光纤通信技术

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篇首语：本文由小常识网(cha138.com)小编为大家整理，主要介绍了光纤通信技术相关的知识，希望对你有一定的参考价值。

目录

1.绪论

通信系统： 将信息从一处传到另一处的全部技术设备和信道（传输媒介）的总和。

光纤通信： 采用光波作为信息载体，并采用光导纤维作为传输介质的一种通信方式。

光波： 高频的电磁波。

光纤通信发展史：

光纤通信系统特点：

  • 传输容量大、损耗小
  • 信号泄漏小
  • 节省有色金属
  • 抗电磁干扰好
  • 重量轻，可扰性好，敷设方便

光纤通信系统组成：

  • 光发射机：将电信号转化为光信号，并将光信号耦合到传输光纤中；
  • 光纤：将光信号无失真地由光发射机传输到光接收机；
  • 光接收机：将光信号转化为电信号。

基本概念：

  • 模拟信号&数字信号

    模拟信号→数字信号
  • 信道复用：TDM（时分复用）、 FDM（频分复用）、PDH（准同步数字系列）、SDH（同步数字系列）、(D)WDM（密集波分复用）
  • 调制方式：
    模拟调制: AM、 FM & PM
    数字调制：ASK、 FSK & PSK、RZ 和NRZ

2.光纤和光缆

2.1 光纤

光纤结构： 由中心的纤芯（折射率n1）和外围的包层（折射率n2）同轴组成的圆柱形细丝
注意： 光能量在光线中传输的必要条件：n1 > n2

1. 阶跃型光纤

n1沿半径方向保持不变，n2沿半径方向也保持不变，而且纤芯和包层的折射率在边界处呈阶梯型变化的光纤，称为阶跃型光纤。

纤芯与包层相对折射率差——△

数值孔径——NA： 表示光纤接收和传输光的能力
即临界角θc（由全反射定理得到）的正弦（NA = n0 sin(θc)，n0为光在空气中的折射率为1）

  • NA越大，光纤接收光的能力越强（束缚性越强），从光源到光纤的耦合率越高，光纤抗弯曲性能越好
  • 但，NA越大，经光纤传输的光信号的信号畸变越大（限制了传输容量）

光的传输时间——T： 入射角θ（最大入射角θc）的光纤在长度为L(ox)的光纤中传输，所经历的路程为l(oy)，在θ不大的条件下，其传播时间为

光线之间的时间延迟差——△T：

系统容量——BL：

信号畸变： 时间延迟差在时域产生的脉冲展宽
           由此可见，阶跃型光纤的信号畸变是由于不同入射角的光经光纤传输后，其时间延迟不同而产生的。

2. 渐变型光纤

n1随半径的增大而减小，n2沿半径方向也保持不变的光纤，又称为非均匀光纤。

注意： 渐变型光纤具有能减小脉冲展宽、增加带宽的优点

渐变型光纤折射率分布的普遍公式：a为纤芯最大半径，g为折射率分布指数：

g=2，n( r)按平方律(抛物线)变化，表示常规渐变型 光纤的折射率分布。具有这种分布的光纤，不同入射角 的光线会聚在中心轴线的一点上，因而脉冲展宽减小。

设计思想： 渐变型多模光纤的设计思想是利用光传输速率与光纤材料折射率成反比的原理，来解决多模光纤中所存在的严重时延（模间色散）问题。

  • 沿中心轴的传播的路径最短，但该位置的折射率n也是最 大的，所以v也是最慢的；
  • 越远离轴心，折射率n越小，v会越快

由于渐变型多模光纤折射率分布是径向坐标r的函数， 纤芯各点数值孔径不同，所以要定义局部数值孔径NA( r)和 最大数值孔径：

局部数值孔径——NA( r)：

最大数值孔径——NAmax：

系统容量——BL：

3. 波动光学分析

归一化频率——V： 描述光纤结构和性能的综合参数。
根据此公式可设计出不同性能的光纤，V是判断单模和多模的标准

光线模式的数量——N：

阶跃多模光纤：

渐变多模光纤：

4. 光纤的基本特性

光纤的传输特性： 损耗（衰减）、色散、非线性效应

  • 损耗：限制了传输距离
    吸收损耗、散射损耗、弯曲损耗
    损耗→光信号幅度减小→限制传输距离
  • 色散：限制了系统传输容量
    在光纤中传输的光信号，由于不同成分的光的时间延迟不同而产生的一种物理效应
    色散严重时，会导致前后脉冲相互重叠，形成码间干扰，增加误码率，使通信质量下降（容量变小）
  • 非线性效应
    对于常规光纤，当入射光的功率较大时，光纤的各种特征参数不是恒定的，而是依赖于发光强度

