几种光放大器比较

HT-BEYOND

郭金生

1引言
    光纤放大器的研制成功是光纤通信史上的一个重要里程碑，它解决了衰减对光网络传输距离的限制，又开创了1 550 nm波段的波分复用系统，从而使超高速、超大容量、超长距离的波分复用(WDM)、密集波分复用(DWDM)、全光网络传输等成为现实。
    目前光纤放大器主要有3类：掺稀土类光放大器(如EDFA，PDFA，TDFA等)、半导体光纤放大器(SOA）、非线性效应光放大器(如拉曼光纤放大器、布里渊光纤放大器等)。
2掺铒光纤放大器
    掺铒光纤放大器（EDFA）是目前应用最为广泛的光纤放大器，主要由掺铒光纤（EDF）、泵浦光源、光耦合器、光隔离器、光滤波器等组成，如图1所示。掺铒为增益介质，光耦合器的作用是把输入光信号和泵浦光耦合进掺铒光纤，通过掺铒光纤的作用把泵浦光的能量转移到输入光信号中，实现光信号的能量放大；光隔离器的作用是抑制反射光，保证光放大器工作稳定；光滤波器的作用是滤除铒离子由于自发辐射产生的噪声（ASE）。

EDFA的工作原理是利用波长为980 nm或1 480 nm的泵浦光源，使饵离子Er?3+粒子数反转，信号光入射使亚稳态Er?3+粒子受激辐射，产生信号放大。
EDFA的结构现已发展成很多类型，由单级结构发展到双级和多级结构（如图2为双级结构），多级结构主要应用于中级接入，目的是实现监控、OADM、DCM等功能。

EDFA的优点是：①通常工作在1 530~1 565 nm光纤损耗最低的窗口；②增益高，通常为10~35 dB，且在较宽的波段内提供较为平坦的增益；③噪声系数较低，各个信道间的串扰极小，可级联多个放大器；④与线路耦合损耗小（小于1 dB ）；⑤具有透明性，放大特性与系统比特率、信号格式和编码无关；⑥成本低，与再生电路相比具有较大的成本优势；⑦结构简单，与传输光纤易耦合。其缺点是：①能够提供的增益带宽不够宽，增益带宽最多只有80 nm左右，目前商用化的通常只有30 nm，制约了光纤容纳的波长信道数； ②不便于查找故障，泵浦源寿命不长；③存在输出功率的控制和不同波长通道的增益均衡问题。
EDFA是目前光放大器市场的主流品种，在DWDM系统、接入网和有线电视领域得到广泛应用，在CATV系统中通常作为功率放大器以提高发射机的功率，波长为1 550 nm的外调制光发射机的输出功率一般为4~7 dBm，采用不同增益的EDFA使输出功率通常在13~24 dBm，再经过光分路器，使发射机覆盖的用户数大大增加，也可作为光纤线路的中继放大器，以补偿光分路器及线路损耗，使传输距离大大增加，一般认为1 310 nm系统的传输距离在30 km左右，而1 550 nm系统通过EDFA放大后传输距离达70 km以上。
EDFA采用的技术主要有增益平坦技术、增益可调技术、滤波技术、高功率输出技术等，EDFA今后的发展主要有以下几点：
（1）提高性能(宽带宽、高功率、高增益、增益平坦、低噪声)；
（2）多功能(中级接入、大动态范围增益可调、快速的瞬态响应控制等)；
（3） 与FRA配合使用。

