光纤通信技术概要.pptx

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1、三十年来寻剑客，几回落叶又抽枝。三十年来寻剑客，几回落叶又抽枝。自从一见桃花后，直至如今更不疑。自从一见桃花后，直至如今更不疑。此事楞严曾露布，梅花雪月交光处。一此事楞严曾露布，梅花雪月交光处。一笑寥寥空万古。风瓯语，迥然银汉横天宇。笑寥寥空万古。风瓯语，迥然银汉横天宇。蝶梦南华方栩栩，斑斑谁跨丰干虎？而蝶梦南华方栩栩，斑斑谁跨丰干虎？而今忘却来时路。江山暮，天涯目送飞鸿去。今忘却来时路。江山暮，天涯目送飞鸿去。渔家傲渔家傲 法常法常第1页/共72页 听说娑婆无量苦，能令智者增忧怖。寿命听说娑婆无量苦，能令智者增忧怖。寿命百年如晓露。君须悟，一般生死无穷富。百年如晓露。君须悟，一般生死无穷富。

2、绿发红颜留不住，英雄尽向何方去，回首绿发红颜留不住，英雄尽向何方去，回首北邙山下路，斜阳暮，千千万万寒鸦度。北邙山下路，斜阳暮，千千万万寒鸦度。渔家傲渔家傲第2页/共72页第八章 光放大器8.1 光放大器概述 8.2 掺铒光纤放大器EDFA8.3 半导体光放大器SOA8.4 光纤拉曼放大器FRA第3页/共72页8.1 光放大器概述光放大器的出现，可视为光纤通信发展史上的重要里程碑。光放大器出现之前，光纤通信的中继器采用光电光(O-E-O)变换方式。装置复杂、耗能多、不能同时放大多个波长信道，在WDM系统中复杂性和成本倍增，可实现1R、2R、3R中继光放大器（O-O）多波长放大、低成本，只能实现

3、1R中继第4页/共72页光放大器的原理光放大器的功能：提供光信号增益，以补偿光信号在通路中的传输衰减，增大系统的无中继传输距离。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。光放大器是基于受激辐射或受激散射原理实现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没有反馈或反馈较小的激光器。第5页/共72页光放大器的类型利用稀土掺杂的光纤放大器（EDFA、PDFA）利用半导体制作的半导体光放大器（SOA）利用光纤非线性效应制作的非线性光纤放大器（FRA、FBA）第6页/共72页几种光放大器的比较放大器放大

4、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光与光与光与光纤耦纤耦纤耦纤耦合合合合与光与光与光与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稀土光掺稀土光掺稀土光掺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

5、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第7页/共72页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：增加：增加：增加入纤功率入纤功率入纤功率入纤功率,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

6、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，增大网络节点数第8页/共72页研究新热点展宽带宽：C-band 40nm,L-band 再加40nm；均衡功能：针对点对点系统的增益均衡，针对全光网的功率均衡；监控管理功能：在线放大器，全光网路由改变；动态响应特性；其它波段的光纤放大器，如Raman放大器。第9页/共72页

7、第八章 光放大器8.1 光放大器概述 8.2 掺铒光纤放大器EDFA8.3 半导体光放大器SOA8.4 光纤拉曼放大器FRA第10页/共72页8.2 掺铒光纤放大器EDFA掺杂光纤放大器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大，放大器的特性主要由掺杂元素决定。工作波长为1550nm的铒(Er)掺杂光纤放大器(EDFA)工作波长为1300nm的镨(Pr)掺杂光纤放大器(PDFA)工作波长为1400nm的铥(Tm)掺杂光纤放大器(TDFA)目前，EDFA最为成熟，是光纤通信系统必备器件。第11页/共72页掺铒光纤放大器给光纤通信领域带来的革命EDFA解决了系统容量提

