光放大器原理、分类及特点课件

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1、1,光放大器介绍,2,内容简介：,1 光放大器概述,2 掺铒光纤放大器,3 光纤拉曼放大器,4 其它放大器,引出,采用光电光(O-E-O)变换方式 信号失真 WDM系统引入，复杂性和成本倍增,光接收,重要意义: 促使波分复用技术 (Wavelength Division Multiplexing，WDM)走向实用化，促进了光弧子技术和全光网络的发展，使光纤通信技术产生了质的飞跃。,光放大器,1 光放大器概述,利用某种具有增益的激活介质对注入其中的微弱光信号进行放大，使其获得足够的光增益，变为较强的光信号，从而实现对光信号的直接光放大。,1.1定义,光放大器是基于受激辐射机理来实现入射光功率放大

2、的。,1.2工作原理,1.3光放大器的重要指标-增益,(1) 增益G：,功率增益,放大器的放大能力,与泵浦功率和光纤长度的参数有关,1.3光放大器的重要指标-增益,(2)增益饱和与饱和输出功率：,表示最大输出能力,当输入光功率比较小时，增益G是一个常数，用符号G0表示，称为光放大器的小信号增益。 但当G增大到一定数值后，光放大器的增益开始下降，这种现象称为增益饱和；当光放大器的增益降至小信号增益G0的一半，也就是用分贝表示为下降3dB时，所对应的输出功率称为饱和输出光功率，是放大器的一个重要参数，饱和输出功率用Pouts表示。,9,1.3光放大器的重要指标-噪声,(1)光放大器的噪声来源： 主

3、要由于自发辐射被放大。自发辐射光子的相位和方向是随机的。对于有用信号没有贡献，就形成了信号带宽内的噪声，与放大信号在光纤中一起传输、放大，降低了信号光的信噪比。,(3)噪声系数 信噪比的劣化用噪声系数Fn表示，定义为输入信噪比与输出信噪比的比值。,10,(2)信噪比：正常信号功率与噪声功率的比值。,光放大器分类,半导体光放大器(SOA),掺铒光纤放大器(EDFA) 1550nm,非线性光纤放大器,掺稀土元素光纤放大器,布里渊光纤放大器(FBA),1.4光放大器家族,掺镨光纤放大器(PDFA) 1310nm,拉曼光纤放大器(FRA),内容简介：,2.1EDF结构,2掺铒光纤放大器,2.3结构和特

4、性,12,2.2工作原理,2.4性能指标,2.5应用,2.6优缺点,2 掺铒光纤放大器,掺铒（Er3+）光纤放大器(Erbium-Doped Fiber Amplifier，EDFA)是将掺铒光纤在泵浦源作用下形成的光纤放大器。,发展进程： 1964年，美国光学公司制成了第一台掺铒玻璃激光器。 1970年，光纤出现后，转入进行在光纤中掺杂激光器件的研究。 1985年，英国南安普顿大学的迈尔斯等人制成了掺铒光纤激光器。 1986年，又制造出EDFA。,EDFA,已经商用化,构造与单模光纤的构造一样。 铒离子位于纤芯中央地带，将铒离子放在这里有利于其最大地吸收泵浦和信号能量，从而产生好的放大效果。

5、,材料,掺Er3+光纤,2.1 EDF的结构,折射率较低的玻璃包层完善波导结构，提供抗机械强度的特性。 涂覆层将光纤总直径增大到 250m。,回顾：光与物质相互作用的三个过程,2.2 EDFA的工作原理,Er+3外层电子具有三能级结构： 能级1代表基态， 能量最低。 能级2是亚稳态， 处于中间能级。 能级3代表激发态， 能量最高。,16,2.2 EDFA的工作原理,当泵浦(Pump, 抽运)光激励，铒离子吸收泵浦光， 基态跃迁到激发态。 激发态不稳定，Er3+很快返回到亚稳态。 亚稳态粒子数积累，形成粒子数反转分布。 如果输入的信号光的能量等于基态和亚稳态的能量差 ，亚稳态的Er3+将跃迁到基

