第5章光网络器件 口光放大器 口无源器件
第5章 光网络器件 光放大器 无源器件
光纤通信系统中所用的器件可以分成有源器件和无源器件两大类。 有源器件的内部存在着光电能量转换的过程,而没有该功能的则称为无 源器件。由于光纤系统网络化程度日益提高,本章所讨论的器件在光网 络中得到广泛的应用,所以本章所涉及的器件也称为光网络器件。 5.1光放大器 光放大器是可将微弱光信号直接进行光放大的器件。在第一章中, 我们已经对光放大器的作用和地位作了说明。下面对光放大器的类型、 工作原理及应用作进一步的讨论。 51.1概述 1.增益系数 光放大器是基于受激辐射或受激散射的原理来实现对微弱入射光进 行放大的,其机制与激光器类似。当光介质在泵浦电流或泵浦光作用下 产生粒子数反转时就获得了光增益。增益系数可表示为 80() 1+(0-0)272+P/Pm回
光纤通信系统中所用的器件可以分成有源器件和无源器件两大类。 有源器件的内部存在着光电能量转换的过程，而没有该功能的则称为无 源器件。由于光纤系统网络化程度日益提高，本章所讨论的器件在光网 络中得到广泛的应用，所以本章所涉及的器件也称为光网络器件。 5.1 光放大器 光放大器是可将微弱光信号直接进行光放大的器件。在第一章中， 我们已经对光放大器的作用和地位作了说明。下面对光放大器的类型、 工作原理及应用作进一步的讨论。 5.1.1 概述 1. 增益系数 光放大器是基于受激辐射或受激散射的原理来实现对微弱入射光进 行放大的，其机制与激光器类似。当光介质在泵浦电流或泵浦光作用下 产生粒子数反转时就获得了光增益。增益系数可表示为 T P Psat g g P 1 ( ) / ( ) ( , ) 2 2 2 0 0 + − + = （5.1.1）
式中g0(m)是由泵浦强度决定的增益峰值,为入射光信号频率,O。为 介质原子跃迁频率,12称作偶极子弛豫时间,P是信号光功率,P3a,是饱 和功率,它与介质特性有关。对于小信号放大有P<<1,则(5.1.1) 式变为 (O g( sat +(O-00)272 设光放大器增益介质长度为L,信号光功率将沿着放大器的长度按指数规律增长 dP( g(o)P(z) dz Pout Pout=exp[g(O)l P(L=P explgoLI G() 或者G=10g(mn)lB 可见,放大器增益是频率的函数。当时,=m0为最大,g(o)也为最大。图 5.1.1画出了放大器增益曲线和其增益系数曲线。当G(m)降至最大值一半 时,(O-a)272=1,记△O2=2lo-,则Avg=△O2n。我们将Ag=272 称作g(o)的半最大值全宽FWHM( Full Width at Half Maximum),而△v4 则是G(O)的FWHM。也称作光放大器的带宽
式中 是由泵浦强度决定的增益峰值， 为入射光信号频率， 为 介质原子跃迁频率， 称作偶极子弛豫时间， 是信号光功率， 是饱 和功率，它与介质特性有关。对于小信号放大有 <<1，则（5.1.1） 式变为 ( ) g0 0 T2 P Psat Psat P 2 2 2 0 0 1 ( ) ( ) ( ) T g g + − = 设光放大器增益介质长度为L，信号光功率将沿着放大器的长度按指数规律增长 ( ) ( ) ( ) g P z dz dP z = P P(L) P exp[g( )L] out = = i n ( ) exp[ g( )L] P P G i n out = = )dB P P G 10lg( i n out 或者 = 由 可见，放大器增益是频率的函数。当时， 为最大， 也为最大。图 5.1.1画出了放大器增益曲线和其增益系数曲线。当 降至最大值一半 时， ，记 ，则 。我们将 称作 的半最大值全宽FWHM（Full Width at Half Maximum），而 则是 的FWHM。也称作光放大器的带宽。 = 0 = 0 g() G() ( ) 1 2 2 2 −0 T = g = 2 −o 2 g = g / 2 g = 2 /T g() A G()
经计算,得到NVgn2 (5.1.6) l/2 In 2 △ △ g。L-hn2 (5.1.7) 归一化增益 0.75 0.50 0.25 0.00 4 (2丌)△VgT2 图5.1.1光放大器增益曲线和增益系数曲线
2 2 T g = 1/ 2 ln 2 ln 2 − = go L A g (2π)Δν gT2 0.50 G(ω) 归 一 化 增 益 (ω－ω0 )T2 0.75 1.00 0.25 0.00 －4 －2 0 2 4 g(ω) 经计算，得到 （5.1.6） （5.1.7） 图5.1.1 光放大器增益曲线和增益系数曲线
2.增益饱和 自输入光功率比较小时,G是一个常数,也就是说输出光功率与输入光 功率成正比,此时的增益用符号G。表示,称为光放大器的小信号增益。但当Pn增 大到一定数值后,光放大器的增益开始下降,这种现象称为增益饱和,如图5.1.2所 增 益 (dB)30 20 3dB 10 605040-30-20-10010Pn(dBm) 图5.1.2增益G与输入光功率的关系曲线