8、高的最大的限制光损耗补偿了光纤本身的损耗，使长距离传输成为可能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支持了最有效的增加光通信容量的方式-WDM推动了全光网络的研究开发热潮第12页/共72页为什么要用掺铒光纤放大器工作频带正处于光纤损耗最低处(1525-1565nm)；频带宽，可以对多路信号同时放大-波分复用；对数据率/格式透明，系统升级成本低；增益高(40dB)、输出功率大(30dBm)、噪声低(45dB)；全光纤结构，与光纤系统兼容；增益与信号偏振态无关，故稳定性好；所需的泵浦功率低(数十毫瓦)。第13页/共72页EDFA的工作原理EDFA采用掺铒离子单模光纤为增益介质，

9、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。Input signalInput signal1530nm-1570nm1530nm-1570nmAmplified Amplified output signaloutput signalPower laser Power laser(Pump)(Pump)980nm or 980nm or 1480nm1480nmFiber containing Fiber containing erbium dopanterbium dopant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

10、短的光波(泵浦光泵浦光泵浦光泵浦光)同沿光纤传输，泵浦光的能量被光纤中的稀同沿光纤传输，泵浦光的能量被光纤中的稀同沿光纤传输，泵浦光的能量被光纤中的稀同沿光纤传输，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级，并可通过能级间的受激发射转移为信号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。信号光沿光纤长度得到放大，泵浦光沿光纤长度不断衰减。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。光的能量

11、。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。第14页/共72页EDFA中的Er3+能级结构泵浦波长可以是520、650、800、980、1480nm波长短于980nm的泵浦效率低，因而通常采用980和1480nm泵浦。铒离子简化铒离子简化铒离子简化铒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

12、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第15页/共72页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+从低能级被激发到高从低能级被激发到高从低能级被激发到高从低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，能级上，由于在高能级上的寿命很短，很

13、快以非辐射跃迁形式到较低能级上，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，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，并在该能级和低能级间形成粒子数反转分布。并在该能级和低能级间形成粒子数反转分布。并在该能级和低能级间形成粒子数反转分布。并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

14、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。第16页/共72页三种泵浦方式的EDFALD2LD2WDM2WDM2EDFEDFAPCAPCAPCAPCininoutoutLD1LD1

15、WDM1WDM1LDLDWDMWDMEDFEDFAPCAPCAPCAPCin 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：型：型：型：输出信号功率高输出信号功率高输出信号功率高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3dB3

16、dB，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第17页/共72页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第18页/共72页EDFA的工作特性光放大器的增益放大器的噪声EDFA的多信道放大特性ED

17、FA的大功率化第19页/共72页一、光放大器的增益增益G是描述光放大器对信号放大能力的参数。定义为：G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。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第20页/共72页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依存关系时，增益对输入光功率的典型依存关系时，增益对输入光功率的典型依存关系时，增益对输入光功率的典型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，

18、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。GG0 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

19、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开始开始开始开始下降。增益饱和现象。下降。增益饱和现象。下降。增益饱和现象。下降。增益饱和现象。饱和区域饱和区域饱和区域饱和区域第21页/共72页增益增益增益增益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。光放大器的增益谱不平坦。的关系。光放大器的增益谱不平坦。的关系。光放大器的增益谱不平坦。的关系。光放大器的增益谱不平坦

20、。第22页/共72页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），增益随泵浦功率在开始时长度），增益随泵浦功率在开始时长度），增益随泵浦功率在开始时长度），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时，增益增加变缓，并趋于按指数增加，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。一恒定值。一恒定值。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第23页/共72页小信号增益小信号增

21、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，如果放当泵浦功率一定时，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受到大器长度超过此值，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，

22、而且要吸收已放大的信号能量，导致增益很快下降。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。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。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，选择合适的泵浦功率设计中，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。和光纤长度，使放大器工作于最佳状态。和光纤长度，使放大器工作于最佳状态

