6第六章_光放大器最新改11.13

1、1 第六第六章章 2 內(nèi)容簡(jiǎn)介內(nèi)容簡(jiǎn)介： 1 光放大器概述光放大器概述 2 摻鉺光纖放大器摻鉺光纖放大器 3 光纖拉曼放大器光纖拉曼放大器 4 其它放大器其它放大器 引出引出 鋪設(shè)更鋪設(shè)更 多的光纜多的光纜 成本高成本高 受器件響受器件響 應(yīng)速度限制應(yīng)速度限制 Internet 數(shù)據(jù)量急劇增長(zhǎng)數(shù)據(jù)量急劇增長(zhǎng) 追求更高的傳輸容量追求更高的傳輸容量 提高傳提高傳 輸速率輸速率 光時(shí)分光時(shí)分 復(fù)用技術(shù)復(fù)用技術(shù) 系統(tǒng)復(fù)雜系統(tǒng)復(fù)雜 波分波分 復(fù)用復(fù)用 n采用光電光采用光電光(O-E-O)變換方式變換方式 n信號(hào)失真信號(hào)失真 nWDM系統(tǒng)引入，復(fù)雜性和成本倍增系統(tǒng)引入，復(fù)雜性和成本倍增 光接收光接收 D

2、W M 光發(fā)送光發(fā)送 D W M 光接收光接收 D W M 光發(fā)送光發(fā)送 D W M 重要意義重要意義: 促使波分復(fù)用技術(shù)促使波分復(fù)用技術(shù) (Wavelength Division Multiplexing， WDM)走向?qū)嵱没?，促進(jìn)了光弧子技術(shù)和全光網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展，走向?qū)嵱没?，促進(jìn)了光弧子技術(shù)和全光網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展， 使光纖通信技術(shù)產(chǎn)生了使光纖通信技術(shù)產(chǎn)生了質(zhì)質(zhì)的飛躍。的飛躍。 利用某種具有增益的激活介質(zhì)對(duì)注入其中的微弱光信號(hào)利用某種具有增益的激活介質(zhì)對(duì)注入其中的微弱光信號(hào) 進(jìn)行放大，使其獲得足夠的光增益，變?yōu)檩^強(qiáng)的光信號(hào)，進(jìn)行放大，使其獲得足夠的光增益，變?yōu)檩^強(qiáng)的光信號(hào)， 從而實(shí)現(xiàn)從而實(shí)現(xiàn)對(duì)光信號(hào)的

3、直接光放大對(duì)光信號(hào)的直接光放大。 被放大的光信號(hào) 輸入光信號(hào) 光放大器 1.1定義定義 光放大器是基于受激輻射機(jī)理來(lái)實(shí)現(xiàn)入射光功率放大的光放大器是基于受激輻射機(jī)理來(lái)實(shí)現(xiàn)入射光功率放大的。 1.2工作原理工作原理 (2) 受激輻射 (1) 能量注入 功率增益功率增益 =10lg 輸出光功率輸出光功率 輸入光功率輸入光功率 (dB) 放大器的放大能力放大器的放大能力與與泵浦功率泵浦功率和和光纖長(zhǎng)度光纖長(zhǎng)度的參數(shù)有關(guān)的參數(shù)有關(guān) (2)表示最大輸出能力表示最大輸出能力 9 (1)光放大器的噪聲來(lái)源光放大器的噪聲來(lái)源： 主要由于主要由于自發(fā)輻射自發(fā)輻射被放大。自發(fā)輻射光子的相位和方被放大。自發(fā)輻射光子的

4、相位和方 向是隨機(jī)的。對(duì)于有用信號(hào)沒(méi)有貢獻(xiàn)，就形成了信號(hào)帶寬向是隨機(jī)的。對(duì)于有用信號(hào)沒(méi)有貢獻(xiàn)，就形成了信號(hào)帶寬 內(nèi)的噪聲，與放大信號(hào)在光纖中一起傳輸、放大，降低了內(nèi)的噪聲，與放大信號(hào)在光纖中一起傳輸、放大，降低了 信號(hào)光的信號(hào)光的信噪比信噪比。 (3)噪聲系數(shù)噪聲系數(shù) 信噪比的劣化用噪聲系數(shù)信噪比的劣化用噪聲系數(shù)F Fn n表示，定義為輸入信噪比與表示，定義為輸入信噪比與 輸出信噪比的比值。輸出信噪比的比值。 () () in n out SNR F SNR 10 (2)信噪比：信噪比：正常信號(hào)功率與噪聲功率的比值。正常信號(hào)功率與噪聲功率的比值。 光放大器分類光放大器分類 半導(dǎo)體光放大器半導(dǎo)體

5、光放大器(SOA) 摻鉺光纖放大器摻鉺光纖放大器(EDFA) 1550nm 非線性非線性 光纖放光纖放 大器大器 摻稀土元素?fù)较⊥猎?光纖放大器光纖放大器 布里淵光纖放大器布里淵光纖放大器(FBA) 摻鐠光纖放大器摻鐠光纖放大器(PDFA) 1310nm 拉曼光纖放大器拉曼光纖放大器(FRA) 內(nèi)容簡(jiǎn)介內(nèi)容簡(jiǎn)介： 2.1EDF結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu) 2摻鉺光纖放大器摻鉺光纖放大器 2.3結(jié)構(gòu)和特性結(jié)構(gòu)和特性 12 2.2工作原理工作原理 2.4性能指標(biāo)性能指標(biāo) 2.5應(yīng)用應(yīng)用 2.6優(yōu)缺點(diǎn)優(yōu)缺點(diǎn) 摻鉺（摻鉺（Er3+）光纖放大器）光纖放大器(Erbium-Doped Fiber Amplifier， ED

