光纖通信第五章3用課件

5.5光纖放大器及其在光纖通信系統(tǒng)中的應(yīng)用5.5.1光放大器的優(yōu)越性

1、直接對(duì)光信號(hào)作低噪聲放大，使中繼站簡(jiǎn)單化、小型化，也更為價(jià)廉；2、線(xiàn)路的分支損耗很容易補(bǔ)償，信號(hào)可以直接以光的形式處理，因而使光纖傳輸網(wǎng)絡(luò)極為靈活可變；第一頁(yè)第二頁(yè)，共57頁(yè)。3、對(duì)信號(hào)“透明”，其性能與所傳輸電信號(hào)的形式、比特率和調(diào)制方式無(wú)關(guān)，更新系統(tǒng)只需更換終端設(shè)備；4、頻帶極寬，達(dá)1～4THz，便于超高速傳輸、波分復(fù)用和光頻分復(fù)用，可更有效的利用光纖的帶寬資源。第二頁(yè)第三頁(yè)，共57頁(yè)。5.5.2光放大器的種類(lèi)：

半導(dǎo)體激光放大器非線(xiàn)性光纖光放大器

摻雜光纖放大器

第三頁(yè)第四頁(yè)，共57頁(yè)。1.半導(dǎo)體光放大器半導(dǎo)體激光器芯片兩端鍍上增透膜。優(yōu)點(diǎn)：?jiǎn)纬淘鲆娓?，小型化，容易與其他半導(dǎo)體器件集成。缺點(diǎn)：性能與光偏振方向有關(guān)，與光纖的耦合損耗大第四頁(yè)第五頁(yè)，共57頁(yè)。2.非線(xiàn)性光纖放大器利用光纖中的非線(xiàn)性效應(yīng)，利用受激拉曼散射（SRS）和受激布里淵散射（SBS）。需要對(duì)光纖注入泵浦光，泵浦光能量通過(guò)SRS或SBS傳送到信號(hào)上，同時(shí)部分能量轉(zhuǎn)換成分子振動(dòng)（SRS）或聲子（SBS）。光纖喇曼放大器（FRA）泵浦光與信號(hào)光可同向或反向傳輸，增益帶寬約為6THz。光纖布里淵放大器（FBA）泵浦光與信號(hào)光只能反向傳輸，增益帶寬相當(dāng)窄，為30~100MHz。第五頁(yè)第六頁(yè)，共57頁(yè)。3.摻雜光纖放大器利用摻雜離子在泵浦光作用下形成粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布，當(dāng)有入射光信號(hào)通過(guò)時(shí)實(shí)現(xiàn)對(duì)入射光信號(hào)的放大作用。優(yōu)點(diǎn)：摻鉺與摻鐠光纖放大器具有增益高、噪聲低、頻帶寬、輸出功率高等優(yōu)點(diǎn)，具有廣泛的應(yīng)用前景。第六頁(yè)第七頁(yè)，共57頁(yè)。摻雜光纖放大器的特性主要由摻雜元素決定：摻鉺(Er)光纖放大器(EDFA)：工作波長(zhǎng)1550nm摻鐠(Pr)光纖放大器(PDFA)：1300nm摻銩(Tm)光纖放大器(TDFA)：1400nm第七頁(yè)第八頁(yè)，共57頁(yè)。5.5.3摻鉺光纖放大器(Erbium-dopedFiberAmplifier,EDFA)

1．EDFA的工作原理第八頁(yè)第九頁(yè)，共57頁(yè)。

1、摻鉺光纖放大器原理

泵浦態(tài)亞穩(wěn)態(tài)基態(tài)a)三能級(jí)躍遷1μs鉺是鑭系稀土元素,原子序數(shù)是68,原子量為167.3,利用其4f能級(jí)第九頁(yè)第十頁(yè)，共57頁(yè)。EDF增益譜第十頁(yè)第十一頁(yè)，共57頁(yè)。2．EDFA的結(jié)構(gòu)

第十一頁(yè)第十二頁(yè)，共57頁(yè)。3．EDFA的基本性能（1）增益特性增益特性表示了光放大器的放大能力，定義為輸出功率與輸入功率之比EDFA的增益大小與多種因素有關(guān)，增益一般為15dB～40dB

第十二頁(yè)第十三頁(yè)，共57頁(yè)。增益隨輸入功率變化曲線(xiàn)3)

