光放大器1教材

1、1第七第七章章2 內(nèi)容簡介內(nèi)容簡介：7.1 光放大器概述光放大器概述7.2 摻鉺光纖放大器摻鉺光纖放大器7.3 光纖喇曼放大器光纖喇曼放大器7.4 其他光放大器其他光放大器2022年7月6日16時06分 電中繼 光中繼 原理 光-電-光 光-光 結(jié)構(gòu) 復(fù)雜 簡單簡單 體積 大 小小 耗能 多 少少 遠(yuǎn)程光泵哺 不能 能能 復(fù)用 復(fù)雜 簡單簡單 色散再生 能能 不能 被取代被取代2022年7月6日16時06分光放大器是可將微弱光信號直接進(jìn)行光放大的器件。作用作用： 光波分復(fù)用技術(shù)； 光接入網(wǎng)； 光孤子光通信新技術(shù)； 為未來的全光通信網(wǎng) 奠定了扎實(shí)的基礎(chǔ) 4迅速成熟并得以商用WDM+EDFA使光纖

2、通信技術(shù)產(chǎn)生了質(zhì)的飛躍。2022年7月6日16時06分 慘雜光纖光纖 放大器 傳輸光纖光纖 放大器 半導(dǎo)體光光 放大器 通路中光纖 傳輸光纖+ 慘雜光纖 傳輸光纖 普通光纖 工作原理 工作物質(zhì)粒子數(shù)反轉(zhuǎn) 光學(xué)非線性光學(xué)非線性 工作物質(zhì)粒子數(shù)反轉(zhuǎn) 激勵方式 光 光 電電 代表光纖 摻鉺 （摻鉺 （EDFA） 摻鐠（PDFA） 受激喇曼散射（受激喇曼散射（SRS） 受激布里淵散射（SBS） 利用四波混頻效應(yīng) （FWM） 半導(dǎo)體光放大器（SOA） 2022年7月6日16時06分粒子數(shù)正常：低能級E1的原子數(shù)高能級E2的原子數(shù)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)：低能級E1的原子數(shù)泵浦能級；15受激離子泵浦帶-亞穩(wěn)帶衰變得非常

3、快(約1s)。多余的能量以聲子形式釋放，或等價認(rèn)為產(chǎn)生機(jī)械振動。激發(fā)態(tài)離子亞穩(wěn)態(tài)能帶-底端， 時間長（10 ms左右）。2022年7月6日16時06分7.2.1 EDFA的工作原理的工作原理EDFA的工作過程1480nm光子泵浦激光器直接把電子從基態(tài)-亞穩(wěn)態(tài)能級的頂部；16電子亞穩(wěn)態(tài)能級的頂部-較低端；2022年7月6日16時06分7.2.1 EDFA的工作原理的工作原理EDFA的工作過程 當(dāng)能量相當(dāng)于從基態(tài)到亞穩(wěn)態(tài)間信號光子流通過器件時，兩種類型的躍遷：1. 基態(tài)的離子將吸收一小部分外部光子，將躍遷到亞穩(wěn)態(tài)； 受激吸收 17亞穩(wěn)態(tài)電子，在沒有外部激勵光子流時，一部分-基態(tài)； 自發(fā)輻射-導(dǎo)致放

4、大器的噪聲。2. 信號光子觸發(fā)激發(fā)態(tài)的離子下降到基態(tài)受激輻射-發(fā)射與輸入信號光子具有相同能量、相同波矢量以及相同偏振態(tài)的新光子。 光信號放大光信號放大2022年7月6日16時06分亞穩(wěn)態(tài)和基態(tài)的寬度： 15301560n超過1560nm時增益會穩(wěn)定下降，在大約1616nm處降至0dB。7.2.1 EDFA的工作原理的工作原理2022年7月6日16時06分7.2.1 EDFA的工作原理的工作原理19 放大作用是泵浦光能量到信號光的轉(zhuǎn)換。 為提高放大器增益，應(yīng)提高對泵浦光的吸收，使基態(tài)Er3盡可能躍遷到激發(fā)態(tài)。 泵浦效率泵浦效率：Wp可以用來衡量泵浦的有效性，其表達(dá)式如下：Wp=放大器增益(dB)

