光纤通信技术第八章讲解

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1、光纤通信技术第八章 王发强王发强 Fq_wang Fq_wang 信息光电子科技学院信息光电子科技学院 华南师范大学华南师范大学 光放大器光放大器 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。 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。 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。 渔家傲 法常 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。 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。 渔家傲 第八章 光放大器 8.1 光放大器概述 8.2 掺铒光纤放

2、大器EDFA 8.3 半导体光放大器SOA 8.4 光纤拉曼放大器FRA 8.1 光放大器概述 n光放大器的出现，可视为光纤通信发展史上的重 要里程碑。 n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。 n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 n光放大器（O-O） n多波长放大、低成本，只能实现1R中继 光放大器的原理 n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。 n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

3、激辐射实现对入射光的放大。 n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。 光放大器的类型 n利用稀土掺杂的光纤放大器（EDFA、 PDFA） n利用半导体制作的半导体光放大器（SOA ） n利用光纤非线性效应制作的非线性光纤放大 器（FRA、FBA） 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100m 1mm

4、差很难大差 光纤(喇 曼)放大 器 光学非 线性(喇 曼)效应 光数千米好容易大好 光放大器的应用 线路放大线路放大(In-line)(In-line)：周周 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(Boost)(Boost)：增加增加 入纤功率入纤功率, ,延长传输距离延长传输距离 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 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 研究新热点 n展宽带宽：C-band 40nm, L-band 再加40nm ； n均

5、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； n监控管理功能：在线放大器，全光网路由改变； n动态响应特性； n其它波段的光纤放大器，如Raman放大器。 第八章 光放大器 8.1 光放大器概述 8.2 掺铒光纤放大器EDFA 8.3 半导体光放大器SOA 8.4 光纤拉曼放大器FRA 8.2 掺铒光纤放大器EDFA n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。 n工作波长为1550nm的铒(Er)掺杂光纤放大器(EDFA) n工作波长为1300nm的镨(Pr)掺杂光纤放大器(PDFA) n工作波长

6、为1400nm的铥(Tm)掺杂光纤放大器(TDFA) n目前，EDFA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 nEDFA解决了系统容量提高的最大的限制光 损耗 n补偿了光纤本身的损耗，使长距离传输成为可能 n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 n支持了最有效的增加光通信容量的方式-WDM n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 n工作频带正处于光纤损耗最低处(1525-1565nm) ； n频带宽，可以对多路信号同时放大-波分复用； n对数据率/格式透明，系统升级成本低； n增益高(40dB)、输出功率大(30dB

7、m)、噪声低 (45dB)； n全光纤结构，与光纤系统兼容； n增益与信号偏振态无关，故稳定性好； n所需的泵浦功率低(数十毫瓦)。 EDFA的工作原理 nEDFA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。 Input signalInput signal 1530nm-1570nm1530nm-1570nm Amplified Amplified output signaloutput signal Power laser Power laser (Pump)(Pump) 980nm or 980nm or 1480nm1480nm Fi

8、ber 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( (泵浦光泵浦光) )同沿光纤传输，泵浦光同沿光纤传输，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。信号光，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。沿光纤长度得到放大，泵浦光沿光纤长度不断衰减。 EDFA中的Er3+能级结构 n泵浦波长可以是520、65

9、0、800、980、1480nm n波长短于980nm的泵浦效率低，因而通常采用980和 1480nm泵浦。 铒铒离子简化离子简化 能级示意图能级示意图 吸收泵浦光吸收泵浦光 快速非辐快速非辐 射跃迁射跃迁 光放大光放大 受激辐射受激辐射 产生噪声产生噪声 自发辐射自发辐射 受激吸收受激吸收 基态基态 能带能带 泵浦泵浦 能带能带 980nm980nm1480nm1480nm 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：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，ErEr3+ 3+从低 从低能级被激发到高能级被激发到高

10、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。 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。 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。 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。 三种泵

11、浦方式的EDFA LD2LD2 WDM2WDM2 EDFEDF APCAPC APCAPC inin outout LD1LD1 WDM1WDM1 LDLD WDMWDM EDFEDF APCAPCAPCAPC in in outout LDLD WDMWDM EDFEDF APCAPCAPCAPC in in outout 同向泵浦同向泵浦( (前向泵浦前向泵浦) ) 型：好的噪声性能型：好的噪声性能 反向泵浦反向泵浦( (后向泵浦后向泵浦) )型型 ：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 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

12、特性与 信号传输方向无关信号传输方向无关 MultistagMultistag e EDFAe EDFA 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 1480nm1480nm泵浦光又常用于遥泵方式泵浦光又常用于遥泵方式。 Remote Remote PumpinPumpin g g EDFA的工作特性 n光放大器的增益 n放大器的噪声 nEDFA的多信道放大特性 nEDFA的大功率化 一、光放大器的增益 n增益G是描述光放大器对信号放大能力的参数。定义为： nG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

13、 输入信号光功率输入信号光功率 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 依存关系依存关系 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P PS,OUT S,OUT与输入光功率 与输入光功率P PS,IN S,IN 成正比例。成正比例。GG 0 0 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：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。 3dB3dB P P out,satout,sat 当当P PS,IN S,IN增

14、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GG开开 始下降。增益饱和现象始下降。增益饱和现象 。 饱和区域饱和区域 增益增益GG与输入光波长的关系与输入光波长的关系 增益谱增益谱G(G( ) )：增益增益GG与信号光波长与信号光波长 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。 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，并趋于一恒定值。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

15、的曲线 小信号增益小信号增益 随放大器长随放大器长 度而变的曲度而变的曲 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 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，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 ，选择合适的泵浦功率和光纤长度，使放大器工作于最佳状

16、，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。态。 二、放大器的噪声 n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： 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 。 Amplified Spontaneous EmissionAmplified Spontaneous Emission EDFAEDFA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 ASEASE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 ASE噪声 nASE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 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 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，n nsp sp=1; =1;