放大器增益小信號(hào)增益、飽和增益、最大輸出功率、小信號(hào)增益帶寬

第十三頁(yè)第十四頁(yè)，共57頁(yè)。（2）輸出功率特性第十四頁(yè)第十五頁(yè)，共57頁(yè)。（3）EDFA的增益變化曲線(xiàn)EDFA的增益與泵浦功率、輸入功率和EDF的長(zhǎng)度有關(guān)，EDF存在最佳長(zhǎng)度。第十五頁(yè)第十六頁(yè)，共57頁(yè)。（4）噪聲特性EDFA的噪聲主要有4種：①信號(hào)光的散粒噪聲②被放大的自發(fā)輻射光ASE的散粒噪聲③自發(fā)輻射ASE光譜與信號(hào)光之間的差拍噪聲④自發(fā)輻射ASE光譜間的差拍噪聲衡量EDFA的噪聲特性可用噪聲系數(shù)（NF）來(lái)度量，其定義為EDFA的輸入信噪比與輸出信噪比的比值（用dB表示）。第十六頁(yè)第十七頁(yè)，共57頁(yè)。EDFA的噪聲系數(shù)ASE噪聲：放大的自發(fā)輻射噪聲。來(lái)源于放大器介質(zhì)中電子-空穴對(duì)的自發(fā)發(fā)射，與信號(hào)一起放大而形成的寬譜噪聲。ASE的功率譜密度為：

