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1、第十章第十章 光放大器光放大器 光放大器最新课件光放大器的重要性影响：光放大器最重要的意义在于促使波分复用技术 (WDM) 走向实用化、促进了光接入网的实用化历史：以1989年诞生的掺铒光纤放大器 (Erbium Doped Fiber Amplifier, EDFA) 代表的全光放大技术是光纤通信技 术上的一次革命动机：解决电中继器设备复杂、维护难、成本高的问题 David Payne光放大器最新课件光放大器的类型及其特点v (1)半导体放大器：易与其他半导体器件集成，但性能与光偏振方向有关，器 件与光纤的耦合损耗大。结构大体上与激光二极管 (Laser Diode, LD) 相同 光放大器
2、最新课件（2）光纤喇曼放大器（FAR）它是利用石英光纤的非线性效应而制成。在合适波长的强光作用下，石英光纤会出现受激喇曼散射（SRS）效应，当光信号沿着这受激发的一段光纤中传输时，可以使其实现光放大。FRA具有频带宽、增益高、输出功率大、响应快等优点；其缺点是需要大功率的半导体激光器作泵浦源（约数瓦）。光放大器最新课件铒（ErEr）是一种稀土元素。将它注入到是一种稀土元素。将它注入到纤芯中，即形成了芯中，即形成了一种特殊光一种特殊光纤，它在，它在泵浦光的作用下可直接浦光的作用下可直接对某一波某一波长的的光信号光信号进行放大。行放大。EDFAEDFA的主要的主要优点有：点有：工作波工作波长处在在
3、1530153015601560nmnm范范围，与光，与光纤最小最小损耗窗口耗窗口一致；一致；对掺铒光光纤进行激励的行激励的泵浦功率低，浦功率低，仅需几十毫瓦；需几十毫瓦；连接接损耗低，耦合效率高。因耗低，耦合效率高。因为它是光它是光纤型放大器，因型放大器，因此易于与光此易于与光纤耦合耦合连接，且连接损耗可低至0.1dB。增益高且特性增益高且特性稳定、噪声低、定、噪声低、输出功率大。增益可达出功率大。增益可达4040dBdB，且在且在100100内增益特性保持内增益特性保持稳定，也与偏振无关。噪定，也与偏振无关。噪声系数可低至声系数可低至3 34 4dBdB，输出功率可达出功率可达141420
4、20dBmdBm；对各种各种类型、速率与格式的信号型、速率与格式的信号传输透明。透明。（3 3）掺铒光纤放大器（）掺铒光纤放大器（EDFAEDFA）光放大器最新课件vEDFAEDFA的缺点有的缺点有：波长固定，只能放大1550nm左右的光波，可调节的波长有限；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。光放大器最新课件光放大器的工作原理光放大器与激光器的唯一区别就是光放大器没有正反馈机制(2) 受激辐射(1) 能量注入光放大器最新课件掺铒光纤放大器v工作原理v结构v功率转换效率及增益v放大器噪声v系统的应用光放大器最新课件掺铒光光纤放大器的工作原理放大器的工作原理1. 1
5、. 掺铒光纤放大器（掺铒光纤放大器（EDFAEDFA）的基本结构的基本结构v掺铒光纤放大器主要由掺铒光纤（EDF）、泵浦光源、光耦合器、光隔离器以及光滤波器等组成。如图6.1所示。光隔离器光耦合器光隔离器光滤波器泵浦光源掺铒光纤输入光信号输出光信号图6.1 掺铒光纤放大器结构示意图光放大器最新课件v光隔离器是防止反射光影响光放大器稳定工作，保证光信号只能正向传输的器件。v光滤波器的作用是滤除光放大器的噪声、降低噪声对系统的影响,提高系统的信噪比.光放大器最新课件v光耦合器是将输入光信号和泵浦光源输出的光波混合起来的无源光器件，一般采用波分复用器。v掺铒光纤是一段长度大约为10100m的石英光纤