6、FA)是將是將摻鉺光纖摻鉺光纖在在泵浦源泵浦源作用下形成的光纖放大器。作用下形成的光纖放大器。 發(fā)展進(jìn)程：發(fā)展進(jìn)程： l1964年，美國(guó)光學(xué)公司制成了第一臺(tái)摻鉺玻璃激光器。年，美國(guó)光學(xué)公司制成了第一臺(tái)摻鉺玻璃激光器。 l1970年，光纖出現(xiàn)后，轉(zhuǎn)入進(jìn)行在光纖中摻雜激光器件的研究。年，光纖出現(xiàn)后，轉(zhuǎn)入進(jìn)行在光纖中摻雜激光器件的研究。 l1985年，英國(guó)南安普頓大學(xué)的邁爾斯等人制成了摻鉺光纖激光器。年，英國(guó)南安普頓大學(xué)的邁爾斯等人制成了摻鉺光纖激光器。 l1986年年，又制造出，又制造出EDFA。 構(gòu)造與單模光纖的構(gòu)造一樣。構(gòu)造與單模光纖的構(gòu)造一樣。 鉺離子位于鉺離子位于纖芯中央地帶纖芯中央地帶，

7、將鉺離子放在這里有利于其最，將鉺離子放在這里有利于其最 大地吸收泵浦和信號(hào)能量，從而產(chǎn)生好的放大效果。大地吸收泵浦和信號(hào)能量，從而產(chǎn)生好的放大效果。 摻鉺高密度帶 (1002000 ppm) 直徑36 m 摻鍺的纖芯 直徑125 m SiO2包層 直徑250 m涂覆層 2.1 EDF的結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu) 折射率較低的折射率較低的 玻璃包層玻璃包層完善完善 波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，提波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，提 供抗機(jī)械強(qiáng)度供抗機(jī)械強(qiáng)度 的特性。的特性。 涂覆層涂覆層將光纖將光纖 總直徑增大到總直徑增大到 250m。 回顧：光與物質(zhì)相互作用的三個(gè)過(guò)程回顧：光與物質(zhì)相互作用的三個(gè)過(guò)程 2.2 EDFA的工作原理的工作原理 Er+3外層

8、電子具有三外層電子具有三 能級(jí)結(jié)構(gòu)：能級(jí)結(jié)構(gòu)： 能級(jí)能級(jí)1代表代表基態(tài)基態(tài)， 能量最低。能量最低。 能級(jí)能級(jí)2是是亞穩(wěn)態(tài)亞穩(wěn)態(tài)， 處于中間能級(jí)。處于中間能級(jí)。 能級(jí)能級(jí)3代表代表激發(fā)態(tài)激發(fā)態(tài)， 能量最高。能量最高。 16 2.2 EDFA的工作原理的工作原理 當(dāng)當(dāng)泵浦泵浦(Pump, 抽運(yùn)抽運(yùn))光光 激勵(lì)，鉺離子吸收泵浦光，激勵(lì)，鉺離子吸收泵浦光， 基態(tài)基態(tài)躍遷到躍遷到激發(fā)態(tài)激發(fā)態(tài)。 激發(fā)態(tài)激發(fā)態(tài)不穩(wěn)定，不穩(wěn)定，Er3+很很 快返回到快返回到亞穩(wěn)態(tài)亞穩(wěn)態(tài)。 亞穩(wěn)態(tài)亞穩(wěn)態(tài)粒子數(shù)積累，形粒子數(shù)積累，形 成成粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布。粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布。 如果輸入的信號(hào)光的能量如果輸入的信號(hào)光的能量 等于基態(tài)和亞

9、穩(wěn)態(tài)的能量差等于基態(tài)和亞穩(wěn)態(tài)的能量差 ，亞穩(wěn)態(tài)亞穩(wěn)態(tài)的的Er3+將躍遷到將躍遷到基基 態(tài)態(tài)，產(chǎn)生一個(gè)與信號(hào)光子完，產(chǎn)生一個(gè)與信號(hào)光子完 全一樣的光子，實(shí)現(xiàn)了信號(hào)全一樣的光子，實(shí)現(xiàn)了信號(hào) 光在光在摻鉺光纖中的放大摻鉺光纖中的放大。 2.2 EDFA的工作原理的工作原理 EDFA的工作過(guò)程：的工作過(guò)程： EDFA的工作過(guò)程的工作過(guò)程 980 nm光子泵浦光子泵浦 激光器使激光器使er3+從從基態(tài)基態(tài) 泵浦能帶泵浦能帶(激發(fā)態(tài)激發(fā)態(tài)) 受激離子受激離子激發(fā)態(tài)激發(fā)態(tài) 亞穩(wěn)帶亞穩(wěn)帶衰變得非衰變得非 ?？斐？?約約1s)。 多余的能量以聲子多余的能量以聲子 形式釋放形式釋放。 er3+從從亞穩(wěn)態(tài)能亞穩(wěn)態(tài)能

