《光纤通信》 第5讲光放大器

第五讲光放大器2020/1/312主要内容一、引言二、光纤放大器的分类☆三、掺铒光纤放大器☆四、拉曼光纤放大器简介2020/1/313一、引言目前研制的光放大器分为:光纤放大器（OFA）和半导体光放大器（SOA）两大类。SOA早期因受噪声、偏振相关性等因素的影响，性能达不到实用要求，但SOA结构简单、适于批量生产、成本低、寿命长、功耗小，还能与其它部件一块集成以及使用波长范围可望覆盖EDFA和PDFA的应用窗口。因此，SOA是进一步研究的重要器件之一。2020/1/314光纤放大器（OpticalFiberAmpler，简写OFA）是指运用于光纤通信线路中，实现信号放大的一种新型全光放大器。根据它在光纤线路中的位置和作用，一般分为:中继放大、前置放大和功率放大三种。同传统的半导体激光放大器（SOA）相比较，OFA不需要经过光电-电光转换和信号再生等复杂过程，可直接对信号进行全光放大，具有很好的“透明性”，特别适用于长途光通信的中继放大。可以说，OFA为实现全光通信奠定了一项技术基础2020/1/315传统再生中继器:光-电-光转换全光放大器:光-光中继,实现光纤通信全光化2020/1/316传统再生中继器:光-电-光转换全光放大器:光-光中继,实现光纤通信全光化比较：再生器色散总清单通路调制比特率特定光放大器色散积累多通路调制比特率通透优点：减少信号多次变换的失真提高系统的可靠性和稳定性2020/1/317二、光纤放大器的分类根据放大机制不同，OFA可分为两大类。1掺稀土OFA制作光纤时，采用特殊工艺，在光纤芯层沉积中掺入极小浓度的稀土元素，如铒、镨或铷等离子，可制作出相应的掺铒、掺镨或掺铷光纤。光纤中掺杂离子在受到泵浦光激励后跃迁到亚稳定的高激发态，在信号光诱导下，产生受激辐射，形成对信号光的相干放大。这种OFA实质上是一种特殊的激光器，它的工作腔是一段掺稀土粒子光纤，泵浦光源一般采用半导体激光器。2020/1/318当前光纤通信系统工作在两个低损耗窗口：1.55μm波段和1.31μm波段。选择不同的掺杂元素，可使放大器工作在不同窗口。（1）掺铒光纤放大器（EDFA）EDFA工作在1.55μm窗口，该窗口光纤损耗系数低（仅0.2dB／km）。已商用的EDFA噪声低，增益曲线好，放大器带宽大，与波分复用（WDM）系统兼容，泵浦效率高，工作性能稳定，技术成熟，在现代长途高速光通信系统中备受青睐。目前，“掺铒光纤放大器（EDFA）+密集波分复用（WDM）+非零色散光纤（NZDF）+光子集成（PIC）”正成为国际上长途高速光纤通信线路的主要技术方向。2020/1/319（2）掺镨光纤放大器（PDFA）PDFA工作在1.31μm波段，已敷设的光纤90％都工作在这一窗口。PDFA对现有光通信线路的升级和扩容有重要的意义。目前已经研制出低噪声、高增益的PDFA，但是它的泵浦效率不高，工作性能不稳定，增益对温度敏感，离实用还有一段距离。2020/1/31102非线性OFA非线性OFA是利用光纤的非线性效应实现对信号光放大的一种激光放大器。当光纤中光功率密度达到一定阈值时，将产生受激拉曼散射（SRS）或受激布里渊散射（SBS），形成对信号光的相干放大。非线性OFA可相应分为拉曼光纤放大器（SRA）和布里渊光纤放大器（BRA）。目前研制出的SRA尚未商用化。2020/1/3111三、掺铒光纤放大器—概况掺铒光纤放大器（EDFA）是80年代后期发展起来的新型光纤通信产品。它的研制成功，打破了光纤通信传输距离受光纤损耗的限制，使全光通信距离延长至几千公里，给光纤通信带来了革命性的变化，被誉为光纤通信发展的一个“里程碑”。掺铒光纤放大器的工作光谱波段为1530nm至1560nm，与光纤通信的1550nm这个窗口完全匹配。掺铒光纤放大器可以对光信号进行直接光放大，具有增益高、输出功率大、噪声低、响应速度快。对信号的编码格式没有要求等优点，因此在光纤传输系统中有广泛的用途。