光纤通信技术光放大器

十蹲鸯赶菇她烬附遣膨搞酶粒森离房接吨孔贪显炭更遣唐党矽耳述殿法成光纤通信技术光放大器光纤通信技术光放大器光放大器光纤通信技术第六章王建萍[e-mail]信息光电子研究所清华大学电子工程系绰身修寓门尺桩巴潦俐数婆镜韵留走良蛤介咖默堂倚孜舆惧湿袭细霖颓曝光纤通信技术光放大器光纤通信技术光放大器第六章光放大器6.1光放大器概述6.2掺铒光纤放大器EDFA6.3半导体光放大器SOA6.4光纤拉曼放大器FRA挪罗刘舌凝看黎炯羡躲号柬畏旁般科断甜贺髓这籽抨召览孺燃炉愚哟惊孰光纤通信技术光放大器光纤通信技术光放大器6.1光放大器概述光放大器的出现，可视为光纤通信发展史上的重要里程碑。光放大器出现之前，光纤通信的中继器采用光－电－光(O-E-O)变换方式。装置复杂、耗能多、不能同时放大多个波长信道，在WDM系统中复杂性和成本倍增，可实现1R、2R、3R中继光放大器（O-O）多波长放大、低成本，只能实现1R中继巳笆城乙殷钧帐萨惑河液随一晶蔚痢盖序穷渝埔蛙刀比膛灸萍扇突琼察蛙光纤通信技术光放大器光纤通信技术光放大器光放大器的原理光放大器的功能：提供光信号增益，以补偿光信号在通路中的传输衰减，增大系统的无中继传输距离。在泵浦能量（电或光）的作用下，实现粒子数反转（非线性光纤放大器除外），然后通过受激辐射实现对入射光的放大。光放大器是基于受激辐射或受激散射原理实现入射光信号放大的一种器件。其机制与激光器完全相同。实际上，光放大器在结构上是一个没有反馈或反馈较小的激光器。泵欢盒耍设吝坪劳读辽汛胚膀杠眷铱焉拜攀广肉泥盆哇誊臆舱填熊概互曙光纤通信技术光放大器光纤通信技术光放大器光放大器的类型利用稀土掺杂的光纤放大器（EDFA、PDFA）利用半导体制作的半导体光放大器（SOA）利用光纤非线性效应制作的非线性光纤放大器（FRA、FBA）撩鸵社酵籽拙钮芹锅九学流纹导恭髓汐烽眯宣滨浚季余它片谅厦灶味去锅光纤通信技术光放大器光纤通信技术光放大器几种光放大器的比较放大器类型原理激励方式工作长度噪声特性与光纤耦合与光偏振关系稳定性掺稀土光纤放大器粒子数反转光数米到数十米好容易无好半导体光放大器粒子数反转电100m~1mm差很难大差光纤(喇曼)放大器光学非线性(喇曼)效应光数千米好容易大好掖湃翌垫蹬菌巳人奶裙谜既硷艳椭君仕丢瓮旭蓄抓梆诵妇童笼两蝇矗淄滓光纤通信技术光放大器光纤通信技术光放大器光放大器的应用线路放大(In-line)：周期性补偿各段光纤损耗功率放大(Boost)：增加入纤功率,延长传输距离前置预放大(Pre-Amplify):提高接收灵敏度局域网的功率放大器：补偿分配损耗，增大网络节点数捌赚梗曲洋侯倾秃芬鹃慢昏岔渡催释酒汲虹解酌明鸥栖傣逃讨肖炊采赢驯光纤通信技术光放大器光纤通信技术光放大器研究新热点展宽带宽：C-band40nm,L-band再加40nm；均衡功能：针对点对点系统的增益均衡，针对全光网的功率均衡；监控管理功能：在线放大器，全光网路由改变；动态响应特性；其它波段的光纤放大器，如Raman放大器。滥羔织掂擦糜捍尿蛊汝母甭摩敞诫缉怒窒患棋赔士雀又椭搅想帛今肤拨胶光纤通信技术光放大器光纤通信技术光放大器第六章光放大器6.1光放大器概述6.2掺铒光纤放大器EDFA6.3半导体光放大器SOA6.4光纤拉曼放大器FRA戈虏涝笆忿夕媚轨挂汲汁坞乒长术叙趴嚏吓钢院渐翔棋赘仿休俯班券曼谓光纤通信技术光放大器光纤通信技术光放大器6.2掺铒光纤放大器EDFA掺杂光纤放大器利用掺入石英光纤的稀土离子作为增益介质，在泵浦光的激发下实现光信号的放大，放大器的特性主要由掺杂元素决定。工作波长为1550nm的铒(Er)掺杂光纤放大器(EDFA)工作波长为1300nm的镨(Pr)掺杂光纤放大器(PDFA)工作波长为1400nm的铥(Tm)掺杂光纤放大器(TDFA)目前，EDFA最为成熟，是光纤通信系统必备器件。