第六章光放大器精选文档.ppt

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1、第六章光放大器第六章光放大器本讲稿第一页，共四十七页6.1 光放大器的基本类型光放大器的基本类型光放大器在现代光纤系统中的应用光纤通信中用光纤来传输光信号。光纤的中继距离受限于光纤的损耗和色散。就损耗而言，目前光纤损耗典型值在1.31m波段为0.35dB/km左右，在1.55m波段为0.25dB/km左右。本讲稿第二页，共四十七页n n以以19891989年年诞诞生生的的掺掺铒铒光光纤纤放放大大器器(Erbium(Erbium Doped Doped Fiber Fiber AmplifierAmplifier，EDFA)EDFA)代代表表的的光光放放大大器器技技术术可可以以说说是是光光纤纤通

2、通信信技术上的一次革命。技术上的一次革命。n n光光放放大大器器在在光光纤纤通通信信系系统统目目前前最最重重要要的的应应用用就就是是促促使使了了波波分分复复用用技技术术(Wavelength(Wavelength Division Division MultiplexingMultiplexing，WDM)WDM)走向实用化。走向实用化。n n光放大器还将促进光孤子通信技术的实用化。光孤子通信是利用光纤的非线性来补偿光纤的色散作用的一种新型通信方式。本讲稿第三页，共四十七页光放大器的分类n n光放大器按原理不同大体上有三种类型。(1)掺杂光纤放大器，就是利用稀土金属离子作为激光工作物质的一种放

3、大器。n n(2)传输光纤放大器，其中有受激喇曼散射(Stimulated Raman Scattering，SRS)光纤放大器、本讲稿第四页，共四十七页n n受激布里渊散射(Stimulated Brilliouin Scattering，SBS)光纤放大器和利用四波混频效应(FWM)的光放大器等。(3)半导体激光放大器。其结构大体上与激光二极管(Laser Diode，LD)相同。这几种类型的光放大器的工作原理和激励方式各不相同。本讲稿第五页，共四十七页本讲稿第六页，共四十七页本讲稿第七页，共四十七页n n拉曼光纤放大器本讲稿第八页，共四十七页n n光纤放大器的重要指标光纤放大器的重要指标

4、n n1.1.光纤放大器的增益光纤放大器的增益n n(1)(1)增益增益GG与增益系数与增益系数g gn n放大器的增益定义为放大器的增益定义为式中：Poutout，Pin分别为放大器输出端与输入端的连续信号功率。本讲稿第九页，共四十七页(2)放大器的带宽n n人们希望放大器的增益在很宽的频带内与波长无关。这样在应用这些放大器的系统中，便可放宽单信道传输波长的容限，也可在不降低系统性能的情况下，极大地增加WDM系统的信道数目本讲稿第十页，共四十七页(3)增益饱和与饱和输出功率n n由于信号放大过程消耗了高能级上粒子，因而使增益系数减小，当放大器增益减小为峰值的一半时，所对应的输出功率就叫饱和输

5、出功率，这是放大器的一个重要的参数，饱和功率用Pouts表示。本讲稿第十一页，共四十七页放大器噪声n n放大器本身产生噪声，放大器噪声使信号的信噪比(Signal-to-Noise Ratio，SNR)下降，造成对传输距离的限制，是光放大器的另一重要指标。n n(1)(1)光纤放大器的噪声来源光纤放大器的噪声来源n n光纤放大器的噪声主要来自它的放大自发辐射(Amplified Spontaneous Emission，ASE)。本讲稿第十二页，共四十七页n n(2)噪声系数n n由由于于放放大大器器中中产产生生自自发发辐辐射射噪噪声声，使使得得放放大大后后的的信信噪比下降。它定义为输入信噪比

6、与输出信噪比之比。噪比下降。它定义为输入信噪比与输出信噪比之比。n n(SNR)in和(SNR)outout分别代表输入与输出的信噪比。它们都是在接收机端将光信号转换成光电流后的功率来计算的。本讲稿第十三页，共四十七页n n主要噪声源：放大的自发辐射噪声（ASE），它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。本讲稿第十四页，共四十七页n n光纤放大器的作用常规的光电混合中继器放大光信号时，需要进行光电转换、电放大、再定时、脉冲整形以及电光转换，这种方式已经满足不了现代通信传输的要求。提供光信号增益，以补偿光信号在通路中的传输衰减，提供光信号增益，以补