5、/泵浦功率(mW)2022年7月6日16時06分7.2.1 EDFA的工作原理的工作原理不同吸收頻率處的泵浦效率相差很大。實(shí)驗(yàn)測得：在泵浦波長p=0.532m，Wp=1.35dB/mW； p=0.8m ， Wp=0.8dBmW； p=0.98m ， Wp=4.9dBmW； p=1.48m ， Wp=3.9dBmW；。 泵浦頻帶需選用無激發(fā)態(tài)吸收的頻帶；激發(fā)態(tài)吸收：激發(fā)態(tài)吸收：吸收外來光子繼續(xù)向更高能級躍遷。 電子在激發(fā)吸收帶，吸收泵浦光子或信號光向更高能級躍遷，大大降低了泵浦效率，引起信號光衰減。 泵浦源應(yīng)選在無激發(fā)吸收頻帶，如0.98m、1.48m。202022年7月6日16時06分7.2.

6、1 EDFA的工作原理的工作原理 0.98m：增益高、泵浦效率高、噪聲小 飽和輸出功率低飽和輸出功率低 前置發(fā)大器。 1.48m：其與信號光波長接近，因而1.55m單模光纖對信號光和泵浦光都是單模傳輸。 低摻鉺分布式光纖放大器212022年7月6日16時06分7.2.2 EDFA構(gòu)成和特性構(gòu)成和特性-構(gòu)成構(gòu)成222022年7月6日16時06分7.2.2 EDFA構(gòu)成和特性構(gòu)成和特性-構(gòu)成構(gòu)成和是關(guān)鍵器件；波分復(fù)用器(WDM)把泵浦光與信號光耦合；光隔離器置于兩端防止光反射；光濾波器是濾除放大器噪聲。247.2.2 EDFA構(gòu)成和特性構(gòu)成和特性-構(gòu)成構(gòu)成同向泵浦同向泵浦 因泵浦方式不同，分成同向

7、、反向及雙向。 1同向泵浦：泵浦光與信號光從同一端注入摻鉺光纖。輸入端泵浦光較強(qiáng)，故粒子反轉(zhuǎn)激勵也強(qiáng)，其增益系數(shù)大。吸收，將泵浦光沿光纖長度衰減，在一定的光纖長度上達(dá)到增益飽和而使噪聲噪聲迅速增加。 光隔離器光隔離器WDMEDF光隔離器光隔離器泵浦激光泵浦激光器器輸入信號輸入信號輸出信號輸出信號光濾波器光濾波器257.2.2 EDFA構(gòu)成和特性構(gòu)成和特性-構(gòu)成構(gòu)成2.反向泵浦：泵浦光與信號光從不同的方向輸入摻雜光纖。優(yōu)點(diǎn)：當(dāng)光信號放大到很強(qiáng)時，泵浦光也強(qiáng)，不易達(dá)到飽和，因而噪聲性能較好。輸出信號輸出信號光隔離器光隔離器WDMEDF光隔離器光隔離器輸入信號輸入信號泵浦激光器泵浦激光器光濾波器光濾

8、波器反向泵浦反向泵浦267.2.2 EDFA構(gòu)成和特性構(gòu)成和特性-構(gòu)成構(gòu)成3.雙向泵浦：可用多個泵浦源從多個方向激勵光纖。多個泵浦源部分前向，部分后向，結(jié)合前兩種優(yōu)點(diǎn)。使泵浦光在光纖中均勻分布，從而使其增益在光纖中均勻分布。雙向泵浦雙向泵浦光隔離器光隔離器WDMEDF光隔離器光隔離器輸入信號輸入信號輸出信號輸出信號泵浦激光器泵浦激光器泵浦激光器泵浦激光器光濾波器光濾波器WDM2022年7月6日16時06分7.2.2 EDFA構(gòu)成和特性構(gòu)成和特性-構(gòu)成構(gòu)成三種方式各部分要求： 設(shè)計高增益摻鉺光纖設(shè)計高增益摻鉺光纖(EDF)是實(shí)現(xiàn)光纖放大器的技是實(shí)現(xiàn)光纖放大器的技術(shù)關(guān)鍵，術(shù)關(guān)鍵， EDF的增益取決