常用光纤：

  • G.652常规单模光纤
  • G.653色散移位光纤
  • G.654 1.55μm损耗最小的单模光纤
  • 色散补偿光纤
  • G.655非零色散光纤

2.2 光缆

光缆： 光纤的实际应用形式。
       光缆的设计的使命就是要确实做到使光缆中的光纤免遭机械应力和水的作用——保护光纤的作用

考虑因素：

  • 抗拉强度
  • 耐压
  • 防止过小弯曲
  • 防止摩损
  • 隔离震动
  • 防潮气和防化学侵蚀

结构类型： 构一般由缆芯、加强件、护套三部分组成。

  • 缆芯：光缆的核心，决定着光缆的传输特性。
  • 加强件：起着承受光缆拉力的作用，通常在缆芯中心，有时配置在护套中。
  • 护套：起着对缆芯的机械保护和环境保护作用，要求具有良好的抗侧压力 性能及密封防潮和耐腐蚀的能力。

层绞式光缆： 分离光纤层绞式光缆、光纤带层绞式光缆

  • 两者的异同：
    相同处：几何结构、制造方法基本相同
    不同处：光纤形状、光纤识别、纤芯数等
    分离光纤层绞式光缆最大纤芯数<144芯；光纤带层绞式光缆的最大纤芯数可达到720芯。
  • 层绞式光缆的结构特点：
    光纤数多(分离光纤144芯,光纤带720芯以下)
    光纤余长易控制、光缆的机械、环境性能好
    适宜于直埋、管道敷设，也可用于架空敷设
  • 层绞式光缆结构的缺点：
    光缆结构复杂、生产工艺环节多、工艺设备较复杂、材料消耗多等。

骨架式光缆：

  • 骨架式光缆是光纤嵌入多个骨架 式U形或V形槽的光缆。
    骨架式光缆是一种全干式光纤带光缆，没有填充阻水油膏。
    骨架既具有高的抗侧压能力，又可以防止开剥光缆时损伤光纤。
    阻水带遇水后，阻水粉吸水膨胀产生一种阻水凝胶屏障。
  • 骨架式光纤带光缆的优点：
    是结构紧凑、缆径小、光纤芯密度大（由几十上百芯乃至芯至数千芯）
    施工中无需清除阻水油膏，接续效率高
    适用于城域光、接入网、有线电视网络等
  • 骨架式光纤带光缆的缺点：
    制造设备复杂（需要专用的骨架生产线）、工艺环节多、生产技术难度 大等。

3.光源和光发射机

3.1 光电器件的一般工作原理

发光： 电子由高能级向低能级的跃迁（量子物理）

辐射： 在物质的原子中，存在许多能级，最低能级E1称为基态， 能量比基态大的能级Ei(i=2, 3, 4 …)称为激发态

电子在低能级E1的基态和高能级E2的激发态之间的跃迁有 三种基本方式：

  • 自发辐射
    处在高能级E2的电子不稳定，会自动地跃迁到低能级E1上与空穴复合，释放的能量转换为光子辐射出去。

  • 受激辐射
    高能级E2的电子，受到入射光的作用，被迫跃迁到低能级E1上与空穴复合，释放的能量产生光辐射。

  • 受激吸收
    电子处于低能级E1，在入射光作用下，它会吸收光子的能量跃迁到高能级E2上， 这种跃迁称为受激吸收。
    电子跃迁后，在低能级留下相同数目的空穴。

受激辐射和自发辐射： 受激辐射是受激吸收的逆过程。
电子在E1和E2两个能级之间 跃迁，辐射光子的能量或吸收光子的能量都满足波尔条件
即 E2 - E1 = h f12
h=6.628×10^-34J·s，为普朗克常数，f12为辐射或吸收的光子频率

  • 受激辐射光的频率、相位、偏振态和传播方向与入射光相同， 这种光称为相干光。
  • 自发辐射光是由大量不同激发态的电子自发跃迁产生的，其频率和方向分布在一定范围内，相位和偏振态是混乱的，这种光称为非相干光。

粒子数反转：

  • 如何保持受激辐射状态？
    高能级的电子数 >> 低能级的电子数
  • 粒子数反转：
    高能级的电子数 << 低能级的电子数
  • 怎样实现粒子数反转？
    外界向物质提供能量

能带理论：

  • 能带：实际情况，原子的能级不是单一的，而是由彼此靠的很近的系列能级组成的，这种有一定宽度的带，我们称为能带
  • 导带：半导体内部自由运动的电子(简称自由电子)所占据的能带
  • 价带：价电子（空穴）所占据的能带
  • 禁带：导带和价带之间不允许电子存在，所以称为禁带，其宽度称为禁带宽度/带隙，，用Eg表示，单位为电子伏特(eV)

