光纤通信第7章光放大器.ppt

光纤通信新技术光纤通信新技术光纤通信技术第七章光纤通信技术第七章7.1 光放大器光放大器7.2 光波分复用技术光波分复用技术7.3 光交换技术光交换技术7.4 光孤子通信光孤子通信7.5 相干光通信技术相干光通信技术7.6 光时分复用技术光时分复用技术7.7 波长变换技术波长变换技术主要内容主要内容7.1 光放大器光放大器7.1.1 光放大器概述光放大器概述 7.1.2 掺铒光纤放大器掺铒光纤放大器EDFA7.1.3 半导体光放大器半导体光放大器SOA7.1.4 光纤拉曼放大器光纤拉曼放大器FRA7.1.1 光放大器概述光放大器概述n n光光放大器的出现，可视为光纤通信发展史上放大器的出现，可视为光纤通信发展史上的重要里程碑。的重要里程碑。n n光放大器出现之前，光纤通信的中继器采用光放大器出现之前，光纤通信的中继器采用光电光光电光(O-E-O)变换方式。变换方式。n n装置复杂、耗能多、不能同时放大多个波长信装置复杂、耗能多、不能同时放大多个波长信装置复杂、耗能多、不能同时放大多个波长信装置复杂、耗能多、不能同时放大多个波长信道，在道，在道，在道，在WDMWDM系统中复杂性和成本倍增，可实现系统中复杂性和成本倍增，可实现系统中复杂性和成本倍增，可实现系统中复杂性和成本倍增，可实现1R1R、2R2R、3R3R中继中继中继中继n n光放大器（光放大器（O-O）n n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中继中继光放大器的原理光放大器的原理n n光放大器的功能：光放大器的功能：提供光信号增益，以补偿光提供光信号增益，以补偿光信号在通路中的传输衰减，增大系统的无中继信号在通路中的传输衰减，增大系统的无中继传输距离。传输距离。n n在泵浦能量（电或光）的作用下，实现粒子数在泵浦能量（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。激辐射实现对入射光的放大。n n光放大器是基于光放大器是基于受激辐射或受激散射受激辐射或受激散射原理实现原理实现入射光信号放大的一种器件。其机制与激光器入射光信号放大的一种器件。其机制与激光器完全相同。实际上，光放大器在结构上是一个完全相同。实际上，光放大器在结构上是一个没有反馈或反馈较小的激光器。没有反馈或反馈较小的激光器。光放大器的类型光放大器的类型n n利用稀土掺杂的光纤放大器（利用稀土掺杂的光纤放大器（EDFA、PDFA）n n利用半导体制作的半导体光放大器（利用半导体制作的半导体光放大器（SOA）n n利用光纤非线性效应制作的非线性光纤放大利用光纤非线性效应制作的非线性光纤放大器（器（FRA、FBA）几种光放大器的比较几种光放大器的比较放大器放大器放大器放大器类型类型类型类型原理原理原理原理激励激励激励激励方式方式方式方式工作长工作长工作长工作长度度度度噪声噪声噪声噪声特性特性特性特性与与与与光光光光纤耦纤耦纤耦纤耦合合合合与与与与光光光光偏振偏振偏振偏振关系关系关系关系稳稳稳稳定定定定性性性性掺掺掺掺稀土光稀土光稀土光稀土光纤放大器纤放大器纤放大器纤放大器粒子数反粒子数反粒子数反粒子数反转转转转光光光光数米到数米到数米到数米到数十米数十米数十米数十米好好好好容易容易容易容易无无无无好好好好半导体光半导体光半导体光半导体光放大器放大器放大器放大器粒子数反粒子数反粒子数反粒子数反转转转转电电电电100100 m1mm1mmm差差差差很难很难很难很难大大大大差差差差光纤光纤光纤光纤(喇喇喇喇曼曼曼曼)放大放大放大放大器器器器光学非线光学非线光学非线光学非线性性性性(喇曼喇曼喇曼喇曼)效应效应效应效应光光光光数千米数千米数千米数千米好好好好容易容易容易容易大大大大好好好好光放大器的应用光放大器的应用线路放大线路放大线路放大线路放大(In-line)(In-line)：周周周周期性补偿各段光纤损耗期性补偿各段光纤损耗期性补偿各段光纤损耗期性补偿各段光纤损耗功率放大功率放大功率放大功率放大(Boost)(Boost)：增加入增加入增加入增加入纤功率纤功率纤功率纤功率,延长传输距离延长传输距离延长传输距离延长传输距离前置预放大前置预放大前置预放大前置预放大(Pre-Amplify):(Pre-Amplify):提高接收灵敏度提高接收灵敏度提高接收灵敏度提高接收灵敏度局域网的功率放大器：补偿局域网的功率放大器：补偿局域网的功率放大器：补偿局域网的功率放大器：补偿分配损耗，增大网络节点数分配损耗，增大网络节点数分配损耗，增大网络节点数分配损耗，增大网络节点数7.1.1 