Nsp是自發(fā)輻射或粒子數(shù)反轉(zhuǎn)因子。噪聲系數(shù)：第十七頁(yè)第十八頁(yè)，共57頁(yè)。它與同相傳輸?shù)淖园l(fā)輻射頻譜密度和放大器增益密切相關(guān)，與輸入信號(hào)功率、泵浦功率和泵浦方式等有關(guān)。表現(xiàn)為以下3點(diǎn)①在輸入小信號(hào)情況下，光放大器的噪聲系數(shù)（NF）隨著輸入信號(hào)光功率的增大而略有減小，而EDFA處于飽和狀態(tài)時(shí)噪聲系數(shù)隨信號(hào)功率的增大而增大。②噪聲系數(shù)隨著泵浦功率的增加而減小。③信噪比惡化基本相同，但是當(dāng)摻鉺光纖長(zhǎng)度增大時(shí)，同向泵浦形式輸出的ASE功率最小，因而噪聲系數(shù)最低；雙向泵浦形式的噪聲系數(shù)居中；反向泵浦形式的噪聲系數(shù)最高第十八頁(yè)第十九頁(yè)，共57頁(yè)。（5）輸出光譜第十九頁(yè)第二十頁(yè)，共57頁(yè)。4.級(jí)連EDFA系統(tǒng)的信噪比惡化損耗色散ASE噪聲功率的不均衡非線(xiàn)性光學(xué)效應(yīng)的影響第二十頁(yè)第二十一頁(yè)，共57頁(yè)。三種不同的級(jí)聯(lián)方式：第一種級(jí)聯(lián)方式是所謂的“自愈”方式，即對(duì)每級(jí)增益不做專(zhuān)門(mén)的控制。開(kāi)始增益較大，經(jīng)過(guò)幾級(jí)放大后增益趨于飽和，輸出功率趨于恒定。第二種方式是保證每級(jí)EDFA輸出總功率恒定。第三種級(jí)聯(lián)方式是保持每級(jí)EDFA的增益恰好抵消級(jí)間損耗。信號(hào)功率恒定。第二十一頁(yè)第二十二頁(yè)，共57頁(yè)。5.EDFA增益控制技術(shù)增益平坦主要是指采用一些方法將EDFA增益譜中1532nm附近的峰值壓平，與后面的增益平臺(tái)保持一致，從而使得放大器在增益帶寬內(nèi)對(duì)各個(gè)波長(zhǎng)作用相同。增益鎖定，即EDFA在一定的輸入光功率變化范圍內(nèi)提供恒定的增益。這樣當(dāng)一個(gè)信道的光功率發(fā)生變化時(shí)，其他信道的光功率不會(huì)受其影響。（1）增益鎖定控制技術(shù)目前國(guó)內(nèi)外主要有三種增益鎖定控制的方法：電路自動(dòng)增益控制、光自動(dòng)增益控制和鏈路增益控制。第二十二頁(yè)第二十三頁(yè)，共57頁(yè)。1)電路自動(dòng)增益控制電路自動(dòng)增益控制(EAGC)過(guò)程主要分三步：一是增益變化的檢測(cè)；二是校準(zhǔn)信號(hào)的產(chǎn)生；三是增益的恢復(fù)。早期采用總功率泵浦控制法，即輸出端光電探測(cè)器通過(guò)耦合器探測(cè)到增益的變化，然后通過(guò)控制電路產(chǎn)生標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)，調(diào)整泵浦激光器的驅(qū)動(dòng)電流，達(dá)到自動(dòng)增益控制的目的。當(dāng)信號(hào)從-40dBm變化到-10dBm時(shí)，得到13.3dB的穩(wěn)態(tài)增益，波動(dòng)范圍在0.4dB以?xún)?nèi)。第二十三頁(yè)第二十四頁(yè)，共57頁(yè)。此類(lèi)方法都采用光-電-光的控制方式，不同之處主要是檢測(cè)變化信號(hào)和產(chǎn)生校準(zhǔn)信號(hào)的方式，優(yōu)點(diǎn)是控制增益穩(wěn)定可靠，但需要加入的器件多，響應(yīng)慢，與整個(gè)光路耦合時(shí)損耗大。第二十四頁(yè)第二十五頁(yè)，共57頁(yè)。2)光自動(dòng)增益控制光自動(dòng)增益控制(OAGC)與電路增益控制方案相比有很大的不同，不需要對(duì)放大器增益變化取樣，調(diào)整電路產(chǎn)生校準(zhǔn)信號(hào)，而是采用反饋環(huán)(環(huán)形腔或線(xiàn)形腔)的方法產(chǎn)生控制激光，由于增益控制激光將與信號(hào)光共同消耗上能級(jí)粒子數(shù)，此消彼長(zhǎng)，可以快速調(diào)整信號(hào)光可獲得的上能級(jí)粒子數(shù)，使得不同波長(zhǎng)的信號(hào)光經(jīng)EDFA放大時(shí)享有相同的反轉(zhuǎn)粒子數(shù)，從而在一定輸入功率范圍內(nèi)，信號(hào)增益保持一定值。因此光增益控制技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)快速的自動(dòng)控制，并可實(shí)現(xiàn)全光集成，成為當(dāng)前的研究熱點(diǎn)之一。第二十五頁(yè)第二十六頁(yè)，共57頁(yè)。3)鏈路增益控制鏈路增益控制(LAGC)主要用于放大器級(jí)聯(lián)情況下的增益控制。在多個(gè)放大器級(jí)聯(lián)時(shí)，僅在第一個(gè)放大器進(jìn)行增益控制，這種增益控制的概念稱(chēng)為鏈路增益控制。復(fù)雜多變的情況經(jīng)常出現(xiàn)在鏈路前端，在鏈路中通常不存在上下載復(fù)用等情況，由于鏈路增益控制成本較低(僅在第一個(gè)放大器進(jìn)行增益控制)，受到人們的青睞。研究表明在一定要求程度內(nèi)，LAGC可以達(dá)到滿(mǎn)意的增益控制效果。第二十六頁(yè)第二十七頁(yè)，共57頁(yè)。（2）增益平坦控制技術(shù)目前EDFA的增益平坦技術(shù)主要可分為兩大類(lèi)：一是研究設(shè)計(jì)自身增益平坦EDFA，如經(jīng)過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)EDFA(粒子數(shù)強(qiáng)烈反轉(zhuǎn)法、增益互補(bǔ)法)，特種光纖等等；二是EDFA外部采用各種增益均衡技術(shù)，如衰減法、單獨(dú)放大法、濾波法(插入各種無(wú)源光濾波器，如M—z濾波器、聲光可調(diào)濾波器、鍍介質(zhì)膜的濾波器光纖環(huán)鏡和光纖光柵)等第二十七頁(yè)第二十八頁(yè)，共57頁(yè)。6．EDFA的應(yīng)用（1）EDFA的基本應(yīng)用形式第二十八頁(yè)第二十九頁(yè)，共57頁(yè)。（2）EDFA在DWDM系統(tǒng)中的應(yīng)用第二十九頁(yè)第三十頁(yè)，共57頁(yè)。（3）EDFA在光纜有線(xiàn)電視傳輸系統(tǒng)（HFC系統(tǒng)）中的應(yīng)用（4）RFA+EDFA混合放大第三十頁(yè)第三十一頁(yè)，共57頁(yè)。5.5.4喇曼光纖放大器拉曼光纖放大器(RFA，RamanFiberAmplifier)的放大范圍更寬、噪聲指數(shù)更低，是實(shí)現(xiàn)高速率、大容量、長(zhǎng)距離光纖傳輸?shù)年P(guān)鍵器件之一。第三十一頁(yè)第三十二頁(yè)，共57頁(yè)。工作原理是受激喇曼散射效應(yīng)分布式光放大器噪聲低，適合超長(zhǎng)傳輸系統(tǒng)工作波長(zhǎng)和帶寬由泵浦波長(zhǎng)決定采用多波長(zhǎng)泵浦可實(shí)現(xiàn)寬帶光放大器采用偏振復(fù)用泵浦可消除偏振敏感性需要的泵浦功率高第三十二頁(yè)第三十三頁(yè)，共57頁(yè)。反向泵浦喇曼放大器的一種結(jié)構(gòu)，泵浦光來(lái)自包層泵浦的光纖激光器

