光通信之光放大器

光接收机前置放大器的设计

光纤通信系统以其高速、通信容量大、中继距离长、不受电磁干扰、资源丰富等优点被广泛应用于众多多媒体网络中。光接收机是整个光纤通信系统的重要组成部分之一,其中的前置放大器是一个关键电路,它直接影响整个光接收机的性能,诸如速度、噪声、灵敏度。当其工作在较高速率时,通常采用跨阻放大器的形式。为了减少前端噪声,保持较高的灵敏度以降低误码率,避免因主放大器的级联而引起的信噪比的下降,此跨阻放大器需要有较高的增益。同时为了使放大器工作在恰当的速率上,它又需要有适当的宽带特性,但是高增益和宽带是两个相互矛盾的要求, 因此,前置放大器的设计需在各种参数之间进行适当的折衷,最终取得一个平衡点。

1.光纤接收系统简介

以往,高速率的前置放大器大多数用制造费用高的砷化镓或双极性硅工艺来实现[1,2]。由于工艺限制,cmos很难用于高速电路的设计中,但是随着cmos工艺向着亚微米和深亚微米方向发展,其工作速率上限已逐渐接近砷化镓和双极性硅电路的常规工作速率,深亚微米cmos工艺越来越多地应用于高速高性能的集成电路设计。本文采用tsmc0.18μm cmos工艺设计实现了用于sdh系统stm-16(2.5gb/s)速率级光接收机前置放大器。

光接收机系统框图如图1 所示,它主要由光检测器、前置放大器、主放大器、时钟恢复电路、数据判决电路,以及分接器[3]等几部分组成。

图1中,光检测器将光纤传来的微弱光脉冲信号转换为电流脉冲信号,并通过一个低噪声的前置放大器将其转换为电压信号。光检测器与前置放大器构成光接收机前端电路。紧随其后的主放大器将前置放大器输出的电压小信号放大至限幅。主放大器的输出电压脉冲的幅度应该足够的大,以便驱动后续的时钟恢复和数据判决电路。时钟恢复和数据判决电路用来实现信号的再生。最后高速数据流由分接器分接为低速码流。

2.前置放大器的选择

作为光接收机中的关键部分,前置放大电路的性能在很大的程度上决定了整个光接收机的性能。它要求与光检测器相匹配,得到高的输出信噪比,将来自pin光电二极管或者雪崩光电二极管(apd)的电流脉冲信号放大输出并转换成一定的电压脉冲信号。在光纤通信系统中,光信号通过长达几十甚至几百公里的光纤的传输,到达接收端时已变得非常微弱,如果采用一般的放大器进行放大,放大器本身会引入较高噪声,后一级放大器将对前一级放大器输出的信号和引入的噪声进行放大,因此,信噪比不会得到改善。为了克服上述问题,需要一个低噪声、高增益的前置放大器,以获得较高的信噪比。

半导体光放大器(SOA)

SOA的放大原理与半导体激光器的工作原理相同，也是利用能级间受激跃迁而出现粒子数反转的现象进行光放大。SOA有两种：一种是将通常的半导体激光器当作光放大器使用，称作F—P半导体激光放大器(FPA)；另一种是在F—P激光器的两个端面上涂有抗反射膜，消除两端的反射，以获得宽频带、高输出、低噪声。

早在半导体激光器出现时，就开始了对SOA的研究，但由于初期的半导体材料激光放大器偏振灵敏度较高，使得SOA一度沉寂。但近几年来应变量子阱材料的研制成功，克服了偏振敏感的缺点，性能也有许多改进。半导体光放大器的增益可以达到30dB以上，而且在1310nm窗口和1550nm窗口上都能使用。如能使其增益在相应使用波长范围保持平坦，那么它不仅可以作为光放大的一种有益的选择方案，还可促成l310nm窗口WDM系统的实现。

SOA的优点是：结构简单、体积小，可充分利用现有的半导体激光器技术，制作工艺成熟，成本低、寿命长、功耗小，且便于与其他光器件进行集成。另外，其工作波段可覆盖l.3～1．6／μm波段，这是EDFA或PDFA所无法实现的。但最大的弱点是与光纤的耦合损耗太大，噪声及串扰较大且易受环境温度影响，因此稳定性较差。SOA除了可用于光放大外，还可以作为光开关和波长变换器。

2．拉曼光纤放大器 拉曼放大技术是采用受激拉曼散射(SRS)这种非线性效应来进行放大的。石英光纤具有很宽的受激拉曼散射增益谱，并在13THz附近有一较宽的主峰。如果一个弱信号与一强泵浦光波同时在光纤中传输，并使弱信号波长置于泵浦光的拉曼增益带宽内，弱信号光即可得到放大，这种基于受激拉曼散射机制的光放大器即称为拉曼光纤放大器。