光放大器概述光放大器概述 7.1.2 掺铒光纤放大器掺铒光纤放大器EDFA7.1.3 半导体光放大器半导体光放大器SOA7.1.4 光纤拉曼放大器光纤拉曼放大器FRA7.1 光放大器光放大器7.1.2 掺铒光纤放大器掺铒光纤放大器(EDFA Erbium-Doped Fiber Amplifier)n n掺杂光纤放大器掺杂光纤放大器掺杂光纤放大器掺杂光纤放大器利用掺入石英光纤的稀土离子作利用掺入石英光纤的稀土离子作利用掺入石英光纤的稀土离子作利用掺入石英光纤的稀土离子作为增益介质，在泵浦光的激发下实现光信号的放为增益介质，在泵浦光的激发下实现光信号的放为增益介质，在泵浦光的激发下实现光信号的放为增益介质，在泵浦光的激发下实现光信号的放大，放大器的特性主要由掺杂元素决定。大，放大器的特性主要由掺杂元素决定。大，放大器的特性主要由掺杂元素决定。大，放大器的特性主要由掺杂元素决定。n n工作波长为工作波长为工作波长为工作波长为1550nm1550nm的铒的铒的铒的铒(ErEr)掺杂光纤放大器掺杂光纤放大器掺杂光纤放大器掺杂光纤放大器(EDFAEDFA)n n工作波长为工作波长为工作波长为工作波长为1300nm1300nm的镨的镨的镨的镨(Pr)(Pr)掺杂光纤放大器掺杂光纤放大器掺杂光纤放大器掺杂光纤放大器(PDFAPDFA)n n工作波长为工作波长为工作波长为工作波长为1400nm1400nm的铥的铥的铥的铥(Tm)(Tm)掺杂光纤放大器掺杂光纤放大器掺杂光纤放大器掺杂光纤放大器(TDFATDFA)n n目前，目前，目前，目前，EDFAEDFA最为成熟，是光纤通信系统必备器件。最为成熟，是光纤通信系统必备器件。最为成熟，是光纤通信系统必备器件。最为成熟，是光纤通信系统必备器件。掺铒光纤放大器给光纤通信领域带来的革命掺铒光纤放大器给光纤通信领域带来的革命n nEDFA解决了系统容量提高的最大的限制解决了系统容量提高的最大的限制光损耗光损耗n n补偿了光纤本身的损耗，使长距离传输成为可补偿了光纤本身的损耗，使长距离传输成为可能能n n大大增加了功率预算的冗余，系统中引入各种大大增加了功率预算的冗余，系统中引入各种新型光器件成为可能新型光器件成为可能n n支持了最有效的增加光通信容量的方式支持了最有效的增加光通信容量的方式-WDMn n推动了全光网络的研究开发热潮推动了全光网络的研究开发热潮为什么要用掺铒光纤放大器为什么要用掺铒光纤放大器n n工作频带正处于光纤损耗最低处工作频带正处于光纤损耗最低处工作频带正处于光纤损耗最低处工作频带正处于光纤损耗最低处(1525-1565nm)(1525-1565nm)；n n频带宽，可以对多路信号同时放大频带宽，可以对多路信号同时放大频带宽，可以对多路信号同时放大频带宽，可以对多路信号同时放大-波分复用；波分复用；波分复用；波分复用；n n对数据率对数据率对数据率对数据率/格式透明，系统升级成本低；格式透明，系统升级成本低；格式透明，系统升级成本低；格式透明，系统升级成本低；n n增益高增益高增益高增益高(40dB)(40dB)、输出功率大输出功率大输出功率大输出功率大(30dBm)(30dBm)、噪声低噪声低噪声低噪声低(45dB)(45dB)；n n全光纤结构，与光纤系统兼容；全光纤结构，与光纤系统兼容；全光纤结构，与光纤系统兼容；全光纤结构，与光纤系统兼容；n n增益与信号偏振态无关，故稳定性好；增益与信号偏振态无关，故稳定性好；增益与信号偏振态无关，故稳定性好；增益与信号偏振态无关，故稳定性好；n n所需的泵浦功率低所需的泵浦功率低所需的泵浦功率低所需的泵浦功率低(数十毫瓦数十毫瓦数十毫瓦数十毫瓦)。EDFA的工作原理的工作原理n nEDFAEDFA采用掺铒离子单模光纤为增益介质，在泵浦光作用采用掺铒离子单模光纤为增益介质，在泵浦光作用采用掺铒离子单模光纤为增益介质，在泵浦光作用采用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。下产生粒子数反转，在信号光诱导下实现受激辐射放大。下产生粒子数反转，在信号光诱导下实现受激辐射放大。下产生粒子数反转，在信号光诱导下实现受激辐射放大。