第六章光放大器PPT讲稿.ppt

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1、第六章 光放大器第1页，共50页，编辑于2022年，星期三光光-电电-光转换再生中继器结构光转换再生中继器结构再整形（再整形（re-shaping）再放大再放大(re-amplifying)再定时（再定时（re-timing）第2页，共50页，编辑于2022年，星期三典型的数字光电中继器原理框图典型的数字光电中继器原理框图由一个没有线路码型变换和反变换的光接收和光发射相连接的系统由一个没有线路码型变换和反变换的光接收和光发射相连接的系统缺点：缺点：设备复杂，维护难，成本高设备复杂，维护难，成本高第3页，共50页，编辑于2022年，星期三全光中继器全光中继器1989年诞生的年诞生的EDFA代表的

2、全光放大是光纤通代表的全光放大是光纤通信技术上的一次革命！信技术上的一次革命！第4页，共50页，编辑于2022年，星期三本章内容本章内容v光放大器的基本应用形式光放大器的基本应用形式v半导体光放大器半导体光放大器(SOA)v掺铒光纤放大器掺铒光纤放大器(EDFA)v光纤拉曼放大器光纤拉曼放大器(FRA)第5页，共50页，编辑于2022年，星期三光放大器在光纤通信系统中的四种用途光放大器在光纤通信系统中的四种用途第6页，共50页，编辑于2022年，星期三半导体光放大器半导体光放大器（SOA：Semiconductor Optical Amplifier）TW SOA行波放大器行波放大器F-P S

3、OA法布里法布里-珀罗放大器珀罗放大器第7页，共50页，编辑于2022年，星期三SOA工作机理工作机理vSOA是一个具有或不具有端面反射的半导体激是一个具有或不具有端面反射的半导体激光器。采用正向偏置的光器。采用正向偏置的PN结，对其进行电流注结，对其进行电流注入来激活电子，实现粒子数反转分布，当外光入来激活电子，实现粒子数反转分布，当外光场射入时产生受激辐射实现对入射光功率的放场射入时产生受激辐射实现对入射光功率的放大。大。第8页，共50页，编辑于2022年，星期三光放大器光放大器增益分布曲线增益分布曲线g()和相应的放大器和相应的放大器增益频谱曲线增益频谱曲线G()介质的增益系数介质的增益

4、系数放大器增益系数（放大倍数）：放大器增益系数（放大倍数）：放大器带宽和增益带宽放大器带宽和增益带宽第9页，共50页，编辑于2022年，星期三增益饱和增益饱和G0为不饱和放大器增益为不饱和放大器增益第10页，共50页，编辑于2022年，星期三放大器噪声放大器噪声v用放大器噪声指数用放大器噪声指数Fn来量度来量度SNR下降的程度，定义下降的程度，定义讨论受限于散粒噪声的理想探测器讨论受限于散粒噪声的理想探测器第11页，共50页，编辑于2022年，星期三例：假如输入信号功率为例：假如输入信号功率为300W，在，在1nm带宽内的输入噪带宽内的输入噪声功率是声功率是30nW，输出信号功率是，输出信号功

5、率是60mW，在，在 1nm带宽内带宽内的输出噪声功率增大到的输出噪声功率增大到20W，计算光放大器的噪声指数？，计算光放大器的噪声指数？解：解：第12页，共50页，编辑于2022年，星期三不同反射率时的不同反射率时的F-P SOA的增益频谱的增益频谱第13页，共50页，编辑于2022年，星期三FPA与与TWA的带宽比较的带宽比较TWA的增益与波长的关系的增益与波长的关系增益小的波纹状，反映出解理面剩余反增益小的波纹状，反映出解理面剩余反射率的影响，此时射率的影响，此时R约约0.04%。第14页，共50页，编辑于2022年，星期三TWA对反射率的要求对反射率的要求v减小端面反射反馈，可制出减小

