光纖通信系統(tǒng)課件：光放大器

1、第十一章 光放大器主要內(nèi)容光放大器概述半導(dǎo)體光放大器結(jié)構(gòu)及其增益摻鉺光纖放大器結(jié)構(gòu)及其增益放大器噪聲光放大器的系統(tǒng)應(yīng)用光放大器的重要性影響：光放大器最重要的意義在于促使波分復(fù)用技術(shù) (WDM) 走向?qū)嵱没⒋龠M(jìn)了光接入網(wǎng)的實(shí)用化歷史：以1989年誕生的摻鉺光纖放大器 (Erbium Doped Fiber Amplifier, EDFA) 為代表的全光放大技術(shù)是光纖通信史 上的一次革命動機(jī)：解決電中繼器設(shè)備復(fù)雜、維護(hù)難、成本高的問題 11.1 光放大器的基本應(yīng)用和類型在線光放大：用于不需要光再生只需要簡單放大的場合前置光放大：用于提高接收機(jī)的靈敏度功率放大：增加發(fā)送功率，從而增加光纖中繼距離、

2、補(bǔ)償插入 損耗和功率分配損耗 (如PON中)放大器的類型1.半導(dǎo)體光放大器 (SOA) 結(jié)構(gòu)大體上與激光二極管 (Laser Diode, LD) 相同2.摻雜光纖放大器 (DFA) 利用稀土金屬離子 (鉺) 作為激活工作物質(zhì)的一種放大器光放大器的工作原理光放大器與激光器的唯一區(qū)別就是光放大器沒有正反饋機(jī)制(2) 受激輻射(1) 能量注入主要內(nèi)容光放大器概述半導(dǎo)體光放大器結(jié)構(gòu)及其增益摻鉺光纖放大器結(jié)構(gòu)及其增益放大器噪聲光放大器的系統(tǒng)應(yīng)用11.2 半導(dǎo)體光放大器 (SOA)pn外加正向偏壓實(shí)現(xiàn)結(jié)區(qū)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)外部光照導(dǎo)致受激輻射，信號光被放大內(nèi)部的自發(fā)輻射產(chǎn)生自發(fā)輻射噪聲(ASE)，它也會被放大沒

3、有諧振腔的選擇，SOA將同時輸出放大的光信號和自發(fā)輻射噪聲SOA的分類容易制作，但光信號增益對放大器溫度及入射光頻率變化都很敏感帶寬寬、飽和功率高以及偏振靈明度低，因此使用更為廣泛SOA的增益系數(shù)其中：g0無輸入時非飽和介質(zhì)的(最大增益)系數(shù)Psig(z)為z點(diǎn)信號光功率Psat為使放大器增益飽和時對應(yīng)的輸入光功率如果注入電流一定，有源區(qū)點(diǎn)z處的增益系數(shù)：Psig(z) g(z) 0zLSOA的增益系數(shù)的理解g0：只有1個光子入射，該光子至多可以被放大100倍gsat：有2個光子入射，該光子至多可以被放大50倍 4 25 50 2 100 1Psat：gsat所對應(yīng)的光功率設(shè)z點(diǎn)處單位時間可提

4、供100個電子空穴對驅(qū)動電流一定時SOA的增益0z長度dz內(nèi)的光信號功率增量為：等式兩端移項，并沿有源區(qū)積分得：LSOA的增益P(0)即為輸入光信號，P(L)即是輸出光信號，它們的比值就是所求的增益G。此外，exp(g0L)為 SOA最大增益值，并令其值為G0。因此，可以求得G為：SOA增益曲線主要內(nèi)容光放大器概述半導(dǎo)體光放大器結(jié)構(gòu)及其增益摻鉺光纖放大器結(jié)構(gòu)及其增益放大器噪聲光放大器的系統(tǒng)應(yīng)用11.3 摻鉺光纖放大器 (EDFA)原理：把泵浦光能量轉(zhuǎn)化為信號光能量工作范圍：1300 1560 nm鉺離子的三能帶結(jié)構(gòu)hvhvhvhvhvhvhvhv980 nm亞穩(wěn)態(tài)能帶泵浦能帶轉(zhuǎn)化成機(jī)械能EDF

5、A的結(jié)構(gòu)構(gòu)成：摻鉺光纖、一個或多個泵浦激光器、光隔離器、耦合器噪聲小放大倍數(shù)高EDFA的功率轉(zhuǎn)換效率輸出能量不超過原有信號能量與注入的泵浦能量之和功率轉(zhuǎn)換效率極限情況下泵浦光都用于放大信號光，那么此時：EDFA的輸入、輸出功率可以用能量守恒原則表示：EDFA的增益：隨輸入功率的變化假設(shè)沒有自發(fā)輻射，由能量守恒原則有：當(dāng)輸入功率非常大時，即 Ps,in (lp/ls)Pp,in ，放大器增益是1，即對信號無放大EDFA的增益：隨增益介質(zhì)長度變化當(dāng)泵浦光足夠強(qiáng)時，長為L的EDFA最大增益為：其中r為稀土元素的濃度，se是信號發(fā)射截面0L吸收區(qū)增益降低同向泵浦EDFA的增益因此，最大可能的放大增益為