按照能带理论，粒子数反转的条件为：Efc – Efv > Eg
实现粒子数反转（泵浦激励）的方法：使用一个正向偏压的PN结

PN结： 是由P型半导体和N型半导体共同组成的结。

  • P型半导体和N型半导体是通过掺以过多电子或缺少电子的杂质方法而得到的。
  • 根据PN结的性质不同，可以分为：
    同质结 单异质结 双异质结 量子阱
  • 半导体光源的发光区（有源区）就是由一个或多个垂直方向的PN结组成的。
    半导体光源通常采用异质结结构作为有源发光区。
    采用异质结结构有如下好处:
        两种半导体之间的带隙差有助于电子-空穴复合，在有 源层中就会不断有光产生；
        由于有源层具有更小的带隙，所以其折射率比其周围 的P型和N型包层折射率略大。这样，有源层可以看成是 一个介质波导。通过改变有源层厚度可以达到控制有源 层所支持的光波波长。

双异质结希望Eg不同，晶格常数相同

3.2 发光二极管（LED）

发光二极管： 利用电子-空穴对复合而产生自发辐射的发光器件

发光原理： 当在PN结上加正向偏置电压时，P型中的空穴和N型中的电子向着PN结流动，受激电子会从高能级跃迁到低能级，电子损失的能量以光子形式辐射出去，即自发辐射发光。

发光波长： λ（μm）= 1.24 / Eg(eV)

类型：

  • 面发发光二极管SLED：
    SLED的光是从与有源层 垂直的平面发出的。
    SLED的发光区被限制在 径向尺寸与光纤芯径相当小的有源区。
  • 边发光二极管ELED
    ELED的光是从有源层边发出的。图（a）和（b）分别所示的是 AlGaAs/GaAs ELED和InGaAsP/InP ELED的基本结构。

工作特性：

  • 输出光功率：
    LED的输出功率与驱动电流和电子密度有关

输出功率和驱动电流之间的函数关系（P-I曲线）：

当电流增大到一定程度时，功率饱和，同时，P-I曲线会随温度的变化而变化

  • 光谱特性：
    LED光谱特性主要是指发光强度、光谱峰值波长和光谱的半高全宽Δλ（最大光强一半处的光谱全宽）等。
    LED的谱线宽度Δλ与波长（有源层材料的带隙决定）和结的温度有关。
    LED的光谱很宽
  • 调制带宽：
    功率谱降低到最大值一半时，对应0～3dB的频率范围
    LED的调制带宽为：Δf = 1/ (2π τ)，τ是载流子的复合寿命
    调制带宽跟PN结的掺杂浓度和有源区的厚度有关
  • 温度特性：
    LED的温度特性：P = P0 exp[-T/T1]，P0——LED的起始输出光功率，T——绝对温度
    一般来说，LED对温度的敏感性比较差，在设计电路时，不需要考虑温控电路

3.3 半导体激光器（LD）

基本结构： 激光二极管是一种借助于受激辐射发光的半导体器件（简称为激光器）

  • 有源区（增益区）：是实现粒子数反转分布、产生光的区域。
  • 光反馈装置：光学谐振腔，光产生振荡的区域。
  • 频率选择元件：选择光模式的地方。
  • 光波导：在激光器内用来引导光波。

LD结构的发展历程及方向：

  • 有源区：一般采用异质结结构，其经历了由同质结、单异质结、双异质 结到量子阱。
    目的是以较小的注入电流来获得较大的光输出。
  • 谐振腔：经历了法布里-珀罗腔、分布反馈腔、分布布拉格反射器到到垂 直腔、短耦合腔。
    目的是获得窄的光谱线宽、低噪声和波长稳定的激光。
  • 条形结构：经历了宽接触到条形结构的过程。
    目的是减小电流发热对器件的影响。

有源区典型结构：

  • 同质结：PN 结的P型和N型为同一材料， 但是掺杂类型不同, 或掺杂类型相同，但是掺杂浓度不同的材料组成的结构。
  • 异质结：是指由带隙不同的材料构成的PN结。
    异质结又可以分为：单异质结和双异质结。

