5、光放大技术解析

1第一节光放大器第二节EDFA的结构和工作原理第三节EDFA的性能参数和基本应用形式第四节EDFA在WDM系统中的应用第五节光纤拉曼放大器光放大技术2第一节光放大器概述光纤有损耗，光路器件也有损耗、衰减是限制中继传输距离的一个重要因素，克服措施有两个：1、中继器光/电/光转换，但是不经济；2、光放大器直接放大光信号，补偿光纤衰减，延长传输距离一、光放大器1、半导体光放大器（SOA）（1）谐振式SOA，如F-P（发布里，佩罗型FPA）；（2）行波式，TWLA但是与光纤耦合困难，对偏振敏感。利用其非线性特性制成一些光学器件，如光波长转换，合成分波。32、光纤放大器：用光纤做成的放大器（1）掺杂光纤放大器（掺稀土元素光纤放大器）a.1550nm光纤放大器，如：掺铒光纤放大器（EDFA）b.1310nm光纤放大器，如：掺镨光纤放大器（PDFA）（2）非线性光纤放大器a.拉曼光纤放大器（SRA）b.布里渊光纤放大器（SBA）4二、各类放大器的性能比较半导体光放大器光纤放大器FPATWLAEDFASRASBA小信号增益（dB）25~3020~4030~50~50~30饱和输出功率（dBm）~8~910以上30~5三、EDFA的重要特点1.工作波长与光纤最小损耗窗口一致；2.增益高而稳定.噪声低，输出功率大；3.可实现透明传输.能放大数字、模拟信号，也能放大不同速率调制方式的数字信号；4.耦合效率高.与光纤易连接，连接损耗小。6第二节EDFA的结构和工作原理一、EDFA的基本结构1、组成：掺铒光纤（EDF）、泵浦光源、光耦合器、隔离器、光滤波器EDF：在光纤的纤芯中掺入了铒离子长度几十到100m泵浦光源：波长980或1480nm，光功率几十mw2、各部分的功能光耦合器:将泵浦光和耦合光混合起来送入EDF；泵浦光：对EDF进行激励，提供能量；EDF：在泵浦光激励下，使EDF中出现粒子数反转分布,产生受激辐射，实现光放大；光隔离器：防止反射光影响EDFA的工作稳定性；光滤波器：滤除部分光放大器的噪声；7信号光通过光耦合器与泵浦光一起送入EDF，在EDF中逐渐放大，输出放大光；8二、工作原理下页图为铒粒子的能级图，无外界能量激发时，粒子处于基态E1（最低能级上），在泵浦光（例如980nm）激发下，处于基态E1的粒子获得能量，向高能级跃迁E1→E3，E3上粒子不稳定，立即无辐射跃迁到亚稳态E2，在该能级上粒子数为稳态（存活时间长），在泵浦光不断激励下，E2能级上的粒子不断增加（而E1上的粒子不断减少），达到了粒子数反转分布状态，当输入光信号的能量正好等于E2和E1能量级差时，则E2上的粒子以受激辐射的状态跃迁到E1，辐射出全同光子，实现了光放大。由1480nm泵浦时，粒子从E1直接跃迁到亚稳态E2，其他相似。目前，1480nm和980nm的泵浦效率高于其他泵浦波长800，670nm等，故采用前两个波长。9514nm655nm807nm980nm1480nmE1E2E3E41550nm信号泵浦光1550nm3Er能级分布、泵浦光、信号光的关系413/2I411/2I49/2I49/2F43/2S211/2H10三、EDFA的基本结构1、同向泵浦（前向泵浦）泵浦光与信号光在掺铒光纤中传送方向相同。噪声性能较好，输出功率较小。2、反向泵浦（后向泵浦）泵浦光与信号光在EDF中传送方向相反，噪声较大，输出功率较大。3、双向泵浦使用两个泵浦光源，从EDF两端同时注入泵浦光的方式。输入光功率大，噪声较小。