(1)拉曼光纤放大器的类型 拉曼光纤放大器有两种类型：一种是集总式拉曼光纤放大器；另一种是分布式拉曼放大器。 集总式拉曼光纤放大器所用的光纤增益介质比较短，一般在几km，泵浦功率要求很高，一般为几W左右，可产生40dB以上的高增益，可作为功率放大器，放大EDFA所无法放大的波段。 分布式拉曼放大器所用的光纤比较长，一般为几十km，泵源功率可降低到几百mW，主要辅助EDFA用于WDM通信系统性能的提高，抑制非线性效应，提高信噪比。在WDM系统中，采用分布式拉曼光纤放大辅助传输可大大降低信号的入射功率，同时保持适当的光信号信噪比(OSNR）。 (2)拉曼光纤放大器的优点

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2005-3-24 华为机密，未经许可不得扩散 第3页, 共22页 目录 课程说明....................................................................................................................................1 课程介绍......................................................................................................................................1 课程目标......................................................................................................................................1 相关资料......................................................................................................................................1 1 光放大器概述......................................................................................................................2 1.1 光放大器的特点..................................................................................................................2 1.2 光放大器的分类..................................................................................................................3 1.3 光放大器的主要性能参数....................................................................................................3 1.3.1 增益（Gain）............................................................................................................3 1.3.2 噪声指数（NF）.......................................................................................................3 1.3.3 增益带宽...................................................................................................................4 1.3.4 饱和输出功率............................................................................................................4 2 掺铒光纤放大器..................................................................................................................6 2.1 掺铒光纤放大器的工作原理................................................................................................6 2.1.1 掺铒光纤中Er3+离子受激辐射和自发辐射.................................................................6 2.1.2 掺铒光纤放大器光学结构..........................................................................................7 2.2 掺铒光纤放大器的优缺点....................................................................................................8 3 拉曼光纤放大器................................................................................................................10 3.1 拉曼光纤放大器的原理.....................................................................................................10 3.2 拉曼光纤放大器的特点.....................................................................................................11 3.3 拉曼光纤放大器的分类.....................................................................................................12 3.4 拉曼光纤放大器的优缺点..................................................................................................12 4 半导体光放大器................................................................................................................14 4.1 半导体光放大器的原理.....................................................................................................14 4.2 半导体光放大器的特点.....................................................................................................14 小结.........................................................................................................................................16 思考题......................................................................................................................................17 附录 缩略词表..........................................................................................................................18 课程TC000002光放大器ISSUE1.0 文档密级：内部公开

光放大器

摘要：光放大器是对于光信号进行直接放大的器件，即可将其看光通路的组成单元，也可看作光设备的组成单元。光放大器可分为光纤光放大器和半导体光放大器两类，它在光通信系统和信息处理领域中有很重要的应用。光放大器的功能是提供光信号增益，以补偿光信号的通路中的传输衰减，增大系统的无中继传输距离。

关键词：光放大器、光纤、半导体、原理、特性

迄今为止的光纤通信系统，为了拓长通信距离都需在通信线路中设置一定数量的中继器，以便使衰减的光信号强度得到补充。而中继器无一例外都是采用光—电—光的转换方式。中继器的这种工作模式带来了不少问题，如使得成本高，系统复杂，可靠性降低等。于是，人们设想，是否用光放大器直接进行光信号放大，以实现全光通信。经过多年的不懈努力，各种各样的光放大器终于问世了。

在光通信技术的发展进程中，不断取得新的突破，其中尤以光放大器，特别是掺铒光纤放大器（EDFA）的发明最为激动人心。它使光通信技术产生了革命性的变化：用相对简单价廉的光放大器，代替长距离光纤通信系统中传统使用的复杂昂贵的光—电—光混合式中继器，从而可实现比特率及调制格式的透明传输，升级换代也变得十分容易，尤其是性能十分优秀的EDFA与WDM技术的珠联璧合，奠定了高速大容量WDM光通信系统与网络大规模应用的基础。

光放大器主要有两类：光纤光放大器和半导体光放大器。光纤放大器又分为两种，即掺稀土元素的光纤放大器和利用常规光纤的非线性效应（如受激拉曼散射，受激希里渊散射等）的光放大器。半导体光放大器主要是行波半导体激光放大器。

1光放大器原理

大部分光放大器是通过受激辐射或受激散射原理实现入射光信号放大的，其机理与激光器完全相同。实际上，光放大器在结构上是一个没有反馈或反馈较小的激光器。任何放大器的主要介质，当采用电学或光学的泵浦方法，达到粒子数发转时就产生了光增益，即可实现光放大。光增益不仅与反射光频率（或波长）有关，也与放大器内部光束强度有关。光增益与频率和强度的具体关系取决于放大器增益介质的特性。