G G0 Pin Psat Pin (dBm) 10 G0 增 益 (dB) 20 30 3dB 0 －60 －50 －40 －30 －20 －10 0 10 2． 增益饱和 当输入光功率比较小时， 是一个常数，也就是说输出光功率与输入光 功率成正比，此时的增益用符号 表示，称为光放大器的小信号增益。但当 增 大到一定数值后，光放大器的增益开始下降，这种现象称为增益饱和，如图5.1.2所 示。 图5.1.2 增益G与输入光功率的关系曲线
当光放大器的增益降至小信号增益G。的一半,用分贝表示为下降3dB 时,所对应的输出功率称为饱和输出光功率。 产生增益饱和的原理可由(5.1.1)式解释。当P较大时,分母中P/Pan 便不能省略。假设O=0,则有 g0() (5.1.8) 1+P/P sat 将上式代入(513)式,并积分,就可以得到大信号增益 (G-1)P ex 5.1.9) GP 式中Go= expl g(O),由上式分析可知,随着Pn的增加 G值将下降。根据饱和输出光功率的定义,可求得它的表达式 G. In 5.1.10) 2 国回
当光放大器的增益降至小信号增益 的一半，用分贝表示为下降3dB 时，所对应的输出功率称为饱和输出光功率。 产生增益饱和的原理可由（5.1.1）式解释。当 较大时，分母中 便不能省略。假设 ，则有 G0 P P Psat / = 0 P Psat g g P 1 / ( ) ( , ) 0 + = − = − sat out GP G P G G ( 1) 0 exp exp[ ( ) ] G0 = g0 L Pout G sat sat out P G G P 2 ln 2 0 0 − = 将上式代入（5.1.3）式，并积分，就可以得到大信号增益 (5.1.9) ，由上式分析可知，随着 的增加， 值将下降。根据饱和输出光功率的定义，可求得它的表达式 (5.1.10) （5.1.8） 式中
3.噪声系数 我们知道,光放大器是基于受激辐射或散射的机理工作。在这个过程 中,绝大多数受激粒子因受激辐射而被迫跃迁到较低的能带上,但也有一部分 是自发跃迁到较低能带上的,它们会自发地辐射光子。自发辐射光子的频率在 信号光的范围内,但相位和方向却是随机的。那些与信号光同方向的自发辐射 光子经过有源区时被放大,所以叫做放大的自发辐射。因为它们的相位时随机 的,对于有用信号没有贡献,就形成了信号带宽内的噪声 光放大器的主要噪声来源是放大的自发辐射ASE( Amplified Spontaneous Emission)。放大自发辐射功率等于Ps=2nhv(G-1A"(51.11,式中 hl是光子能量,G是放大器增益,Δv是光带宽,n是自发辐射因子,它的定义是 (5.1.12) N1N2分别是受激高能级和低能级上的粒子数。当高能级上的粒子数远大于低 能级粒子数时,n→1,自发辐射因子为最小值。但实际的n在14到4之间 自发辐射噪声是一种白噪声,叠加到信号光上,会劣化信噪比SNR。信噪比的 劣化用噪声系数Fn表示,其定义 F、(SNR)m (SNR) (5.1.11)
3． 噪声系数 我们知道，光放大器是基于受激辐射或散射的机理工作。在这个过程 中，绝大多数受激粒子因受激辐射而被迫跃迁到较低的能带上，但也有一部分 是自发跃迁到较低能带上的，它们会自发地辐射光子。自发辐射光子的频率在 信号光的范围内，但相位和方向却是随机的。那些与信号光同方向的自发辐射 光子经过有源区时被放大，所以叫做放大的自发辐射。因为它们的相位时随机 的，对于有用信号没有贡献，就形成了信号带宽内的噪声。 光放大器的主要噪声来源是放大的自发辐射ASE (Amplified Spontaneous Emission)。放大自发辐射功率等于 PASE = 2nsph (G −1) h G sp n 2 1 2 N N N nsp − = (5.1.11),式中 是光子能量， 是放大器增益， 是光带宽， 是自发辐射因子，它的定义是 （5.1.12） N1 N2 nsp →1 sp n 分别是受激高能级和低能级上的粒子数。当高能级上的粒子数远大于低 能级粒子数时， ，自发辐射因子为最小值。但实际的 在1.4到4之间 自发辐射噪声是一种白噪声，叠加到信号光上，会劣化信噪比SNR。信噪比的 劣化用噪声系数 Fn 表示，其定义 out in n SNR SNR F ( ) ( ) = (5.1.11)
(1)输入信噪比 光放大器输入端的信号功率P经光检测器转化为光电流为 (1)=RPm (5.1.12) 式中,R为光检测器的响应度。()=(RDm)2则表示检测的电功率 由于信号光的起伏,光放大器输入端噪声的考虑以光检测器的散粒噪声 为限制,它可以表示为o2=2q()B(5113) 式中q为电子电荷,B为光检测器的电带宽。由(51.12)式和(51.13)式 可以得到输入信噪比 (RPm) RPir SNR)in"2q(RP m )B 2qB (5.1.14)