LD工作原理：

  1. 向半导体PN结注入电流
  2. 实现粒子数反转分布
  3. 产生受激辐射
  4. 利用谐振腔的正反馈， 实现光放大而产生激光振荡

“纵模”的概念： 在谐振腔里，用来表示电磁场特性的模称“纵模”
有如下特点：

  • 方向和光辐射方向是一致的；
  • 反映的是“光谱特性”，对应的是激光器的“单色性”；
  • 不同的纵模，其辐射的强度也是不一样的；
  • 纵模的数量随驱动电流的增大而减少；
  • 只有一个主模，叫“单纵模激光器”。

    通常用模抑制比来反映单纵模激光器的好坏：MSR = Pmm/Psm
    Pmm：主摸功率、Psm：边摸功率
    一个好的单纵模激光器的模抑制比 > 1000

LD分类：

  • 边沿发光激光器：
    法布里-珀罗激光器
    分布反馈激光器
    多量子阱激光器
  • 垂直发光激光器：
    垂直腔面发射激光器
  • 按照工作波长，LD可以分为：
    短波长850nm LD
    长波长1310nm LD
    1550nm LD

LD的基本性能：

  • 工作波长：λ（μm）= 1.24/ Eg(eV)
    不同的材料对应不同的带隙，因而会有不同的发射波长

  • 光谱特性：LD的发射波长的范围

    短距离、低速率、小容量选宽度为30-50nm的LED；
    中距离、中速率、中容量选1-3nm的LD；
    长距离、高速率、大容量<1nm的单纵模激光器。

  • 输出光功率：

    P：输出光功率，I：驱动电流，Pth、Ith：相应的阈值，hf：光子能量，e：电子电荷

    LD的输出光功率通常用P-I曲线表示：
        当I < Ith 时，激光器发出的是自发辐射光；
        当I > Ith时，发出的是受激辐射光。

  • 温度特性：

    光功率随温度变化的原因：
        激光器的阈值电流Ith随温度升 高而增大
        光/电转换效率随温度升高而 减小
        升高超过一定数值时，LD就不 产生激射

LD和LED小结：

  • 均是“电子—空穴复合”产生光的原理；
  • 在复合过程中，都是以“光子”的形式发出的；
  • LD是受激辐射（Stimulated emission） LED是自发辐射（Spontaneous emission）
  • 谱宽度：LD窄、LED宽。

LED通常和G.651多模光纤耦合，用于1.3 μm(或0.85 μm) 波长的小容量、短距离、低速率系统。
LD通常和G.652或G.655单模光纤耦合，用于1.3 μm或 1.55 μm大容量、长距离、高速率系统。

3.4 光发射机

光发射机简单框图：

  • 光源：核心部件（LED、LD）
    光源的选择：
        LD的输出功率高，谱线窄，应用与单模光纤时色散小。 适于长距离高码速的光纤通信系统
        LD和LED相比，寿命相对较低，价格高，稳定性差， 调制电路复杂
  • 光源的调制：
    直接调制：将信息转换为驱动电流后直接控制发光过程
        优点：调制原理简单、容易实现
        缺点：容易产生光谱展宽，使单模光纤的色散增加，限制传输容量。

    间接调制：先用信号控制元件，然后再和激光合成
        优点：能消除光谱展宽影响

4.光检测器与光接收机

4.1 光检测器

光接收机的主要组成：

对光检测器的要求：

  • 光——电转换效率要高；
  • 响应速度快，或带宽宽，这样接收信号就不容易失真； （对于10Gbps以上的高速系统，一般要求小于10ps）
  • 灵敏度要高；
  • 功率消耗要低；
  • 为了便于耦合 与光纤尺寸匹配；
  • 稳定、可靠、便宜

光检测器的内在机制： 受激吸收
    当入射光进入PN结后会被吸收，产生一个电子-空穴对，在反向电压的作用下，这些电子-空穴分别向左右两侧运动，形成光生电流。

光检测器的性能指标：

  • 量子效率和响应度

    量子效率和响应度反映了光转换为电流能力的大小，他们均跟PN结的材料有关
    量子效率一般为：30％~90％
  • 带宽
    响应速度：光电管产生的光电流跟随入射光信号变化快慢的物理量，用响应时间或响应带宽表示。
    响应时间：光生电流脉冲前沿由最大幅度的10%上升到90%所用的时间，用 Tr 表示

    Tr = （ln9)( τRC + τtr ）
    τRC：RC电路的时间常数，τtr：穿越时间
    τtr = W / Vd
    Vd：扩散或漂移速度
    光电检测器响应带宽：△f = 1 / 2 π (τRC + τtr )
    在实际应用中， △f 越大越好，要求τRC、τtr越小越好