10、 帶帶 底端底端, 時(shí)間時(shí)間 長(zhǎng)長(zhǎng)(10 ms左右左右)。 2.2 EDFA的工作原理的工作原理 EDFA的工作過(guò)程的工作過(guò)程 若有若有1480nm泵浦激光器泵浦激光器 直接把電子從直接把電子從基態(tài)基態(tài)亞穩(wěn)態(tài)亞穩(wěn)態(tài) 能級(jí)的頂部；能級(jí)的頂部； 電子將移到電子將移到亞穩(wěn)態(tài)亞穩(wěn)態(tài)能級(jí)能級(jí) 的的較低端，較低端，這時(shí)出現(xiàn)這時(shí)出現(xiàn)粒子粒子 數(shù)反轉(zhuǎn)分布數(shù)反轉(zhuǎn)分布； 2.2EDFA的工作原理的工作原理 EDFA的工作過(guò)程的工作過(guò)程 信號(hào)光激勵(lì)信號(hào)光激勵(lì),基態(tài)到亞基態(tài)到亞 穩(wěn)態(tài)躍遷：穩(wěn)態(tài)躍遷： 1.基態(tài)的離子將吸收基態(tài)的離子將吸收 一小部分外部光一小部分外部光,將將 躍遷到亞穩(wěn)態(tài)躍遷到亞穩(wěn)態(tài)-受激受激 吸收吸收

11、 。 亞穩(wěn)態(tài)離子，無(wú)激勵(lì)亞穩(wěn)態(tài)離子，無(wú)激勵(lì) 光子流時(shí)，一部分躍遷光子流時(shí)，一部分躍遷 到基態(tài)；到基態(tài)； 自發(fā)輻射放大自發(fā)輻射放大 (ASE)-導(dǎo)致放大器的噪導(dǎo)致放大器的噪 聲聲。 2. 信號(hào)光子觸發(fā)激發(fā)態(tài)的離子使其下降到基態(tài)信號(hào)光子觸發(fā)激發(fā)態(tài)的離子使其下降到基態(tài). 受激輻射受激輻射-發(fā)射與輸入信號(hào)光子具有相同能量、相同波矢量以及相同偏振態(tài)發(fā)射與輸入信號(hào)光子具有相同能量、相同波矢量以及相同偏振態(tài) 的新光子。的新光子。 實(shí)現(xiàn)光信號(hào)放大。實(shí)現(xiàn)光信號(hào)放大。 亞穩(wěn)態(tài)和基態(tài)的寬度亞穩(wěn)態(tài)和基態(tài)的寬度：15301560nm 超過(guò)超過(guò)1560nm時(shí)增益會(huì)穩(wěn)定下降，時(shí)增益會(huì)穩(wěn)定下降， 在大約在大約1616nm處降

12、至處降至0dB。 2.2EDFA的工作原理的工作原理 例例EDFA和和LD中都有受激輻射，兩者有何區(qū)別？中都有受激輻射，兩者有何區(qū)別？ 答：答：EDFA中的受激輻射產(chǎn)生于中的受激輻射產(chǎn)生于整個(gè)摻鉺光纖材料整個(gè)摻鉺光纖材料中，其中中，其中粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分 布布是在摻鉺光纖材料的是在摻鉺光纖材料的三能級(jí)三能級(jí)結(jié)構(gòu)之間結(jié)構(gòu)之間直接直接（泵浦激光（泵浦激光1480nm時(shí)）或時(shí)）或間間 接接（泵浦激光（泵浦激光980nm時(shí)）實(shí)現(xiàn)的（最終在能級(jí)時(shí)）實(shí)現(xiàn)的（最終在能級(jí)E2和和E1之間形成粒子數(shù)反之間形成粒子數(shù)反 轉(zhuǎn)分布）。三個(gè)能級(jí)是：低能級(jí)轉(zhuǎn)分布）。三個(gè)能級(jí)是：低能級(jí)E1是基態(tài)能級(jí)，中間能級(jí)是基態(tài)能

13、級(jí)，中間能級(jí)E2是亞穩(wěn)態(tài)能是亞穩(wěn)態(tài)能 級(jí)（電子平均壽命可達(dá)級(jí)（電子平均壽命可達(dá)10ms），高能級(jí)），高能級(jí)E3是非穩(wěn)態(tài)能級(jí)（電子的平均壽是非穩(wěn)態(tài)能級(jí)（電子的平均壽 命命1s）。）。 LD中受激輻射產(chǎn)生于中受激輻射產(chǎn)生于p-n結(jié)半導(dǎo)體材料中的結(jié)半導(dǎo)體材料中的有源區(qū)有源區(qū)，其中，其中粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分 布布是在是在有源區(qū)導(dǎo)帶和價(jià)帶有源區(qū)導(dǎo)帶和價(jià)帶能級(jí)之間能級(jí)之間直接直接實(shí)現(xiàn)的。所謂有源區(qū)，是指加上實(shí)現(xiàn)的。所謂有源區(qū)，是指加上 適當(dāng)正向電壓后，適當(dāng)正向電壓后，p-n結(jié)交界面附近具有粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布狀態(tài)的窄區(qū)域。結(jié)交界面附近具有粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布狀態(tài)的窄區(qū)域。 2.3 EDFA結(jié)構(gòu)和特性結(jié)構(gòu)和特性-結(jié)

