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第06章光放大器光放大器基本概念光放大器基本概念概述概述一、光电中继器（一、光电中继器（O-E-O）装置困难、耗能多、不能同时放大多个波长信道，在装置困难、耗能多、不能同时放大多个波长信道，在WDM系系统中困难性和成本倍增，可实现统中困难性和成本倍增，可实现1R、2R、3R中继中继二、光放大器（二、光放大器（O-O）多波长放大、低成本，只能实现多波长放大、低成本，只能实现1R中继中继三、光放大器类型三、光放大器类型：掺杂光纤放大器（EDFA、PDFA）半导体光放大器（SOA）非线性光纤放大器（FRA、FBA）光纤参量放大器（FPA）四、发展历程：四、发展历程：80年头中、后期年头中、后期SOA的探讨为主；的探讨为主；90年头年头EDFA获得巨大成功，获得巨大成功，成为光纤通信系统必不行少的器件成为光纤通信系统必不行少的器件基本概念基本概念在泵浦能量（电或光）的作用下，实现粒子数反转（非线性光纤放大器除外），然后通过受激辐射实现对入射光的放大。与激光器不同之处在于光放大器没有反馈机制。光放大器的增益不仅与信号光的频率有关，而且还依靠于其强度对于匀整展宽的二能级系统，增益系数为：上式可用于探讨放大器的增益带宽、放大倍数、饱和输出功率等一、光增益谱宽和放大器带宽一、光增益谱宽和放大器带宽小信号下，增益系数随的变更而按洛伦兹分布变更增益谱宽：增益系数降至最大值一半处的全宽（FWHM）放大器增益（或放大倍数）：放大器带宽：放大器增益（放大倍数）降至最大放大倍数一半处的全宽度（FWHM）光功率随距离的变更规律：二、增益饱和与饱和输出功率二、增益饱和与饱和输出功率起因：增益系数与功率的依从关系饱和输出功率：放大器增益降至最大小信号增益的一半时的输出功率最大输出功率三、放大器噪声三、放大器噪声起因：被放大的自发辐射（ASE）-ASE噪声ASE噪声近似为白噪声，噪声功率谱密度为：自发辐射因子（或反转因子）：ASE噪声功率：ASE有效带宽，有效带宽，由放大器增益谱特性确定由放大器增益谱特性确定噪声指数四、应用四、应用线路放大（In-line）：周期性补偿各段光纤损耗功率放大（Boost）：增加入纤功率，延长传输距离前置预放大（Pre-Amplifier）提高接收灵敏度五、光放大器特点五、光放大器特点1、对信号格式及码率透亮、对信号格式及码率透亮2、工作波段可选、工作波段可选3、宽带放大、宽带放大4、高增益、高增益5、低噪声、低噪声半导体光放大器（半导体光放大器（SOA)一、工作原理一、工作原理1、F-P半导体光放大器增益：纵模间隔G()：增益轮廓R1,R2：反射率谐振峰3dB带宽：半导体光放大器（半导体光放大器（SOA)多峰值、带宽窄，不适合系统应用，只可用于一些信号处理可增加带宽，减小Gmax和Gmin之差，减小行波半导体光放大器要求放大器的残余反射满足：行波半导体光放大器要求放大器的残余反射满足：此时，放大器的增益特性，主要确定于G（）半导体光放大器（半导体光放大器（SOA)二、行波半导体放大器特性二、行波半导体放大器特性带宽由介质的增益谱确定，可达70nm增益系数与载流子浓度的关系载流子浓度由速率方程确定噪声指数：降低端面反射的方法：倾斜有源区法窗面结构：限制因子g：微分增益系数V：有源区体积半导体光放大器（半导体光放大器（SOA)增益偏振相关性起因：限制因子和微分增益系数随输入光的偏振态变更而变更解决方法：接受宽、厚可比拟的有源层设计；运用方法着手。