6、端面反射反馈，可制出TWA。v减小反射率的一个简单方法是在界面上镀以抗反射膜（增减小反射率的一个简单方法是在界面上镀以抗反射膜（增透膜）（反射率小于透膜）（反射率小于1%）。）。v但但TWA要求要求R0.1%，且最小反射率还取决于放大器增益，且最小反射率还取决于放大器增益本身。本身。第15页，共50页，编辑于2022年，星期三减小反射率的方法（一）减小反射率的方法（一）角度解理面或有源区倾斜结构角度解理面或有源区倾斜结构在大多数情况下，使用抗反射膜和有源区倾斜，可以在大多数情况下，使用抗反射膜和有源区倾斜，可以使反射率小于使反射率小于 0.1%第16页，共50页，编辑于2022年，星期三减小反

7、射率的方法（二）减小反射率的方法（二）有源区端面和解理面之间插入透明窗口区有源区端面和解理面之间插入透明窗口区第17页，共50页，编辑于2022年，星期三SOA的优点的优点第18页，共50页，编辑于2022年，星期三第19页，共50页，编辑于2022年，星期三SOA的缺点的缺点v与光纤耦合损耗大；与光纤耦合损耗大；v噪声指数的典型值为噪声指数的典型值为5-7dB；（噪声机理：自发辐射、有源区的吸收和散射损（噪声机理：自发辐射、有源区的吸收和散射损耗、剩余解理面的反射率）耗、剩余解理面的反射率）v稳定性差，因增益与偏振态、温度等因素有关。稳定性差，因增益与偏振态、温度等因素有关。v光信号的偏振取

8、横向时（宽边）增益大，取竖向增益光信号的偏振取横向时（宽边）增益大，取竖向增益小，相差小，相差5-8dB。第20页，共50页，编辑于2022年，星期三减小偏振态对减小偏振态对SOA增益影响的方法增益影响的方法第21页，共50页，编辑于2022年，星期三改变放大器结构改变放大器结构减小偏振态影响减小偏振态影响v使使SOA有源区宽度和厚度大致相等。有源区宽度和厚度大致相等。v使用大的光腔结构。使用大的光腔结构。第22页，共50页，编辑于2022年，星期三掺铒光纤放大器结构掺铒光纤放大器结构EDFA-Erbium Doped Fiber Amplifier第23页，共50页，编辑于2022年，星期三

9、掺铒光纤（掺铒光纤（EDF-Erbium Doped Fiber)第24页，共50页，编辑于2022年，星期三EDFA工作原理工作原理泵浦光是如何将能量转移给信号的泵浦光是如何将能量转移给信号的?第25页，共50页，编辑于2022年，星期三第26页，共50页，编辑于2022年，星期三EDFA工作机理工作机理v在泵浦源在泵浦源(980nm或或1480nm)的作用下，在掺铒光纤的作用下，在掺铒光纤中出现了粒子数的反转分布。通过输入信号光的诱中出现了粒子数的反转分布。通过输入信号光的诱导，使处于粒子数反转分布状态下的高能级电子跃导，使处于粒子数反转分布状态下的高能级电子跃迁到低能级，并释放出与入射光

10、子一样的一个光子，迁到低能级，并释放出与入射光子一样的一个光子，即产生了受激辐射，从而使光信号（即产生了受激辐射，从而使光信号（1530nm-1560nm)得到放大。得到放大。第27页，共50页，编辑于2022年，星期三EDFA结构结构vEDFA由掺铒光纤、一个或多个泵浦光源、光波分复用器、由掺铒光纤、一个或多个泵浦光源、光波分复用器、光隔离器等组成。光隔离器等组成。v1.同向泵浦结构同向泵浦结构v2.反向泵浦结构反向泵浦结构v3.双向泵浦结构双向泵浦结构第28页，共50页，编辑于2022年，星期三同向泵浦结构同向泵浦结构第29页，共50页，编辑于2022年，星期三EDFA主要特性主要特性v泵