23、。和光纤长度，使放大器工作于最佳状态。第24页/共72页二、放大器的噪声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比（SNR）下降，其降低程度通常用噪声指数Fn来表示，其定义为：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。Amplified Spontaneous EmissionAmplified Spontaneous Emission第25页/共72页EDFAEDFA放大放大放大放大15401540波长信号时产生的影响波长信号时产生的影响波长信号时产生的影响波长

24、信号时产生的影响ASEASEASEASE噪声叠加在信号上，导致信噪比下降。噪声叠加在信号上，导致信噪比下降。噪声叠加在信号上，导致信噪比下降。噪声叠加在信号上，导致信噪比下降。宽谱光源宽谱光源第26页/共72页第27页/共72页第28页/共72页第29页/共72页ASE噪声ASE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或完全对于原子都处于激发态或完全对于原子都处于激发态或完全对于原子都处于激发态或完全粒子数反转的光放大器，粒子数反转的光放大器，粒子数反转的光放大器，

25、粒子数反转的光放大器，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第30页/共72页研究发现，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

26、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的完全粒子数反转的理想放大器，被放大信号的的完全粒子数反转的理想放大器，被放大信号的的完全粒子数反转的理想放大器，被放大信号的的完全粒子数反转的理想放大器，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）。对大多数实际的放大器）。对大多数实际的放大器）。对大多数实际的放大器）。对大多数实际的放大器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

27、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噪声第31页/共72页第32页/共72页三、EDFA的多信道放大特性EDFA的增益恢复时间g10ms(SOA的g=0.11ns),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，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化（较低速变化）能产生响应-瞬态特性。在系统应用中应予以控制-增益钳制。第33页/共72页多信道放大中存在的其它问题：增益平坦增益钳制高的输出功

28、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，多级信道间增益竞争，多级信道间增益竞争，多级信道间增益竞争，多级级连使用导致级连使用导致级连使用导致级连使用导致“尖峰效尖峰效尖峰效尖峰效应应应应”第34页/共72页15441569典型的典型的EDFA增益谱增益谱固有的增益不平坦，增益差随级联固有的增益不平坦，增益差随级联放大而积累增大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

29、情况下，失衡情况更加严重第35页/共72页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 2第36页/共72页1.1.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

30、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

31、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)第37页/共72页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

32、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

33、、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)第38页/共72页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)第39页/共72页 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

34、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

35、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增益钳制增益钳制第40页/共72页增益钳制技术(1)电控：监测EDFA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，是目前最为成熟的方法。LDLDPu

36、mpPumpInInOutOut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第41页/共72页增益钳制技术(2)在系统中附加一波长信道，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。注入激光注入激光注入激光注入激光第42页/共72页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，以保证各信道获得足够的光具有足够高的输出功率，以保证各信道获得足够的光具有足够高的输出功率，以保证各信道获得足够的光具有足够高的输出功率，以保证各信道获得足够的光功率。功率。功率。功率。方法：多级泵浦

37、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)第43页/共72页EDFA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

38、)，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)双包层光纤是实现双包层光纤是实现双包层光纤是实现双包层光纤是实现EDFAEDFA的重要技术，的重要技术，的重要技术，的重要技术，信号光在中心的纤芯里以单模传播，信号光在中心的纤芯里以单模传播，信号光在中心的纤芯里以单模传播，信号光在中心的纤芯里以单模传播，而泵浦光则在内包层中以多模传输。而泵浦光则在内包层中以多模传输。而泵浦光则在内包层中以多模传输。而泵浦光则在内包层中以多模传输。第44页/共72页EDFA的宽带化的宽带化第45页/共72页长