半导体光放大器（半导体光放大器（SOA)三、脉冲放大三、脉冲放大1、增益压缩：输入光功率-载流子耗尽-增益减小光脉冲的不同部分经验的放大不同，前沿经验的增益最大，后沿最小脉冲过后增益起先复原，复原速度取决于载流子寿命-脉冲畸变2、相位调制：增益调制的同时，引起有源区折射率变更，导致脉冲相位的变更，脉冲各部分的相位变更不同-调频啁啾（自相位调制）放大前放大后半导体光放大器（半导体光放大器（SOA)四、应用四、应用1、多信道放大中存在的问题噪声大（Fn8dB)信道串扰（交叉增益调制XGM、四波混频FWM）增益饱和引起信号畸变2、其他应用A、光波长转换：光波长转换器（光波长转换器（Wavelength Converter）是一种实现将光信号从某一波）是一种实现将光信号从某一波长的光载波转换至另一波长光载波的器件，是波分复用光通信系统向光长的光载波转换至另一波长光载波的器件，是波分复用光通信系统向光网络演化的一个关键性器件。光波长转换器能使网络在不同节点处重复网络演化的一个关键性器件。光波长转换器能使网络在不同节点处重复运用某一个波长，这种运用某一个波长，这种“波长再利用波长再利用”无疑能提高波长的利用效率，有无疑能提高波长的利用效率，有效地削减波分复用网络中所需波长的数量效地削减波分复用网络中所需波长的数量机理：机理：基于基于SOA中的交叉增益调制（中的交叉增益调制（XGM）基于基于SOA中的交叉相位调制（中的交叉相位调制（XPM）基于基于SOA中的四波混频效应（中的四波混频效应（FWM）半导体光放大器（半导体光放大器（SOA)B、光脉冲压缩：利用SOA自相位调制，形成啁啾脉冲，经负色散光纤传输，实现压缩C、光开关干脆调制SOA的注入电流实现光的通断特点：高速、无损半导体光放大器（半导体光放大器（SOA)掺铒光纤放大器掺铒光纤放大器(EDFA)一、发展历程1964年，提出掺钕（Nd3+）光纤放大器的设想1985年，低损耗掺杂SiO2光纤研制成功目前，掺Er3+光纤放大器（EDFA）最为成熟，是光纤通信系统必备器件特点：插损小、高增益、大带宽、偏振无关低噪声、低串扰、高输出功率等掺铒光纤放大器掺铒光纤放大器(EDFA)二、EDFA的工作原理EDFA接受掺铒离子单模光纤为增益介质，在泵浦光作用下产生粒子数反转，在信号光诱导下实现受激辐射放大EDFA中的Er3+能级结构：受激辐射对应于4I13/2到4I15/2的跃迁泵浦波长可以是520、650、800、980、1480nm由于波长短于980nm的泵浦存在着较强的受激带吸取，泵浦效率低，因而通常接受980和1480nm泵浦上述两波长的泵浦效率可高达11dB/mW和5dB/mW泵浦可以同向、逆向形式泵浦由于光纤对1480nm的光损耗较小，所以1480nm泵浦光又常用于遥泵方式掺铒光纤放大器掺铒光纤放大器(EDFA)基本结构：基本结构：掺铒光纤放大器掺铒光纤放大器(EDFA)应用方式：应用方式：功率放大（Boost）线路放大（In-line）前置放大(Pre-amplifier)同向泵浦反向泵浦双向泵浦三、EDFA的增益谱特性吸取截面a和放射截面e：表示Er3+在不同波长的吸取和放射几率增益展宽：石英纤芯结构的无序导致非匀整展宽；各能级的斯塔克分裂导致匀整展宽在数学上，增益系数应对粒子跃迁频率的分布求平均15441569典型的EDFA增益谱掺铒光纤放大器掺铒光纤放大器(EDFA)四、EDFA的小信号增益和饱和特性EDFA的增益与Er3+浓度与径向分布、光纤尺寸、放大器长度、泵浦功率、输入信号功率等参数有关计算表明：对于给定的放大器长度（EDF长度），增益随泵浦功率在起先时按指数增加，当泵浦功率超过确定值时，增益增加变缓，并趋于一恒定值。