11、浦特性泵浦特性第30页，共50页，编辑于2022年，星期三v增益频谱增益频谱增益带宽（FWHM）大于10nm第31页，共50页，编辑于2022年，星期三纤芯中掺入纤芯中掺入铝离子铝离子，带宽还可增大且增益频谱相当平坦。，带宽还可增大且增益频谱相当平坦。第32页，共50页，编辑于2022年，星期三小信号增益小信号增益EDFA的增益的增益 与铒离子浓度、芯径、掺杂光纤长度和泵浦功率有关。与铒离子浓度、芯径、掺杂光纤长度和泵浦功率有关。对于给定的放大器长度对于给定的放大器长度（EDFEDF长度），增益随长度），增益随泵浦泵浦功率功率在开始时按指数增加，在开始时按指数增加，当泵浦功率超过一定值时，当泵

12、浦功率超过一定值时，增益增加变缓，并趋于一恒增益增加变缓，并趋于一恒定值。定值。第33页，共50页，编辑于2022年，星期三小信号增益小信号增益当泵浦功率一定时，放大器在当泵浦功率一定时，放大器在某一某一最佳长度最佳长度时获得最大增时获得最大增益，如果放大器长度超过此值，益，如果放大器长度超过此值，由于泵浦的消耗，最佳点后的由于泵浦的消耗，最佳点后的掺铒光纤不能受到足够泵浦，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，而且要吸收已放大的信号能量，导致增益很快下降。导致增益很快下降。第34页，共50页，编辑于2022年，星期三增益饱和（或压缩）特性增益饱和（或压缩）特性在在EDFAED

13、FA泵浦功率一定的情况下，输泵浦功率一定的情况下，输入功率较小时，放大器的增益不随入功率较小时，放大器的增益不随入射信号的增加而变化。当输入信入射信号的增加而变化。当输入信号增大到一定值后，增益开始随信号增大到一定值后，增益开始随信号功率的增加而下降，这是入射信号功率的增加而下降，这是入射信号导致号导致EDFAEDFA出现增益饱和的缘故。出现增益饱和的缘故。第35页，共50页，编辑于2022年，星期三放大器噪声放大器噪声v放大器的噪声指数与放大器放大器的噪声指数与放大器长度长度L和和泵浦功率泵浦功率Pp有关。有关。第36页，共50页，编辑于2022年，星期三泵浦光功率Fn反向泵浦双向泵浦输出光

14、功率同向泵浦输出光功率掺铒光纤长度双向泵浦反向泵浦同向泵浦Fn反向泵浦同向泵浦双向泵浦第37页，共50页，编辑于2022年，星期三EDFA的优点的优点1.工作波长与光纤最小损耗窗口一致。工作波长与光纤最小损耗窗口一致。2.耦合效率高。耦合效率高。4.增益高，噪声低。增益高，噪声低。5.增益特性对温度和光偏振状态不敏感。增益特性对温度和光偏振状态不敏感。第38页，共50页，编辑于2022年，星期三EDFA的缺点的缺点v波长固定，明显存在着工作波段和增益带宽的局限性。可调波长固定，明显存在着工作波段和增益带宽的局限性。可调节的波长有限，只能换用其他掺杂光纤。节的波长有限，只能换用其他掺杂光纤。v增

15、益带宽不平坦。在增益带宽不平坦。在WDM系统中需要采用特殊的手段来进系统中需要采用特殊的手段来进行增益谱补偿。行增益谱补偿。v自发辐射噪声的影响，尤其是当系统级联时，自发辐射噪声的影自发辐射噪声的影响，尤其是当系统级联时，自发辐射噪声的影响会大大降低系统接收端的信噪比。响会大大降低系统接收端的信噪比。第39页，共50页，编辑于2022年，星期三光纤拉曼放大器光纤拉曼放大器FRAv拉曼拉曼(Raman)现象在现象在1928年被发现，拉曼放大技术从年被发现，拉曼放大技术从1984年年开开始始研究并应用。研究并应用。v90年代早期，年代早期，EDFA取代它成为焦点，光纤拉曼放大器（取代它成为焦点，光