9、于Er3+的濃度、光纖長度和直徑以及泵浦光功率等多種因素，通常由實(shí)驗(yàn)獲得最佳增益。 對泵浦光源（波長通常為對泵浦光源（波長通常為980 m或1480 m）的基本的基本要求是大功率和長壽命。要求是大功率和長壽命。波長為1480 m的InGaAsP多量子阱(MQW)激光器， 輸出光功率高達(dá)100 mW，泵浦效率在6 dB/mW以上。波長為980 nm的泵浦效率更高，達(dá)10 dB/mW， 且噪聲較低，是未來發(fā)展的方向。272022年7月6日16時06分7.2.2 EDFA構(gòu)成和特性構(gòu)成和特性-構(gòu)成構(gòu)成三種方式各部分要求： 對波分復(fù)用器的基本要求是：對波分復(fù)用器的基本要求是： 插入損耗小，熔拉雙錐光纖

10、耦合器型和干涉濾波型波分復(fù)用器最適用。 光隔離器的作用是光隔離器的作用是: 防止光反射，保證系統(tǒng)穩(wěn)定工作和減小噪聲 對光隔離器的的基本要求是：對光隔離器的的基本要求是： 插入損耗小，反射損耗大。28297.2.2 EDFA構(gòu)成和特性構(gòu)成和特性-特性特性三種泵浦方式比較：三種泵浦方式比較：1.信號輸出功率，信號輸出功率，三種方式的轉(zhuǎn)換效率分別為61%、76和77。在同樣泵浦條件下，同向泵浦式的輸出最低。信號輸出光功率與泵浦光功率的關(guān)系307.2.2 EDFA構(gòu)成和特性構(gòu)成和特性-特性特性三種泵浦方式比較：三種泵浦方式比較：2.噪聲特性噪聲特性 輸出功率加大將導(dǎo)致粒子反轉(zhuǎn)數(shù)的下降，因而在未飽和區(qū)，

11、同向泵浦式噪聲指數(shù)最小，但在飽和區(qū)，情況將發(fā)生變化。對于不同摻鉺光纖長度，同向泵浦方式噪聲都最小。放大器輸出功率與NF的關(guān)系光纖長度與NF的關(guān)系317.2.2 EDFA構(gòu)成和特性構(gòu)成和特性-特性特性三種泵浦方式比較：三種泵浦方式比較：3.飽和輸出特性 同向泵浦式飽和輸出光功率最小。雙向泵浦式輸出功率最大，且放大器性能與輸入信號方向無關(guān)。放大器輸出功率與NF的關(guān)系2022年7月6日16時06分三種泵浦方式性能差異總結(jié)：三種泵浦方式性能差異總結(jié)：7.2.2 EDFA構(gòu)成和特性構(gòu)成和特性-特性特性337.2.3 EDFA的重要指標(biāo)的重要指標(biāo)-增益增益1 .增益特性增益特性 放大器的增益與泵浦強(qiáng)度泵浦

12、強(qiáng)度及光纖長度光纖長度有關(guān)。 不同泵浦光功率下，當(dāng)光纖長度較短時，增益增加很快；而超過某一長度，增益反而下降。 原因：長度增加，光纖中泵浦光功率下降，且摻鉺光纖損耗遠(yuǎn)大于普通光纖，從而導(dǎo)致增益下降。摻鉺光纖長度與放大器增益關(guān)系對不同的泵浦功率存在一個最佳光纖長度對不同的泵浦功率存在一個最佳光纖長度。347.2.3 EDFA的重要指標(biāo)的重要指標(biāo)-增益增益1 .增益特性增益特性不同長度的摻鉺光纖，在泵浦功率不受限時，最大的光放大器增益G受限于光纖長度。泵浦功率與放大器增益關(guān)系2022年7月6日16時06分7.2.3 EDFA的重要指標(biāo)的重要指標(biāo)-增益增益摻鉺光纖長度與放大器增益關(guān)系泵浦功率與放大器