当泵浦功率确定时，放大器在某一最佳长度时获得最大增益，假如放大器长度超过此值，由于泵浦的消耗，最佳点后的掺铒光纤不能受到足够泵浦，而且要吸取已放大的信号能量，导致增益很快下降。因此，在EDFA的设计中，须要在掺铒光纤结构参数的基础上，选择合适的泵浦功率和光纤长度，使放大器工作于最佳状态。掺铒光纤放大器掺铒光纤放大器(EDFA)掺铒光纤放大器掺铒光纤放大器(EDFA)EDFA的输出功率与泵浦功率和输入信号功率的关系EDFA同样具有增益饱和特性掺铒光纤放大器掺铒光纤放大器(EDFA)五、EDFA的噪声特性对于EDFA，同样有由于N1和N2与泵浦光功率和信号光功率相关，因此F与泵浦光和输入信号光功率以及放大器长度有关高的泵浦功率和较低的输入信号有利于获得较低的噪声指数由于980nm泵浦的EDFA为三能级系统，易于获得较高的粒子数反转（nsp，980=1.051.10；nsp，1480=1.31.8），所以980nm泵浦具有较低的噪声系数通常，EDFA的F5掺铒光纤放大器掺铒光纤放大器(EDFA)掺铒光纤放大器掺铒光纤放大器(EDFA)六、高速与多信道放大特性码型效应（Patterneffect）A、脉宽sg(增益复原时间)：无码型效应，小的波形失真B、sg：有码型效应，大的波形失真C、sg：无码型效应，无波形失真掺铒光纤放大器掺铒光纤放大器(EDFA)掺铒光纤放大器掺铒光纤放大器(EDFA)EDFA的 增 益 复 原 时 间 g10ms（SOA的g=0.11ns），其增益不能响应调制信号的快速变更，不存在增益调制，四波混频效应也很小，所以在多信道放大中不引入信道间串扰（SOA则不然），是其能够用于多信道放大的关键所在EDFA对信道的插入、分出或无光故障等因素引起的输入光功率的变更（较低速变更）能产生响应-瞬态特性。在系统应用中应予以限制-增益钳制在 级 联 EDFA系 统 中 瞬 态 响 应 速 度 将 增 加（10100s），对输入光功率的变更将更加敏感多信道放大中存在的其它问题：要求：增益平坦、增益钳制、高的输出功率1、增益平坦15441569典型的EDFA增益谱固有的增益不平坦增益差随级联放大而积累增大各信道的信噪比差别增大各信道的接收灵敏度不同掺铒光纤放大器掺铒光纤放大器(EDFA)光发射机光发射机光发射机光发射机N123光接收机光接收机光接收机光接收机N123EDFA光功率光功率BER接收光功率波长波长掺铒光纤放大器掺铒光纤放大器(EDFA)增益平坦增益平坦/均衡技术均衡技术滤波器均衡：滤波器均衡：接受透射谱与掺杂光纤增益谱反对称的滤波器使接受透射谱与掺杂光纤增益谱反对称的滤波器使增益平坦增益平坦,如：薄膜滤波、紫外写入长周期光纤光栅、如：薄膜滤波、紫外写入长周期光纤光栅、周期调制的双芯光纤等。周期调制的双芯光纤等。