Input signalInput signal1530nm-1570nm1530nm-1570nmAmplified Amplified output signaloutput signalPower laser Power laser(Pump)(Pump)980nm or 980nm or 1480nm1480nmFiber containing Fiber containing erbium erbium dopantdopant信号光与波长较其为短的光波信号光与波长较其为短的光波信号光与波长较其为短的光波信号光与波长较其为短的光波(泵浦光泵浦光泵浦光泵浦光)同沿光纤传输，泵浦同沿光纤传输，泵浦同沿光纤传输，泵浦同沿光纤传输，泵浦光的能量被光纤中的稀土元素离子吸收而使其跃迁至更高能光的能量被光纤中的稀土元素离子吸收而使其跃迁至更高能光的能量被光纤中的稀土元素离子吸收而使其跃迁至更高能光的能量被光纤中的稀土元素离子吸收而使其跃迁至更高能级，并可通过能级间的受激发射转移为信号光的能量。信号级，并可通过能级间的受激发射转移为信号光的能量。信号级，并可通过能级间的受激发射转移为信号光的能量。信号级，并可通过能级间的受激发射转移为信号光的能量。信号光沿光纤长度得到放大，泵浦光沿光纤长度不断衰减。光沿光纤长度得到放大，泵浦光沿光纤长度不断衰减。光沿光纤长度得到放大，泵浦光沿光纤长度不断衰减。光沿光纤长度得到放大，泵浦光沿光纤长度不断衰减。EDFA中的中的Er3+能级结构能级结构n n泵浦波长可以是泵浦波长可以是泵浦波长可以是泵浦波长可以是520520、650650、800800、980980、1480nm1480nmn n波长短于波长短于波长短于波长短于980nm980nm的泵浦效率低，因而通常采用的泵浦效率低，因而通常采用的泵浦效率低，因而通常采用的泵浦效率低，因而通常采用980980和和和和1480nm1480nm泵浦泵浦泵浦泵浦。铒铒铒铒离子简化离子简化离子简化离子简化能级示意图能级示意图能级示意图能级示意图吸收泵浦光吸收泵浦光吸收泵浦光吸收泵浦光快速非辐快速非辐快速非辐快速非辐射跃迁射跃迁射跃迁射跃迁光放大光放大光放大光放大受激辐射受激辐射受激辐射受激辐射产生噪声产生噪声产生噪声产生噪声自发辐射自发辐射自发辐射自发辐射受激吸收受激吸收受激吸收受激吸收基态基态基态基态能带能带能带能带泵浦泵浦泵浦泵浦能带能带能带能带980nm980nm1480nm1480nm亚稳态能带亚稳态能带亚稳态能带亚稳态能带1550nm1550nm掺铒光纤放大器的基本结构掺铒光纤放大器的基本结构掺铒光纤：掺铒光纤：掺铒光纤：掺铒光纤：当一定的泵浦光注入到掺铒光纤中时，当一定的泵浦光注入到掺铒光纤中时，当一定的泵浦光注入到掺铒光纤中时，当一定的泵浦光注入到掺铒光纤中时，ErEr3+3+从低从低从低从低能级被激发到高能能级被激发到高能能级被激发到高能能级被激发到高能级上，由于在高能级上的寿命很短，很快以非辐射跃迁形式到较低能级上，并级上，由于在高能级上的寿命很短，很快以非辐射跃迁形式到较低能级上，并级上，由于在高能级上的寿命很短，很快以非辐射跃迁形式到较低能级上，并级上，由于在高能级上的寿命很短，很快以非辐射跃迁形式到较低能级上，并在该能级和低能级间形成粒子数反转分布。在该能级和低能级间形成粒子数反转分布。在该能级和低能级间形成粒子数反转分布。在该能级和低能级间形成粒子数反转分布。半导体泵浦二极管半导体泵浦二极管半导体泵浦二极管半导体泵浦二极管：为信号放大提供足够的能量，使物质达到粒子数反转。：为信号放大提供足够的能量，使物质达到粒子数反转。：为信号放大提供足够的能量，使物质达到粒子数反转。：为信号放大提供足够的能量，使物质达到粒子数反转。波分复用耦合器：波分复用耦合器：波分复用耦合器：波分复用耦合器：将信号光和泵浦光合路进入掺铒光纤中。将信号光和泵浦光合路进入掺铒光纤中。将信号光和泵浦光合路进入掺铒光纤中。将信号光和泵浦光合路进入掺铒光纤中。光隔离器：光隔离器：光隔离器：光隔离器：使光传输具有单向性，放大器不受发射光影响，保证稳定工作。使光传输具有单向性，放大器不受发射光影响，保证稳定工作。使光传输具有单向性，放大器不受发射光影响，保证稳定工作。使光传输具有单向性，放大器不受发射光影响，保证稳定工作。