1112第三节EDFA的性能参数和基本应用形式一、功率增益G-表征EDFA的放大能力1、定义P1，P2分别为EDFA的输入、输出光功率2、实用值小信号1540dB)(lg1012dBppG133、G与输入光功率的曲线关系14二、工作带宽（工作波长范围）1、放大器的G和信号波长λ的关系长波长（红带）：（15401565nm)短波长（兰带）：（15251540nm）152、带宽定义：在增益波长曲线上取得最大值的一半所对应的波长间隔,即半极大值全宽（FWHM）3、实用值：15301565nm16三、饱和输出功率Pmax-表征EDFA最大输出光功率的能力1、定义:在EDFA增益输出功率曲线上，放大器最大增益下降3dB（最大放大倍数的一半）时对应的输出光功率2、实用值：15dBm20dBm17四、噪声系数F1、噪声源，自发辐射噪声（ASE）2、F的定义（SNR）in，（SNR）out分别为输入和输出的信噪比3、实用值：48dB（理论极限3dB）980nm比1480nm泵浦的EDFAF可优12dBoutinSNRSNRF)()(18五、EDFA的应用1、功率放大（BA）要求：Pmax大，噪声要求不高。192、前置放大（PA）要求：G大，噪声小。203、线路放大（LA）（1）要求：G大，噪声较小。（2）EDFA线路放大和光中继器作用的异同光中继器既有放大又有再生作用，既能补偿光纤衰减又能消除光纤色散引起的光脉冲波形的畸变对系统性能的影响。EDFA只有光放大作用，不能消除色散对系统性能的影响。因此，在高速率光纤传输系统中，EDFA不能完全替代光中继器。21第四节EDFA在WDM系统中的应用WDM系统对EDFA的要求：足够带宽、增益平坦、低噪声、高输出功率一、增益平坦1.增益平坦度（GF）（1）GF定义：是指在整个可用增益带宽内，最大增益波长点的增益与最小增益波长点的增益之差。（2）对GF要求:单个放大器的GF应限制在1dB内2.克服EDFA增益不平坦的措施（1）选用EDFA增益平坦区红带（1540-1565nm）增益平坦,优先使用22（2）选用带宽EDFAa.改变光纤的掺杂成分平抑增益波动b.EDFA（输出端）加隔波器吸收最大增益点的功率，平抑增益波动。（3）增益均衡技术a.工作原理：利用光均衡器的损耗波长特性和EDFA的增益波长特性相反，实现增益平坦。b.常用的光增益均衡器:标准光滤波器、介质多层薄膜滤波器、光纤光栅滤波器等。23二、EDFA的增益竞争1.增益竞争：WDM系统中同时放大多个波长，当其中某些波长（信道）输出光功率突然中断时，泵浦功能量会在剩余的信道重新分配，使剩余信道的增益即输出光功率增益增加的现象。2.影响：增益竞争现象严重时（极限状态为只剩一个信道有输入光功率，该信道输出功率最大）使剩余信道的增益即输出光功率大大提高，使剩余信道的增益即输出光功率大大提高，使这些信道接收光功率过载引起误码。243.措施增益锁定技术（1）控制泵浦光源法：监测EDFA的输入输出光功率，当某些信道输入光中断时，输出和输入光功率比增加，这时可通过反馈电路控制EDFA泵浦功率，保持各通道输出功率稳定。（2）饱和波长法：除工作波长外，系统发送另一波长称为饱和波长，正常时饱和波长输出功率小，当信道中断输入时，饱和波长功率自动增加，使各信道输出功率稳定。25三、EDFA的光浪涌道1.光浪涌：当输入“0”，“1”数字信号时，输出光脉冲在“0”到“1”的实变处产生一个功率的尖峰。2.光浪涌对系统的影响：其高度可达数瓦，导致光检测器或光纤连接器的端面损坏。3.措施：采用光浪涌保护装置,即控制EDFA泵浦光功率26四、色散影响采用EDFA系统中色散成为限制中继距离的主要因素采取措施（1）加光中继器（2）采用色散补偿技术五、EDFA的安全性措施自动功率切断（APSD）和重新启动功能，即当监测到信号丢失时，能自动关闭发送光功率和相应的线路放大器，而正常时又能自动恢复光发送和线路放大器的工作。六、级联EDFA的噪声积累系统设计时应校核接收端的光信噪比27第五节光纤拉曼放大器一、工作原理1、组成：泵浦光、光耦合器、光纤、光滤波器、光隔离器28泵浦光：给放大器提供能量，光波长可以根据要放大的波长任意选择，功率约为几百mw～十几W光纤：可以是特种光纤，长度10km，或者是利用传输光纤，长度为几十Km～上百Km光耦合器：使信号光和泵浦光合路送入光纤光滤波器：滤除泵浦光和部分噪声光隔离器：防止反射光影响FRA的工作稳定性292、工作原理：（1）原理：强泵浦光束在光纤中传播时产生受激拉曼散射，若信号光波长恰好在泵浦光的拉曼增益带宽范围内，则泵浦光的部分能量通过SRS效应，转移给信号光，实现了信号的放大。