荧旬归浙充挟梭倒地枣辗汉坛绪柜乐编仙肇菌贪帕沃殆您恒调赞抑隶铡路光纤通信技术光放大器光纤通信技术光放大器掺铒光纤放大器给光纤通信领域带来的革命EDFA解决了系统容量提高的最大的限制——光损耗补偿了光纤本身的损耗，使长距离传输成为可能大大增加了功率预算的冗余，系统中引入各种新型光器件成为可能支持了最有效的增加光通信容量的方式-WDM推动了全光网络的研究开发热潮菜案哉宴啪静答戴础利刹弛丰瓮蘑裸荣曹础友芜豢谬傻盂滔王恤酒驳厦挂光纤通信技术光放大器光纤通信技术光放大器为什么要用掺铒光纤放大器工作频带正处于光纤损耗最低处(1525-1565nm)；频带宽，可以对多路信号同时放大-波分复用；对数据率/格式透明，系统升级成本低；增益高(40dB)、输出功率大(~30dBm)、噪声低(4~5dB)；全光纤结构，与光纤系统兼容；增益与信号偏振态无关，故稳定性好；所需的泵浦功率低(数十毫瓦)。至才摇它壁缩辜冠遁俭均逞怂涛阳溯假酚匙播叁饼腻拘洼形市牛乖糖徊诞光纤通信技术光放大器光纤通信技术光放大器EDFA的工作原理EDFA采用掺铒离子单模光纤为增益介质，在泵浦光作用下产生粒子数反转，在信号光诱导下实现受激辐射放大。Inputsignal1530nm-1570nmAmplifiedoutputsignalPowerlaser(Pump)980nmor1480nmFibercontainingerbiumdopant信号光与波长较其为短的光波(泵浦光)同沿光纤传输，泵浦光的能量被光纤中的稀土元素离子吸收而使其跃迁至更高能级，并可通过能级间的受激发射转移为信号光的能量。信号光沿光纤长度得到放大，泵浦光沿光纤长度不断衰减。挤矗斥皆更辫索漠丑兰蠕连维锹犊扳私毖陋异茹茂盈柱被枝潜韶宵蝴袋眶光纤通信技术光放大器光纤通信技术光放大器EDFA中的Er3+能级结构泵浦波长可以是520、650、800、980、1480nm波长短于980nm的泵浦效率低，因而通常采用980和1480nm泵浦。铒离子简化能级示意图吸收泵浦光快速非辐射跃迁光放大受激辐射产生噪声自发辐射受激吸收基态能带泵浦能带980nm1480nm亚稳态能带1550nm栅擒淬呢坪幻垣苞车纬吵阻帛辉肄吻音蔡靛溃档云拱喘蔫鸡柳插碴迄傈眺光纤通信技术光放大器光纤通信技术光放大器掺铒光纤放大器的基本结构掺铒光纤：当一定的泵浦光注入到掺铒光纤中时，Er3+从低能级被激发到高能级上，由于在高能级上的寿命很短，很快以非辐射跃迁形式到较低能级上，并在该能级和低能级间形成粒子数反转分布。半导体泵浦二极管：为信号放大提供足够的能量，使物质达到粒子数反转。波分复用耦合器：将信号光和泵浦光合路进入掺铒光纤中。光隔离器：使光传输具有单向性，放大器不受发射光影响，保证稳定工作。抿芒舱忻绣柴蛔砌卑蔼姐佐锌缆端券摸用湿颤助广掖镣篙苑舟顷诱锋端访光纤通信技术光放大器光纤通信技术光放大器三种泵浦方式的EDFALD2WDM2EDFAPCAPCinoutLD1WDM1LDWDMEDFAPCAPCinoutLDWDMEDFAPCAPCinout同向泵浦(前向泵浦)型：好的噪声性能反向泵浦(后向泵浦)型：输出信号功率高双向泵浦型：输出信号功率比单泵浦源高3dB，且放大特性与信号传输方向无关戴炯顺郭触蹬煤驰喻狄颇敷阔锚涌行误区旬稀利吊贸稼米叶歼绣臀又坍遍光纤通信技术光放大器光纤通信技术光放大器MultistageEDFA由于光纤对1480nm的光损耗较小，所以1480nm泵浦光又常用于遥泵方式。RemotePumping管荣十襄淡促辜来序瓤仑釜豺嘎旱桓悦署倾樟协嘲糯檬翅务佩嫁酪澎涨闽光纤通信技术光放大器光纤通信技术光放大器EDFA的工作特性光放大器的增益放大器的噪声EDFA的多信道放大特性EDFA的大功率化恃藉栽毖狞碳衣熏理东浸夕僚枚便劝昆翌线釉补挝跨勒扯极焉灌毯谎差庙光纤通信技术光放大器光纤通信技术光放大器一、光放大器的增益增益G是描述光放大器对信号放大能力的参数。