三种泵浦方式的三种泵浦方式的EDFALD2LD2WDM2WDM2EDFEDFAPCAPCAPCAPCininoutoutLD1LD1WDM1WDM1LDLDWDMWDMEDFEDFAPCAPCAPCAPCin in outoutLDLDWDMWDMEDFEDFAPCAPCAPCAPCin in outout同向泵浦同向泵浦同向泵浦同向泵浦(前向泵浦前向泵浦前向泵浦前向泵浦)型：好的噪声性能型：好的噪声性能型：好的噪声性能型：好的噪声性能反向泵浦反向泵浦反向泵浦反向泵浦(后向泵浦后向泵浦后向泵浦后向泵浦)型：输出信号功率高型：输出信号功率高型：输出信号功率高型：输出信号功率高双向泵浦型：输出信双向泵浦型：输出信双向泵浦型：输出信双向泵浦型：输出信号功率比单泵浦源高号功率比单泵浦源高号功率比单泵浦源高号功率比单泵浦源高3dB3dB，且放大特性与且放大特性与且放大特性与且放大特性与信号传输方向无关信号传输方向无关信号传输方向无关信号传输方向无关MultistagMultistage EDFAe EDFA由于光纤对由于光纤对由于光纤对由于光纤对1480nm1480nm的光损耗较小，所以的光损耗较小，所以的光损耗较小，所以的光损耗较小，所以1480nm1480nm泵浦光又常用于遥泵方式泵浦光又常用于遥泵方式泵浦光又常用于遥泵方式泵浦光又常用于遥泵方式。Remote Remote PumpinPumping g监视和监视和告警电路告警电路泵浦监视泵浦监视和控制电路和控制电路泵浦泵浦LDPD探测器探测器泵浦泵浦LD输入隔离器输入隔离器输入输入WDM输出耦合器输出耦合器输出隔离器输出隔离器输出输出WDM掺铒掺铒光纤光纤热热 沉沉光输入光输入5 V0 V5 V电源电源监视监视激光器驱动输入激光器驱动输入光输出光输出图图7.3(b)图图7.3(b)实用光纤放大器外形图及其构成方框图实用光纤放大器外形图及其构成方框图EDFA的工作特性的工作特性n n光放大器的增益光放大器的增益n n放大器的噪声放大器的噪声n nEDFA的多信道放大特性的多信道放大特性n nEDFA的大功率化的大功率化一、光放大器的增益一、光放大器的增益n n增益增益增益增益GG是描述光放大器对信号放大能力的参数。定是描述光放大器对信号放大能力的参数。定是描述光放大器对信号放大能力的参数。定是描述光放大器对信号放大能力的参数。定义为：义为：义为：义为：n nGG与光放大器的泵浦功率、掺杂光纤的参数和输入与光放大器的泵浦功率、掺杂光纤的参数和输入与光放大器的泵浦功率、掺杂光纤的参数和输入与光放大器的泵浦功率、掺杂光纤的参数和输入光信号有很复杂的关系。光信号有很复杂的关系。光信号有很复杂的关系。光信号有很复杂的关系。输出信号光功率输出信号光功率输出信号光功率输出信号光功率输入信号光功率输入信号光功率输入信号光功率输入信号光功率小信号增益小信号增益小信号增益小信号增益GG30dB30dB时，增益对输入光功率的典型时，增益对输入光功率的典型时，增益对输入光功率的典型时，增益对输入光功率的典型依存关系依存关系依存关系依存关系输入光功率较小时，输入光功率较小时，输入光功率较小时，输入光功率较小时，GG是一常数，即输出光功率是一常数，即输出光功率是一常数，即输出光功率是一常数，即输出光功率P PS,OUTS,OUT与输入光功率与输入光功率与输入光功率与输入光功率P PS,INS,IN成正比例。成正比例。成正比例。成正比例。GG0 0光放大器的小信号增益。光放大器的小信号增益。光放大器的小信号增益。光放大器的小信号增益。G G0 0饱和输出功率：饱和输出功率：饱和输出功率：饱和输出功率：放大器增益降至小放大器增益降至小放大器增益降至小放大器增益降至小信号增益一半时的输出功率。信号增益一半时的输出功率。信号增益一半时的输出功率。信号增益一半时的输出功率。3dB3dBP Pout,satout,sat当当当当P PS,INS,IN增大到一定值后，增大到一定值后，增大到一定值后，增大到一定值后，光放大器的增益光放大器的增益光放大器的增益光放大器的增益GG开始下降。开始下降。开始下降。开始下降。增益饱和现象。增益饱和现象。增益饱和现象。增益饱和现象。饱和区域饱和区域饱和区域饱和区域增益增益增益增益GG与输入光波长的关系与输入光波长的关系与输入光波长的关系与输入光波长的关系增益谱增益谱增益谱增益谱G(G()：增益增益增益增益GG与信号光波长与信号光波长与信号光波长与信号光波长 的关系。光放大的关系。光放大的关系。光放大的关系。光放大器的增益谱不平坦。器的增益谱不平坦。器的增益谱不平坦。器的增益谱不平坦。