14、構(gòu)結(jié)構(gòu) EDF的增益取決于的增益取決于Er3+的濃度的濃度、光纖長(zhǎng)度和直徑光纖長(zhǎng)度和直徑以及以及泵浦光功率泵浦光功率等多種因等多種因 素，通常由素，通常由實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)獲得最佳增益。獲得最佳增益。 波分復(fù)用器波分復(fù)用器(WDM)把泵浦光與信號(hào)光耦合；把泵浦光與信號(hào)光耦合； 基本要求：基本要求：采用插入損耗小，熔拉雙錐光纖耦合器型波分復(fù)用器。采用插入損耗小，熔拉雙錐光纖耦合器型波分復(fù)用器。 光隔離器光隔離器置于兩端防止光反射；保證系統(tǒng)穩(wěn)定工作和減小噪聲。置于兩端防止光反射；保證系統(tǒng)穩(wěn)定工作和減小噪聲。 光濾波器光濾波器是濾除放大器噪聲，提高系統(tǒng)的信噪比。是濾除放大器噪聲，提高系統(tǒng)的信噪比。 和和是關(guān)鍵

15、器件；是關(guān)鍵器件； 對(duì)對(duì)泵浦光源（波長(zhǎng)通常為泵浦光源（波長(zhǎng)通常為980 nm或或1480 nm）的基本要求是大功率和長(zhǎng)壽的基本要求是大功率和長(zhǎng)壽 命。現(xiàn)在的研究表明波長(zhǎng)為命?，F(xiàn)在的研究表明波長(zhǎng)為980 nm的泵浦效率最高，且噪聲較低，是未來(lái)的泵浦效率最高，且噪聲較低，是未來(lái) 發(fā)展的方向。發(fā)展的方向。 2.3 EDFA結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)和特性和特性-結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu) 同向泵浦同向泵浦 因泵浦源所在的位置不同，分成因泵浦源所在的位置不同，分成同向同向、反向反向及及雙向泵浦方式雙向泵浦方式。 1.同向泵浦同向泵浦：泵浦光與信號(hào)光從：泵浦光與信號(hào)光從同一端同一端注入摻鉺光纖。輸入泵注入摻鉺光纖。輸入泵 浦光較強(qiáng)，故粒子

16、反轉(zhuǎn)激勵(lì)也強(qiáng)，其浦光較強(qiáng)，故粒子反轉(zhuǎn)激勵(lì)也強(qiáng)，其增益系數(shù)大增益系數(shù)大。其優(yōu)點(diǎn)是。其優(yōu)點(diǎn)是 構(gòu)成簡(jiǎn)單，噪聲指數(shù)較??；缺點(diǎn)是輸出功率較低。構(gòu)成簡(jiǎn)單，噪聲指數(shù)較??；缺點(diǎn)是輸出功率較低。 光隔離器光隔離器 WDM EDF 光隔離器光隔離器 泵浦激光器泵浦激光器 輸入信號(hào)輸入信號(hào) 輸出信號(hào)輸出信號(hào) 光濾波器光濾波器 2.3EDFA結(jié)結(jié)構(gòu)和特性構(gòu)和特性-結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu) 2.反向泵浦反向泵浦：泵浦光與信號(hào)光從不同的方向輸入摻鉺光纖，：泵浦光與信號(hào)光從不同的方向輸入摻鉺光纖， 兩者在摻鉺光纖中反向傳輸。兩者在摻鉺光纖中反向傳輸。 其優(yōu)點(diǎn)是：當(dāng)光信號(hào)放大到很強(qiáng)時(shí)，泵浦光也強(qiáng)，不易達(dá)其優(yōu)點(diǎn)是：當(dāng)光信號(hào)放大到很強(qiáng)時(shí)，泵浦

17、光也強(qiáng)，不易達(dá) 到飽和，輸出功率比同向泵浦高；缺點(diǎn)是噪聲性能差。到飽和，輸出功率比同向泵浦高；缺點(diǎn)是噪聲性能差。 輸出信號(hào)輸出信號(hào) 光隔離器光隔離器WDM EDF 光隔離器光隔離器 輸入信號(hào)輸入信號(hào) 泵浦激光器泵浦激光器 光濾波器光濾波器 反向泵浦反向泵浦 2.3 EDFA結(jié)結(jié)構(gòu)和特性構(gòu)和特性-結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu) 3.雙向泵浦雙向泵浦：可用：可用多個(gè)泵浦源多個(gè)泵浦源從從多個(gè)方向多個(gè)方向激勵(lì)光纖。激勵(lì)光纖。 多個(gè)泵浦源部分前向，部分后向，結(jié)合前兩種優(yōu)點(diǎn)。使泵多個(gè)泵浦源部分前向，部分后向，結(jié)合前兩種優(yōu)點(diǎn)。使泵 浦光在光纖中均勻分布，從而使其增益在光纖中均勻分布浦光在光纖中均勻分布，從而使其增益在光纖中均勻分

18、布 。 雙向泵浦雙向泵浦 光隔離器光隔離器WDM EDF 光隔離器光隔離器 輸入信號(hào)輸入信號(hào) 輸出信號(hào)輸出信號(hào) 泵浦激光器泵浦激光器泵浦激光器泵浦激光器 光濾波器光濾波器 WDM 2.3 EDFA結(jié)構(gòu)和特性結(jié)構(gòu)和特性-特性特性 三種泵浦方式比較：三種泵浦方式比較： 1.信號(hào)輸出功率信號(hào)輸出功率 三種方式的轉(zhuǎn)換效率分別為三種方式的轉(zhuǎn)換效率分別為61%、76和和77。在同樣泵浦。在同樣泵浦 條件下，條件下，同向泵浦式同向泵浦式的輸出最低的輸出最低。 信號(hào)輸出光功率與泵浦光功率的關(guān)系 2.3 EDFA結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)和特性和特性-特性特性 三種泵浦方式比較：三種泵浦方式比較： 2.噪聲特性噪聲特性 輸出功率