2020/1/3112它可以用作光的功率放大器、中继放大器和前置放大器，可以用于数字的和模拟的光纤通信系统，CATV系统和光纤传输网络。由于掺铒光纤放大器的出现，使无中继的光纤传输距离大大延长，使密集波分复用成为可能，使复杂的光纤网络的构造成为可行，也使光弧子技术等先进光纤通信技术取得突破性进展。注：铒(Er)是一种稀土元素(属于镧系元素),原子序数是68，原子量是167.3。EDFA在980nm泵浦时，是一个典型的三级能级系统，在1480nm泵浦时，是一个准二级能级系统。2020/1/3113三、掺铒光纤放大器—基本结构EDFA:ErbiumDopedFiberAmplifier基本结构：EDFA是由掺铒光纤、泵浦光源、波分复用器构成。输入信号光隔离器波分复用器泵浦掺铒光纤光隔离器输出信号2020/1/3114三、掺铒光纤放大器掺铒(Er3+)光纤中的电子能级铒离子的电子能级如图：由图可以看出，一些具有重要意义的跃迁过程主要是：铒离子的吸收和发射分别发生在下列能级之间：吸收过程：从基态4I15/2→→4I9/2(对应800nm波长)→4I11/2(对应980nm波长)→4I13/2(对应1480nm波长)发射过程：从激发态4I13/2→→4I15/2(对应1536nm波长)2020/1/3115三、掺铒光纤放大器掺铒(Er3+)光纤中的电子能级(续)从右图可以看到，在掺铒光纤(EDF)中，铒离子(Er3+)有三个能级,其中能级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。2020/1/3116EDFA放大原理电子吸收泵浦光受激辐射跃迁跃迁无辐射跃迁E3E2E1弱光强光泵浦光激发态亚稳态基态简单讲，是由于在掺铒光纤中铒离子的外层电子在泵浦光作用下呈现出粒子数反转分布状态，当受到入射光照时，受激辐射，从而使光信号得到增强。（注意无辐射跃迁的时间1us-10ms）2020/1/3117三、掺铒光纤放大器—谱图可见这种放大是由于泵浦光的能量转换为信号光的结果。为提高放大器增益，应提高对泵浦光的吸收，使基态Er3+尽可能跃迁到激发态，下图示出EDFA增益和吸收频谱。2020/1/3118三、掺铒光纤放大器—谱图下图示出输出信号光功率和输入泵浦光功率的关系，由图可见，泵浦光功率转换为信号光功率的效率很高，达到92.6％。当泵浦光功率为60mw时，吸收效率[(信号输出光功率－信号输入光功率)／泵浦光功率]为88％。2020/1/3119三、掺铒光纤放大器—谱图下图示出小信号条件下增益和泵浦光功率的关系，当泵浦光功率小于6mw时，增益线性增加，增益系数为6.3dB／mw。2020/1/3120正向泵浦2020/1/3121反向泵浦2020/1/3122双向泵浦2020/1/3123EDFA应用光中继：TransmitterreceiverEDFAEDFA光接收机前置放大器：TransmitterreceiverEDFA光发射机后置放大器：receiverTransmitterEDFA2020/1/3124EDFA的优点EDFA的主要优点有：（1）工作波长正好落在光纤通信最佳波段（1500～1600um）；其主体是一段光纤（EDF），与传输光纤的耦合损耗很小，可达0.1dB。（2）增益高，约为30～40dB；饱和输出光功率大，约为10～15dBm；增益特性与光偏振状态无关。（3）噪声指数小，一般为4～7dB(极限约为3dB)；用于多信道传输时，隔离度大，无串扰，适用于波分复用系统。2020/1/3125EDFA的优点（4）频带宽，在1550nm窗口，频带宽度为20～40nm，可进行多信道传输，有利于增加传输容量。所以“波分复用+光纤放大器”被认为是充分利用光纤带宽增加传输容量最有效的方法。1550nmEDFA在各种光纤通信系统中得到广泛应用，并取得了良好效果。副载波CATV系统，WDM系统，相干光系统以及光孤子通信系统，都应用了EDFA，并大幅度增加了传输距离。