Pin RPin I = 2 2 ( ) RPin I = s 2q I B 2 = qB RP q RP B RP SNR in in in in 2 ( ) 2 ( ) ( ) 2 = = （1） 输入信噪比 光放大器输入端的信号功率 经光检测器转化为光电流为 式中，R为光检测器的响应度。 由于信号光的起伏，光放大器输入端噪声的考虑以光检测器的散粒噪声 为限制，它可以表示为 式中q为电子电荷，B为光检测器的电带宽。由（5.1.12）式和（5.1.13）式 可以得到输入信噪比 （5.1.14） （5.1.12） 则表示检测的电功率。 （5.1.13）
(2)输出信噪比 光放大器增益为G,输入光功率光放大器放大后的输出为GP 相应的光检测器电功率就是(RGPn)。光放大器的输出噪声主要由两部分组 成,一是放大后的散粒噪声,2q(RGPm)B二是由自发辐射与信号光产生的 差拍噪声。由于信号光和ASE具有不同的光频,落在光检测器带宽的差拍噪 声功率为σsAsg2=4(RGPn)( RSOE)(5.1.15) 式中Ss为放大自发辐射的功率谱,由此可得输出信噪比 (RGP RP (SNAyout 2g(RGPin )B+4(RGPin)(RSASE B)2qB 1+2ns, (G-1)(5.1.16) 1+2nn(G-1) 所以噪声系数Fn= (5.1.17) G 当光放大器的增益比较大时,噪声系数可用自发辐射因子表示 (5.1.18)
相应的光检测器电功率就是 。光放大器的输出噪声主要由两部分组 成，一是放大后的散粒噪声， 二是由自发辐射与信号光产生的 差拍噪声。由于信号光和ASE具有不同的光频，落在光检测器带宽的差拍噪 声功率为 （2） 输出信噪比 光放大器增益为G，输入光功率 Pin GPin 2 ( ) RGPin 2q(RGPin )B 4( )( ) 2 S−ASE = RGPin RS ASEB S ASE 2 ( ) 4( )( ) 2 1 2 ( 1) ( ) ( ) 2 + − = + = n G G qB RP q RGP B RGP RS B RGP SNR s p i n i n i n ASE i n out G n G F sp n 1+ 2 ( −1) = n SP F 2n 经光放大器放大后的输出为 式中 为放大自发辐射的功率谱，由此可得输出信噪比 所以噪声系数 当光放大器的增益比较大时，噪声系数可用自发辐射因子表示 (5.1.18) （5.1.15） （5.1.16） （5.1.17）
5.1.2半导体光放大器 半导体光放大器SOA( Semiconductor Optical Amplifier分成法布里一珀罗腔 放大器FPA( Fabry- Perot Amplifier和行波放大器TW( Traveling-Wave Amplifier 两大类。法布里一珀罗腔放大器两侧有部分反射镜面,它是由半导体晶体的解 理面形成的。其自然反射率达32%。当信号光进入腔体后,在两个镜面间来回 反射并被放大,最后以较高的强度发射出去,见图5.1.3(a)。行波放大器在两个 端面上有增透膜以大大降低端面的反射系数,或者有适当的切面角度,所以不 会发生内反射,入射光信号只要通过一次就会得到放大,见图5.1.3(b)。它的光 带宽较宽,饱和功率髙,偏振灵敏度低。所以用途比法布里一珀罗腔放大器更 反射面泵浦电流 增透膜 泵浦电流 反射面 增透膜 输入光信 源区 源区 号 输入光信 输出光信号 输出光信 号 Z=0 Z=L Z=0 ZEL (a)法布里一珀罗放大器 (b)行波放大器 图51.3半导体光放大器的结构和机理
(a) 法布里－珀罗放大器 泵浦电流 反射面 反射面 输入光信 有源区 号 输出光信号 Z=0 Z=L 泵浦电流 增透膜 增透膜 有源区 输入光信 号 输出光信 号 Z=0 Z=L (b) 行波放大器 5.1.2 半导体光放大器 半导体光放大器SOA(Semiconductor Optical Amplifier)分成法布里－珀罗腔 放大器FPA(Fabry-Perot Amplifier)和行波放大器TWA(Traveling-Wave Amplifier) 两大类。法布里－珀罗腔放大器两侧有部分反射镜面，它是由半导体晶体的解 理面形成的。其自然反射率达32%。当信号光进入腔体后，在两个镜面间来回 反射并被放大，最后以较高的强度发射出去，见图5.1.3(a)。行波放大器在两个 端面上有增透膜以大大降低端面的反射系数，或者有适当的切面角度，所以不 会发生内反射，入射光信号只要通过一次就会得到放大，见图5.1.3(b)。它的光 带宽较宽，饱和功率高，偏振灵敏度低。所以用途比法布里－珀罗腔放大器更 广。 图5.1.3半导体光放大器的结构和机理