30（2）与EDFA工作原理的比较：共同点：都要有一泵浦光提供能量不同点：EDFA基于受激辐射放大，泵浦光波长受能级跃迁机制所限，只能取有限几个，如980nm、1480nm等。FRA基于受激散射，泵浦光波长不受能级跃迁机制所限，泵浦波长可任意取定（根据信号的波长）。313、分类：按照泵浦方式分（1）前向：在同样泵浦条件下，增益较低（2）后向：具有噪声低，偏振依赖性小的特点（3）双向：使信号光在光纤中的传播功率更接近恒定值，且噪声小3233按照放大器组成方式分：（1）集中式FRA（分立式）：以高增益系数的特种光纤作为增益介质，光纤长度1～2Km或更长，泵浦功率1～2w或更高。特点：高增益可达30～40dB；高功率；饱和输出功率可接近Pp。（2）分布式FRA（DRA）：利用系统中的传输光纤作为增益介质。特点：光纤长度长达几十～100Km；泵浦功率较低，几百mW。34二、拉曼放大器的性能1.增益特性：1)净增益和拉曼增益（1）拉曼净增益GN式中PIN，POUT分别为光放大器的输入和输出光功率（2）拉曼增益GA－对DRA适用式中PSOP，PSO分别为有泵浦时和无泵浦时放大器的输出光功率（3）GA和GN的关系为信号光的衰减系数，为光纤的长度)(lg10dBPPGinoutNSOSOPAPPGlg10lGGSANSl35（4）GA的理论分析结果式中：GA拉曼放大器的拉曼增益(放大倍数);GR为放大器的拉曼增益系数，取决于光纤掺杂程度，信号波长、泵浦波长等因素；PP为泵浦光功率；Aeff为光纤纤芯有效面积Leff有效光纤长度，L光纤的长度；αP为光纤对泵浦光的衰减系数；)exp(effeffPRAALPgG)]exp(1[1LLPPeff36对于长光纤，讨论：GA与PP成正比，与成反比GA与gR(拉曼放大器的增益系数)成正比，而gR取决于光纤掺杂程度(折射率差△)，信号的波长和泵浦波长等因素2)增益特性典型长光纤FRA的增益曲线,λp=1443nm,PP=100mW和200mW)exp(effpPRAAPgGPeffL1SeffA~AG37（1）关系：在单泵浦条件下，在高于λp的一个较宽的波长范围内均有增益，不同信号波长有不同的增益。λSmax=1540nm，GAmax＝7.78dB(200mW)Gamax:fP-fS=13.2THz;λS-λP=100nm（2）关系：GA随PP增大而增大，但曲线形状不变（3）关系：λp增大(减小)，(及λsmax)右移(或左移)曲线形状基本不变。λp增加GAmax~AGPAPG~PAG~~AG~NG38（4）关系：λpλSPin一定的情况下，PoutGN～L。无损耗透明传输：当L＝LA时，Pout=Pin，GN＝0dB，实现无损耗透明传输。LPout~000inPALPLoutPdBGNoutPLPdBGN前向泵浦后向泵浦0392、增益带宽定义：放大器增益降至最大放大倍数一半(峰值增益降低3dB)处的全宽度(FWHM)。（1）单泵浦光条件下，FWHM从1520～1560nm约有40nm。（2）多个泵浦光同时泵浦，可以使拉曼放大器的带宽增加。宽带宽是FRA的重要特点3、饱和输出功率定义：放大器增益降为最大放大倍数一半时(即增益降低3dB)对应的输出光功率。饱和输出光功率近似为泵浦光输入光功率。40式中，GS饱和增益（放大倍数）GA拉曼增益（放大倍数）式中，WP、WS为泵浦光和信号光的频率PP(0)、PP(0)为在光纤输入端泵浦光和信号光的输入光功率特点：饱和输出光功率近似为泵浦光输入光功率)1(1000ASGG)0()0(0PSSPPPWW414、噪声1)噪声来源(1)自发Raman散