7、偿光信号在通路中的传输衰减，增大系统的无中继传输距离。增大系统的无中继传输距离。z=0z=L衰减光放大器光放大器的作用光放大器的作用本讲稿第十五页，共四十七页n n7.2 掺饵光纤放大器n n掺铒光纤放大器是将掺铒光纤在泵浦源的作用下而形成的光纤放大器。对这种掺杂光纤放大器影响较大的工作可追溯到1963年对玻璃激光器的研究。本讲稿第十六页，共四十七页n n工作原理n n第四章已经介绍过激光器的工作原理：经泵浦源的作用，工作物质粒子由低能级跃迁到高能级(一般通过另一辅助能级)，在一定泵浦强度下，得到了粒子数反转分布而具有光放大作用。当工作频带范围内的信号光输入时便得到放大。这也就是掺铒光纤放大器

8、的基本工作原理。本讲稿第十七页，共四十七页本讲稿第十八页，共四十七页n n只是EDFA(及其他掺杂光纤放大器)细长的纤形结构使得有源区能量密度很高，光与物质的作用区很长，有利于降低对泵浦源功率的要求。n n泵浦效率Wp可以用来衡量泵浦的有效性，其表达式如下：n nWp=放大器增益(dB)/泵浦功率(mW)本讲稿第十九页，共四十七页n n掺饵光纤放大器的结构n n1.1.同向泵浦同向泵浦n n在同向泵浦方案中，泵浦光与信号光从同一端注入掺铒光纤。n n2.2.反向泵浦反向泵浦n n反向泵浦，泵浦光与信号光从不同的方向输入掺杂光纤，两者在掺铒光纤中反向传输。本讲稿第二十页，共四十七页n n3.双向

9、泵浦n n为了使掺铒光纤中的铒离子能够得到充分的激励，必须提高泵浦功率。n n4.三种泵浦方式比较n n(1)(1)信号输出功率信号输出功率n n(2)(2)噪声特性噪声特性n n图2所示表示噪声指数与输出光功率之间的关系。n n(3)(3)饱和输出特性饱和输出特性n n同向泵浦式EDFA的饱和输出光功率最小本讲稿第二十一页，共四十七页本讲稿第二十二页，共四十七页图图2 噪声指数与输出功率之间的关系噪声指数与输出功率之间的关系本讲稿第二十三页，共四十七页n nEDFA的重要指标n n1.EDFA1.EDFA的增益特性的增益特性n n增益系数g(z)与高能级和低能级的粒子数目差及泵浦功率有关，对

10、增益系数g(z)在整个掺铒光纤长度上进行积分，就可求出光纤放大器的增益G，所以，放大器的增益应与泵浦强度及光纤的长度有关本讲稿第二十四页，共四十七页n n2.EDFA2.EDFA的带宽的带宽n n图3所示是掺铒硅光纤的g-曲线，从图中可以看出增益系数随着波长的不同而不同。n nEDFA实现宽频带和增益平坦度经过了3个阶段，如表1所示。n n光纤在1.55m低损耗区具有200nm带宽，而目前使用的EDFA增益带宽仅为35nm左右。本讲稿第二十五页，共四十七页掺掺铒铒离离子子硅硅光光纤纤的的g-曲曲线线本讲稿第二十六页，共四十七页表1EDFA宽带、增益平坦化的进程增益平坦放大增益平坦放大波段波段关

11、关键键技技术术第一代第一代1.55m1.55m放大波段放大波段（一部分）（一部分）154015401560nm1560nm波段波段1.1.掺铝掺铝（A1A1）、磷（）、磷（P P）2.2.使用改善使用改善频带频带特性的均衡器特性的均衡器3.3.构成混合型构成混合型EDFAEDFA第二代第二代1.55m1.55m放大波段、放大波段、全波段全波段153015301560nm1560nm波段波段（152515251564nm1564nm）1.1.提高光均衡器的性能提高光均衡器的性能长长周期光周期光纤纤光光栅栅 复用法布里珀复用法布里珀罗滤罗滤波器波器1.1.氟化物氟化物EDFAEDFA第三代第三代E