PIN光电二极管：

  • 在PN结施加反向电压（N接正、P接负），受激吸收过程产生的电子-空穴对在电场的作用下，分别离开耗尽区，电子向N区漂移，空穴向P区漂移，在外电路形成光生电流
  • 当入射功率变化时，光生电流也随之线性变化，从而把光信号转换成电信号
  • 耗尽区两侧是没有电场的中性区，由于热运动，部分光生电子和空穴通过扩散运动也会进入耗尽层，然后在电场的作用下，形成漂移电流相同方向的扩展电流
    由于扩散比漂移慢得多，为了提高响应速度，就得减小扩散运动，增加漂移电流，而解决方案就是要对PN结结构加以改进

解决方案：

  • 减小P区与N区的宽度和增加耗尽区的宽度，使耗尽区可以充分吸收入射光
  • 增加耗尽区的宽度最简单的方法——在PN结之间插入一层未掺杂（或轻微掺杂）的本征半导体材料，形成P-I-N结构

PIN光电二极管：

  • 工作原理：
        PN结施加反向偏置电压使之形成一定范围的耗尽区
        当光射入PN结时，光子能量hv >= 带隙能量 Eg 时，光子就会释放它的能量，将电子由价带激发到导带而产生光生载流子，即电子-空穴对
        在电场的作用下，电子将向N区漂移，而空穴将向P区漂移，从而形成光生电流
        当入射光功率变化时，光电流也随之产生线性变化，从而将光信号转换成电流信号
  • 工作特性：
        量子效率跟前面描述一样。
        最小可检测功率是描述光电二极管灵敏度的基本参数。
        响应时间表示光电二极管对瞬时变化光信号的响应能力。
        暗电流是主要噪声来源（无入射光的电流）。

APD雪崩光电二极管：

  • 结构：APD是一个光电二极管和电信号放大器的集成器件
          在PIN增加了一个π层（i区）， 组成了n+p πp+多层结构。
          其中，n+表示重掺杂的N型； p+表示外延的重掺杂的P型。
  • 分类：
        Si APD（适合波长为0.8μm，速率100Mbps的系统）；
        Ge APD（暗电流和附加噪声大，在实际中很少用）；
        InGaAs APD （适合波长为1.3－1.60μm，高速系统增益可以达到 100倍）。InGaAs的带隙相当窄，在1×105V/cm的电场下，容易出现隧道击穿。 采用异质结APD解决隧道击穿问题。
  • 工作原理：
        当APD加上足够高的反向偏置电压时，在耗尽区内的光生载流子从耗尽区强电场中会获得高于带隙的能量，通过与晶格原子的碰撞，会将一个束缚价电子激发为自由电子，产生新的电子-空穴对。
        这些二次激发的载流子又可以不断产生新的碰撞，造成载流子在耗尽区内的雪崩式倍增，从而在外电路中产生光电流的增益。

    APD的场分布：由于高电场区的雪崩电离， 外电路形成倍增的光生电流。
  • 工作特性：
        雪崩电压是当APD产生自持雪崩时的电压，其数值的大小与 材料、器件结构不同而不同
        倍增因子M定义为总的输出电流与一次光电流的比值

        暗电流为无光照射时反向偏压下的电流。

APD和PIN的区别：

  • PIN不能使原信号电流发生倍增，而APD能使原信号光电流发生倍增，从而使接收机的灵敏度增加。
  • 遗憾的是在雪崩倍增效应的同时，噪声电流亦有放大，带来新的噪声成份。

4.2 光接收机

光检测器： 是光接收机实现光/电转换的关键器件，其性能特别是响应度和噪声直接影响光接收机的灵敏度。

对光检测器的要求：

  • 波长响应要和光纤低损耗窗口(0.85 μm、 1.31 μm和 1.55 μm)兼容；
  • 响应度要高， 在一定的接收光功率下， 能产生最 大的光电流；
  • 噪声要尽可能低， 能接收极微弱的光信号；
  • 性能稳定， 可靠性高， 寿命长， 功耗和体积小

目前，适合于光纤通信系统应用的光检测器有PIN光电二极管和雪崩光电二极管(APD)

光检测器的选择：

  • PIN：PIN管的偏压电路简单、价格较低。 相对APD来说灵敏度较低。
  • APD：APD管的偏压高，电路复杂、价格较高。 APD灵敏度高。

光接收机的主要组成：

前端： 由光电二极管和前置放大器组成

  • 作用：将耦合入光电检测器的光信号转换为时变电流，然后进行预放大(电流一电压转换)，以便后级作进一步处理。
  • 要求: 低噪声、高灵敏度、足够的带宽

前置放大器：

  • 前置放大器应是低噪声放大器，它的噪声对光接收机 的灵敏度影响很大。
  • 前放的噪声取决于放大器的类型，目前有三种类型的 前放可供选择。

    三种前置放大器的比较：
        双极型晶体管前置放大器的主要特点是输入阻抗低， 电路时间常数RC小于信号脉冲宽度T，因而码间干扰小，适 用于高速率传输系统。（响应带宽大，灵敏度低）
        场效应管前置放大器的主要特点是输入阻抗高， 噪 声小，高频特性较差，适用于低速率传输系统。 （响应带宽小，灵敏度高）
        跨阻型前置放大器最大的优点是改善了带宽特性和 动态范围，并具有良好的噪声特性。 （响应带宽大，灵敏度高）

