光放大器就是放大光信�(hào)。在此之�,傳送信�(hào)的放大都是要�(shí)�(xiàn)光電變換及電光變�,即O/E/O變換。有了光放大器后就可直接�(shí)�(xiàn)光信�(hào)放大。光放大器的開發(fā)成功及其�(chǎn)�(yè)化是光纖通信技�(shù)中的一�(gè)非常重要的成�,它大大地促�(jìn)了光�(fù)用技�(shù)、光孤子通信以及全光�(wǎng)�(luò)的發(fā)��
�(xiàn)在主要有兩種類型的光放大器:半導(dǎo)體光放大器(SOA)和光纖放大器(OFA�。半�(dǎo)體光放大器利用半�(dǎo)體材料固有的受激輻射放大�(jī)制,�(shí)�(xiàn)光放�,其原理和結(jié)�(gòu)與半�(dǎo)體激光器相似。光纖放大器與半�(dǎo)體放大器不同,光纖放大器的活性介�(zhì)(或稱增益介�(zhì))是一段特殊的光纖或傳輸光�,并且和泵浦激光器相�;當(dāng)信號(hào)光通過(guò)這一段光纖時(shí),信�(hào)光被放大。光纖放大器又可以分為摻稀土離子光纖放大器(Rare Earth Ion Doped Fiber Amplifier)和非線性光纖放大器。像半導(dǎo)體放大器一樣,摻稀土離子光纖放大器的工作原理也是受激輻射;而非線性光纖放大器是利用光纖的非線性效�(yīng)放大光信�(hào)。實(shí)用化的光纖放大器有摻鉺光纖放大器(EDFA)和拉曼光纖放大器(Raman Fiber Amplifier��
光放大器是一�(gè)模擬器件,所以它的性能參數(shù)都是模擬參數(shù)�
增益(Gain)增益是輸出光功率與輸入光功率之�,也就是�
增益=POUT/PIN
其中POUT和PIN分別是輸出光功率和輸入光功率,功率的單位為瓦�;通常我們用分貝(dB)為單位�(lái)表示增益,也就是:增益(dB)=10lg(POUT/PIN�
噪聲指數(shù)(NF)光放大器的噪聲指數(shù)(NF,Noise Figure)的定義式為光放大器輸入輸出端口的信噪比(SNR,Signal to Noise Ratio)的比值:
增益帶寬
所謂增益帶寬是指光放大器有效的頻率(或波長(zhǎng))范�,通常指增益從值下�3dB�(shí),對(duì)�(yīng)的波�(zhǎng)范圍,如1.3.3中λa、λb之間。增益帶寬的單位是納米(nm�。對(duì)于WDM系統(tǒng),所有光波長(zhǎng)通道都要得到放大,因�,光放大器必須具有足�?qū)挼脑鲆鎺挕?/FONT>
飽和輸出功率
光放大器的輸入光功率范圍有一定的要求,當(dāng)輸入光功率大于某一閾值時(shí),就�(huì)出現(xiàn)增益飽和;增益飽和是指輸出功率不再隨輸入功率增加而增加或增加很小。根�(jù)ITU-T的建議,�(dāng)增益比正常情況低3dB�(shí)的輸出光功率稱為飽和輸出功率,其單位通常用dBm表示�
成了交換器件�,可以實(shí)�(xiàn)不停�(jī)維護(hù)和其他一些應(yīng)��
光放大器(OA),特別是摻鉺光纖放大�(EDFA),是光網(wǎng)�(luò)中最普通的器件。而且OA與DWDM技�(shù)�(jié)合使用后,可以在超長(zhǎng)途和�(zhǎng)途陸地網(wǎng)�(luò)中實(shí)�(xiàn)高容量傳�。在這些�(wǎng)�(luò)中,OA的主要作用就是:�(bǔ)償信�(hào)在光纖中傳輸�(shí)的損��
另外,OA在城域網(wǎng)中起到的作用也十分關(guān)�。因?yàn)槌怯蚓W(wǎng)中的傳輸距離雖然縮短�,但是由于使用了光分插復(fù)用器(OADM)以及其他的光�(wǎng)�(luò)單元,所以還是需要OA�(lái)�(bǔ)償他們帶�(lái)的插入損��
因此,對(duì)光放大器的需求激�(fā)了人們來(lái)開發(fā)不同類型的OA。OA若以摻雜�(如鉺元素)和玻璃基�(zhì)(如硅元素)�(lái)劃分,主要分為基于光纖和基于波導(dǎo)兩種。實(shí)際上,要�(shè)�(jì)一種OA必須考慮它的類型和它的應(yīng)用范圍。例�,適用于�(zhǎng)途的EDFA和EDFA/Raman混合放大�,就與半�(dǎo)體光放大器和用于城域�(wǎng)的緊湊型EDFA大為不同�
�(xiàn)�,人們正�(jìn)行大量的工作,評(píng)估在通信�(wǎng)中引入新的光交換技�(shù)的好�。在提高交換速度的同�(shí),向光交換元件中加入一些新的功�,例如可變光衰減和光多播,就能夠帶來(lái)多項(xiàng)好處。在OA中加入新型光交換器件也可以增加很多用��
一般來(lái)�(shuō),長(zhǎng)途EDFA線路放大器的�(jié)�(gòu)是OA的共同參考結(jié)�(gòu)。這種�(jié)�(gòu)適用于多種類型的放大�,而且�(shè)�(jì)理念可以很容易地適用于不同的放大器。這種�(jié)�(gòu)的基�(chǔ)是兩�(jí)放大。因?yàn)?�?jīng)�(guò)兩級(jí)放大后,放大器的噪聲較低,增益較��
在兩�(jí)增益介質(zhì)中間加入不同的元件或者子系統(tǒng),還可以為放大器添加一些額外功�。例�,加入可變光衰減�(VOA)可以提高放大器的�(dòng)�(tài)范圍;加入色散補(bǔ)償光�,可以以最小的光信噪比(OSNR)損失高效地管理色散的分布;加入OADM就可以在放大器節(jié)�(diǎn)分插�(yè)�(wù)��
提高放大器的可靠�
由于光放大器是光�(wǎng)�(luò)中最普遍的器�,所�,他們對(duì)故障的適�(yīng)和恢�(fù)能力在很大程度上�(huì)影響到網(wǎng)�(luò)的可靠�。通常,DWDM鏈路中某一�(gè)放大器的故障�(huì)�(dǎo)致多�(gè)信道需要實(shí)行保�(hù)倒換,因?yàn)檫@條鏈路上的光纖需要重新選�。所以,提高OA�(duì)�(yán)重故障的恢復(fù)能力是非常重要的。對(duì)于一些不太嚴(yán)重的故障,它們只�(huì)惡化傳輸性能,但不會(huì)使整�(gè)鏈路癱瘓,這時(shí)必須一方面維修光放大器,一方面還要保證�(yè)�(wù)的傳輸。引入下一代具有可變衰減功能的超快速交換機(jī)�,就可以提高放大器對(duì)�(yán)重故障的恢復(fù)能力,同�(shí)還能在業(yè)�(wù)�(yùn)行過(guò)程中�(jìn)行系�(tǒng)維護(hù)�
�(yùn)�(yíng)商們之所以十分希望對(duì)放大器�(jìn)行業(yè)�(wù)�(yùn)行過(guò)程中的預(yù)防式維護(hù),是�?yàn)檫\(yùn)行高速長(zhǎng)途網(wǎng)�(luò)的經(jīng)�(jì)利益非常巨大。即便在近期�(jià)格下跌的情況下,一�200Gbit/s的網(wǎng)�(luò)鏈路,也能夠每小�(shí)輕松收入10,000-20,000美元。因�,如果能不中斷任何網(wǎng)�(luò)單元而實(shí)�(xiàn)�(wǎng)�(luò)維護(hù),那么運(yùn)�(yíng)商們不僅能獲得源源不斷的收入,而且也避免了因違反服�(wù)品質(zhì)�(xié)�(SLA)而造成的損��
�(dāng)OA�(fā)生了不是很嚴(yán)重的故障�(shí),必須能夠在維持正常�(yè)�(wù)的情況下修復(fù)OA。要解決這�(gè)�(wèn)題可以使用旁路技�(shù)繞過(guò)出故障的放大�(或者子系統(tǒng)),用一�(gè)后備系統(tǒng)�(lái)重新路由,從而在不影響鏈路傳�?shù)那闆r下�(jìn)行放大器的維�(hù)�
�1描述的是一�(gè)超快速交換機(jī)如何用于旁路操作�。若一�(gè)交換�(jī)的交換時(shí)間小�500ns,用它就可以在只中斷傳輸500ns的情況下完成旁路操作。由于中斷的�(shí)間足夠短,所以避免了放大器瞬間離開鏈路。然而在鏈路的終�(diǎn),接收器中的鎖相�(huán)還是�(huì)受到影響,不�(guò)由于鎖相�(huán)很快�(huì)重新鎖定,所以亦不會(huì)引起保護(hù)倒換。此外,�1所示的配置方法只能適用于一部分OA�
�1用一�(gè)超快速交換元件旁路故障放大器,或者用它在不到500ns�(shí)間內(nèi)�(shí)�(xiàn)其他的維�(hù)�
�2在這�(gè)子系�(tǒng)的旁路結(jié)�(gòu)中,后備系統(tǒng)�(bǔ)償了5[%]分流引起的OSNR下降。而且使用隔離器可以避免反射光放大以及諧振效應(yīng)�
如圖2所�,下一代的某些交換�(jī)具備多播功能,那么利用這種功能將光分流器接入到系統(tǒng)中就不會(huì)帶來(lái)附加損耗。在這種�(shè)�(jì)�,由�5[%]的分流器要被用作�(cè)試接�,這樣�(huì)降低OSNR,所以后備系�(tǒng)必須�(duì)此�(jìn)行補(bǔ)�。而且,為了避免放大反射光以及諧振效應(yīng),還需要使用隔離器。裝有光電管的分流耦合器通常被用�(lái)�(jiān)�(cè)輸入、輸出和反射光功率。測(cè)量值可以用�(lái)�(diào)節(jié)泵浦激光器的功�,如果輸出端光纖折斷了或者沒有連接,則可以自動(dòng)�(guān)閉泵浦激光器�
�(yè)�(wù)�(yùn)行中的泵浦源替換
OA中的泵浦激光器通常都是高功率的激光器。而這些高功率有源器件的使用壽命往往不長(zhǎng),一般只有幾�(gè)�。那么單�(gè)光泵浦源�(fā)生故障就有可能使放大器無(wú)法工作。所�,一些新型的放大器都�(huì)配備一�(gè)或多�(gè)后備泵浦激光器。這樣,如果一�(gè)泵浦源不能工作,就不�(huì)引發(fā)放大器的�(yán)重故��
�3在一�(gè)可替換泵浦源的結(jié)�(gòu)中,將一�(gè)2×1的交換機(jī)用作合路�(類似�3dB耦合�)或交換機(jī),就可以從鏈路中隔離故障泵浦��
�3所示是一種參考結(jié)�(gòu)。這種�(jié)�(gòu)可以在不影響OA工作的情況下替換泵浦�。它的設(shè)�(jì)原理就是用光交換�(jī)的交換和反向多播功能,從增益介質(zhì)中隔離故障泵浦源。具體地�(shuō),就是用一�(gè)光交換機(jī)將兩�(gè)泵浦源和增益介質(zhì)連接起來(lái),交換機(jī)通過(guò)反向多播將兩�(gè)泵浦源發(fā)出的光合并在一起。于�,一旦某�(gè)泵浦源出故障,交換機(jī)就只把另一�(gè)泵浦源連到增益介質(zhì)中。因?yàn)榉聪蚨嗖ケ旧砭蛯?duì)每�(gè)泵浦源有3dB的損�,所以如果只連接一�(gè)泵浦�,輸出功率也是保持不變的。但在交換時(shí)�(小于500ns)里,OA�(nèi)�(huì)有一次比較小的瞬�(shí)變化。不�(guò)可以用一�(gè)延時(shí)�(jì)�(shí)器抑制該變化,這樣�(wǎng)�(luò)就不�(huì)受其影響��,由于故障泵浦源沒有再連接到增益介�(zhì)�,所以維修泵浦源�(shí)不會(huì)影響鏈路�
升級(jí)放大器的功能
�?yàn)榉糯笃鞯�?jié)�(diǎn)是傳輸網(wǎng)中最為普通的節(jié)�(diǎn),所以放大器如果可以適應(yīng)�(wǎng)�(luò)�(yè)�(wù)形式的變�,這對(duì)服務(wù)提供商就非常有利�。在安裝了放大器后,服務(wù)提供商也許希望能從同一節(jié)�(diǎn)分插�(yè)�(wù)�。他們也許還需要向放大器中添加色散�(bǔ)償功�,或者改變放大倍數(shù)。針�(duì)這些需�,如果在OA中集成具有可變衰減和多播功能的超快速交換機(jī),即便是工作�(huán)境發(fā)生變化,OA也能適應(yīng)未來(lái)�(wǎng)�(luò)�(fā)展的需��
�
使用了交換機(jī)的多播功能后,就可以在OA中加入可變的分流器而不引入附加損失(a)。交換機(jī)的快速可變光衰減功能可以改變放大器的增益。使用了交換元件�,還可以根據(jù)需要為鏈路加入色散�(bǔ)償功�(b)。超快速交換元件還能夠引入光分插復(fù)用器,并且對(duì)�(xiàn)有信道產(chǎn)生的影響很小(c)�
�4a描述的就是可以向OA增加功能的一般結(jié)�(gòu)。這種�(jié)�(gòu)�,放大器里集成了一�(gè)超快速交換機(jī),從而能�(yīng)用于很多方面。圖4b所示的是如何在放大器的節(jié)�(diǎn)�(nèi)�(shí)�(xiàn)色散�(bǔ)�。圖4c所示的是引入可重配置的OADM(ROADM)后的情況。某些情況下,可以在不中斷網(wǎng)�(luò)�(yùn)行、并給網(wǎng)�(luò)帶來(lái)最小影響的前提下為OA增加新的功能,例如從放大器節(jié)�(diǎn)升級(jí)到ROADM�
還有一�(diǎn)值得討論的是EDFA(由一根纖芯摻鉺的光纖�(gòu)�)的增益動(dòng)力學(xué)。EDFA的工作原理是將外泵浦半導(dǎo)體激光器�(fā)射的光耦合�(jìn)光纖,�(jìn)而激�(fā)鉺原子。C波段或者L波段的光信號(hào)�(jìn)入光纖后�(huì)激�(lì)已被激�(fā)的鉺原子,使它受激輻射出與入射光波�(zhǎng)相同的光�,從而實(shí)�(xiàn)光放大。人們已�(jīng)針對(duì)瞬間插入或分離信道等情況,深入研究了這一類放大器的瞬�(shí)增益�(dòng)力學(xué)。這其中功率瞬間變化的持續(xù)�(shí)間非常重�,因?yàn)樗軌蛞饡簳r(shí)的性能惡化。而瞬間變化的持續(xù)�(shí)間與摻雜離子�(shù)量分布的�(dòng)力學(xué)有關(guān),并且遠(yuǎn)比離子的松弛�(shí)間短。不管怎樣,硅基EDFA的瞬間變化持�(xù)�(shí)間很容易超過(guò)1ms�
有一�(diǎn)需要強(qiáng)�(diào),那就是OSNR和誤碼率(BER)�(huì)隨增益瞬間變化而變�。這種情況在分插業(yè)�(wù)流時(shí)是很難避免的。尤其是在突然插入信道時(shí),信道功率會(huì)出現(xiàn)突然降低,這時(shí)BER(OSNR�)。BER有時(shí)甚至?xí)^(guò)10-7,這在�(tǒng)�(jì)上是不可接受�,而且持續(xù)�(shí)間可�(dá)10µ;s量級(jí)。要解決這�(gè)�(wèn)�,用一�(gè)集成了可變光衰減功能的超快速交換機(jī)就可以實(shí)�(xiàn)亞微秒級(jí)瞬間變化,也就可以避免BER/OSNR的變化了。對(duì)放大器而言,這樣可以既不影響�(wǎng)�(luò)性能,又抑制了增益瞬間變化�
交換器件帶來(lái)的優(yōu)�(shì)
OA中的超快交換技�(shù)提高了OA�(duì)故障的適�(yīng)、恢�(fù)能力,使維護(hù)更方�,還增添了新功能。另�,這些交換�(dòng)作可以在放大器系�(tǒng)�(nèi)部完成,給運(yùn)行中的通信鏈路帶來(lái)的負(fù)面影響也最��,用超快速光交換�(jī)比用裝有光電探測(cè)管的分流耦合器好,因?yàn)槌焖俟饨粨Q�(jī)支持集成的多播和可變光衰減功能,所以便于監(jiān)控和快速調(diào)節(jié)�
光纖放大器不但可�(duì)光信�(hào)�(jìn)行直接放大,同時(shí)還具有實(shí)�(shí)、高增益、寬�、在�、低噪聲、低損耗的全光放大功能,是新一代光纖通信系統(tǒng)中必不可少的�(guān)鍵器�;由于這項(xiàng)技�(shù)不僅解決了衰減對(duì)光網(wǎng)�(luò)傳輸速率與距離的限制,更重要的是它開�(chuàng)�1550nm頻段的波分復(fù)�,從而將使超高�、超大容量、超�(zhǎng)距離的波分復(fù)用(WDM�、密集波分復(fù)用(DWDM�、全光傳�、光孤子傳輸?shù)瘸蔀楝F(xiàn)�(shí),是光纖通信�(fā)展史上的一�(gè)劃時(shí)代的里程碑。在目前�(shí)用化的光纖放大器中主要有摻鉺光纖放大器(EDFA�、半�(dǎo)體光放大器(SOA)和光纖拉曼放大器(FRA)等,其中摻鉺光纖放大器以其�(yōu)越的性能�(xiàn)已廣泛應(yīng)用于�(zhǎng)距離、大容量、高速率的光纖通信系統(tǒng)、接入網(wǎng)、光纖CATV�(wǎng)、軍用系�(tǒng)(雷�(dá)多路�(shù)�(jù)�(fù)�、數(shù)�(jù)傳輸、制�(dǎo)等)等領(lǐng)�,作為功率放大器、中繼放大器和前置放大器�
光纖放大器一般都由增益介�(zhì)、泵浦光和輸入輸出耦合�(jié)�(gòu)組成。目前光纖放大器主要有摻鉺光纖放大器、半�(dǎo)體光放大器和光纖拉曼放大器三種,根據(jù)其在光纖�(wǎng)�(luò)中的�(yīng)�,光纖放大器主要有三種不同的用途:在發(fā)射機(jī)�(cè)用作功率放大器以提高�(fā)射機(jī)的功�;在接收�(jī)之前作光�(yù)放大器以極大地提高光接收�(jī)的靈敏度;在光纖傳輸線路中作中繼放大器以�(bǔ)償光纖傳輸損�,延�(zhǎng)傳輸距離�
摻鉺光纖放大�
摻鉺光纖放大器是利用摻鉺光纖這一活性介�(zhì),當(dāng)泵浦光輸入到EDF中時(shí),就可以將大部分處于基態(tài)的Er3+抽運(yùn)到激�(fā)�(tài)上,處于激�(fā)�(tài)的Er3+又迅速無(wú)輻射地轉(zhuǎn)移到亞穩(wěn)�(tài)�,由于Er3+在亞�(wěn)�(tài)上的平均停留�(shí)間為10ms,因此很容易在亞�(wěn)�(tài)與基�(tài)之間形成粒子�(shù)反轉(zhuǎn),此�(shí),信�(hào)光子通過(guò)摻鉺光纖,在受激輻射效應(yīng)作用下產(chǎn)生大量與自身完全相同的光�,使信號(hào)光子迅速增�,這樣在輸出端就可以得到被不斷放大的光信號(hào)。自80年代末至90年代初研制成摻鉺光纖放大器(EDFA�,并開始�(yīng)用于1.55mm頻段的光纖通信系統(tǒng)以來(lái),推�(dòng)了光纖通信向全光傳輸方向發(fā)�,且目前EDFA的技�(shù)開發(fā)和商品化最成熟;應(yīng)用廣泛的C波段EDFA通常工作�1530~1565nm光纖損耗的窗口,具有輸出功率大、增益高、與偏振�(wú)�(guān)、噪聲指�(shù)�、放大特性與系統(tǒng)比特率和�(shù)�(jù)格式�(wú)�(guān),且同時(shí)放大多路波長(zhǎng)信號(hào)等一系列的特�,在�(zhǎng)途光通信系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)�。其不足是C-Band EDFA的增益帶寬只�35nm,僅覆蓋石英單模光纖低損耗窗口的一部分,制約了光纖固有能夠容納的波�(zhǎng)信道�(shù);然而隨著因特網(wǎng)技�(shù)的迅速發(fā)展,要求光纖傳輸系統(tǒng)的傳輸容量要不斷�?cái)U(kuò)�,面�(duì)傳輸容量的擴(kuò)�,目前主要有三種解決途徑:(1)增加每�(gè)波長(zhǎng)的傳輸速率;(2)減少波�(zhǎng)間距;(3)增加總的傳輸帶�。對(duì)于種辦法,如果速率提高�10Gbit/s將帶�(lái)新的色散�(bǔ)償問(wèn)�,況且現(xiàn)在的電子系統(tǒng)還存在著所�"電子瓶頸"效應(yīng)�(wèn)題。第二種辦法如果將信�(hào)間距�100GHz降低�50GHz�25GHz將給系統(tǒng)帶來(lái)四波混頻(FWM)等非線性效�(yīng),且要求系統(tǒng)采用波長(zhǎng)�(wěn)定技�(shù)。從而研究新的光纖放大器如L波段的EDFA是增加總的傳輸帶寬的一�,它將EDFA工作波長(zhǎng)由C波段1530~1560nm�(kuò)展到L波段1570~1605nm,使EDFA的放大增益譜�(kuò)展了一�。盡管L波段EDFA的波�(zhǎng)覆蓋了EDF增益譜的尾部,但仍可與性能先�(jìn)的C波段EDFA�(chǎn)品相媲美:例如兩者的基本�(jié)�(gòu)相類�,大多數(shù)C波段EDFA的設(shè)�(jì)和制造技�(shù)仍可�(yīng)用于L波段EDFA研制;L波段EDFA有較小的輻射和吸收以及較低的平均反轉(zhuǎn)因子,增益波�(dòng)系數(shù)�(yuǎn)小于C波段EDFA,所存在的是L波段EDFA的EDF較長(zhǎng)帶來(lái)�(wú)源光纖損耗較�,放大噪聲稍大等不足�
半導(dǎo)體光放大�
半導(dǎo)體光放大器(SOA)是采用通信用激光器相類似的工藝制作而成的一種行波放大器,當(dāng)偏置電流低于振蕩閾值時(shí),激光二極管就能�(duì)輸入相干光實(shí)�(xiàn)光放大作�。由于半�(dǎo)體放大器具有體積小、結(jié)�(gòu)較為�(jiǎn)�、功耗低、壽命長(zhǎng)、易于同其它光器件和電路集成、適合批量生�(chǎn)、成本低,可�(shí)�(xiàn)增益兼開�(guān)功能等特�,在全光波長(zhǎng)變換、光交換、譜反轉(zhuǎn)、時(shí)鐘提�、解�(fù)用中的應(yīng)用受到了廣泛的重�,特別是目前�(yīng)變量子阱材料的半�(dǎo)體光放大器的研制成功,已引起人們對(duì)SOA的廣泛研究興�。國(guó)�(nèi)武郵院與華中科技大學(xué)合作成功地研制開�(fā)了在光網(wǎng)�(luò)中的�(guān)鍵器�--半導(dǎo)體光放大器,并很快實(shí)�(xiàn)了產(chǎn)品化,成為繼Alcatel公司之后能夠批量供應(yīng)�(guó)際市�(chǎng)�(yīng)用于光開�(guān)的半�(dǎo)體光放大器的供貨商,這標(biāo)志著我國(guó)自行研制的應(yīng)變量子阱器件邁出了商品化生產(chǎn)的關(guān)鍵一�。但半導(dǎo)體光放大器與摻鉺光纖放大器相比存在著噪聲�、功率較�、對(duì)�?dāng)_和偏振敏�、與光纖耦合�(shí)損耗大,工作穩(wěn)定性較差等缺陷,迄今為�,其性能與摻鉺光纖放大器仍有較大的差�。又由于半導(dǎo)體光放大器覆蓋了1300~1600nm波段,既可用�1300nm窗口的光放大�,也可以用于1550nm窗口的光放大器,且在DWDM多波�(zhǎng)光纖通信系統(tǒng)�,無(wú)需增益鎖定,那么它不僅可作為光放大器一種有益的選擇方案,而且還可以促�1310nm窗口DWDM系統(tǒng)的實(shí)�(xiàn)�
光纖拉曼放大�
受激拉曼散射(SRS)是光纖中的一種非線性現(xiàn)�,它將一小部分入射光功率�(zhuǎn)移到頻率比其低的斯托克斯波上;如果一�(gè)弱信�(hào)與一�(qiáng)泵浦光波同時(shí)在光纖中傳輸,并使弱信號(hào)波長(zhǎng)置于泵浦光的拉曼增益帶寬�(nèi),弱信號(hào)光即可以得到放大,這種基于受激拉曼散射�(jī)制的光放大器即稱為光纖拉曼放大器(FRA�。近年來(lái)光纖拉曼放大器倍受�(guān)�,已成為研制開發(fā)的熱�(diǎn),它具有許多�(yōu)�(diǎn):(1)增益介�(zhì)為普通傳輸光�,與光纖系統(tǒng)具有良好的兼容�;(2)增益波�(zhǎng)由泵浦光波長(zhǎng)決定,不受其它因素的限制,理論上只要泵浦源的波長(zhǎng)適當(dāng),就可以放大任意波長(zhǎng)的信�(hào)光;�3)增益高、串?dāng)_�、噪聲指�(shù)�、頻譜范圍寬、溫度穩(wěn)定性好�
正因?yàn)楣饫w拉曼放大器有這么多的�(yōu)�(diǎn),它可以放大摻鉺光纖放大器所不能放大的波�,并可在1292~1660nm光譜范圍�(nèi)�(jìn)行光放大,獲得比EDFA寬得多的增益帶寬;再次增益介�(zhì)為普通光�,可制作分立式或分布式FRA,分布式光纖拉曼放大器可以對(duì)信號(hào)光�(jìn)行在線放�,增加光放大的傳輸距離,�(yīng)用于40Gbit/s的高速光�(wǎng)�(luò)�,也特別適用于海底光纜通信系統(tǒng),而且�?yàn)榉糯笫茄刂饫w分布而不是集中作�,所以輸入光纖的光功率大為減少,從而非線性效�(yīng)尤其是四波混頻效�(yīng)大大減少,這對(duì)于大容量DWDM系統(tǒng)是十分適用的。FRA是EDFA的補(bǔ)充,而不是代�,兩者結(jié)合起�(lái)可獲得大�100nm增益平坦寬帶,這就是采用分布式光纖拉曼放大器的好處�
但光纖拉曼放大器有一�(gè)主要的缺�(diǎn)就是需要特大功率的泵浦激光器,解決這�(gè)�(wèn)題的主要途徑有:一是研究降低閾值功率的泵浦激光器,使得普通的大功率半�(dǎo)體激光器能作為拉曼泵浦使�;其二是提高獲得更大輸出功率泵浦激光器的研制水平;其三是將多�(gè)泵浦源激光器的波�(zhǎng)采用列陣、單片組合的方法�(fù)用在一�,獲得一�(gè)大功率輸出的泵浦激光器,此種方法不但可提供一�(gè)寬帶的增益譜,而且還可以通過(guò)�(diào)節(jié)單�(gè)激光器的功率來(lái)�(diào)整增益斜��
WDM傳輸系統(tǒng)中光纖放大器的增益平坦控制技�(shù)
為了確保WDM系統(tǒng)的傳輸質(zhì)量,WDM系統(tǒng)中使用的光纖放大器除具備有足夠的帶寬、高輸出功率和低噪聲系數(shù)等特性外,還�(duì)增益平坦度控制技�(shù)提出了更高的要求。光纖放大器帶內(nèi)的增益平坦度是指在整�(gè)可用的增益通帶�(nèi),增益波�(zhǎng)�(diǎn)的增益與最小增益波�(zhǎng)�(diǎn)的增益之�。很明顯,在WDM系統(tǒng)中增益平坦度越小越好,否�,如果各信道的增益不�,經(jīng)�(guò)多級(jí)放大之后,這種增益差值會(huì)線性積�,低增益信道信號(hào)的SNR惡化,高增益信道的信�(hào)也因光纖非線性效�(yīng)而使信號(hào)惡化,因�,要使各信道上的增益偏差處于允許范圍�(nèi),放大器的增益就必須平坦,而使光纖放大器增益平坦技�(shù)大體有兩種途徑:其一�"增益均衡技�(shù)";其二是"光纖技�(shù)"�"增益均衡技�(shù)"是利用損耗特性與放大器的增益波長(zhǎng)特性相反的增益均衡器來(lái)抵消增益的不均勻�,這種技�(shù)的關(guān)鍵在于放大器的增益曲線和均衡器的損耗特性精密吻�,使綜合特性平�;現(xiàn)階段�(shí)用化的固定式增益平坦控制技�(shù)主要有光纖光柵技�(shù)和介�(zhì)多層薄膜濾波器技�(shù)�。但隨著多通道�>80Ch)、高速率�>40Gbit/s�、長(zhǎng)距離光纖傳輸系統(tǒng)的發(fā)展,�(duì)光纖放大器的增益平坦控制技�(shù)提出了更高的要求,這就需要研制動(dòng)�(tài)增益可調(diào)的增益平坦濾波器,這種可調(diào)諧增益動(dòng)�(tài)濾波器技�(shù)主要有:法拉第旋�(zhuǎn)體型增益可調(diào)濾波器技�(shù)、波�(dǎo)馬赫-曾德型增益可�(diào)型濾波器技�(shù)、陣列波�(dǎo)型動(dòng)�(tài)增益可調(diào)濾波器技�(shù)和聲光型�(dòng)�(tài)增益可調(diào)濾波器技�(shù)�。至�"光纖技�(shù)"�(xiàn)階段主要是在�(jìn)一步研究摻鉺光纖特性的基礎(chǔ)上,改變光纖材料或利用不同光纖的組合�(lái)改變EDF的特�,從而來(lái)改變EDFA的增益平坦�,主要有摻鋁的EDFA、摻氟化物EDFA、摻碲化物EDFA、混合型EDFA和多纖心EDFA等技�(shù)�
光纖放大器的主要�(yīng)用和市場(chǎng)