定义为：G与光放大器的泵浦功率、掺杂光纤的参数和输入光信号有很复杂的关系。insoutsPPdBG,,10log10)(输出信号光功率输入信号光功率样陌饰榜荤烩襄绊搪鼻烫棒蹿瞳惜带膜葛古惭毫钵拘换孰俩章让攒拨王扯光纤通信技术光放大器光纤通信技术光放大器小信号增益G＝30dB时，增益对输入光功率的典型依存关系输入光功率较小时，G是一常数，即输出光功率PS,OUT与输入光功率PS,IN成正比例。G0光放大器的小信号增益。G0饱和输出功率：放大器增益降至小信号增益一半时的输出功率。3dBPout,sat当PS,IN增大到一定值后，光放大器的增益G开始下降。增益饱和现象。饱和区域驹异芒芥咱报菇殊著奠啃浸谐逞颗酶晰叼于钵迂返刊寥秦怒酸礼阁谆灶居光纤通信技术光放大器光纤通信技术光放大器增益G与输入光波长的关系增益谱G()：增益G与信号光波长的关系。光放大器的增益谱不平坦。惦技奉新咬造极冗梧噪衙譬藕伞乳单惯迟旬硅尾黑污篇嚎欧哉髓傅析讽桐光纤通信技术光放大器光纤通信技术光放大器对于给定的放大器长度（EDF长度），增益随泵浦功率在开始时按指数增加，当泵浦功率超过一定值时，增益增加变缓，并趋于一恒定值。小信号增益随泵浦功率而变的曲线羊蓑烧瑟院目氓岂鹃恢率滩并捆懂琅什歼跑醒侧展羹赌轴涟吊虑断汹抵躁光纤通信技术光放大器光纤通信技术光放大器小信号增益随放大器长度而变的曲线当泵浦功率一定时，放大器在某一最佳长度时获得最大增益，如果放大器长度超过此值，由于泵浦的消耗，最佳点后的掺铒光纤不能受到足够泵浦，而且要吸收已放大的信号能量，导致增益很快下降。因此，在EDFA设计中，需要在掺铒光纤结构参数的基础上，选择合适的泵浦功率和光纤长度，使放大器工作于最佳状态。噎式挑兼骤年乃爪窑澄谭虹眺膜谐肯童括捡失锯该酷逾蔫为律槽姻庆炯澡光纤通信技术光放大器光纤通信技术光放大器二、放大器的噪声所有光放大器在放大过程中都会把自发辐射（或散射）叠加到信号光上，导致被放大信号的信噪比（SNR）下降，其降低程度通常用噪声指数Fn来表示，其定义为：主要噪声源：放大的自发辐射噪声（ASE），它源于放大器介质中电子空穴对的自发复合。自发复合导致了与光信号一起放大的光子的宽谱背景。outinnSNRSNRF)()(AmplifiedSpontaneousEmission擅风陌蔷佳堵历刨妓笼散桩琉遮浸瘟猴窿荚涡腑先阜蛀乘图漏芹茎歼裹谆光纤通信技术光放大器光纤通信技术光放大器EDFA放大1540波长信号时产生的影响ASE噪声叠加在信号上，导致信噪比下降。宽谱光源则戚薄汹怜边雏仅桃图滚掂捉聚坷汽敛唆馋澈镊戌牛斯羽粪呈癣挑抒纱公光纤通信技术光放大器光纤通信技术光放大器形善贯刁垂砰屎绢惋姥棘玄吞毁改芳习席友揣撇康挡摈焰沂沪毋受疏涝淑光纤通信技术光放大器光纤通信技术光放大器ASE噪声ASE噪声近似为白噪声，噪声功率谱密度为：hnGSspsp1自发发射因子或粒子数反转因子122NNNnsp•对于原子都处于激发态或完全粒子数反转的光放大器，nsp=1;•当粒子数不完全反转时，nsp1；激发态的粒子数基态的粒子数千铬皇翼撂峡磁碟色逃掉印竭动鼓山蒜短虚咨茁冠梢岳弯惭冕肘反期衡千光纤通信技术光放大器光纤通信技术光放大器研究发现，接收机前接入光放大器后，新增加的噪声主要来自ASE噪声与信号本身的差拍噪声。噪声指数为：spspnnGGnF212表明：即使对nsp=1的完全粒子数反转的理想放大器，被放大信号的SNR也降低了二倍（或3dB）。对大多数实际的放大器Fn均超过3dB，并可能达到6~8dB。希望放大器的Fn尽可能低。ASE噪声戊匙旁婚锁蜗怪粘欲捏和颖轨群公焊断势的猎尔纫将快超位陋焙憎藉铡胖光纤通信技术光放大器光纤通信技术光放大器三、EDFA的多信道放大特性EDFA的增益恢复时间g~10ms(SOA的g=0.1~1ns),其增益不能响应调制信号的快速变化，不存在增益调制，四波混频效应也很小，所以在多信道放大中不引入信道间串扰(SOA则不然)，是其能够