3拉曼光纤放大器
    拉曼光纤放大器（FRA）也是一种技术较为成熟的光放大器，其工作原理是基于光纤的受激拉曼散射(SRS)效应。光纤中的SRS源于光纤的三阶非线性效应，表现为泵浦光子、Stokes光子与光学支声子之间的相互作用：泵浦光子被介质分子吸收，电子从基态越迁到虚能级，虚能级的大小是由泵浦光的能量决定的，然后虚能级的电子在信号光的感应下回到振动态的高能级，产生一个与信号光相同频率、相同相位、相同方向的光子，称为Stokes光子。如果一个信号光与一个强泵浦光波同时在光纤中传输，并且信号光波长位于泵浦光波的拉曼增益谱带宽之内，则此信号光可被该光纤放大。
FRA可分为集总式LRA和分布式DRA，前者所用的光纤增益介质一般在10 km以内，对泵浦功率要求很高，一般在几到十几W，可产生40 dB以上的高增益，用来对信号光进行集中放大，主要用于EDFA无法放大的波段；后者所用的光纤比较长，一般为几十km，泵源功率可降到几百mW，主要辅助EDFA用于DWDM通信系统性能的提高，抑制非线性效应，降低信号的入射功率，提高信噪比，进行在线放大。
(1)FRA的优点
①Raman增益系数是信号与泵浦光波长的函数，并且依赖于光纤纤芯中的GeO2的掺杂浓度，因此可为任何波长提供增益，这使得FRA可以在EDFA所不能放大的波段实现放大，并可在1 292~1 660 nm光谱范围内进行光放大，使用多个泵源还可得到比EDFA宽得多的增益带宽。
②放大介质就是传输光纤本身，不需要特殊掺杂作为放大介质，因而成本比EDFA更低。
③FRA增益介质为传输光纤本身，实现分布式在线放大，由于能量的分布作用，能有效地抑制非线性尤其是四波混频（FWM），提高信噪比，提高传输距离，实现超长距离无中继传输。
④FRA的有效噪声系数（?N?F）比EDFA要低，典型值为-2 dB，因此它与EDFA混合使用时可大大降低系统的噪声系数，增加传输距离。
FRA的不足之处在于需要特大功率的泵浦激光器，因而在近几年大功率半导体激光器开发成功后才开始商用化。
（2）FRA的应用
①与EDFA混合使用可以使增益谱和噪声谱平坦化，提高信噪比，塑造整体增益曲线，也可实现全拉曼放大LRA+DRA，实现真正连续宽带。
②补偿色散补偿光纤（DCF）的损耗。色散补偿光纤的损耗远比G.652光纤大，如果只用EDFA进行补偿，则要求EDFA的增益较大，而EDFA的自发辐射噪声功率（P?A?SE）与增益成指数关系，将会降低信噪比，因此，在色散补偿光纤后加上FRA不但可以补偿损耗，还可以提高信噪比。
③由于FRA的有效噪声系数（?N?F）比EDFA要低，因而在系统升级（如从2.5 Gb/s向10 Gb/s升级）时能保证系统的误码率不变。
④在宽带DWDM系统中，EDFA的放大频带宽度不够宽，限制了信道数目，而FRA能够弥补这一点,可在一个很宽的范围内实现平坦放大。
（3）FRA的发展方向
①发展各种波段的FRA，实现宽频谱大功率输出；
②与EDFA配合使用，将分布式FRA作为EDFA的辅助应用到DWDM系统中；
③集总式FRA在对信号放大的同时对系统色散补偿。
4半导体光纤放大器
半导体光纤放大器（SOA）的放大原理与半导体激光器类似，其放大特性主要取决于有源层的介质特性和激光腔的特性。
（1）SOA的优点
①具有很大的增益带宽（1 300~1 600 nm），覆盖1 310 nm与1 550 nm两处窗口，增益平坦性较好；
②能够动态转换波长，能够接受输入信号光改变它的频率，同样对其进行放大；
③体积小，泵浦简单，可批量生产，成本低。
（2）SOA的缺点
①具有对信号光偏振敏感的特性；
②具有对信号光增益的饱和性，无论输入多大光功率，经历多少级放大，最终的输出功率总被限制在某一水平。
以上两点限制了SOA在光纤通信中的应用。此外，SOA如果工作在非线性区，则快速的增益动态变化会引起多信道之间的串扰；噪声系数较大，一般在6~9 dB；与光纤耦合时损耗很大，一般大于5 dB，因此，SOA不适合应用在高速率、大容量、长距离传输中，但SOA具有快速的响应时间（ns量级），可用作光开关，还可用作半导体光波长转换器，也可作为光放大器应用于短距离的DWDM系统中。
5结束语
    目前EDFA在长途骨干网、城域网和CATV网络中发挥着关键性作用，但EDFA存在级联噪声过大和增益带宽受限等弱点。与EDFA相比，FRA具有增益带宽宽、能在全波范围内进行光放大以及有效噪声低等优点，特别适合超长距离传输和海底光缆通信，但FRA对泵浦源要求苛刻，其商用化受限，随着瓦级的泵浦激光器小型化、商用化，FRA与局部平坦的EDFA配合使用不仅可以实现平坦宽带放大，而且可以有效地抑制系统的非线性与色散等，在未来的光纤通信系统中，FRA＋EDFA将是光放大技术的主流。

[ 本帖最后由 HT-BEYOND 于 2007-3-5 14:40 编辑 ]

hubingyb

学习 值得认真学习。谢谢！

咫尺天涯

学习

shitou974

记录                 ！

155069596

感谢之极！！楼主分享！！

xzy3333

好，学习了

xiaofu

俺这里正开始用拉曼光纤放大器,呵呵,补了一课理论知识

[ 本帖最后由 xiaofu 于 2007-3-21 15:25 编辑 ]

假龙虾

学习，学习。
每一种的价钱是多少呢？

卓飞

学习一下!

一夫

ycrtv

谢谢楼主分享资料！学习了。

lcgdwh

值得学习!

fyfca

感谢楼主！学习一下

游神暴风

光纤放大器的研制成功是光纤通信史上的一个重要里程碑!

yuji991

在顶啊 :lol

gd6001

谢谢楼主分享资料！学习

漂落一叶

真的是学海无涯啊！

lishaojun

学习了，谢谢楼主！

wuan4577

介绍得很专业，也很详细，拜读ING。

mu8821038

提个问题！以前我们老师说是面上只有1550nm的光放，1310nm的没有！是这样吗？-------菜鸟问