13、增益關(guān)系 在給定摻鉺光纖的情況下，選合適的泵浦功率與光纖長度，實(shí)現(xiàn)優(yōu)化設(shè)計。367.2.3 EDFA的重要指標(biāo)的重要指標(biāo)-帶寬帶寬2.EDFA的帶寬的帶寬 增益系數(shù)隨著波長不同而不同。 帶寬對波分復(fù)用十分重要，要求要求被放大各信號輸出幾乎相等增益平坦被放大各信號輸出幾乎相等增益平坦度度。 EDFA在1.55m波段的帶寬為3040nm。 用于DWDM系統(tǒng)，各信道波長不同，而有增益偏差，經(jīng)過多級放大之后，增益偏差累積，低電平信道信號SNR惡化，高電平信道信號也因光纖非線性效應(yīng)而使信號特性惡化，最終造成整個系統(tǒng)不能正常工作。EDFA的g-關(guān)系使各信道增益偏差處在允許范圍內(nèi)，放大器增益須平坦。2022

14、年7月6日16時06分7.2.3 EDFA的重要指標(biāo)的重要指標(biāo)-帶寬帶寬實(shí)現(xiàn)寬頻帶和增益平坦度經(jīng)過了3個階段，如下表。EDFA實(shí)現(xiàn)寬頻帶和增益平坦度進(jìn)程372022年7月6日16時06分7.2.3 EDFA的重要指標(biāo)的重要指標(biāo)-帶寬帶寬 光纖在1.55m低損耗區(qū)具有200nm帶寬，目前使用的EDFA增益帶寬僅為35nm左右。 擴(kuò)展光放大器的增益帶寬及使其增益平坦是提高DWDM信道數(shù)和傳輸容量最有效的方法。 實(shí)現(xiàn)更大寬帶以及增益平坦方法： 增益均衡技術(shù)； 改變光纖基質(zhì)； 不同特性放大器組合。382022年7月6日16時06分7.2.3 EDFA的重要指標(biāo)的重要指標(biāo)-噪聲系數(shù)噪聲系數(shù)3.噪聲系數(shù)噪

15、聲系數(shù) 噪聲系數(shù)Fn決定于自發(fā)輻射，即噪聲系數(shù)與粒于反轉(zhuǎn)差N有關(guān)。 泵浦越充分，粒子數(shù)反轉(zhuǎn)差越大，噪聲越小泵浦越充分，粒子數(shù)反轉(zhuǎn)差越大，噪聲越小。 實(shí)驗(yàn)證實(shí)：在EDFA中，可得到接近3dB的噪聲系數(shù)，這是噪聲系數(shù)的極限。 EDFA極低噪聲，成為光纖通信中的理想放大器，是在光纖通信系統(tǒng)中廣泛應(yīng)用的一個重要原因。 但即使噪聲這樣低，當(dāng)長距離光纖通信系統(tǒng)采用多級EDFA級聯(lián)時，噪聲影響使系統(tǒng)長度也受限。392022年7月6日16時06分407.2.4 EDFA的系統(tǒng)應(yīng)用的系統(tǒng)應(yīng)用1. EDFA用作前置放大器用作前置放大器 光接收器之前，提高接收機(jī)靈敏度可提高1020dB。即，在光信號進(jìn)入接收機(jī)前，得

