光通信第7章.PPT

在光放大器研制成功之前，主要采用光电混合中继器（或称再生器）放大光信号。首先将光纤中送来的光信号转换为电信号，然后对电信号进行放大，最后再将放大了的电信号转换为光信号送到光纤中去，如图7-1所示。根据不同的要求，可将再生器分为三种类型: 只有放大和均衡功能的1R再生器，用于模拟信号的传输; 2R再生器，即在1R的基础上加上数字信号处理(如整形(Reshaping))的再生器；3R再生器，即在2R的基础上再增加重新定时与判决功能（Retiming）的再生器。它们的功能如图7-2所示。 尽管这种方式对于单个波长且数据速率不太高的通信很适用，但对于高速率的多个波长系统显然是相当复杂的，每一波长就需一个再生器，如有N个波长就需要N个这样的再生器，造价是相当高的。另一方面，对于很高的数据速率，电放大器的实现难度很大。因此，人们试图对光信号直接放大，如果这种放大的带宽较宽，则可以同时对多个波长进行放大， 因而只需一个放大器即可。人们经过很大的努力，终于研制成功了全光放大器，它可同时对多个波长进行放大。光放大器从功能上来看属于1R再生器。 光放大器的分类 半导体光放大器 优点是体积小，制造工艺成熟，便于与其他光器件集成，在波分复用系统中可用作光开关和波长变换器。工作波段可覆盖1.3μm和1.5 μm波段。 缺点是与光纤耦合困难，耦合损耗大，对光的偏振特性敏感，噪声及串扰较大。 掺铒光纤放大器 利用稀土金属离子作为激光器工作物质的一种放大器。 非线性光纤放大器 包括受激拉曼光纤放大器和受激布里渊光纤放大器。 研究开发光纤通信的初期就已着手研制SOA了，但受噪声、偏振相关性、连接损耗、非线性失真等因素的影响，其性能达不到实用化要求。应用量子阱材料的SOA具有结构简单，可批量生产, 成本低, 寿命长, 功耗小等优点，并且便于与其他部件一块集成，可望制作出1310 nm和1540 nm波段的宽带放大器，以覆盖EDFA、PDFA的应用窗口。SOA在波长变换器中的应用现已引起广泛重视，并将逐步得到应用。 SOA的放大原理 半导体光放大器的工作原理与所有的光放大器一样，也是利用受激辐射来实现对入射光功率的放大的，产生受激辐射所需的粒子数反转机制与半导体激光器中使用的完全相同，即采用正向偏置的PN结，对其进行电流注入，实现粒子数反转分布。SOA与半导体激光器的结构相似，但它没有反馈机制，而反馈机制对产生相干的激光是很必要的。因此SOA只能放大光信号，但不能产生相干的光输出。 　 SOA有两种主要结构，即法布里-珀罗放大器(FPA)和非谐振的行波放大器(TWA)。在FPA中，形成PN结有源区的晶体的两个解理面作为法布里-珀罗腔的部分反射镜，其自然反射率达到32%。为了提高反射率，可在两个端面上镀多层介电薄膜。当光信号进入腔内后，它在两个端面来回反射并得到放大，直至以较高的功率发射出去。FPA的制作容易，但要求注入电流和温度的稳定性较高，光信号的输出对放大器的温度和入射光的频率变化敏感。 行波放大器TWA的结构与FPA的基本相同，但两个端面上镀的是增透膜，习惯称为防反射膜或涂层AR。镀防反射涂层的目的是为了减少SOA与光纤之间的耦合损耗，因此有源区不会发生内反射，但只要注入的电流在阈值以上，在腔内仍可获得增益，入射光信号只需通过一次TWA就会得到放大。TWA的功率输出高，对偏振的灵敏度低，光带宽宽，因而它比FPA使用得更广。SOA最大的优点是它使用InGaAsP来制造，因此体积小、紧凑，可以与其他半导体和元件集成在一起。 (1) 它们与偏振有关， 因此需要保偏光纤。 (2) 它们具有可靠的高增益(20 dB)。 (3) 它们的输出饱和功率范围是5～10 dBm。 (4) 它们具有大的带宽。 (5) 它们工作在0.85μm，1.30μm和1.55μm波长范围。 (6) 它们是小型化的半导体器件，易于和其他器件集成。 (7) 几个SOA可以集成为一个阵列。 但是，由于非线性现象(四波混频)，SOA的噪声指数高，串扰电平高。 1. 光信号放大器 因为在世界范围内已铺设了大量的常规单模光纤，还有很多系统工作在1.30μm波段，并需要周期性的在线放大器，而工作波长为1.30μm的EDFA目前尚未达到实用化的水平，所以仍然需要SOA。 2. 光电集成器件 半导体放大器可与光纤放大器相抗衡的优点是体积小、成本低以及可集成