19、加大將導(dǎo)致粒子反轉(zhuǎn)數(shù)的下降，因而在輸出功率加大將導(dǎo)致粒子反轉(zhuǎn)數(shù)的下降，因而在未飽和區(qū)未飽和區(qū) ，同向泵浦式噪聲指數(shù)最小，但在，同向泵浦式噪聲指數(shù)最小，但在飽和區(qū)飽和區(qū)，情況將發(fā)生變化。，情況將發(fā)生變化。 對(duì)于不同摻鉺光纖長(zhǎng)度，同向泵浦方式噪聲都最小對(duì)于不同摻鉺光纖長(zhǎng)度，同向泵浦方式噪聲都最小。 放大器輸出功率與NF的關(guān)系光纖長(zhǎng)度與NF的關(guān)系 三種泵浦方式性能差異總結(jié)：三種泵浦方式性能差異總結(jié)： 2.3 EDFA結(jié)構(gòu)和特性結(jié)構(gòu)和特性-特性特性 2.4 EDFA的重要指標(biāo)的重要指標(biāo)-增益增益 EDFA的輸出功率含信號(hào)功率和噪聲功率兩部分，噪聲功的輸出功率含信號(hào)功率和噪聲功率兩部分，噪聲功 率記為率

20、記為PASE， ，則 則EDFA的增益為的增益為 10lg out in ASE E G PP dB P out P in P式中，式中，分別是輸出光信號(hào)和輸入光信號(hào)功率。分別是輸出光信號(hào)和輸入光信號(hào)功率。 EDFA的增益通常為的增益通常為1540dB。大小與鉺離子濃度、大小與鉺離子濃度、泵浦功率泵浦功率 和和摻鉺光纖長(zhǎng)度摻鉺光纖長(zhǎng)度有關(guān)。有關(guān)。 2.4 EDFA的重要指標(biāo)的重要指標(biāo)-增益增益 不同泵浦光功率下，當(dāng)光不同泵浦光功率下，當(dāng)光 纖長(zhǎng)度較短時(shí)，增益增加纖長(zhǎng)度較短時(shí)，增益增加 很快；而超過(guò)某一長(zhǎng)度，很快；而超過(guò)某一長(zhǎng)度， 增益反而下降。增益反而下降。 原因：長(zhǎng)度增加，纖中泵原因：長(zhǎng)度增

21、加，纖中泵 浦光功率下降，且摻鉺光浦光功率下降，且摻鉺光 纖損耗遠(yuǎn)大于普通光纖，纖損耗遠(yuǎn)大于普通光纖， 從而導(dǎo)致增益下降。從而導(dǎo)致增益下降。 摻鉺光纖長(zhǎng)度與放大器增益關(guān)系 對(duì)某個(gè)確定的泵浦功率存在一個(gè)最佳光纖長(zhǎng)度，使得增益最大對(duì)某個(gè)確定的泵浦功率存在一個(gè)最佳光纖長(zhǎng)度，使得增益最大。 2.4 EDFA的重要指標(biāo)的重要指標(biāo)-增益增益 不同長(zhǎng)度的摻鉺光纖，在不同長(zhǎng)度的摻鉺光纖，在 泵浦功率不受限時(shí)，最大泵浦功率不受限時(shí)，最大 的光放大器增益的光放大器增益G受限于受限于 光纖長(zhǎng)度。光纖長(zhǎng)度。 泵浦功率泵浦功率與放大器增益關(guān)系與放大器增益關(guān)系 從泵浦功率和光纖長(zhǎng)度兩方面綜合考慮，以達(dá)到所要求的從泵浦功率

22、和光纖長(zhǎng)度兩方面綜合考慮，以達(dá)到所要求的 增益標(biāo)準(zhǔn)。增益標(biāo)準(zhǔn)。 可應(yīng)用能量守恒原理，可應(yīng)用能量守恒原理，EDFAEDFA的輸入輸出功率表示的輸入輸出功率表示為為 2.4 EDFA , ,s, ,s p s outs inp in s p inin s outp PPP PP P 式中，是輸入泵浦功率，是信號(hào)輸入功率， 是信號(hào)輸出功率，和 分別為泵浦波長(zhǎng)和信號(hào)波長(zhǎng)。 物理意義：物理意義：EDFAEDFA輸出信號(hào)能量不能超過(guò)注入泵輸出信號(hào)能量不能超過(guò)注入泵 浦能量浦能量。 例題：例題：EDFA做功率放大器，設(shè)其增益為做功率放大器，設(shè)其增益為20dB，泵浦，泵浦 波長(zhǎng)為波長(zhǎng)為=980nm，輸入光信號(hào)