16、到放大，以抑制接收機(jī)內(nèi)的噪聲。 小信號放大小信號放大，要求低噪聲，但輸出飽和功率則不要求很高。改善接收機(jī)靈敏度：（1）與EDFA本身的噪聲系數(shù)Fn有關(guān)，越小，靈敏度就越高；（2）與EDFA自發(fā)輻射譜寬度有關(guān)，譜線越寬，靈敏度越低。為了減小噪聲的影響，常在EDFA后加光濾波器，以濾除噪聲。417.2.4 EDFA的系統(tǒng)應(yīng)用的系統(tǒng)應(yīng)用2. EDFA用作功率放大器用作功率放大器 放在光發(fā)射機(jī)之后光發(fā)射機(jī)之后用來提升輸出功率，將通信距離延長10-20km。通信距離由放大器增益放大器增益及光纖損耗光纖損耗決定，功率放大器除了要求低噪聲低噪聲外，還要求高飽和輸出功率高飽和輸出功率。注意注意： 輸入到光纖中

17、的功率太高后將出現(xiàn)非線性非線性。非線性后果：消耗有用功率消耗有用功率、 散射光進(jìn)入光源影響激光器的正常工作、 出現(xiàn)一些新的頻率出現(xiàn)一些新的頻率。在應(yīng)用時一定要注意光纖中各種非線性效應(yīng)的閾值閾值。2022年7月6日16時06分7.2.4 EDFA的系統(tǒng)應(yīng)用的系統(tǒng)應(yīng)用3. EDFA用作線路放大器用作線路放大器 非常適合用在海底光纜，沒有電中繼器的光-電-光過程。 WDM系統(tǒng)系統(tǒng)中，若電中繼信道解復(fù)用解復(fù)用-光接收機(jī)光接收機(jī)轉(zhuǎn)換成電信號-用特定波長的光發(fā)送機(jī)光發(fā)送機(jī)轉(zhuǎn)變成光信號-波分復(fù)用器波分復(fù)用器光復(fù)用（ 波分復(fù)用和波分解復(fù)用器件會給線路帶來很大的插入損耗，同時還需要眾多波長不同的激光器。）。 光

18、中繼一只一只EDFA放大全部的光信號，但所有的信號光在EDFA的平坦增益帶寬內(nèi)。422022年7月6日16時06分7.2.4 EDFA的系統(tǒng)應(yīng)用的系統(tǒng)應(yīng)用4.EDFA用作本地網(wǎng)放大器用作本地網(wǎng)放大器 EDFA可在寬帶本地網(wǎng)寬帶本地網(wǎng)，特別在電視分配網(wǎng)中得到應(yīng)用。它補(bǔ)償由于分路帶來的損耗及其他損耗，極大地擴(kuò)大了網(wǎng)徑和用戶數(shù)量。432022年7月6日16時06分7.2.5 EDFA的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)44優(yōu)點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)：p工作波長正好落在光纖通信最佳波段(15001600 nm)。 其主體是一段光纖(EDF)，與傳輸光纖的耦合損耗很小， 可達(dá)0.1 dB。p能量轉(zhuǎn)換效率高。激光工作物質(zhì)集中在光纖芯

19、子的近軸部分，而信號光和泵浦光也在近軸部分最強(qiáng)，則光與物質(zhì)作用很充分。 p增益高，噪聲低，輸出功率大。增益達(dá)40dB。輸出功率在單向泵浦14dBm，雙向泵浦17dBm-20dBm，充分泵浦時，噪聲系數(shù)可低至34dB，串話也很小。 2022年7月6日16時06分7.2.5 EDFA的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)：p增益特性不敏感。對溫度不敏感，在100C內(nèi)增益特性保持穩(wěn)定；與偏振無關(guān)。p可實(shí)現(xiàn)信號的透明傳輸。在波分復(fù)用系統(tǒng)中，同時傳輸模擬信號和數(shù)字信號，高速率信號和低速率信號。452022年7月6日16時06分7.2.5 EDFA的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)缺點(diǎn)：缺點(diǎn)：p波長固定，只能放大1.5