反向泵浦喇曼放大器第三十三頁(yè)第三十四頁(yè)，共57頁(yè)。1工作原理和性能參數(shù)受激喇曼散射（SRS）是三階非線(xiàn)性光學(xué)效應(yīng)，是由光纖物質(zhì)中原子振動(dòng)參與的光散射現(xiàn)象。晶體中原子的振動(dòng)形成晶體中的格波，格波的能量是量子化的，對(duì)頻率為ν的格波，它的每份能量是hν，被稱(chēng)為一個(gè)聲子。受激喇曼散射是光學(xué)支聲子參與的光散射。喇曼散射的基本過(guò)程：Stokes過(guò)程：下頻移反Stokes過(guò)程：上頻移。Stokes過(guò)程是主要的。喇曼增益譜寬，峰值位置在頻移13THz處第三十四頁(yè)第三十五頁(yè)，共57頁(yè)。RFA的放大原理示意圖第三十五頁(yè)第三十六頁(yè)，共57頁(yè)。受激喇曼散射gR≈7*10-14m/W第三十六頁(yè)第三十七頁(yè)，共57頁(yè)。2喇曼光纖放大器增益的表示方法信號(hào)凈增益:

指RFA的泵浦源打開(kāi)時(shí)的輸出信號(hào)光光功率與輸入信號(hào)光光功率的比值開(kāi)關(guān)增益:

喇曼開(kāi)關(guān)增益指RFA的泵浦源打開(kāi)時(shí)輸出的信號(hào)功率P2與關(guān)閉時(shí)對(duì)應(yīng)的輸出信號(hào)光功率p1的比值第三十七頁(yè)第三十八頁(yè)，共57頁(yè)。3.喇曼光纖放大器噪聲的表示方法

分布式喇曼放大器的等效噪聲系數(shù)指的是將分布式喇曼放大器（包括傳輸光纖在內(nèi)）等效成為傳統(tǒng)的傳輸光纖＋分立式放大器結(jié)果，等效指的是輸出端具有相同的OSNR的分立放大器所應(yīng)具有的噪聲系數(shù)?？梢?jiàn)喇曼放大器的等效噪聲系數(shù)反映的是分布式喇曼放大器比起傳統(tǒng)的傳輸光纖＋分立式放大器在噪聲特性方面的優(yōu)劣。第三十八頁(yè)第三十九頁(yè)，共57頁(yè)。

設(shè)計(jì)寬帶RAMAN放大器不僅要考慮信號(hào)和泵浦之間的受激喇曼散射，還要考慮信號(hào)和信號(hào)之間的受激喇曼散射泵浦和泵浦之間的受激喇曼散射雙徑后向瑞利散射4.多波長(zhǎng)泵浦時(shí)的組合增益譜（OFC2001）第三十九頁(yè)第四十頁(yè)，共57頁(yè)。5．RFA的應(yīng)用（1）獨(dú)立喇曼寬帶放大器（2）RFA+EDFA混合放大器

123第四十頁(yè)第四十一頁(yè)，共57頁(yè)。2）Raman+EDFA增益平坦，噪聲性能佳第四十一頁(yè)第四十二頁(yè)，共57頁(yè)。6.拉曼光纖放大器的發(fā)展現(xiàn)狀目前，光纖拉曼放大器主要在以下幾方面得到了發(fā)展。