线性通道：

主放大器： 一般是多级放大器

  • 作用：提供足够的增益
          实现自动增益控制(AGC)，使输入光信号在 一定范围内变化时， 输出电信号保持恒定。
    主放大器和AGC决定着光接收机的动态范围。

均衡：

  • 作用：对经光纤传输、光/电转换和放大后已产生畸变(失真)的 电信号进行补偿
          使输出信号的波形适合于判决(一般用具有升余弦谱的码 元脉冲波形)，以消除码间干扰，减小误码率。

数据恢复： 把线性通道输出的升余弦波形恢复成数字信号

噪声特性：
光接收机的噪声有两部分：

  • 外部电磁干扰产生：这部分噪声的危害可以通过屏蔽 或滤波加以消除
  • 内部产生：这部分噪声是在信号检测和放大过程中引入的随机噪声，只能通过器件的选择和电路的设计与制造尽可能减小， 一般不可能完全消除。
  • 光接收机噪声主要来源：光检测器的噪声和前置放大器的噪声 。因为前置级输入的是微弱信号，其噪声对输出 信噪比影响很大，而主放大器输入的是经前置级放大的信号， 只要前置级增益足够大，主放大器引入的噪声就可以忽略。

灵敏度： 光接收机的重要指标，描述了其准确检测光信号的能力。

接收灵敏度：接收机工作于某一误码率所要求的最小平均接收光功率。

误码率：

  • 由于噪声的存在，放大器输出的是一个随机过程，其取样值是随机变量，因此在判决时可能发生误判，把发射的 “0”码误判为“1”码，或把“1”码误判为“0”码。
  • 光接收机对码元误判的概率称为误码率(在二元制的情 况下，等于误比特率，BER)， 用较长时间间隔内，在传输 的码流中，误判的码元数和接收的总码元数的比值来表示。

5.光放大器

5.1 光放大器基础

光纤的损耗和色散限制了通信距离

为了满足长距离通信的需要，必须在光纤传输线路上每隔一定距离加入一个中继器。以补偿光信号的衰减和对畸变信号进行整形，然后继续向终端传送。

中继器：

  • 光电光混合中继器
    结构复杂，价格昂贵，且不能用于波分复用系统中。
  • 全光中继器
    对光信号进行直接放大。

光电光中继器： 传统的光通信系统采用的是光电转换的中继器。

  • 中继原理：光信号首先由光电二极管转变成电信号
              电信号经电路整形放大后再重新驱动一个光源，实现光信号的再生
  • 缺点：装置复杂、体积大、耗能多
    特别对多信道复用和双向复用光纤通信系统，这种中继方式十分复杂，极其昂贵
  • 优点：结构简单、价格便宜
  • 功能：提供光信号增益，以补偿光信号在通路中的传输衰减,增大系统的无中继传输距离。
  • 分类：
    半导体光放大器
        优点：单程增益高、小型化，容易与其他半导体器件集成
        缺点：性能与光偏振方向有关，与光纤的耦合损耗大

    掺杂光纤放大器
        利用稀土金属离子作为激光器工作物质的一种放大器
        优点：增益高、噪声低、频带宽、输出功率高等，具有广泛的应用前景。
        掺杂光纤放大器的特性主要由掺杂元素决定:
            掺饵(Er)光纤放大器(EDFA):工作波长1550 nm
            掺错(Pr)光纤放大器(PDFA): 1300 nm
            掺钰( Tm)光纤放大器(TDFA): 1400 nm

    非线性光纤放大器：
        利用光纤中的非线性效应，利用受激拉曼散射( SRS)和受激布里渊散射（SBS ) 。
        需要对光纤注入泵浦光，泵浦光能量通过SRS或SBS传送到信号上，同时部分能量转换成分子震动(SRS）或声子（SBS ) 。
            光纤喇曼放大器（ FRA)：
            泵浦光与信号光可同向或反向传输,增益带宽约为6THz。
            光纤布里渊放大器（FBA)：
            泵浦光与信号光只能反向传输,增益带宽相当窄为30~10OMHz。