20、5m左右的光波。換用不同基質(zhì)的光纖時，鉺離子能級也只能發(fā)生很小的變化，可調(diào)節(jié)的波長有限，只能換用其他元素。p增益帶寬不平坦。在WDM系統(tǒng)中需要采用特殊的手段來進(jìn)行增益譜補(bǔ)償。4647 內(nèi)容簡介內(nèi)容簡介：7.1 光放大器概述光放大器概述7.2 摻鉺光纖放大器摻鉺光纖放大器7.3 光纖喇曼放大器光纖喇曼放大器7.4 其他光放大器其他光放大器2022年7月6日16時06分7.3 光纖喇曼放大器光纖喇曼放大器p EDFA 光纖的最低損耗區(qū)即C波段(1530-1565nm)， 適當(dāng)設(shè)計用于L波段(1565-1625nm)信號的放大。p光纖喇曼放大器(Fiber Rsman Amplifer，F(xiàn)RA ）

21、可以用于其它波段的放大。48497.3.1 FRA的工作原理p喇曼散射是由光學(xué)聲子參與引起的光子散射。聲子是指晶體或分子的振動。p喇曼散射的基本原理：不同的振動頻率對應(yīng)于不同的分子能量，當(dāng)外界光照射時，外來光子能與振動分子發(fā)生能量交換，產(chǎn)生不同于入射光頻率譜線。p自發(fā)喇曼散射的效應(yīng)很弱，散射光的強(qiáng)度一般只有入射光強(qiáng)度的百萬分之一或億萬分之一。2022年7月6日16時06分7.3.1 FRA的工作原理p受激喇曼散射是當(dāng)激光功率增加到一定值時，光纖呈現(xiàn)非線形，高能量（波長較短）的泵浦光散射，將一部分入射功率轉(zhuǎn)移到另一較低頻率，這個低頻與高頻相比的偏移量由介質(zhì)的振動模式?jīng)Q定。p高頻、高能量為泵浦光；

22、低頻、被放大為信號光。p增益譜很寬，最大增益頻移為13.2THz，并可擴(kuò)展到30THz。502022年7月6日16時06分7.3.2 FRA的結(jié)構(gòu)p與EDFA結(jié)構(gòu)基本一致。傳輸光纖本身作為增益介質(zhì)。p可前向、后向泵浦；為減少泵浦光和信號光相互作用的長度，從而減少泵浦噪聲對信號影響，多用后向后向。p多個泵浦激光器擴(kuò)展放大帶寬。光隔離器光隔離器WDM光隔離器光隔離器輸入信號輸入信號輸出信號輸出信號泵浦激光器泵浦激光器光濾波器光濾波器FRA基本結(jié)構(gòu)基本結(jié)構(gòu)512022年7月6日16時06分7.3.2 FRA的結(jié)構(gòu)光隔離器光隔離器WDM光隔離器光隔離器輸入信號輸入信號輸出信號輸出信號泵浦激光器泵浦激光

23、器光濾波器光濾波器FRA基本結(jié)構(gòu)基本結(jié)構(gòu)分為分立式和分布式：p分布式：沿光纖分布光信號進(jìn)行在線放大。傳輸?shù)钠胀ü饫w（SMF-28）作增益介質(zhì)，光纖比較長，可達(dá)100km左右；泵浦源功率幾百毫瓦；光纖中各處的信號光功率都比較小，從而可降低各種光纖非線性效應(yīng)的干擾。 p分立式：集中對光信號進(jìn)行放大。 介質(zhì)通常是色散補(bǔ)償光纖或高非線性光纖 ，比較短，一般10km以內(nèi)；泵浦源功率幾瓦到幾十瓦。EDFA也屬于分立式。522022年7月6日16時06分1.分立式喇曼放大器的應(yīng)用 與EDFA一樣集中放大，通常用于EDFA無法放大的波段。7.3.3 FRA的系統(tǒng)應(yīng)用53分立式喇曼放大器的應(yīng)用DCF-色散補(bǔ)償型