6、，将稀土元素铒离子注入到纤芯中，浓度约为25/。光放大器最新课件v泵浦光源为半导体激光器，输出的光功率为10100mW，工作波长约为980nm或1480nm。按照泵浦光源的泵浦方式不同，EDFA又可有三种不同的结构方式:光放大器最新课件（1 1）同向同向泵浦浦结构构v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。其优点是构成简单，噪声指数较小;缺点是输出较低。光放大器最新课件（2 2）反向反向泵浦浦结构构v在反向泵浦方案中，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，
7、如6.2图所示。光放大器最新课件光隔离器光耦合器光隔离器光滤波器泵浦光源掺铒光纤输入光信号输出光信号图6.2 反向泵浦式掺铒光纤放大器结构光放大器最新课件（3 3）双向双向泵浦浦结构构v在双向泵浦方案中，有两个泵浦光源，其中一个泵浦光与信号光以同一方向注入掺铒光纤，另一个泵浦光从相反方向注入掺铒光纤。这种方式结合了同向泵浦和反向泵浦的优点，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，输出功率最大.如图6.3所示。光放大器最新课件光隔离器输入光信号掺铒光纤光耦合器光隔离器光滤波器泵浦光源输出光信号光耦合器泵浦光源图6.3 双向泵浦式掺铒光纤放大器结构光放大器最新课件泵浦光功率Fn反向
8、泵浦双向泵浦输出光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(a)转换效率的比较 (b)噪声系数与放大器输出功率的关系 (c)噪声系数与掺铒光纤长度之间的关系不同泵浦方式下输出功率及噪声特性比较光放大器最新课件2.2.掺铒光纤放大器的工作原理掺铒光纤放大器的工作原理v掺铒光纤放大器的工作原理与半导体激光器的工作原理相同，它之所以能放大光信号，简单地说，是在泵浦源的作用下，在掺铒光纤中出现了粒子数反转分布，产生了受激辐射，从而使光信号得到放大。由于EDFA具有细长的纤形结构,使得有源区的能量密度很高,光和物质的作用区很长,这样可以降低对泵浦源功率的要求
9、。光放大器最新课件掺铒光纤放大器的工作原理v EDFA：Eribium Doped Optical-Fiber Amplifierv 在掺铒光纤（EDF）中，铒离子有三个能级：基态E1、亚稳态E2和激发态E3。当泵浦光的光子能级等于E3和E1的能量差时，铒离子吸收泵浦光的光能从基态跃迁到激发态，但激发态不稳定，电子很快返回到E2，若输入的信号光的光子能量等于E2和E1之间能量差，则电子从E2跃迁到E1，产生受激辐射光，故光信号被放大。 光放大器最新课件在掺铒光纤中如何形成离子数翻转光放大器最新课件v EDFA模块元件v40/32/16通道DWDM用C-Band EDFA 实物图v980nm 泵
10、浦激光器组件 光放大器最新课件3 3掺铒光光纤放大器的特性放大器的特性 1) 1)功率增益功率增益v功率增益反映掺铒光纤放大器的放大能力，定义为输出信号光功率Pout与输入信号光功率Pin之比，一般以分贝（dB）来表示。（3-24） 光放大器最新课件v功率增益的大小与铒离子浓度、掺铒光纤长度和泵浦功率有关。如图6.4所示。(饱和增益和最佳光纤长度)图6.4 掺铒光纤放大器增益与泵浦功率、光纤长度的关系光放大器最新课件图图7.9 掺掺铒铒离离子子硅硅光光纤纤的的g-曲曲线线光放大器最新课件v2)2)噪声特性噪声特性v掺铒光纤放大器的噪声主要来自它的自发辐射。在激光器中，自发辐射是产生激光振荡所不