2020/1/31262020/1/3127ThankYou2020/1/3128拉曼光纤激光放大器简介一、引言拉曼光纤激光放大器是基于光纤的非线性效应实现光的放大，典型的为拉曼光纤激光放大器和布里渊光纤激光放大器。由于EDFA尚存在诸多不足之处：首先是对于所利用单模光纤低损耗区的巨大带宽资源而言，明显存在着工作波段和带宽的局限性。其次是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机端的信噪比。因此，拉曼光纤放大器逐渐引起人们的重视，但拉曼光纤放大器距离真正商用化还有一段距离。2020/1/3129拉曼光纤放大器的基本原理、特点和应用拉曼光纤放大器的原理是基于光纤中的非线性效应：受激拉曼散射（SRS）。拉曼现象早在1928年就被ChandrasekharaRaman爵士所发现。目前对SRS效应的研究已形成一套比较完整的理论体系。在许多非线性光学介质中，高能量（波长较短）的泵浦光散射，将一小部分入射功率转移到另一频率下移的光束，频率下移量由介质的振动模式决定，此过程称为拉曼效应。量子力学描述为入射光波的一个光子被一个分子散射成为另一个低频光子，同时分子完成振动态之间的跃迁，入射光作为泵浦光产生称为斯托克斯波的频移光。2020/1/3130研究发现，石英光纤具有很宽的受激拉曼散射（SRS）增益谱，并在13THz附近有一较宽的主峰。如果一个弱信号与一强泵浦光波同时在光纤中传输，并使弱信号波长置于泵浦光的拉曼增益带宽内，弱信号光即可得到放大，这种基于受激拉曼散射机制的光放大器即称为拉曼光纤放大器。拉曼光纤放大器有三个突出的特点：a、其增益波长由泵浦光波长决定，只要泵浦源的波长适当，理论上可得到任意波长的信号放大；b、其增益介质为传输光纤本身；c、噪声系数低。2020/1/3131特点a使拉曼光纤放大器可以放大EDFA所不能放大的波段，使用多个泵浦源还可得到比EDFA宽得多的增益带宽（后者由于能级跃迁机制所限，增益带宽只有80nm），因此，对于开发光纤的整个低损耗区1270nm-1670nm具有无可替代的作用。特点b使拉曼光纤放大器可以对光信号进行在线放大，构成分布式放大，实现长距离的无中继传输和远程泵浦，尤其适用于海底光缆通信等不方便设立中继器的场合。而且因为放大是沿光纤分布而不是集中作用，光纤中各处的信号光功率都比较小，从而可降低非线性效应尤其是四波混频（FWM）效应的干扰。特点c使其与常规EDFA混合使用时可大大降低系统的噪声指数，增加传输跨距。2020/1/3132拉曼光纤放大器的类型：拉曼光纤放大器有两种类型：一种为集总式拉曼放大器：所用的光纤增益介质比较短，一般在几公里，泵浦功率要求很高，一般在几到十几瓦特，可产生40dB以上的高增益，象EDFA一样用来对信号光进行集中放大，主要作为高增益、高功率放大，可放大EDFA所无法放大的波段。在2000年的欧洲光通信会议上，斯坦福大学的研究人员报道了他们进行的集总式拉曼放大实验的结果，用十种不同的光纤分别做增益放大介质比较得出，色散补偿型光纤是得到高质量集总式拉曼光纤放大器的最佳选择。这预示我们可以在进行系统色散补偿的同时对信号进行高增益、低噪声的放大，而且互相不影响。2020/1/3133另一种为分步式拉曼放大器。所用的光纤比较长，一般为几十公里，泵源功率可降低到几百毫瓦，主要辅助EDFA用于DWDM通信系统性能的提高，抑制非线性效应，提高信噪比。在DWDM系统中，传输容量，尤其复用波长数目的增加，使光纤中传输的光功率越来越大，引起的非线性效应也越来越强，容易产生信道串扰，使信号失真。采用分布式拉曼光纤放大辅助传输可大大降低信号的入射功率，同时保持适当的光信号信噪比（OSNR）。这种分布式拉曼放大技术由于系统传输容量提升的需要而得到快速的发展。2020/1/3134总结：拉曼光纤放大器结合EDFA等稀土掺杂光纤放大器必将成为未来宽带、高速、长距离光通信传输实现光放大的理想方案！光纤激光器目前仍处于实