6、态，产生一个与信号光子完全一样的光子，实现了信号光在掺铒光纤中的放大。,平均寿命,1s,平均寿命,激发态,亚稳态,基态,2.2 EDFA的工作原理,EDFA的工作过程：,EDFA的工作过程, 980 nm光子泵浦激光器使er3+从基态泵浦能带(激发态),受激离子激发态亚稳带衰变得非常快(约1s)。 多余的能量以声子形式释放。,er3+从亚稳态能带 底端, 时间长(10 ms左右)。,2.2 EDFA的工作原理,EDFA的工作过程, 若有1480nm泵浦激光器 直接把电子从基态亚稳态能级的顶部；,电子将移到亚稳态能级的较低端，这时出现粒子数反转分布；,2.2EDFA的工作原理,EDFA的工作过程

7、,信号光激励,基态到亚 稳态跃迁： 1.基态的离子将吸收一小部分外部光,将跃迁到亚稳态-受激吸收 。,亚稳态离子，无激励光子流时，一部分跃迁到基态； 自发辐射放大(ASE)-导致放大器的噪声。,2. 信号光子触发激发态的离子使其下降到基态. 受激辐射-发射与输入信号光子具有相同能量、相同波矢量以及相同偏振态的新光子。 实现光信号放大。,亚稳态和基态的宽度：,15301560nm,超过1560nm时增益会稳定下降， 在大约1616nm处降至0dB。,2.2EDFA的工作原理,例EDFA和LD中都有受激辐射，两者有何区别？ 答：EDFA中的受激辐射产生于整个掺铒光纤材料中，其中粒子数反转分布是在掺

8、铒光纤材料的三能级结构之间直接（泵浦激光1480nm时）或间接（泵浦激光980nm时）实现的（最终在能级E2和E1之间形成粒子数反转分布）。三个能级是：低能级E1是基态能级，中间能级E2是亚稳态能级（电子平均寿命可达10ms），高能级E3是非稳态能级（电子的平均寿命1s）。 LD中受激辐射产生于p-n结半导体材料中的有源区，其中粒子数反转分布是在有源区导带和价带能级之间直接实现的。所谓有源区，是指加上适当正向电压后，p-n结交界面附近具有粒子数反转分布状态的窄区域。,2.3 EDFA结构和特性-结构,EDF的增益取决于Er3+的浓度、光纤长度和直径以及泵浦光功率等多种因素，通常由实验获得最佳增

9、益。,波分复用器(WDM)把泵浦光与信号光耦合； 基本要求：采用插入损耗小，熔拉双锥光纤耦合器型波分复用器。,光隔离器置于两端防止光反射；保证系统稳定工作和减小噪声。,光滤波器是滤除放大器噪声，提高系统的信噪比。,掺铒光纤(EDF)和高功率泵浦光源是关键器件；,对泵浦光源（波长通常为980 nm或1480 nm）的基本要求是大功率和长寿命。现在的研究表明波长为980 nm的泵浦效率最高，且噪声较低，是未来发展的方向。,2.3 EDFA结构和特性-结构,同向泵浦,因泵浦源所在的位置不同，分成同向、反向及双向泵浦方式。 1.同向泵浦：泵浦光与信号光从同一端注入掺铒光纤。输入泵浦光较强，故粒子反转激

10、励也强，其增益系数大。其优点是构成简单，噪声指数较小；缺点是输出功率较低。,2.3EDFA结构和特性-结构,2.反向泵浦：泵浦光与信号光从不同的方向输入掺铒光纤，两者在掺铒光纤中反向传输。 其优点是：当光信号放大到很强时，泵浦光也强，不易达到饱和，输出功率比同向泵浦高；缺点是噪声性能差。,输出信号,反向泵浦,2.3 EDFA结构和特性-结构,3.双向泵浦：可用多个泵浦源从多个方向激励光纤。 多个泵浦源部分前向，部分后向，结合前两种优点。使泵浦光在光纤中均匀分布，从而使其增益在光纤中均匀分布。,双向泵浦,2.3 EDFA结构和特性-特性,三种泵浦方式比较： 1.信号输出功率 三种方式的转换效率分

11、别为61%、76和77。在同样泵浦条件下，同向泵浦式的输出最低。,信号输出光功率与泵浦光功率的关系,2.3 EDFA结构和特性-特性,三种泵浦方式比较： 2.噪声特性 输出功率加大将导致粒子反转数的下降，因而在未饱和区，同向泵浦式噪声指数最小，但在饱和区，情况将发生变化。 对于不同掺铒光纤长度，同向泵浦方式噪声都最小。,放大器输出功率与NF的关系,光纤长度与NF的关系,三种泵浦方式性能差异总结： 同向泵浦: 噪声性能好 反向泵浦: 输出功率大 双向泵浦: 兼有上述优点,但成本高,2.3 EDFA结构和特性-特性,2.4 EDFA的重要指标-增益,EDFA的输出功率含信号功率和噪声功率两部分，噪