39、波段（长波段（L-band）掺铒光纤放大器掺铒光纤放大器L L L L波段的造价甚高的原因波段的造价甚高的原因波段的造价甚高的原因波段的造价甚高的原因：低反转水平，需长掺铒光纤，强泵浦，低反转水平，需长掺铒光纤，强泵浦，低反转水平，需长掺铒光纤，强泵浦，低反转水平，需长掺铒光纤，强泵浦，此波段其它光器件价格较高。此波段其它光器件价格较高。此波段其它光器件价格较高。此波段其它光器件价格较高。第46页/共72页第八章 光放大器8.1 光放大器概述 8.2 掺铒光纤放大器EDFA8.3 半导体光放大器SOA8.4 光纤拉曼放大器FRA第47页/共72页8.3 半导体光放大器SOARR1 1RR2 2

40、I 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也是一种重要也是一种重要也是一种重要也是一种重要的光放大器，其结的光放大器，其结的光放大器，其结的光放大器，其结构类似于普通的半构类似于普通的半构类似于普通的半构类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有源层的介质特性。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。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。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

41、。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：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：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：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：-法布里法布里法布里法布里珀罗放大器珀罗放大器珀罗放大器珀罗放大器(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)第48页/共72页多峰值、带宽多峰值、带宽多峰值、带宽多峰值、带宽窄，不适合通窄，不适合通窄，不适合通窄，不适合通信系统应用，信系统应用，信系统应用，信系统应用，只可用于一些只可用于一些只可用于

42、一些只可用于一些信号处理。信号处理。信号处理。信号处理。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，到达右端面后，部分从端面反射，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，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，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，部分光从左端面出射，其余部分又从端面反射，然后反向通过有源层至左端面，部分光从左端面出射，其余部分又从端面反射，然后反向通过有源层至左端面，部分光从左端面出射，其余部分又从端面反射，然后反向通过

43、有源层至左端面，部分光从左端面出射，其余部分又从端面反射，再次通过有源层，如此反复，使入射光得到放大。再次通过有源层，如此反复，使入射光得到放大。再次通过有源层，如此反复，使入射光得到放大。再次通过有源层，如此反复，使入射光得到放大。第49页/共72页行波半导体光放大器TWSOA与FPSOA的区别在于端面的反射率大小，TWSOA具有极低的端面反射率，通常在0.1%以下。降低端面反射方法：倾斜有源区法、窗面结构。TWSOA的增益、增益带宽和噪声特性都可以满足光纤通信的要求，但如下两个缺点限制着它在光纤通信中的实际应用：对光信号偏振态的敏感性；对光信号增益的饱和性。第50页/共72页SOA增益偏振

44、相关性起因：由于半导体有源层的横截面呈扁长方形，对横向（长方形的起因：由于半导体有源层的横截面呈扁长方形，对横向（长方形的起因：由于半导体有源层的横截面呈扁长方形，对横向（长方形的起因：由于半导体有源层的横截面呈扁长方形，对横向（长方形的宽边方向）和竖向（长方形的窄边方向）的光场约束不同，光场在宽边方向）和竖向（长方形的窄边方向）的光场约束不同，光场在宽边方向）和竖向（长方形的窄边方向）的光场约束不同，光场在宽边方向）和竖向（长方形的窄边方向）的光场约束不同，光场在竖向的衍射泄漏强于横向，因而竖向的光增益弱于横向。因此光信竖向的衍射泄漏强于横向，因而竖向的光增益弱于横向。因此光信竖向的衍射泄漏

45、强于横向，因而竖向的光增益弱于横向。因此光信竖向的衍射泄漏强于横向，因而竖向的光增益弱于横向。因此光信号的偏振方向取横向时的增益大，取竖向时的增益小。号的偏振方向取横向时的增益大，取竖向时的增益小。号的偏振方向取横向时的增益大，取竖向时的增益小。号的偏振方向取横向时的增益大，取竖向时的增益小。解决方法：采用宽、厚可比拟的有源层设计；使用方法着手。解决方法：采用宽、厚可比拟的有源层设计；使用方法着手。解决方法：采用宽、厚可比拟的有源层设计；使用方法着手。解决方法：采用宽、厚可比拟的有源层设计；使用方法着手。相同结构相同结构相同结构相同结构SOASOA互相垂直互相垂直互相垂直互相垂直并接，在输入端