12、DFAEDFA放大波段、放大波段、全波段全波段1.55m1.55m放大波段放大波段+1.58m+1.58m放大波段放大波段153015301600nm1600nm波段波段1.1.并并联联型放大器型放大器（1.55m1.55m波段波段+1.58m+1.58m波段增益平坦型波段增益平坦型EDFAEDFA）1.1.碲化物碲化物EDFAEDFA（+均衡器）均衡器）本讲稿第二十七页，共四十七页n n3.EDFA3.EDFA的噪声系数的噪声系数n nEDFA的噪声系数Fn决定于自发辐射，即噪声系数与粒子反转差N有关。掺铒光纤放大器的系统应用掺铒光纤放大器的系统应用n n1.EDFA1.EDFA用作前置放大

13、器用作前置放大器n n由于EDFA的低噪声特性，使它很适于作接收机的前置放大器。本讲稿第二十八页，共四十七页n n2.EDFA2.EDFA用作功率放大器用作功率放大器n n功率放大器是将EDFA直接放在光发射机之后用来提升输出功率。n n3.EDFA3.EDFA用作线路放大器用作线路放大器n nEDFA用作线路放大器是它在光纤通信系统的一个重要应用。n n4.EDFA4.EDFA在本地网中的应用在本地网中的应用n nEDFA可在宽带本地网，特别在电视分配网中得到应用。本讲稿第二十九页，共四十七页掺铒光纤放大器的优缺点n nEDFA之所以得到迅速的发展，源于它的一系列优点。n n(1)工作波长与

14、光纤最小损耗窗口一致，可在光纤通信中获得广泛应用。n n(2)耦合效率高。因为是光纤型放大器，易于光纤耦合连接，也可用熔接技术与传输光纤熔接在一起，损耗可降至0.1dB，这样的熔接反射损耗也很小，不易自激。本讲稿第三十页，共四十七页n n(3)能量转换效率高。激光工作物质集中在光纤芯子，且集中在光纤芯子中的近轴部分，而信号光和泵浦光也是在近轴部分最强，这使得光与物质作用很充分。n n(4)增益高，噪声低。输出功率大，增益可达40dB，输出功率在单向泵浦时可达14dBm，双向泵浦时可达17dBm，甚至可达20dBm，充分泵浦时，噪声系数可低至34dB，串话也很小。本讲稿第三十一页，共四十七页n

15、n(5)增益特性不敏感。首先是EDFA增益对温度不敏感，在100C内增益特性保持稳定，另外，增益也与偏振无关。n n(6)可实现信号的透明传输，即在波分复用系统中可同时传输模拟信号和数字信号，高速率信号和低速率信号，系统扩容时，可只改动端机而不改动线路。本讲稿第三十二页，共四十七页n nEDFA也有固有的缺点：n n(1)波长固定，只能放大1.55m左右的光波，换用不同基质的光纤时，铒离子能级也只能发生很小的变化，可调节的波长有限，只能换用其他元素；n n(2)增益带宽不平坦，在WDM系统中需要采用特殊的手段来进行增益谱补偿。本讲稿第三十三页，共四十七页6.4 光纤喇曼放大器光纤喇曼放大器光纤

16、喇曼放大器的工作原理光纤喇曼放大器的工作原理n n受激喇曼散射主要性质包括：在玻璃介质中参与喇曼散射的是光学声子；在所有类型的光纤中都会发生，但喇曼增益稀疏的形状和峰值与泵浦源的波长和功率有关；响应时间很短，为瞬态效应；本讲稿第三十四页，共四十七页n n增益具有偏振依赖性，当泵浦光与信号光偏振方向平行时增益最大，垂直时增益最小，但实际上在非保偏光纤中由于模式混扰的原因而表现为增益无关；增益谱很宽，但不平坦。最大增益频移为13.2THz，并且可以扩展到30THz。本讲稿第三十五页，共四十七页光纤喇曼放大器的结构n n光纤喇曼放大器可分为两类：分立式喇曼放大器(Raman Amplifier，RA

