光放大器原理、分类及特点图文

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其它放大器引出铺设更多的光缆成本高受器件响应速度限制Internet数据量急剧增长追求更高的传输容量提高传输速率光时分复用技术系统复杂波分复用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光纤光纤中继器1N23DWM光发送－1N32DWM－光接收1N23DWM光发送－1N32DWM－重要意义:促使波分复用技术(WavelengthDivisionMultiplexing，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。被放大的光信号输入光信号光放大器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的。1.2工作原理(2)受激辐射(1)能量注入1.3光放大器的重要指标-增益(1)增益G：功率增益=10lg输出光功率输入光功率(dB)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。91.3光放大器的重要指标-噪声(1)光放大器的噪声来源：主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。()()innoutSNRFSNR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结构和特性122.2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-DopedFiberAmplifier，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。掺铒高密度带(100～2000ppm)直径3～6m掺锗的纤芯直径125mSiO2包层直径250m涂覆层材料掺Er3+光纤2.1EDF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250μm。回顾：光与物质相互作用的三个过程2.2EDFA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基态亚稳态激发态平均寿命1s平均寿命2.2EDFA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1s平均寿命泵浦波长放大器带宽激发态亚稳态基态2.2EDFA的工作原理EDFA的工作过程：EDFA的工作过程①980nm光子泵浦激光器使er3+从基态→泵浦能带(激发态)②受激离子激发态→亚稳带衰变得非常快(约1μs)。多余的能量以声子形式释放。er3+从亚稳态能带→底端,时间长(10ms左右)。2.2EDFA的工作原理EDFA的工作过程③若有1480nm泵浦激光器直接把电子从基态→亚稳态能级的顶部；④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⑥。⑤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⑦。实现光信号放大。亚稳态和基态的宽度：1530～1560nm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1μs）。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。2.3EDFA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980nm或1480nm）的基本要求是大功率和长寿命。现在的研究表明波长为980nm的泵浦效率最高，且噪声较低，是未来发展的方向。2.3EDFA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。光隔离器WDMEDF光隔离器泵浦激光器输入信号输出信号光滤波器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。输出信号光隔离器WDMEDF光隔离器输入信号泵浦激光器光滤波器反向泵浦2.3EDFA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。双向泵浦光隔离器WDMEDF光隔离器输入信号输出信号泵浦激光器泵浦激光器光滤波器WDM2.3EDFA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2.3EDFA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2.3EDFA结构和特性-特性2.4EDFA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，噪声功率记为PASE，则EDFA的增益为10lgoutinASEEGPPdBPoutPinP式中，分别是输出光信号和输入光信号功率。EDFA的增益通常为15~40dB。大小与铒离子浓度、泵浦功率和掺铒光纤长度有关。2.4EDFA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。2.4EDFA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2.4EDFA的重要指标-增益,,,,s,,spsoutsinpinspininsoutpPPPPPP式中，是输入泵浦功率，是信号输入功率，是信号输出功率，和分别为泵浦波长和信号波长。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λ=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。,,10lgoutinsEsGPdBP可求出EDFA的输出光信号功率为:mWmWPPEGinsouts10010110102010,,inSinPSPinSoutSEPPPPG,,,,1,得到泵浦输入功率应满足由mWmWmWPPPinSoutSPSinP6.15611009801550,,,2.4EDFA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。()()inoutnSNRSNRF例：若EDFA输入信号为300uW，在1nm带宽内的输入噪声功率是30nw，输出信号功率是60mW，在1nm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。331010)(30)(10300)(30)(300)(nWnWnWWSNRin33103)(20)(1060)(20)(60)(33.3103101033outinnSNRSNRF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：2.5EDFA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10～20dB。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，但输出饱和功率则不要求很高。2.5EDFA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。2.5EDFA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。2.5EDFA的系统应用