对于给定的放大器长度（对于给定的放大器长度（对于给定的放大器长度（对于给定的放大器长度（EDFEDF长度），增益随泵浦长度），增益随泵浦长度），增益随泵浦长度），增益随泵浦功率在开始时按指数增加，当泵浦功率超过一定值功率在开始时按指数增加，当泵浦功率超过一定值功率在开始时按指数增加，当泵浦功率超过一定值功率在开始时按指数增加，当泵浦功率超过一定值时，增益增加变缓，并趋于一恒定值。时，增益增加变缓，并趋于一恒定值。时，增益增加变缓，并趋于一恒定值。时，增益增加变缓，并趋于一恒定值。小信号增益随泵浦功率而变的曲线小信号增益随泵浦功率而变的曲线小信号增益随泵浦功率而变的曲线小信号增益随泵浦功率而变的曲线小信号增益小信号增益小信号增益小信号增益随放大器长随放大器长随放大器长随放大器长度而变的曲度而变的曲度而变的曲度而变的曲线线线线当泵浦功率一定时，放大器在某一最佳长度时获得最大增益，如果当泵浦功率一定时，放大器在某一最佳长度时获得最大增益，如果当泵浦功率一定时，放大器在某一最佳长度时获得最大增益，如果当泵浦功率一定时，放大器在某一最佳长度时获得最大增益，如果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，而且要吸收已放大的信号能量，导致增益很快下降。受到足够泵浦，而且要吸收已放大的信号能量，导致增益很快下降。受到足够泵浦，而且要吸收已放大的信号能量，导致增益很快下降。受到足够泵浦，而且要吸收已放大的信号能量，导致增益很快下降。因此，在因此，在因此，在因此，在EDFAEDFA设计中，需要在掺铒光纤结构参数的基础上，设计中，需要在掺铒光纤结构参数的基础上，设计中，需要在掺铒光纤结构参数的基础上，设计中，需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。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。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。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。二、放大器的噪声二、放大器的噪声n n所有光放大器在放大过程中都会把自发辐射（或所有光放大器在放大过程中都会把自发辐射（或所有光放大器在放大过程中都会把自发辐射（或所有光放大器在放大过程中都会把自发辐射（或散射）叠加到信号光上，导致被放大信号的信噪散射）叠加到信号光上，导致被放大信号的信噪散射）叠加到信号光上，导致被放大信号的信噪散射）叠加到信号光上，导致被放大信号的信噪比（比（比（比（SNRSNR）下降，其降低程度通常下降，其降低程度通常下降，其降低程度通常下降，其降低程度通常用噪声指数用噪声指数用噪声指数用噪声指数F Fn n来表示，其定义为：来表示，其定义为：来表示，其定义为：来表示，其定义为：n n主要噪声源：主要噪声源：主要噪声源：主要噪声源：放大的自发辐射噪声（放大的自发辐射噪声（放大的自发辐射噪声（放大的自发辐射噪声（ASEASE），它，它，它，它源于放大器介质中电子空穴对的自发复合。自发源于放大器介质中电子空穴对的自发复合。自发源于放大器介质中电子空穴对的自发复合。自发源于放大器介质中电子空穴对的自发复合。自发复合导致了与光信号一起放大的光子的宽谱背景。复合导致了与光信号一起放大的光子的宽谱背景。复合导致了与光信号一起放大的光子的宽谱背景。复合导致了与光信号一起放大的光子的宽谱背景。Amplified Spontaneous EmissionASE噪声噪声n nASEASE噪声近似为白噪声，噪声功率谱密度为：噪声近似为白噪声，噪声功率谱密度为：自发发射因子或自发发射因子或自发发射因子或自发发射因子或粒子数反转因子粒子数反转因子粒子数反转因子粒子数反转因子 对于原子都处于激发态对于原子都处于激发态对于原子都处于激发态对于原子都处于激发态或完全粒子数反转的光或完全粒子数反转的光或完全粒子数反转的光或完全粒子数反转的光放大器，放大器，放大器，放大器，n nspsp=1;=1;当粒子数不完全反转时，当粒子数不完全反转时，当粒子数不完全反转时，当粒子数不完全反转时，n nspsp11；激发态的粒子数激发态的粒子数激发态的粒子数激发态的粒子数基态的粒子数基态的粒子数基态的粒子数基态的粒子数研究发现，接收机前接入光放大器后，新增加的研究发现，接收机前接入光放大器后，新增加的研究发现，接收机前接入光放大器后，新增加的研究发现，接收机前接入光放大器后，新增加的噪声主要来自噪声主要来自噪声主要来自噪声主要来自ASEASE噪声与信号本身的差拍噪声。