16、纤拉曼放大器（FRA）受到受到冷遇冷遇。v随着光纤通信网容量的增加，对放大器提出新的要求，传统随着光纤通信网容量的增加，对放大器提出新的要求，传统的的EDFA已很难满足，已很难满足，FRA再次成为再次成为研究的热点研究的热点。第40页，共50页，编辑于2022年，星期三光纤拉曼放大器光纤拉曼放大器FRA光纤中的非线性效应光纤中的非线性效应SRS受激拉曼散射受激拉曼散射实现光信号的放大实现光信号的放大增益介质：增益介质：系统传输光纤系统传输光纤第41页，共50页，编辑于2022年，星期三FRA光纤光纤光纤光纤(a)无泵激光的无泵激光的1550nm传输传输光功率光功率光功率光功率(dB)(dB)波

17、长波长波长波长1550nm1550nm波长波长波长波长光功率光功率光功率光功率(dB)(dB)1550nm1550nm1450nm1450nm光纤光纤光纤光纤(b)有泵激光的有泵激光的1550nm传输传输1550nm1550nm经光纤传经光纤传输衰减输衰减1450nm1450nm1550nm1550nm如果一个弱信号和一个强泵如果一个弱信号和一个强泵浦光同时在光纤中传输，并浦光同时在光纤中传输，并使弱信号波长置于泵浦光的使弱信号波长置于泵浦光的拉曼增益带宽内，则弱信号拉曼增益带宽内，则弱信号即可被放大。这种基于即可被放大。这种基于SRSSRS机制的光放大器称为光纤拉机制的光放大器称为光纤拉曼放

18、大器曼放大器FRAFRA。第42页，共50页，编辑于2022年，星期三硅光纤拉曼增益系数频谱曲线硅光纤拉曼增益系数频谱曲线增益带宽（FWHM）可以达到约8THz第43页，共50页，编辑于2022年，星期三v泵浦功率为泵浦功率为200mW200mW时，最时，最大增益值为大增益值为7.78 dB7.78 dBv泵浦功率为泵浦功率为100 mW100 mW时，时，最大增益值为最大增益值为3.6 dB3.6 dB。v在增益峰值附近的增在增益峰值附近的增益带宽约为益带宽约为7 78THz8THz。小信号光在长光纤内的拉曼增益小信号光在长光纤内的拉曼增益第44页，共50页，编辑于2022年，星期三FRA放

19、大增益和泵浦功率的关系放大增益和泵浦功率的关系增益饱和增益饱和第45页，共50页，编辑于2022年，星期三多波长反向泵浦多波长反向泵浦FRA第46页，共50页，编辑于2022年，星期三多波长泵浦增益带宽多波长泵浦增益带宽第47页，共50页，编辑于2022年，星期三FRA的优缺点的优缺点v优点优点1.增益波长由泵浦光波长决定。增益波长由泵浦光波长决定。2.增益介质可以为传输光纤本身。增益介质可以为传输光纤本身。3.噪声系数低。噪声系数低。FRA的的NF小于小于4.5dB，好于，好于SOA（约（约8dB）和和EDFA（约（约6dB）。）。v缺点缺点 需要特大功率的泵浦激光器需要特大功率的泵浦激光器第48页，共50页，编辑于2022年，星期三几种光放大器的比较几种光放大器的比较放大器类型原理激励方式工作长度噪声特性与光纤耦合与光偏振关系稳定性掺稀土光纤放大器粒子数反转光数米到数十米好容易无好半导体光放大器粒子数反转电100m1mm差很难大差光纤拉曼放大器光学非线性(拉曼)效应光数千米好容易大好第49页，共50页，编辑于2022年，星期三EDFA和和FRA的混合放大应用的混合放大应用光功率在分布式拉曼放大传输光纤中的分布光功率在分布式拉曼放大传输光纤中的分布第50页，共50页，编辑于2022年，星期三