23、的功率為，輸入光信號(hào)的功率為0dBm，假如，假如 波長(zhǎng)為波長(zhǎng)為1550nm，求所用的最小泵浦源功率為多少？，求所用的最小泵浦源功率為多少？ 功率放大器增益表達(dá)式為：功率放大器增益表達(dá)式為： 解：解：入射功率入射功率0dBm，即為，即為1mw。 , , 10lg out in s E s G P dB P 可求出可求出EDFA的輸出光信號(hào)功率為的輸出光信號(hào)功率為: mWmWPP E G insouts 10010110 10 20 10 , inS inP S P inS outS E P P P P G , , , , 1 ,得到泵浦輸入功率應(yīng)滿足得到泵浦輸入功率應(yīng)滿足 由由 mWmWmWPP

24、P inSoutS P S inP 6 .1561100 980 1550 , 2.4 EDFA的重要指標(biāo)的重要指標(biāo)-噪聲系數(shù)噪聲系數(shù) 3.噪聲系數(shù)噪聲系數(shù) 噪聲系數(shù)噪聲系數(shù)Fn決定于決定于自發(fā)輻射。自發(fā)輻射。 實(shí)驗(yàn)證實(shí)：在實(shí)驗(yàn)證實(shí)：在EDFA中，可得到接近中，可得到接近3dB的噪聲系數(shù)，的噪聲系數(shù)， 這是這是噪聲系數(shù)的極限噪聲系數(shù)的極限。 EDFA極低噪聲，成為光纖通信中的極低噪聲，成為光纖通信中的理想放大器理想放大器，是在，是在 光纖通信系統(tǒng)中廣泛應(yīng)用的一個(gè)重要原因。光纖通信系統(tǒng)中廣泛應(yīng)用的一個(gè)重要原因。 但即使噪聲這樣低，當(dāng)長(zhǎng)距離光纖通信系統(tǒng)采用多級(jí)但即使噪聲這樣低，當(dāng)長(zhǎng)距離光纖通信系統(tǒng)

25、采用多級(jí) EDFA級(jí)聯(lián)時(shí)，噪聲影響使級(jí)聯(lián)時(shí)，噪聲影響使系統(tǒng)長(zhǎng)度系統(tǒng)長(zhǎng)度也受限。也受限。 () () in out n SNR SNR F 例：若例：若EDFA輸入信號(hào)為輸入信號(hào)為300uW，在，在1 nm帶寬內(nèi)的輸入噪聲帶寬內(nèi)的輸入噪聲 功率是功率是30 nw，輸出信號(hào)功率是，輸出信號(hào)功率是60 mW，在，在1 nm帶寬內(nèi)的輸帶寬內(nèi)的輸 出噪聲功率增大到出噪聲功率增大到20uW，計(jì)算光放大器的噪聲指數(shù)。，計(jì)算光放大器的噪聲指數(shù)。 3 3 1010 )(30 )(10300 )(30 )(300 )( nW nW nW W SNR in 3 3 103 )(20 )(1060 )(20 )(60

26、 )( W W W mW SNR out 33. 3 103 1010 3 3 out in n SNR SNR F 解：光放大器的輸入信噪比為：解：光放大器的輸入信噪比為： ： 光放大器的輸出信噪比為：光放大器的輸出信噪比為： 噪聲指數(shù)為：噪聲指數(shù)為： 2.5 EDFA的系統(tǒng)應(yīng)用的系統(tǒng)應(yīng)用 1. EDFA用作前置放大器用作前置放大器 光接收器之前光接收器之前，提高接收機(jī)靈敏度可提高，提高接收機(jī)靈敏度可提高101020dB20dB。即，。即， 在光信號(hào)進(jìn)入接收機(jī)前，得到放大，以抑制接收機(jī)內(nèi)的噪聲。在光信號(hào)進(jìn)入接收機(jī)前，得到放大，以抑制接收機(jī)內(nèi)的噪聲。 小信號(hào)放大小信號(hào)放大，要求低噪聲，但輸出飽

27、和功率則不要求很高。，要求低噪聲，但輸出飽和功率則不要求很高。 2.5 EDFA的系統(tǒng)應(yīng)用的系統(tǒng)應(yīng)用 2. EDFA用作功率放大器用作功率放大器 放在放在光發(fā)射機(jī)之后光發(fā)射機(jī)之后用來(lái)提升輸出功率，將通信距離延長(zhǎng)用來(lái)提升輸出功率，將通信距離延長(zhǎng) 10-20km。通信距離由通信距離由放大器增益放大器增益及及光纖損耗光纖損耗決定，功率放決定，功率放 大器除了要求大器除了要求低噪聲低噪聲外，還要求外，還要求高飽和輸出功率高飽和輸出功率。 2.5 EDFA的系統(tǒng)應(yīng)用的系統(tǒng)應(yīng)用 3. EDFA用作線路放大器用作線路放大器 非常適合用在海底光纜，沒(méi)有電中繼器的光非常適合用在海底光纜，沒(méi)有電中繼器的光-電電-

28、光過(guò)程。光過(guò)程。 用用EDFA可代替半導(dǎo)體光放大器，對(duì)線路中的光信號(hào)直接進(jìn)可代替半導(dǎo)體光放大器，對(duì)線路中的光信號(hào)直接進(jìn) 行放大，使得全光通信技術(shù)得以實(shí)現(xiàn)。行放大，使得全光通信技術(shù)得以實(shí)現(xiàn)。 2.5 EDFA的系統(tǒng)應(yīng)用的系統(tǒng)應(yīng)用 4.EDFA用作本地網(wǎng)放大器用作本地網(wǎng)放大器 EDFA+WDM結(jié)合可在結(jié)合可在寬帶本地網(wǎng)寬帶本地網(wǎng)，特別在電視分配網(wǎng)中，特別在電視分配網(wǎng)中 得到應(yīng)用。它補(bǔ)償由于分路帶來(lái)的損耗及其他損耗，極大地得到應(yīng)用。它補(bǔ)償由于分路帶來(lái)的損耗及其他損耗，極大地 擴(kuò)大了網(wǎng)徑和用戶數(shù)量。擴(kuò)大了網(wǎng)徑和用戶數(shù)量。 40 2.6 EDFA的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn) 優(yōu)點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)： p工作頻帶工作頻帶