只能实现静态增益谱的平只能实现静态增益谱的平坦，在信道功率突变时增益谱仍会发生变更坦，在信道功率突变时增益谱仍会发生变更EDFA+均衡器合成增益掺铒光纤放大器掺铒光纤放大器(EDFA)新型宽谱带掺杂光纤：新型宽谱带掺杂光纤：如掺铒氟化物玻璃光纤（如掺铒氟化物玻璃光纤（30nm平坦带宽）、铒平坦带宽）、铒/铝铝共掺杂光纤（共掺杂光纤（20nm）等，）等，静态增益谱的平坦，掺杂工静态增益谱的平坦，掺杂工艺困难艺困难声光滤波调整：声光滤波调整：依据各信道功率，反馈限制放大器输出端的多通依据各信道功率，反馈限制放大器输出端的多通道声光带阻滤波器，调整各信道输出功率使之均衡，道声光带阻滤波器，调整各信道输出功率使之均衡，动态均衡须要解复用、光电转换、结构困难，好用性动态均衡须要解复用、光电转换、结构困难，好用性受限受限掺铒光纤放大器掺铒光纤放大器(EDFA)EDFA输出功率输出功率WDM系统要求EDFA具有足够高的输出功率，以保证各信道获得足够的光功率方法方法：多级泵浦221916输出功率（dBm）15401570掺铒光纤放大器掺铒光纤放大器(EDFA)七、EDFA的设计1、掺杂光纤参数设计：掺杂种类、浓度、分布、光纤芯径、数值孔径等2、依据实际要求（增益、输出功率），由掺杂光纤参数和理论计算，并结合泵浦功率和泵浦方式，确定光纤长度3、泵浦波长可选用980和1480nm，980nm常用于获得高增益和低噪声，而由于1480nm的激光器可以有更高的输出功率，常用来获得EDFA的高输出功率4、EDFA中须要加入光隔离器以防止反射光引起信号光或泵浦光的波动掺铒光纤放大器掺铒光纤放大器(EDFA)5、多级设计：第一级设计以供应高增益、低噪声为目的；其次级设计以供应高输出功率为目的。此外，两极之间可接入损耗元件的EDFA被色散补偿系统及光网络中所需求，设计要求：损耗元件的接入对噪声指数影响尽可能小掺铒光纤放大器掺铒光纤放大器(EDFA)FRA原理简介：原理简介：物理机制：物理机制：A.A.光纤拉曼散射效应光纤拉曼散射效应（SRS)SRS)一个入射光子（一个入射光子（pump)pump)的湮的湮灭，产生一个下移灭，产生一个下移stokesstokes频率的光子和另一个具有频率的光子和另一个具有相当能量和动量的光学声相当能量和动量的光学声子子B.B.与pumppump光子相差光子相差stokesstokes频率的信号光子，经受受频率的信号光子，经受受激散射过程，被放大激散射过程，被放大光纤拉曼放大器光纤拉曼放大器原理简介原理简介光纤拉曼放大器（光纤拉曼放大器（FRA)拉曼增益特性：取决于光学拉曼增益特性：取决于光学声子的振动能带声子的振动能带峰值增益频移：峰值增益频移：13.2THz13.2THz反向泵浦为主，也可同向泵反向泵浦为主，也可同向泵浦浦支撑技术支撑技术:14:14nmnm的大功率的大功率泵浦激光器，目前以取得好用泵浦激光器，目前以取得好用化化光纤拉曼放大器光纤拉曼放大器原理简介原理简介光纤拉曼放大器（光纤拉曼放大器（FRA)FRAFRA以传输光纤作为放大介质分布式放大，从而实现一种以传输光纤作为放大介质分布式放大，从而实现一种“无损耗无损耗”传输（可降低入纤光功率，避开非线性效应）传输（可降低入纤光功率，避开非线性效应）光纤拉曼放大器光纤拉曼放大器超低噪声放大超低噪声放大原理原理光纤拉曼放大器（光纤拉曼放大器（FRA)机制：拉曼增益与泵浦波长相关机制：拉曼增益与泵浦波长相关方法：多波长泵浦方法：多波长泵浦增益：各个泵浦波长拉曼增益谱增益：各个泵浦波长拉曼增益谱的加权和（以的加权和（以dBdB为单位）为单位）光纤拉曼放大器光纤拉曼放大器宽带放大原理宽带放大原理光纤拉曼放大器（光纤拉曼放大器（FRA)