6、：主要內(nèi)容光放大器概述半導(dǎo)體光放大器結(jié)構(gòu)及其增益摻鉺光纖放大器結(jié)構(gòu)及其增益放大器噪聲光放大器的系統(tǒng)應(yīng)用11.4 放大器噪聲自發(fā)輻射噪聲(ASE)：來源于放大器工作介質(zhì)中電子-空穴對的自發(fā)復(fù)合，它導(dǎo)致了與光信號一起放大的光子寬譜背景ASE噪聲信號光和ASE噪聲一同輸入到光檢測器中進(jìn)行檢測，各種頻率分量相互拍頻：因此，在PD之后ASE 帶來的噪聲包括： - ASE噪聲項 - ASE與信號的拍頻項它們落在檢測器帶寬內(nèi)降低接收機(jī)的信噪比解決辦法：通過一個帶通濾波器 抑制ASE噪聲功率信噪比及噪聲系數(shù)放大器增益足夠大 - 量子噪聲 電路熱噪聲濾波：光信號 ASE噪聲 - ASE-信號拍頻項 ASE噪聲項

7、此時，輸出信號的信噪比可以由下式?jīng)Q定：第6章噪聲系數(shù)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)因子EDFA的噪聲圖結(jié)論：輸入信號不宜太大 主要內(nèi)容光放大器概述半導(dǎo)體光放大器結(jié)構(gòu)及其增益摻鉺光纖放大器結(jié)構(gòu)及其增益放大器噪聲光放大器的系統(tǒng)應(yīng)用11.5 系統(tǒng)應(yīng)用：EDFA的應(yīng)用功率放大器直接放在光發(fā)射機(jī)后面，輸入一般在-8 dBm左右，輸出功率根據(jù)系統(tǒng)需求而定例：考慮一個用作功放的EDFA，增益為10 dB，假設(shè)從發(fā)射機(jī)獲得的輸入為0 dBm，泵浦波長為980 nm，那么為了在1540 nm 處獲得10 dBm的輸出，泵浦功率至少應(yīng)為：在線放大器在線放大器主要用在長距離傳輸系統(tǒng)中周期性地恢復(fù)因光纖損耗而減弱的光功率。每個 EDFA

8、 能恰好補(bǔ)償前面通過長為 L的光纖中的功率損耗，即G = exp(-aL)。但補(bǔ)償過程中積累的ASE噪聲會造成信噪比的惡化，它可以通過損傷因子衡量：例一個包括N個級聯(lián)的光放大器的光傳輸路徑，每個放大器增益為30 dB。如果光纖損耗為0.2 dB/km，那么在沒有其它系統(tǒng)損傷時，兩個光放大器之間的距離為150 km。那么，對于一條900 km的鏈路，需要5個放大器即可，而且整個鏈路上的損傷因子為：如果將光放大器的增益降為20 dB，那么兩個放大器之間的距離縮減為100 km，于是我們需要8個放大器才能實(shí)現(xiàn)900 km的傳輸。在這種情況下，噪聲損傷因子為：EDFA的G越大帶來的噪聲損傷越顯著級聯(lián)E

9、DFA系統(tǒng)的OSNR在線放大器增益控制長距離傳輸系統(tǒng)中光纜損耗的變化或者前置光放大器功能減弱會引起鏈路功率發(fā)生波動。此時，保持在線放大的輸出功率不變是非常必要的。自動補(bǔ)償這種變化的一個辦法就是使放大器工作在增益飽和區(qū)：輸入功率減小時增益變大，輸入功率增加時增益變小。前置放大器前置放大器用來提高由于熱噪聲限制的直接檢測接收機(jī)的靈敏度。定義 Smin和 S*min分別為沒有和有前置放大器時所要求的最小光功率，二者的比值即為檢測靈敏度的改善量：其中N為接收機(jī)噪聲電功率，N*為光前置放大器中由ASE引入的噪聲多信道應(yīng)用SOA中的非線性效應(yīng)嚴(yán)重，易產(chǎn)生信道間干擾，不宜使用EDFA的優(yōu)勢：經(jīng)過補(bǔ)償和處理，EDFA可在1530 1600 nm波長范圍提供平坦增益，使各個信道保持相近的信噪比11.6 波長變換器：SOA的應(yīng)用基于SOA交叉增益調(diào)制的波長變換優(yōu)點(diǎn)：可以對40 Gb/s的信號進(jìn)行波長轉(zhuǎn)變換對信號的偏振不敏感缺點(diǎn)：轉(zhuǎn)換后的信號消光比不高轉(zhuǎn)換后的信號與轉(zhuǎn)換前的信號反相由于載流子的自發(fā)輻射造成S/N的惡化 轉(zhuǎn)換后信號的相位信息由于頻率的啁啾而丟失基于SOA交叉相位調(diào)制的波長變換信號光為0時，CW光上下臂的相位差為0，CW光由上臂輸出。信號光為1時，CW光上下臂的相位差為p，CW光由下臂輸出。優(yōu)點(diǎn)：可以對80 Gb/s的信號進(jìn)行波長轉(zhuǎn)變