29、正處于光纖正處于光纖損耗最低處損耗最低處(1525-1565nm)； p能量轉(zhuǎn)換效率高。能量轉(zhuǎn)換效率高。激光工作物質(zhì)集中在光纖芯子的近軸部激光工作物質(zhì)集中在光纖芯子的近軸部 分，而信號(hào)光和泵浦光也在近軸部分最強(qiáng)，則光與物質(zhì)作用分，而信號(hào)光和泵浦光也在近軸部分最強(qiáng)，則光與物質(zhì)作用 很充分。很充分。 p頻帶寬頻帶寬，可以對(duì)多路信號(hào)同時(shí)放大，可以對(duì)多路信號(hào)同時(shí)放大-波分復(fù)用波分復(fù)用 p增益高，噪聲低，輸出功率大。增益高，噪聲低，輸出功率大。增益達(dá)增益達(dá)40dB。輸出功率。輸出功率 在單向泵浦在單向泵浦14dBm，雙向泵浦，雙向泵浦17dBm-20dBm，充分泵浦，充分泵浦 時(shí)，噪聲系數(shù)可低至?xí)r，噪聲

30、系數(shù)可低至34dB，串話也很小。，串話也很小。 2.6 EDFA的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn) 優(yōu)點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)： p增益特性不敏感增益特性不敏感。對(duì)溫度不敏感，在。對(duì)溫度不敏感，在100內(nèi)增益特性保內(nèi)增益特性保 持穩(wěn)定。持穩(wěn)定。 p可實(shí)現(xiàn)信號(hào)的透明傳輸可實(shí)現(xiàn)信號(hào)的透明傳輸。在波分復(fù)用系統(tǒng)中，同時(shí)傳輸模。在波分復(fù)用系統(tǒng)中，同時(shí)傳輸模 擬信號(hào)和數(shù)字信號(hào)，高速率信號(hào)和低速率信號(hào)。擬信號(hào)和數(shù)字信號(hào)，高速率信號(hào)和低速率信號(hào)。 缺點(diǎn)：缺點(diǎn)： p波長(zhǎng)固定，只能放大波長(zhǎng)固定，只能放大1.55m左右的光波。左右的光波。換用不同基質(zhì)換用不同基質(zhì) 的光纖時(shí)，鉺離子能級(jí)也只能發(fā)生很小的變化，可調(diào)節(jié)的波的光纖時(shí)，鉺離子能級(jí)也只能

31、發(fā)生很小的變化，可調(diào)節(jié)的波 長(zhǎng)有限，只能換用其他元素。長(zhǎng)有限，只能換用其他元素。 p增益帶寬不平坦。增益帶寬不平坦。在在WDM系統(tǒng)中需要采用特殊的手段來(lái)系統(tǒng)中需要采用特殊的手段來(lái) 進(jìn)行增益譜補(bǔ)償。進(jìn)行增益譜補(bǔ)償。 內(nèi)容簡(jiǎn)介內(nèi)容簡(jiǎn)介： 3.3系統(tǒng)應(yīng)用系統(tǒng)應(yīng)用 3.1工作原理工作原理 3光纖拉曼放大器光纖拉曼放大器 3.2結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu) 3.4性能指標(biāo)性能指標(biāo) 3.5優(yōu)缺點(diǎn)優(yōu)缺點(diǎn) 3 光纖拉曼放大器光纖拉曼放大器 p EDFA 光纖的最低損耗區(qū)即光纖的最低損耗區(qū)即C波段波段(1530-1565nm)， 適當(dāng)設(shè)計(jì)用于適當(dāng)設(shè)計(jì)用于L波段波段(1565-1625nm)信號(hào)的放大。信號(hào)的放大。 p光纖拉曼放大器

32、光纖拉曼放大器(Fiber Raman Amplifer，F(xiàn)RA)可以用可以用 于其它波段的放大于其它波段的放大,通過(guò)適當(dāng)改變泵浦激光波長(zhǎng)，就可以通過(guò)適當(dāng)改變泵浦激光波長(zhǎng)，就可以 達(dá)到在任意波段進(jìn)行寬帶光放大達(dá)到在任意波段進(jìn)行寬帶光放大。 p拉曼光纖放大器逐漸引起人們的重視，但拉曼光纖放大拉曼光纖放大器逐漸引起人們的重視，但拉曼光纖放大 器距離真正商用化還有一段距離。器距離真正商用化還有一段距離。 pEDFA+拉曼放大器，是目前的通信系統(tǒng)中比較成熟的一拉曼放大器，是目前的通信系統(tǒng)中比較成熟的一 種方式。種方式。 FRA實(shí)現(xiàn)放大是基于光纖中的非線性效應(yīng)：實(shí)現(xiàn)放大是基于光纖中的非線性效應(yīng)：受激拉曼