几种光放大器对比：

类型原理激励工作长度噪声特性与光纤耦合与光偏振关系稳定性
半导体光放大器粒子数反转电100μm~1mm差很难大差
掺杂光纤放大器粒子数反转光几m~几十m好容易无好
非线性光纤放大器光学非线性（喇曼）效应光数km好容易大好

光放大器的指标：

  • 增益：G = Pout / Pin，描述光放大器对信号放大能力的参数
    G：增益、g：增益系数（与掺杂浓度、信号光/泵浦光的功率有关）
  • 带宽：决定WDM的信道系数（G降至最大放大倍数一半处的全宽度/FWHM）
  • 增益饱和与饱和输出功率
    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， 就会出现增益饱和现象。
  • 噪声：任何放大器自身都会产生噪声，使系统SNR下降
    来源：自发辐射（激光振荡必不可少）是噪声的主要来源
    指数Fn：Fn = (SNR)in / (SNR)out
    所有光放大器在放大过程中都会把自发辐射（或散射）叠加到信号光上，产生了新的自发辐射噪声（ASE噪声~近似于白噪声）叠加在信号上，导致被放大信号的SNR下降

增益、输出功率、噪声指数是表征光放大器性能的三项主要参数，其他参数还有：能量转换效率、瞬态特性、串音、偏振灵敏性。

光放大器的应用形式：

  • 线路放大：周期性补偿各段光纤损耗
  • 功率放大：增加入纤功率，延长传输距离
  • 前置放大：提高接收灵敏度
  • 局域网的功率放大器：补偿分配损耗，增大网络节点数

5.2 半导体激光放大器

SOA的放大原理：

  • 半导体光放大器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。

工作原理：

  • LD两端面构成FP谐振腔
  • 入射光从左端面进入，通过具有增益的有源层
  • 到达右端面后，部分从端面反射，然后反向通过有源层至左端面，部分光从左端面出射
  • 其余部分又从端面反射，再次通过有源层
  • 如此反复，使得入射光得到放大

SOA结构：

  • 法布里-珀罗放大器(FPA)结构
    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。
  • 非谐振的行波放大器(TWA)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。

两者区别：TWA的端面反射率极低，通常在0.1％以下

降低端面反射方法：减反膜、倾斜有源区、窗面结构

SOA性能：

  • 对光信号增益的饱和性
    饱和输出功率：5mV~10mV

  • 噪声指数
    自发辐射噪声;
    腔中自由载流子吸收和散射等腔内损耗使增益降低;
    放大器端面的反射率引起Fn增加（对TWA，端面残留反射率的影响可忽略)。
    Fn典型值：5dB~7dB

  • 偏振灵敏性
    定义：放大器的增益随输入信号光的偏振态而变化的特性
    起因：有源层横截面呈扁长方形，对横向和竖向光场的约束不同
    光信号偏振方向取横向时增益大，竖向时增益小
    解决方案：

SOA的主要特性总结：

  • 与偏振有关， 因此需要保偏光纤。
  • 具有可靠的高增益(20 dB)。
  • 输出饱和功率范围是5～10 dBm。
  • 具有大的带宽。
  • 工作在0.85μm，1.30μm和1.55μm波长范围。
  • 小型化的半导体器件，易于和其他器件集成。
  • 几个SOA可以集成为一个阵列。
  • 由于非线性现象(四波混频)，SOA的噪声指数高，串扰电平高。

SOA的应用：

  • 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。
  • 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、 成本低以及可集成性, 即可以集成在含有很多其它光电子器件 (例如激光器和检测器)的基片上。
  • 光开关
    除了能提供增益外，半导体放大器在光交换系统中可以作 为高速开关元件使用。
  • 全光波长变换器AOWC
    SOA的一个主要应用是利用SOA中发生的交叉增益调制、 交叉相位调制和四波混频效应来实现波长转换。

SOA多信道放大存在的问题：

  • 噪声大
  • 信道串扰（交叉增益调制XGM、四波混频FWM）
  • 增益饱和、引起信号畸变

5.3 掺铒光纤放大器

掺铒光纤放大器EDFA

EDFA工作原理：
EDFA采用掺饵离子单模光纤为增益介质，在泵浦光作用下产生粒子数反转，在信号光诱导下实现受激辐射放大。

EDFA基本结构：
主要是由掺铒光纤(EDF)、泵浦光源、光耦合器和光隔离器等组成

EDFA优势：

  • 工作频带正处于光纤损耗最低处(1525-1565nm);
  • 频带宽，可对多路信号同时放大（波分复用);
  • 对数据率/格式透明，系统升级成本低;
  • 增益高(>40dB)、输出功率大(~30dBm)、噪声低(4~5dB);
  • 全光纤结构，与光纤系统兼容;
  • 增益与信号偏振态无关，故稳定性好;
  • 所需的泵浦功率低(数十毫瓦)。