17、)和分布式 喇 曼 放 大 器(Distributed Raman Amplifier，DRA)。本讲稿第三十六页，共四十七页本讲稿第三十七页，共四十七页光纤喇曼放大器的性能光纤喇曼放大器的性能n n1.1.光纤喇曼放大器的增益光纤喇曼放大器的增益n n在在连连续续波波的的工工作作条条件件下下，并并忽忽略略泵泵浦浦光光消消耗耗，光光纤喇曼放大器的增益可由下式表示：纤喇曼放大器的增益可由下式表示：n nn n式中：g gR R为喇曼增益系数；Aeffeff为光纤在泵浦波长处的有效面积；P0 0为泵浦光功率；为泵浦光功率；n n n n P为泵浦光在光纤中的衰减常数。为泵浦光在光纤中的衰减常数。本

18、讲稿第三十八页，共四十七页n n2.2.喇曼放大器的带宽喇曼放大器的带宽n n增益带宽由泵浦波长决定，选择适当的泵浦光波长，就可得到任意波长的信号放大，DRA的增益频谱是每个波长的泵浦光单独产生的增益频谱叠加的结果，所以它由泵浦波长的数量和种类决定。本讲稿第三十九页，共四十七页n n3.3.噪声指数噪声指数n n由由于于喇喇曼曼放放大大是是分分布布式式获获得得增增益益的的过过程程，其其等等效效噪噪声声比比分分立立式式放放大大器器要要小小。为为了了比比较较DRADRA与与分分立立式式放放大大器器的性能，定义的性能，定义DRADRA的等效集中噪声指数的等效集中噪声指数FR为n n式中：ASE是是光

19、光纤纤末末端端放放大大自自发发辐辐射射(ASE)(ASE)密密度度；G GR R是在光纤末端信号的喇曼增益。本讲稿第四十页，共四十七页n n分布式喇曼放大器经常与EDFA混合使用，当作为前置放大器的DRA与作为功率放大器的常规EDFA混合使用时，其等效噪声指数为nF=FR+FE/GRn n式中：GR和FR分别是DRA的增益和噪声指数；FE是EDFA的噪声指数。因为FR通常要比作为功率放大器的EDFA的噪声指数FE要小，所以由上式可知，只要增加喇曼增益GR，就可以减少总的噪声指数。本讲稿第四十一页，共四十七页 光纤喇曼放大器的系统应用光纤喇曼放大器的系统应用n n1.1.分立式喇曼放大器的应用分

20、立式喇曼放大器的应用n n分立式喇曼放大器所用的光纤增益介质比较短，泵浦功率要求很高，一般在几瓦到几十瓦，可产生40dB以上的高增益，像EDFA一样可用来对光信号进行集中放大，因此主要用于EDFA无法放大的波段。本讲稿第四十二页，共四十七页n n2.DRA2.DRA传输系统典型结构传输系统典型结构n n采用DRA技术的传输系统典型结构，在WDM系统的每个传输单元内，在EDFA的输入端注入反向的喇曼泵浦，信号将会沿光纤实现分布式喇曼放大，由于DRA具有噪声低、增益带宽与泵浦波长和功率相关的特点，EDFA又具有高增益、低成本的特点，所以这种混合放大结构可以同时发挥两种光纤放大器的优势。本讲稿第四十

21、三页，共四十七页光纤喇曼放大器的优缺点n nFRA具有以下优点。n n(1)增益波长由泵浦光波长决定，只要泵浦源的波长适当，理论上可以得到任意波长的信号放大，这样的FRA就可扩展到EDFA不能使用的波段，为波分复用进一步增加容量拓宽了空间。本讲稿第四十四页，共四十七页n n(2)增益介质可以为传输光纤本身，如此实现的FRA称为分布式放大，因为放大是沿光纤集中作用而不是集中作用，光纤中各处的信号光功率都比较小，从而可降低各种光纤非线性效应的影响。n n(3)噪声指数低，可提升原系统的信噪比。本讲稿第四十五页，共四十七页n n(4)喇曼增益谱比较宽，在普通DSF上单波长泵浦可实现40nm范围的有效增益；如果采用多个泵浦源，则可容易地实现宽带放大。n n(5)FRA的饱和功率比较高，增益谱调节方式可通过优化配置泵浦光波长和强度来实现。n n(6)喇曼放大的作用时间为飞秒(10-15s)级，可实现超短脉冲的放大。本讲稿第四十六页，共四十七页n nFRA主要有以下缺点。n n 喇曼光纤放大器所需要的泵浦光功率高。n n 作用距离太长，增益系数偏低。n n 对偏振敏感。本讲稿第四十七页，共四十七页