激光器，其核心是当放大器被光或电泵浦时，使粒子数反转获得光增益 。 该增益通常不仅与入射信号的频率（或波长）有关，而且与放大器内任一点的局部光强有关； 该频率和光强与光增益的关系又取决于放大器介质。 图6.1.1（b） 光放大器增益分布曲线和相应的放大器增益频谱曲线 6.1.1 增益频谱和带宽 图6.1.2 饱和放大器增益与输出功率的关系 G0为不饱和放大器增益 6.1.3 放大器噪声 与电子放大器类似，用放大器噪声指数Fn来量度SNR下降的程度，并定义为： 6.1.3 光放大器应用 用光放大器取代光-电-光中继器，作为在线放大器使用。 插在光发射机之后，来增强光发射机功率，作为功率放大器，可增加传输距离（10~100）km。 在接收机之前，插入一个光放大器，对微弱光信号进行预放大，提高接收机灵敏度，这样的放大器称为前置放大器，也可以用来增加传输距离。 补偿局域网（LAN）的分配损耗。 6.2 半导体光放大器 6.2.1 放大器设计 6.2.2 行波光放大器特性 6.2.3 半导体光放大器的应用 半导体光放大器外形 半导体光放大器的机理 半导体光放大器的机理与激光器的相同，即通过受激发射放大入射光信号。 光放大器只是一个没有反馈的激光器，其核心是当放大器被光或电泵浦时，使粒子数反转获得光增益。 该增益通常不仅与入射信号的频率（或波长）有关，而且与放大器内任一点的局部光强有关，该频率和光强与光增益的关系又取决于放大器介质。 6.2 半导体光放大器 对于半导体光放大器(SOA)的研究，早在1962年发明半导体激光器不久就已开始了。 然而，只有在上世纪80年代，在认识到它将在光波系统中具有广泛应用前景的驱使下，才对SOA进行了广泛的研究和开发。 行波半导体光放大器 行波光放大器是一个没有反馈的激光器。 其核心是当放大器被光或电泵浦时，使粒子数反转获得光增益。 F-P SOA的结构和原理 半导体激光器由于在解理面存在反射，当偏流低于阈值时是放大器。 减小腔体界面反射，可使激光器变为放大器。 这种放大器就称为 F-P 放大器。 图6.2.3 减小反射率的方法 角度解理面或有源区倾斜结构。在解理面处的反射光束，因角度解理面的缘故已与前向光束分开。在大多数情况下，使用抗反射膜和有源区倾斜，可以使反射率小于 0.1%） 图6.2.3 减小反射率的方法 有源区端面和解理面之间插入透明窗口区。光束在到达半导体和空气界面前，在该窗口区已发散，经界面反射的光束进一步发散，只有极小部分光耦合进薄的有源层。 半导体激光放大器（SOA）特性 增益：芯片 30?35 dB,除 8?10 dB的耦合损耗外，还有22?25 dB的增益。 带宽很宽，可以对窄至几个 ps 的超窄光脉冲进行放大。 可与光发射机和接收机一起单片集成在一起。 图6.2.3 半导体光放大器带宽和增益频谱曲线 (a) 法布里-玻罗放大器(F-PA)和行波放大器(TWA)的带宽比较 (b) 行波光放大器的增益与波长的关系 图6.2.4 用来减小偏振态对半导体光放大器增益影响的三种结构 图6.2.4 用来减小偏振态对半导体光放大器增益影响的三种结构 信号通过同一个放大器两次，但是两次间的极化旋转了，使得总增益与偏振态无关 6.2.3 半导体光放大器的应用 SOA存在增益受偏振影响、信道交叉串扰以及耦合损耗较大等缺点，所以不能作为在线放大器使用。 SOA可以在1.3 ?m光纤系统中作为光放大使用，因为一般的EDFA不能在该窗口使用。 SOA芯片具有高达30~35 dB的增益，除输入和输出端存在总共8~10 dB的耦合损耗外，还有22~25 dB的增益。 另外行波半导体光放大器具有很宽的带宽，可以对窄至几个ps的超窄光脉冲进行放大。 在DWD