工作特性：

  • 增益与输出功率：
    增益——G：描述光放大器对信号放大功能的参数

    小信号增益随泵浦功率而变的曲线：


    注意：在EDFA设计中，需要在掺铒光纤结构参数的基础上，选择合适的泵浦功率和光纤长度，使放大器工作于最佳状态。

    一个典型的光纤放大器的小信号增益大约为30dB，但在高的功率下，小信号增益就减小到大约10dB
  • 工作波长
    不同输入功率，EDFA增益与波长的关系：

    由于C波带和L波带放大器的工作范围分别是1530~1565 nm和1570~1610nm，实际应用中在整个波长范围内往往采用并联方式使用。
  • 增益均衡
    小信号的EDFA在其整个工作波长范围的增益是不均衡（平坦）的。 为了达到宽范围的增益平坦，需要采用增益均衡技术，具体方法是：利用不同类型的放大器，如光纤拉曼放大器来均衡EDFA的增益。
  • 多信道
    多信道放大特性：
        EDFA可同时放大多路信号，只要多信道的总带宽 < 放大器带宽
        适用于波分复用或频分复用光波通信系统
    多信道放大中存在的问题：
        串音等
    EDFA的级联特性：
  • 噪声系数
    EDFA的噪声主要包括：
        信号光的散粒噪声；
        自发辐射光的散粒噪声；
        自发辐射光谱与信号光之间的差拍噪声；
        自发辐射光谱间的差拍噪声
    自发辐射光噪声会使信噪比减小

    EDFA噪声指数Fn近似为：

    Fn极限值：3dB
    nsp=1时（理想放大器）被放大信号的SNR也降低了二倍（3dB）

应用：

  • 泵浦方式：
    EDFA的泵浦源的泵浦波长有：820nm、980nm和1480nm。
        其中980 nm和1480nm激光二极管具有噪声低、泵浦效率高、驱动电流小、增益平坦等优点，在实际中应用最多。

    根据EDFA的泵浦源发出的光与信号光的方向相同与否，可分为：
        前向（同向）泵浦
        反向（后向）泵浦
        双向泵浦式EDFA
  • 基本应用：
    光放大器具体的应用形式有：
        后置放大器
        在线放大器
        前置放大器

掺铒光纤放大器的主要优点：

  • 工作波长与光纤最小损耗窗口一致
  • 能量转换效率高、耦合效率高
  • 能同时放大多个波长，与信号的比特率无关
  • 高增益、低噪声、宽带宽、与偏振无关（它的增益可达40dB，噪声系数可低至3～4dB，输出功率可达14～20dBm)
  • 对掺饵光纤进行激励的泵浦功率低，仅需几十毫瓦，而拉曼放大器需0.5～1W的泵浦源进行激励

掺铒光纤放大器的不足：

  • 波长固定
  • 增益带宽不平坦
  • 产生ASE噪声

5.4 喇曼光纤放大器

工作原理：
当一个强泵浦光通过光纤时，会引起光纤材料的分子振动，一部 分泵浦光被分子振动散射，某些散射会发生频移。频移的量恰好等于分子振动的频率量，其中高频段的能量转移到低频段，在低频上形成放大增益。

工作特性：

  • 增益：拉曼增益效率= gR/aP
    gR：拉曼增益系数；aP：光纤中的泵浦光束剖面面积
    喇曼放大器突出优点：有大的工作带宽（全波段放大 器）。
  • FRA的噪声：
    自发拉曼散射噪声：
        由自发拉曼散射经泵浦光的拉曼放大而产生的的背景噪声。
        泵浦光功率越大， 自发拉曼散射噪声就越大。
    瑞利散射噪声：
        由光纤的瑞利散射引起的噪声。
        放大器增益越大， 传输线路越长，瑞利散射噪声越大。
    串扰噪声：
        分为泵浦-信号之间的串扰噪声和泵 浦介入信号串扰噪声。

优点：

  • 可以提供整个波段1270~1670nm的任一波长的光放大。
  • 增益介质就是光纤本身，可以制成低噪声的分布式放大器。
  • 自身固有噪声低;
    可以作为EDFA的补充。
    为实现2000km以上的超长距离DWDM系统提供了一种有效解决方案。

缺点：

  • 泵浦功率高500（500mW-1W）
  • 具有很强的极化依赖性

应用：