光纖通信光放大器

光纖通信光放大器1第一頁(yè)，共二十五頁(yè)，編輯于2023年，星期日假設(shè)光發(fā)射機(jī)的輸出功率為0dBm，接收機(jī)的靈敏度為30dBm，盡管光纖的損耗很小(0.2dB/km)，則光纖通信系統(tǒng)的傳輸距離也只有150km。如果要加大系統(tǒng)的傳輸距離，必須進(jìn)行光中繼或光放大。對(duì)于單路，低碼率光纖通信系統(tǒng)，光中繼和光放大方案的性能價(jià)格比基本相同。4、光放大器

（1）直接光放大的優(yōu)點(diǎn)光發(fā)射機(jī)光接收機(jī)光發(fā)射機(jī)光接收機(jī)光放大光放大光發(fā)射機(jī)光接收機(jī)光中繼光中繼光發(fā)射機(jī)光接收機(jī)光發(fā)射機(jī)光接收機(jī)2第二頁(yè)，共二十五頁(yè)，編輯于2023年，星期日對(duì)于多路，高碼率光纖通信系統(tǒng)，光放大方案的性能價(jià)格比占絕對(duì)優(yōu)勢(shì)。光中繼器的價(jià)格與碼率成正比，光放大器的價(jià)格與碼率無關(guān)。4、光放大器

（1）直接光放大的優(yōu)點(diǎn)光放大光放大光接收機(jī)光接收機(jī)光接收機(jī)光分波器光合波器光發(fā)射機(jī)光發(fā)射機(jī)光發(fā)射機(jī)光中繼光接收機(jī)光接收機(jī)光接收機(jī)光分波器光合波器光發(fā)射機(jī)光發(fā)射機(jī)光發(fā)射機(jī)光分波器光中繼光中繼光合波器3第三頁(yè)，共二十五頁(yè)，編輯于2023年，星期日光放大器，特別是EDFA是光纖通信技術(shù)領(lǐng)域內(nèi)繼半導(dǎo)體激光器、光纖后的又一重要發(fā)明。它使得波分復(fù)用（WDM）系統(tǒng)成為現(xiàn)實(shí)，使得光纖的帶寬資源的利用率得到大幅度提高。4、光放大器

（1）直接光放大的優(yōu)點(diǎn)光放大光放大光接收機(jī)光接收機(jī)光接收機(jī)光分波器光合波器光發(fā)射機(jī)光發(fā)射機(jī)光發(fā)射機(jī)4第四頁(yè)，共二十五頁(yè)，編輯于2023年，星期日功率放大器，一般工作在飽和狀態(tài)。飽和輸出功率大(15-23dBm)。飽和輸出功率(2-p346圖11.3)。需要注意光纖中的非線性問題。4、光放大器

（2）光放大器按用途分類光功率放大器光在線放大器光接收機(jī)光接收機(jī)光接收機(jī)光分波器光合波器光發(fā)射機(jī)光發(fā)射機(jī)光發(fā)射機(jī)光前置放大器G(dB)Pin(dBm)G0(dB)3dBGsat(dB)Pin-sat(dBm)1dB壓縮，G1dB(dB)增益調(diào)制，響應(yīng)速度5第五頁(yè)，共二十五頁(yè)，編輯于2023年，星期日在線放大器，輸出功率適中、噪聲系數(shù)較小。一般情況下，光放大器工作在小信號(hào)狀態(tài)的增益較高，工作在飽和狀態(tài)的噪聲系數(shù)較小。在線放大器可根據(jù)上述原則設(shè)置工作狀態(tài)。4、光放大器

（2）光放大器按用途分類光功率放大器光在線放大器光接收機(jī)光接收機(jī)光接收機(jī)光分波器光合波器光發(fā)射機(jī)光發(fā)射機(jī)光發(fā)射機(jī)光前置放大器6第六頁(yè)，共二十五頁(yè)，編輯于2023年，星期日前置放大器，小信號(hào)輸入(30dBm以下)時(shí)噪聲系數(shù)仍很低(4dB左右)。輸出功率不必很大。用于改善由于熱噪聲限制的光接收機(jī)靈敏度。4、光放大器

（2）光放大器按用途分類光功率放大器光在線放大器光接收機(jī)光接收機(jī)光接收機(jī)光分波器光合波器光發(fā)射機(jī)光發(fā)射機(jī)光發(fā)射機(jī)光前置放大器7第七頁(yè)，共二十五頁(yè)，編輯于2023年，星期日半導(dǎo)體光放大器（SOA），摻雜光纖放大器(EDFA)。它們都是通過受激輻射過程實(shí)現(xiàn)對(duì)輸入光信號(hào)的放大。4、光放大器