(1)新型泵浦結(jié)構(gòu)的分布式光纖拉曼放大器。傳統(tǒng)的分布式光纖拉曼放大器部采用后向泵浦方式，目前，采用雙向泵浦結(jié)構(gòu)及合理的泵浦波長(zhǎng)的選擇，在1528--1605nm范圍內(nèi)可以同時(shí)實(shí)現(xiàn)增益與噪聲指數(shù)的平坦化。第四十二頁(yè)第四十三頁(yè)，共57頁(yè)。(2)用于光纖拉曼放大器的材料和器件方面。輸出功率在350mW以上的泵浦激光器已經(jīng)商用，同時(shí)帶有布拉格光纖光柵穩(wěn)頻器；制約集中式光纖拉曼放大器研究進(jìn)展的增益介質(zhì)也取得了突破，最近出現(xiàn)了一種采用光子晶體光纖技術(shù)研制的高非線(xiàn)性光纖，它彌補(bǔ)了通常色散補(bǔ)償光纖拉曼增益系數(shù)小的問(wèn)題。第四十三頁(yè)第四十四頁(yè)，共57頁(yè)。從技術(shù)前景來(lái)看，光纖拉曼放大器是其它類(lèi)型光放大器無(wú)法替代的，也是使現(xiàn)有傳輸系統(tǒng)由低速率升級(jí)40Gbit/S所必需的關(guān)鍵器件，是目前唯一能實(shí)現(xiàn)l290--1660nm光譜放大器件；是超大容量、超長(zhǎng)距離光傳輸系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)。第四十四頁(yè)第四十五頁(yè)，共57頁(yè)。從市場(chǎng)上看，雖然拉曼光纖放大器研究很熱，也有一些應(yīng)用，但在功率、效率方面的原因，他的應(yīng)用現(xiàn)在還沒(méi)有達(dá)到取代市場(chǎng)上的EDFA，只是起到協(xié)助EDFA的工作。第四十五頁(yè)第四十六頁(yè)，共57頁(yè)。拉曼光纖放大器的設(shè)計(jì)研究主要集中在其結(jié)構(gòu)的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，包括光纖的研制、泵浦源的選擇和泵浦方式的選擇。拉曼光纖放大器需要的是特種光纖，通過(guò)對(duì)光纖的加工，使得光纖具有高的拉曼增益系數(shù)，較低的損耗的性能，有利于提高泵浦功率閾值，提高效率。第四十六頁(yè)第四十七頁(yè)，共57頁(yè)。5.5.5半導(dǎo)體光放大器半導(dǎo)體光放大器(SOA：semiconductoropticalamplifier)是利用半導(dǎo)體材料的受激輻射放大原理，實(shí)現(xiàn)相干光放大的器件。SOA的特點(diǎn)是具有很大的增益帶寬(1300--1600nn)和比較好的增益平坦性，它在1515--1575nm范圍內(nèi)的增益平坦度小于5dB。另外，低價(jià)格也是SOA的主要潛在優(yōu)點(diǎn)。第四十七頁(yè)第四十八頁(yè)，共57頁(yè)。SOA在非線(xiàn)性區(qū)有增益串?dāng)_問(wèn)題，如果SOA工作在非線(xiàn)性區(qū)(如飽和態(tài))，則快速的增益動(dòng)態(tài)變化將會(huì)引起多信道之間的串?dāng)_，解決的辦法是讓SOA工作在線(xiàn)性區(qū)，提高飽和輸出功率；使用一個(gè)內(nèi)置的激光器結(jié)構(gòu)作增益箝制。通過(guò)改變SOA的偏置電流，既可以吸收也可以放大，而且高達(dá)50dB的消光比及快速的響應(yīng)時(shí)間(ns量級(jí))，從而允許將SOA用作光開(kāi)關(guān)。第四十八頁(yè)第四十九頁(yè)，共57頁(yè)。SOA放大示意圖第四十九頁(yè)第五十頁(yè)，共57頁(yè)。多年來(lái)，雖然SOA被EDFA的成功所淹沒(méi)，但是由于其具有體積小、增益帶寬寬、可集成等優(yōu)點(diǎn)，許多國(guó)家也在研究。據(jù)報(bào)道已開(kāi)發(fā)出大于30db增益和6db噪聲值的S0A器件。第五十頁(yè)第五十一頁(yè)，共57頁(yè)。5.5.6光放大器的比較第五十一頁(yè)第五十二頁(yè)，共57頁(yè)。5.5.7光纖放大器的未來(lái)發(fā)展方向

隨著信息技術(shù)和光通信技術(shù)的發(fā)展，寬帶多波長(zhǎng)光纖網(wǎng)絡(luò)將成為信息網(wǎng)絡(luò)的主流，實(shí)驗(yàn)表明，不同類(lèi)型光纖放大器組合是實(shí)現(xiàn)超寬帶放大的最佳方案。由于超高速率、大容量、長(zhǎng)距離光纖通信系統(tǒng)的發(fā)展，對(duì)作為光纖通信領(lǐng)域的關(guān)鍵器件--光纖放大器在功率、帶寬和增益平坦方面提出了新的要求，因此，在未來(lái)的光纖通信網(wǎng)絡(luò)中，光纖放大器的發(fā)展方向主要有以下幾個(gè)方面：

(1)EDFA從C-Band

(1530-1565