噪声与信号本身的差拍噪声。噪声与信号本身的差拍噪声。噪声与信号本身的差拍噪声。噪声指数噪声指数噪声指数噪声指数为：为：为：为：表明：即使对表明：即使对表明：即使对表明：即使对n nspsp=1=1的的的的完全粒子数反转的理想放大器，完全粒子数反转的理想放大器，完全粒子数反转的理想放大器，完全粒子数反转的理想放大器，被放大信号的被放大信号的被放大信号的被放大信号的SNRSNR也降低了二倍（或也降低了二倍（或也降低了二倍（或也降低了二倍（或3dB3dB）。）。）。）。对大多对大多对大多对大多数实际的放大器数实际的放大器数实际的放大器数实际的放大器F Fn n均超过均超过均超过均超过3dB 3dB，并可能达到并可能达到并可能达到并可能达到68dB68dB。希望放大器的希望放大器的希望放大器的希望放大器的F Fn n尽可能低。尽可能低。尽可能低。尽可能低。ASE噪声噪声三、三、EDFA的多信道放大特性的多信道放大特性n nEDFAEDFA的增益恢复时间的增益恢复时间的增益恢复时间的增益恢复时间 g g10ms(SOA10ms(SOA的的的的 g g=0.11ns),=0.11ns),其增益不能响应调制信号的快速变化，其增益不能响应调制信号的快速变化，其增益不能响应调制信号的快速变化，其增益不能响应调制信号的快速变化，不存在增益调制，四波混频效应也很小不存在增益调制，四波混频效应也很小不存在增益调制，四波混频效应也很小不存在增益调制，四波混频效应也很小，所以在多信所以在多信所以在多信所以在多信道放大中不引入信道间串扰道放大中不引入信道间串扰道放大中不引入信道间串扰道放大中不引入信道间串扰(SOA(SOA则不然则不然则不然则不然)，是其能够，是其能够，是其能够，是其能够用于多信道放大的关键所在。用于多信道放大的关键所在。用于多信道放大的关键所在。用于多信道放大的关键所在。n nEDFAEDFA对信道的插入、分出或无光故障等因素引起的对信道的插入、分出或无光故障等因素引起的对信道的插入、分出或无光故障等因素引起的对信道的插入、分出或无光故障等因素引起的输入光功率的变化（较低速变化）能产生响应输入光功率的变化（较低速变化）能产生响应输入光功率的变化（较低速变化）能产生响应输入光功率的变化（较低速变化）能产生响应-瞬态瞬态瞬态瞬态特性。特性。特性。特性。在系统应用中应予以控制在系统应用中应予以控制在系统应用中应予以控制在系统应用中应予以控制-增益钳制。增益钳制。增益钳制。增益钳制。多信道放大中存在的其它问题：多信道放大中存在的其它问题：多信道放大中存在的其它问题：多信道放大中存在的其它问题：n n增益平坦增益平坦增益平坦增益平坦n n增益钳制增益钳制增益钳制增益钳制n n高的输出功率高的输出功率高的输出功率高的输出功率EDFAEDFA的级联特性的级联特性的级联特性的级联特性信道间增益竞争，多信道间增益竞争，多信道间增益竞争，多信道间增益竞争，多级级连使用导致级级连使用导致级级连使用导致级级连使用导致“尖尖尖尖峰效应峰效应峰效应峰效应”15441569典型的典型的EDFA增益谱增益谱固有的增益不平坦，增益固有的增益不平坦，增益差随级联放大而积累增大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信噪比差别增大各信道的接收灵敏度不同各信道的接收灵敏度不同增益平坦增益平坦增益谱的形状随信号功率而变，在有信道增益谱的形状随信号功率而变，在有信道上、下的动态情况下，失衡情况更加严重上、下的动态情况下，失衡情况更加严重BERBER接收光功率接收光功率接收光功率接收光功率光功率光功率光功率光功率波长波长波长波长光功率光功率光功率光功率波长波长波长波长光发射机光发射机光发射机光发射机光发射机光发射机光发射机光发射机光发射机光发射机光发射机光发射机光发射机光发射机光发射机光发射机 NN 1 1 2 2 3 3光接收机光接收机光接收机光接收机光接收机光接收机光接收机光接收机光接收机光接收机光接收机光接收机光接收机光接收机光接收机光接收机EDFAEDFA 1 1 NN 3 3 2 21.1.