12、声功率记为PASE，则EDFA的增益为,EDFA的增益通常为1540dB。大小与铒离子浓度、泵浦功率和掺铒光纤长度有关。,2.4 EDFA的重要指标-增益,不同泵浦光功率下，当光纤长度较短时，增益增加很快；而超过某一长度，增益反而下降。 原因：长度增加，纤中泵浦光功率下降，且掺铒光纤损耗远大于普通光纤，从而导致增益下降。,掺铒光纤长度与放大器增益关系,对某个确定的泵浦功率存在一个最佳光纤长度，使得增益最大。,2.4 EDFA的重要指标-增益,不同长度的掺铒光纤，在泵浦功率不受限时，最大的光放大器增益G受限于光纤长度。,泵浦功率与放大器增益关系,从泵浦功率和光纤长度两方面综合考虑，以达到所要求的

13、增益标准。,可应用能量守恒原理，EDFA的输入输出功率表示为,2.4 EDFA的重要指标-增益,物理意义：EDFA输出信号能量不能超过注入泵 浦能量。,例题：EDFA做功率放大器，设其增益为20dB，泵浦波长为=980nm，输入光信号的功率为0dBm，假如波长为1550nm，求所用的最小泵浦源功率为多少？,功率放大器增益表达式为：,解：入射功率0dBm，即为1mw。,可求出EDFA的输出光信号功率为:,2.4 EDFA的重要指标-噪声系数,3.噪声系数 噪声系数Fn决定于自发辐射。 实验证实：在EDFA中，可得到接近3dB的噪声系数，这是噪声系数的极限。 EDFA极低噪声，成为光纤通信中的理想

14、放大器，是在光纤通信系统中广泛应用的一个重要原因。 但即使噪声这样低，当长距离光纤通信系统采用多级EDFA级联时，噪声影响使系统长度也受限。,例：若EDFA输入信号为300uW，在1 nm带宽内的输入噪声功率是30 nw，输出信号功率是60 mW，在1 nm带宽内的输出噪声功率增大到20uW，计算光放大器的噪声指数。,解：光放大器的输入信噪比为： ：,光放大器的输出信噪比为：,噪声指数为：,2.5 EDFA的系统应用,1. EDFA用作前置放大器,光接收器之前，提高接收机灵敏度可提高1020dB。即，在光信号进入接收机前，得到放大，以抑制接收机内的噪声。,小信号放大，要求低噪声，但输出饱和功率

15、则不要求很高。,2.5 EDFA的系统应用,2. EDFA用作功率放大器,放在光发射机之后用来提升输出功率，将通信距离延长10-20km。通信距离由放大器增益及光纤损耗决定，功率放大器除了要求低噪声外，还要求高饱和输出功率。,2.5 EDFA的系统应用,3. EDFA用作线路放大器,非常适合用在海底光缆，没有电中继器的光-电-光过程。,用EDFA可代替半导体光放大器，对线路中的光信号直接进行放大，使得全光通信技术得以实现。,2.5 EDFA的系统应用,4.EDFA用作本地网放大器,EDFA+WDM结合可在宽带本地网，特别在电视分配网中得到应用。它补偿由于分路带来的损耗及其他损耗，极大地扩大了网

16、径和用户数量。,40,2.6 EDFA的优点和缺点,优点：,工作频带正处于光纤损耗最低处(1525-1565nm)；,能量转换效率高。激光工作物质集中在光纤芯子的近轴部分，而信号光和泵浦光也在近轴部分最强，则光与物质作用很充分。 频带宽，可以对多路信号同时放大-波分复用； 增益高，噪声低，输出功率大。增益达40dB。输出功率在单向泵浦14dBm，双向泵浦17dBm-20dBm，充分泵浦时，噪声系数可低至34dB，串话也很小。,2.6 EDFA的优点和缺点,优点：,增益特性不敏感。对温度不敏感，在100内增益特性保持稳定。,可实现信号的透明传输。在波分复用系统中，同时传输模拟信号和数字信号，高速率信号和低速率信号。,缺点：,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。,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。,内容简介：,3.3系统应用,3.1工作原理,3光纤拉曼放大器,3.2结构,3.4性能