近年�(lái),隨著信息和通信技�(shù)的飛速發(fā)�,光纖放大器的研究和�(fā)展又�(jìn)一步擴(kuò)大了增益帶寬,將光纖通信系統(tǒng)推向了高速率、大容量、長(zhǎng)距離方向�(fā)�。由于光纖放大器的獨(dú)特性能,在DWDM傳輸系統(tǒng)、光纖CATV和光纖接入網(wǎng)中有著廣泛的�(yīng)�。密集波分復(fù)用系�(tǒng)在光纖傳輸系�(tǒng)中已成為技�(shù)主流,作為DWDM系統(tǒng)核心器件之一的光纖放大器在其�(yīng)用中將得到迅速發(fā)�,這主要是由于光纖放大器有足夠的增益帶�,它與WDM技�(shù)相結(jié)合可迅速簡(jiǎn)便地?cái)U(kuò)大現(xiàn)有光纜系�(tǒng)的通信容量,延�(zhǎng)中繼距離。在光纖接入�(wǎng)中,盡管用戶系統(tǒng)的距離較�,但用戶�(wǎng)的分支太�,需要用光纖放大器來(lái)提高光信�(hào)的功率以�(bǔ)償光分配器造成的光損耗和提高用戶的數(shù)�,降低用戶網(wǎng)的建�(shè)成本。在光纖CATV系統(tǒng)中,隨著其規(guī)模的不斷�(kuò)�,其鏈路的傳輸距離不斷增�(zhǎng),光路的傳輸損耗也不斷增加,將光纖放大器應(yīng)用在光纖CATV系統(tǒng)中不但可提高光功�,補(bǔ)償鏈路的損�,增加光用戶終端,而且�(jiǎn)化了系統(tǒng)�(jié)�(gòu),降低了系統(tǒng)成本,加快了光纖CATV的發(fā)�。最�,美�(guó)CIBC World Market 公司的相�(guān)人士�(duì)摻鉺光纖放大器(EDFA�、光纖拉曼放大器(FRA)、半�(dǎo)體光放大器(SOA)這三類光放大器的市場(chǎng)狀況分別�(jìn)行了分析:EDFA�1994年開始商�,現(xiàn)已成為DWDM系統(tǒng)的關(guān)鍵器件,且市�(chǎng)正在快速增�(zhǎng),其中Corning、Lucent和JDS Uniphase等許多公司都參與了這一市場(chǎng)的競(jìng)�(zhēng),預(yù)�(jì)全球EDFA市場(chǎng)將從1999年的13億美元增�(zhǎng)�2004年的96億美�,銷售量將以年均43[%]的速度遞增;光纖拉曼放大器近年�(lái)備受人們關(guān)�,已成為開發(fā)的熱�(diǎn),盡管預(yù)�(jì)最近一兩年�(nèi)光纖拉曼放大器還不會(huì)在陸地光纜系�(tǒng)中廣泛應(yīng)�,但其市�(chǎng)�(guī)模仍將從1999年的�330�(wàn)美元猛增�2004年的7.5億美�;而半�(dǎo)體光放大器(SOA)自�(yīng)變量子阱材料的SOA研制成功以來(lái),其研制速度和應(yīng)用開�(fā)明顯加快,且SOA市場(chǎng)可望�2001年開始起�(dòng),此后會(huì)迅速擴(kuò)��2004年將�(dá)�2億美元的�(guī)��
光纖放大器的�(fā)展方�
由于超高速率、大容量、長(zhǎng)距離光纖通信系統(tǒng)的發(fā)展,�(duì)作為光纖通信�(lǐng)域的�(guān)鍵器件——光纖放大器在功�、帶寬和增益平坦方面提出了新的要�,因�,在未來(lái)的光纖通信�(wǎng)�(luò)�,光纖放大器的發(fā)展方向主要有以下幾�(gè)方面�
(1)EDFA從C-Band向L-Band�(fā)��
(2)寬頻�、大功率的光纖拉曼放大器�
(3)將局部平坦的EDFA與光纖拉曼放大器�(jìn)行串�(lián)使用,獲得超寬帶的平坦增益放大器�
(4)�(fā)展應(yīng)變補(bǔ)�?shù)臒o(wú)偏振、單片集�、光橫向連接的半�(dǎo)體光放大器光開關(guān)�
(5)研發(fā)具有�(dòng)�(tài)增益平坦技�(shù)的光纖放大器�
(6)小型化、集成化光纖放大��
隨著新材�、新技�(shù)的不斷突�,光纖放大器�1292~1660nm波長(zhǎng)范圍�(nèi)獲得帶寬�300nm超寬帶將不是�(mèng)想,Tbit/s DWDM光網(wǎng)�(luò)傳輸系統(tǒng)將一定會(huì)�(shí)�(xiàn)�
維庫(kù)電子通,電子知識(shí),一查百��
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