滤波器均衡：滤波器均衡：滤波器均衡：滤波器均衡：采用透射谱与掺杂光纤增益谱反对称的滤波器使采用透射谱与掺杂光纤增益谱反对称的滤波器使采用透射谱与掺杂光纤增益谱反对称的滤波器使采用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增益平坦增益平坦,如：如：如：如：薄膜滤波、紫外写入长周期光纤光栅、薄膜滤波、紫外写入长周期光纤光栅、薄膜滤波、紫外写入长周期光纤光栅、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。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化。坦，在信道功率突变时增益谱仍会发生变化。坦，在信道功率突变时增益谱仍会发生变化。坦，在信道功率突变时增益谱仍会发生变化。EDFA +EDFA +均衡器均衡器均衡器均衡器 合成增益合成增益合成增益合成增益增益平坦增益平坦/均衡技术均衡技术(1)(1)2.2.新型宽谱带掺杂光纤：新型宽谱带掺杂光纤：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（如掺铒氟化物玻璃光纤（如掺铒氟化物玻璃光纤（30nm30nm平坦带宽）、平坦带宽）、平坦带宽）、平坦带宽）、铒铒铒铒/铝共掺杂光纤（铝共掺杂光纤（铝共掺杂光纤（铝共掺杂光纤（20nm20nm）等，等，等，等，静态增益谱的静态增益谱的静态增益谱的静态增益谱的平坦平坦平坦平坦，掺杂工艺复杂。，掺杂工艺复杂。，掺杂工艺复杂。，掺杂工艺复杂。3.3.声光滤波调节：声光滤波调节：声光滤波调节：声光滤波调节：根据各信道功率，反馈控制放大器输出端的根据各信道功率，反馈控制放大器输出端的根据各信道功率，反馈控制放大器输出端的根据各信道功率，反馈控制放大器输出端的多通道声光带阻滤波器，调节各信道输出功率使多通道声光带阻滤波器，调节各信道输出功率使多通道声光带阻滤波器，调节各信道输出功率使多通道声光带阻滤波器，调节各信道输出功率使之均衡，之均衡，之均衡，之均衡，动态均衡动态均衡动态均衡动态均衡需要解复用、光电转换、结构需要解复用、光电转换、结构需要解复用、光电转换、结构需要解复用、光电转换、结构复杂，实用性受限复杂，实用性受限复杂，实用性受限复杂，实用性受限增益平坦增益平坦/均衡技术均衡技术(2)(2)4.4.预失真技术预失真技术预失真技术预失真技术不灵活，传输链路变换后，输入功率也要随之调整不灵活，传输链路变换后，输入功率也要随之调整不灵活，传输链路变换后，输入功率也要随之调整不灵活，传输链路变换后，输入功率也要随之调整增益平坦增益平坦/均衡技术均衡技术(3)(3)EDFAEDFA对信道的插入、分出或信道无光故障等因素引起对信道的插入、分出或信道无光故障等因素引起对信道的插入、分出或信道无光故障等因素引起对信道的插入、分出或信道无光故障等因素引起的输入光功率的变化（较低速变化）能产生响应的输入光功率的变化（较低速变化）能产生响应的输入光功率的变化（较低速变化）能产生响应的输入光功率的变化（较低速变化）能产生响应-瞬态瞬态瞬态瞬态特性特性特性特性 瞬态特性使得剩余信道获得过大的增益，并输出过大瞬态特性使得剩余信道获得过大的增益，并输出过大瞬态特性使得剩余信道获得过大的增益，并输出过大瞬态特性使得剩余信道获得过大的增益，并输出过大的功率，而产生非线性，最终导致其传输性能的恶化的功率，而产生非线性，最终导致其传输性能的恶化的功率，而产生非线性，最终导致其传输性能的恶化的功率，而产生非线性，最终导致其传输性能的恶化-需进行自动增益控制需进行自动增益控制需进行自动增益控制需进行自动增益控制 对于级联对于级联对于级联对于级联EDFAEDFA系统，瞬态响应时间可短至几系统，瞬态响应时间可短至几系统，瞬态响应时间可短至几系统，瞬态响应时间可短至几 几十几十几十几十 s s，要求增益控制系统的响应时间相应为几要求增益控制系统的响应时间相应为几要求增益控制系统的响应时间相应为几要求增益控制系统的响应时间相应为几 几十几十几十几十 s s增益钳制增益钳制增益钳制技术增益钳制技术(1)n n电控：电控：电控：电控：监测监测监测监测EDFAEDFA的输入光功率，根据其大小调整的输入光功率，根据其大小调整的输入光功率，根据其大小调整的输入光功率，根据其大小调整泵浦功率，从而实现增益钳制，是目前最为成熟的泵浦功率，从而实现增益钳制，是目前最为成熟的泵浦功率，从而实现增益钳制，是目前最为成熟的泵浦功率，从而实现增益钳制，是目前最为成熟的方法。方法。方法。方法。