46、采用偏并接，在输入端采用偏并接，在输入端采用偏并接，在输入端采用偏振分束器将信号分成振分束器将信号分成振分束器将信号分成振分束器将信号分成TETE和和和和TMTM偏振信号偏振信号偏振信号偏振信号,分别输分别输分别输分别输入至相互垂直的入至相互垂直的入至相互垂直的入至相互垂直的SOASOA，然后将两只然后将两只然后将两只然后将两只SOASOA放大的放大的放大的放大的TETE和和和和TMTM偏振信号合成，偏振信号合成，偏振信号合成，偏振信号合成，得到与输入光同偏振态得到与输入光同偏振态得到与输入光同偏振态得到与输入光同偏振态的放大信号。的放大信号。的放大信号。的放大信号。输入光信号往返两次通过同一

47、输入光信号往返两次通过同一输入光信号往返两次通过同一输入光信号往返两次通过同一SOASOA，但反向，但反向，但反向，但反向通过前，采用法拉第旋转器使返回光旋转通过前，采用法拉第旋转器使返回光旋转通过前，采用法拉第旋转器使返回光旋转通过前，采用法拉第旋转器使返回光旋转90900 0相同结构相同结构相同结构相同结构SOASOA互相垂直串接，互相垂直串接，互相垂直串接，互相垂直串接，所得增益将与所得增益将与所得增益将与所得增益将与偏振无关偏振无关偏振无关偏振无关第51页/共72页SOA的应用多信道放大中存在问题噪声大信道串扰(交叉增益调制XGM、四波混频FWM)增益饱和引起信号畸变其他应用：光波长转

48、换（XGM,XPM,FWM）光开关：直接调制SOA的注入电流实现光的通断。特点：高速、无损光信号处理器件。第52页/共72页SOA Product第53页/共72页第八章 光放大器8.1 光放大器概述 8.2 掺铒光纤放大器EDFA8.3 半导体光放大器SOA8.4 光纤拉曼放大器FRA第54页/共72页8.4 光纤拉曼放大器FRA拉曼现象在1928年被发现。90年代早期，EDFA取代它成为焦点，FRA受到冷遇。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EDFA已很难满足，FRA再次成为研究的热点。特别是高功率二极管泵浦激光器的迅猛发展，又为FRA的实现奠定了坚实的基础。人们对FR

49、A的兴趣来源于这种放大器可以提供整个波长波段的放大。通过适当改变泵浦激光波长，就可以达到在任意波段进行宽带光放大，甚至可在12701670nm整个波段内提供放大。第55页/共72页光纤拉曼放大器光纤光纤光纤光纤(a)(a)无泵激光的无泵激光的无泵激光的无泵激光的1550nm1550nm传输传输传输传输光功率光功率光功率光功率(dB)(dB)波长波长波长波长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)(b)有泵激光的有泵激光的有泵激光的有泵激光的1550nm1550nm传输传输传输传输155

50、0nm1550nm经光纤传输经光纤传输经光纤传输经光纤传输衰减的光衰减的光衰减的光衰减的光1450nm1450nm1550nm1550nm如果一个弱信号和一个强泵浦如果一个弱信号和一个强泵浦如果一个弱信号和一个强泵浦如果一个弱信号和一个强泵浦光同时在光纤中传输，并使弱光同时在光纤中传输，并使弱光同时在光纤中传输，并使弱光同时在光纤中传输，并使弱信号波长置于泵浦光的拉曼增信号波长置于泵浦光的拉曼增信号波长置于泵浦光的拉曼增信号波长置于泵浦光的拉曼增益带宽内，则弱信号即可被放益带宽内，则弱信号即可被放益带宽内，则弱信号即可被放益带宽内，则弱信号即可被放大。这种基于大。这种基于大。这种基于大。这种基