（3）光放大器按結(jié)構(gòu)分類輸入光透鏡透鏡增透膜增透膜半導(dǎo)體增益介質(zhì)電流泵浦注入輸出光光隔離器光濾波器輸入信號(hào)光摻鉺光纖激光泵浦注入輸出光光隔離器光濾波器光耦合器光隔離器光耦合器8第八頁(yè)，共二十五頁(yè)，編輯于2023年，星期日（一）SOA是由

III、V族半導(dǎo)體合金材料構(gòu)成激活介質(zhì)，有諧振放大（FP-A）和行波放大（TW-A）兩種工作方式。若激活介質(zhì)兩端的反射率較高時(shí)，則SOA是諧振放大（FP-A）。諧振放大SOA制作工藝簡(jiǎn)單，但工作帶寬較窄，且增益對(duì)溫度和輸入功率的變化很敏感。若激活介質(zhì)兩端的反射率較低時(shí)，則SOA是行波放大（TW-A）。行波放大SOA的帶寬比諧振放大SOA大3個(gè)數(shù)量級(jí)，且飽和輸出功率高，偏振不敏感。一般情況下，光纖通信系統(tǒng)中提到SOA都是指行波放大SOA。4、光放大器

（4）SOA的基本特點(diǎn)9第九頁(yè)，共二十五頁(yè)，編輯于2023年，星期日（二）SOA是2能級(jí)系統(tǒng)，其泵浦源是電源。體積小，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。SOA的控溫電路、直流偏置電路的與半導(dǎo)體激光器的控溫電路、直流偏置電路完全相同。目前已有多種非常成熟的技術(shù)方案。4、光放大器

（4）SOA的基本特點(diǎn)輸入光透鏡透鏡增透膜增透膜半導(dǎo)體增益介質(zhì)電流泵浦注入輸出光光隔離器光濾波器10第十頁(yè)，共二十五頁(yè)，編輯于2023年，星期日4、光放大器

（4）SOA的基本特點(diǎn)11第十一頁(yè)，共二十五頁(yè)，編輯于2023年，星期日4、光放大器

（4）SOA的基本特點(diǎn)PHILIPS80C51系列：80C552，87C55412第十二頁(yè)，共二十五頁(yè)，編輯于2023年，星期日4、光放大器

（4）SOA的基本特點(diǎn)6cm13第十三頁(yè)，共二十五頁(yè)，編輯于2023年，星期日（三）載流子壽命為ns量級(jí)。因此：1）SOA具有1ps~0.1ns的快速增益響應(yīng)。2）自發(fā)輻射噪聲較大。4、光放大器

（4）SOA的基本特點(diǎn)G(dB)Pin(dBm)G0(dB)3dBGsat(dB)Pin-sat(dBm)增益響應(yīng)速度相對(duì)于脈沖寬度慢增益響應(yīng)速度相對(duì)于脈沖寬度快增益靜態(tài)響應(yīng)2.5Gbit/s~400ps；10Gbit/s~100ps；40Gbit/s~25ps應(yīng)當(dāng)小信號(hào)狀態(tài)下使用小信號(hào)輸入，放大器未飽和14第十四頁(yè)，共二十五頁(yè)，編輯于2023年，星期日4、光放大器

（4）SOA的基本特點(diǎn)SOA光放大器SOA光放大器（交叉增益調(diào)制）脈沖寬度很小脈沖寬度較大15第十五頁(yè)，共二十五頁(yè)，編輯于2023年，星期日（四）SOA的增益：SOA的增益與其飽和功率增益

Pamp,sat，小信號(hào)增益G0以及輸入信號(hào)功率

Ps,in有關(guān)。2-p344-5的推導(dǎo)過程比較簡(jiǎn)潔。小信號(hào)增益G0也稱為最大未飽和光譜增益：其中g(shù)0是單位長(zhǎng)度增益介質(zhì)的最大增益系數(shù)，L是增益介質(zhì)長(zhǎng)度（數(shù)百微米），是光信號(hào)的角頻率，0是增益系數(shù)為最大值的角頻率，R是載流子的偶極子弛豫時(shí)間（0.1ps3-p374）。g()見3-p373（4.1.1），3-p373（4.1.2），1-p253（5.1）4、光放大器