LDLDPumpPumpInInOutOut泵浦控制均衡放大器（电控）泵浦控制均衡放大器（电控）泵浦控制均衡放大器（电控）泵浦控制均衡放大器（电控）EDFAEDFA增益钳制技术增益钳制技术(2)n n在系统中附加一波长信道，在系统中附加一波长信道，在系统中附加一波长信道，在系统中附加一波长信道，根据其它信道的功率，根据其它信道的功率，根据其它信道的功率，根据其它信道的功率，改变附加波长的功率，而实现增益钳制。改变附加波长的功率，而实现增益钳制。改变附加波长的功率，而实现增益钳制。改变附加波长的功率，而实现增益钳制。注入激光注入激光注入激光注入激光WDMWDM系统要求系统要求系统要求系统要求EDFAEDFA具有足够高的输出功率，以保证各具有足够高的输出功率，以保证各具有足够高的输出功率，以保证各具有足够高的输出功率，以保证各信道获得足够的光功率。信道获得足够的光功率。信道获得足够的光功率。信道获得足够的光功率。方法：多级泵浦方法：多级泵浦方法：多级泵浦方法：多级泵浦222219191616输出功率（输出功率（输出功率（输出功率（dBmdBm）1540154015701570四、四、EDFA的大功率化的大功率化(1)EDFA的大功率化的大功率化(2)=0.7%=0.7%=1.3%=1.3%纤纤纤纤芯芯芯芯内内内内包包包包层层层层外外外外包包包包层层层层用于制作大功率用于制作大功率用于制作大功率用于制作大功率EDFAEDFA的双包层光纤结构图的双包层光纤结构图的双包层光纤结构图的双包层光纤结构图芯层：芯层：芯层：芯层：5 5 mm内包层：内包层：内包层：内包层：5050 mm芯层芯层芯层芯层(掺铒掺铒掺铒掺铒)，传播信号层，传播信号层，传播信号层，传播信号层(SM)(SM)内包层，传播泵浦光内包层，传播泵浦光内包层，传播泵浦光内包层，传播泵浦光(MM)(MM)双双双双包层光纤是实现包层光纤是实现包层光纤是实现包层光纤是实现EDFAEDFA的重要的重要的重要的重要技术，信号光在中心的纤芯里以技术，信号光在中心的纤芯里以技术，信号光在中心的纤芯里以技术，信号光在中心的纤芯里以单模传播，而泵浦光则在内包层单模传播，而泵浦光则在内包层单模传播，而泵浦光则在内包层单模传播，而泵浦光则在内包层中以多模传输。中以多模传输。中以多模传输。中以多模传输。7.1 光放大器光放大器7.1.1 光放大器概述光放大器概述 7.1.2 掺铒光纤放大器掺铒光纤放大器EDFA7.1.3 半导体光放大器半导体光放大器SOA7.1.4 光纤拉曼放大器光纤拉曼放大器FRA7.1.3 半导体光放大器半导体光放大器SOARR1 1RR2 2I I半导体光放大器示意图半导体光放大器示意图半导体光放大器示意图半导体光放大器示意图SOASOA也是一种也是一种也是一种也是一种重要的光放大重要的光放大重要的光放大重要的光放大器，其结构类器，其结构类器，其结构类器，其结构类似于普通的半似于普通的半似于普通的半似于普通的半导体激光器。导体激光器。导体激光器。导体激光器。半导体光放大器的放大特性主要决定于激光腔的反射特性与半导体光放大器的放大特性主要决定于激光腔的反射特性与半导体光放大器的放大特性主要决定于激光腔的反射特性与半导体光放大器的放大特性主要决定于激光腔的反射特性与有源层的介质特性。有源层的介质特性。有源层的介质特性。有源层的介质特性。根据光放大器端面反射率和工作偏置条件，将半导体光放大根据光放大器端面反射率和工作偏置条件，将半导体光放大根据光放大器端面反射率和工作偏置条件，将半导体光放大根据光放大器端面反射率和工作偏置条件，将半导体光放大器分为：器分为：器分为：器分为：-法布里珀罗放大器法布里珀罗放大器法布里珀罗放大器法布里珀罗放大器(FP(FPSOA)SOA)-行波放大器行波放大器行波放大器行波放大器(TW(TWSOA)SOA)多峰值、带多峰值、带多峰值、带多峰值、带宽窄，不适宽窄，不适宽窄，不适宽窄，不适合通信系统合通信系统合通信系统合通信系统应用，只可应用，只可应用，只可应用，只可用于一些信用于一些信用于一些信用于一些信号处理。号处理。号处理。号处理。F-P半导体光放大器半导体光放大器入射光从左端面进入，通过具有增益的有源层，到达右端面入射光从左端面进入，通过具有增益的有源层，到达右端面入射光从左端面进入，通过具有增益的有源层，到达右端面入射光从左端面进入，通过具有增益的有源层，到达右端面后，部分从端面反射，然后反向通过有源层至左端面，部分后，部分从端面反射，然后反向通过有源层至左端面，部分后，部分从端面反射，然后反向通过有源层至左端面，部分后，部