11、可缺少的，而在放大器中它却成了有害噪声的来源。 光放大器最新课件v它与被放大的信号在光纤中一起传播、放大、在检测器中检测时便得到下列几种形式的噪声：自发辐射的散弹噪声；自发辐射的不同频率光波间的差拍噪声；信号光与自发辐射光间的差拍噪声；信号光的散弹噪声。v由于本身产生的噪声，使放大后信号的信噪比下降，造成对传输距离的限制，因而是放大器的一项重要指标。光放大器最新课件v衡量掺铒光纤放大器噪声特性可用噪声系数F来表示，它定义为放大器的输入信噪比与输出信噪比之比。 v(SNR)in和(SNR)out分别代表输入和输出信噪比，一般噪声系数越小越好。光放大器最新课件光放大器的基本应用和类型光放大器的基本
12、应用和类型在线光放大：用于不需要光再生只需要简单放大的场合前置光放大：用于提高接收机的灵敏度功率放大：增加发送功率，从而增加光纤中继距离、补偿插入 损耗和功率分配损耗 (如PON中)光放大器最新课件多信道应用SOA中的非线性效应严重，易产生信道间干扰，不宜使用EDFA的优势：经过补偿和处理，EDFA可在1530 1600 nm波长范围提供平坦增益，使各个信道保持相近的信噪比光放大器最新课件光放大器最新课件半导体光放大器半导体光放大器 (SOA)pn外加正向偏压实现结区粒子数反转外部光照导致受激辐射，信号光被放大内部的自发辐射产生自发辐射噪声(ASE)，它也会被放大没有谐振腔的选择，SOA将同时
13、输出放大的光信号和自发辐射噪声光放大器最新课件SOA的分类容易制作，但光信号增益对放大器温度及入射光频率变化都很敏感带宽宽、饱和功率高以及偏振灵明度低，因此使用更为广泛光放大器最新课件vSOA的主要特性v(1) 它们与偏振有关， 因此需要保偏光纤。 v(2) 它们具有可靠的高增益(20 dB)。 v(3) 它们的输出饱和功率范围是510 dBm。 v(4) 它们具有大的带宽。 v(5) 它们工作在0.85 m， 1.30 m和1.55 m波长范围。 v(6) 它们是小型化的半导体器件， 易于和其他器件集成。 v(7) 几个SOA可以集成为一个阵列。 v但是， 由于非线性现象(四波混频)， SO
14、A的噪声指数高， 串扰电平高。 光放大器最新课件SOA的性能与应用 v SOA的应用主要集中在以下几个方面。 v 1. 光信号放大器v 因为在世界范围内已铺设了大量的常规单模光纤， 还有很多系统工作在1.31 m波段， 并需要周期性的在线放大器， 而工作波长为1.31m的EDFA目前尚未达到实用化的水平， 所以仍然需要SOA。 光放大器最新课件v 2. 光电集成器件v 半导体放大器可与光纤放大器相抗衡的优点是体积小、 成本低以及可集成性, 即可以集成在含有很多其它光电子器件(例如激光器和检测器)的基片上。 光放大器最新课件v 3. 光开关 v 除了能提供增益外， 半导体放大器在光交换系统中可以
15、作为高速开关元件使用。 因为半导体在有泵浦时可以产生放大， 而在没有泵浦时产生吸收。 其运转很简单， 当提供电流泵浦时信号通过， 而需要信号阻断时将泵浦源断开。 通过的信号因半导体中载流子数反转而得到放大， 而受阻的信号则因半导体没有达到载流子反转数而被吸收。 值得注意的是， 只有半导体放大器才能够完成高速交换， 在光纤放大器中由于载流子寿命太长而难以做到这一点。 光放大器最新课件v 4. 全光波长变换器AOWC v SOA的一个主要应用是利用SOA中发生的交叉增益调制、 交叉相位调制和四波混频效应来实现波长转换。光放大器最新课件图5.14 SOA-XGM的基本结构和原理 (a) 基本结构； (b) 原理光放大器最新课件优点：可以对40 Gb/s的信号进行波长转变换对信号的偏振不敏感缺点：转换后的信号消光比不高转换后的信号与转换前的信号反相由于载流子的自发辐射造成S/N的恶化 转换后信号的相位信息由于频率的啁啾而丢失光放大器最新课件MZI型SOA-XPM型AOWC 优点：可以对80 Gb/s的信号进行波长转变换对信号的偏振不敏感缺点：只能对单一波长进行波长转换光放大器最新课件SOA-FWM型AOWC优点：真正的全光波长转换缺点：随着转换波长范围的扩大，转换 效率迅速降低光放大器最新课件