（4）SOA的基本特點(diǎn)g()0(11.15)16第十六頁(yè)，共二十五頁(yè)，編輯于2023年，星期日1、通信系統(tǒng)光放大（噪聲、非線性、飽和輸出功率、偏振）2、集成電路光放大3、光調(diào)制器（驅(qū)動(dòng)電流大）4、通過式光檢測(cè)器件5、全光波長(zhǎng)變換（光信噪比、非線性、效率）4、光放大器

（5）SOA應(yīng)用17第十七頁(yè)，共二十五頁(yè)，編輯于2023年，星期日4、光放大器 （6）EDFA的基本特點(diǎn)（一）EDFA是行波放大器，其增益介質(zhì)一般為10~30米Er元素輕摻雜（0.1%）石英系光纖。摻雜不同的光纖放大器具有不同的工作波段。EDFA工作波長(zhǎng)為1530~1560nm。（二）EDFA是3能級(jí)系統(tǒng)，其泵浦源是光源，波長(zhǎng)為980nm或1480nm。EDFA可以是單泵浦源，也可以是雙泵浦源。體積大，結(jié)構(gòu)較復(fù)雜。（見2-p348圖11.5）EDFA的典型增益為15~35dB。EDFA采用同向泵浦時(shí)增益較高，采用反向泵浦時(shí)噪聲較?。徊捎?80nm泵浦可獲得較高的粒子數(shù)反轉(zhuǎn)和較低的噪聲。18第十八頁(yè)，共二十五頁(yè)，編輯于2023年，星期日4、光放大器 （6）EDFA的基本特點(diǎn)（三）EDFA中載流子在亞穩(wěn)態(tài)能級(jí)有較長(zhǎng)的壽命（0.1~10ms）。所以，EDFA中亞穩(wěn)態(tài)能級(jí)上可以儲(chǔ)存足夠的載流子。這使得：（1）EDFA的飽和輸出功率較高，且隨泵浦功率的增加而線性增加；（2）當(dāng)信號(hào)碼率超過數(shù)kbit/s后，其增益響應(yīng)與信號(hào)的峰值功率無關(guān)。對(duì)于商用光纖通信系統(tǒng)（155Mb/s），EDFA不存在交叉增益調(diào)制現(xiàn)象，具有良好的信號(hào)格式和碼率透明性。（四）EDFA的功率轉(zhuǎn)換效率和增益根據(jù)能量守恒原理：EDFA的增益(11.19)(11.16)19第十九頁(yè)，共二十五頁(yè)，編輯于2023年，星期日4、光放大器 （6）EDFA的基本特點(diǎn)（五）EDFA噪聲的主要來源是放大的自發(fā)輻射（ASE），其物理機(jī)制是增益介質(zhì)中電子-空穴的自發(fā)復(fù)合所產(chǎn)生的光子被增益介質(zhì)放大。自發(fā)輻射的功率譜密度可以表示為：其中nsp是粒子數(shù)反轉(zhuǎn)因子，它與泵浦功率和波長(zhǎng)有關(guān)，典型值為1.4~4。n1，n2

分別是能態(tài)1和能態(tài)2中的電子密度。EDFA的輸出光進(jìn)入接收機(jī)后將產(chǎn)生光電流，該光電流包括信號(hào)成分和噪聲成分兩大部分。>>>>020第二十頁(yè)，共二十五頁(yè)，編輯于2023年，星期日4、光放大器 （6）EDFA的基本特點(diǎn)（5）EDFA的輸出光進(jìn)入接收機(jī)后形成的電信噪比(11.31)(11.26)(11.27)(6.13)量子噪聲電流(11.24)21第二十一頁(yè)，共二十五頁(yè)，編輯于2023年，星期日4、光放大器 （7）EDFA的應(yīng)用光功率放大器光在線放大器光接收機(jī)光接收機(jī)光接收機(jī)光分波器光合波器光發(fā)射機(jī)光發(fā)射機(jī)光發(fā)射機(jī)光前置放大器EDFA級(jí)連后光信噪比逐步下降，30~50dB>22dB22第二十二頁(yè)，共二十五頁(yè)，編輯于2023年，星期日4、光放大器 （7）EDFA的應(yīng)用光功率放大器光在線放大器光接收機(jī)光接收機(jī)光接收機(jī)光分波器光合波器光發(fā)射機(jī)光發(fā)射機(jī)光發(fā)射機(jī)光前置放大器EDFA級(jí)連后增益不平