33、散射受激拉曼散射 （Stimulated Raman Scattering，SRS）。）。 拉曼散射基本原理拉曼散射基本原理：在許多非線性光學(xué)介質(zhì)中，：在許多非線性光學(xué)介質(zhì)中，高能量（高能量（ 波長(zhǎng)較短）的泵浦光散射，將一部分入射功率轉(zhuǎn)移給另一波長(zhǎng)較短）的泵浦光散射，將一部分入射功率轉(zhuǎn)移給另一 較低頻率的光波，這個(gè)低頻與高頻相比的偏移量由介質(zhì)的較低頻率的光波，這個(gè)低頻與高頻相比的偏移量由介質(zhì)的 振動(dòng)模式?jīng)Q定。振動(dòng)模式?jīng)Q定。 RS的原理性結(jié)構(gòu)示意圖的原理性結(jié)構(gòu)示意圖 拉曼散射與泵浦光功率有關(guān)，泵浦光較弱時(shí)，產(chǎn)生拉曼散射與泵浦光功率有關(guān)，泵浦光較弱時(shí)，產(chǎn)生自發(fā)拉曼散射自發(fā)拉曼散射； 泵浦光超過(guò)某個(gè)

34、閾值，產(chǎn)生泵浦光超過(guò)某個(gè)閾值，產(chǎn)生受激拉曼散射受激拉曼散射。大量試驗(yàn)得到石英光纖。大量試驗(yàn)得到石英光纖 的斯托克斯頻移的斯托克斯頻移(拉曼增益帶寬拉曼增益帶寬)為為13.2THZ。 自發(fā)拉曼散射的強(qiáng)度一般只有入射光強(qiáng)度的百萬(wàn)分之一或億萬(wàn)自發(fā)拉曼散射的強(qiáng)度一般只有入射光強(qiáng)度的百萬(wàn)分之一或億萬(wàn) 分之一。分之一。 思考題：拉曼放大器與受激輻射的思考題：拉曼放大器與受激輻射的 光放大器工作原理有何不同？光放大器工作原理有何不同？ 2.拉曼放大的信號(hào)波長(zhǎng)取決于泵浦光子頻率和石英分子的振拉曼放大的信號(hào)波長(zhǎng)取決于泵浦光子頻率和石英分子的振 動(dòng)頻率，而受激輻射放大的光波長(zhǎng)與泵浦光頻率無(wú)關(guān)。動(dòng)頻率，而受激輻射放

35、大的光波長(zhǎng)與泵浦光頻率無(wú)關(guān)。 1.受激輻射的光放大器需要粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布，而拉曼放大不受激輻射的光放大器需要粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布，而拉曼放大不 需要粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布，因?yàn)榉肿硬晃招盘?hào)光子；需要粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布，因?yàn)榉肿硬晃招盘?hào)光子； 3.2 FRA的結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu) p與與EDFA結(jié)構(gòu)基本一致。傳輸光纖本身作為增益介質(zhì)。結(jié)構(gòu)基本一致。傳輸光纖本身作為增益介質(zhì)。 p可前向、后向泵浦；為減少泵浦光和信號(hào)光相互作用的長(zhǎng)可前向、后向泵浦；為減少泵浦光和信號(hào)光相互作用的長(zhǎng) 度，從而減少泵浦噪聲對(duì)信號(hào)影響，多用度，從而減少泵浦噪聲對(duì)信號(hào)影響，多用后向泵浦方式后向泵浦方式。 p多個(gè)泵浦激光器擴(kuò)展放大帶寬。多個(gè)泵浦激光器擴(kuò)

36、展放大帶寬。 光隔離器光隔離器WDM光隔離器光隔離器 輸入信號(hào)輸入信號(hào) 輸出信號(hào)輸出信號(hào) 泵浦激光器泵浦激光器 光濾波器光濾波器 FRA基本結(jié)構(gòu)基本結(jié)構(gòu) 3.2 FRA的結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu) 光隔離器光隔離器WDM光隔離器光隔離器 輸入信號(hào)輸入信號(hào) 輸出信號(hào)輸出信號(hào) 泵浦激光器泵浦激光器 光濾波器光濾波器 FRA基本結(jié)構(gòu)基本結(jié)構(gòu) 按放大方式分為分立式和分布式：按放大方式分為分立式和分布式： p分布式：沿光纖分布的光信號(hào)進(jìn)行在線放大。分布式：沿光纖分布的光信號(hào)進(jìn)行在線放大。 主要作為傳輸光纖損耗的分布式補(bǔ)償放大，主要作為傳輸光纖損耗的分布式補(bǔ)償放大，傳輸?shù)膫鬏數(shù)钠胀ü饫w普通光纖作增益介作增益介 質(zhì)，傳輸距

37、離比較質(zhì)，傳輸距離比較長(zhǎng)長(zhǎng)，可達(dá)，可達(dá)100km100km左右；左右；泵浦源功率泵浦源功率幾百毫瓦；所以幾百毫瓦；所以 光纖中各處的信號(hào)光功率都比較小，從而可降低各種光纖光纖中各處的信號(hào)光功率都比較小，從而可降低各種光纖非線性效應(yīng)非線性效應(yīng) 的干擾。的干擾。 p分立式分立式( (集總式集總式) )：集中對(duì)光信號(hào)進(jìn)行放大。：集中對(duì)光信號(hào)進(jìn)行放大。 主要作為高增益、高功率放大，主要作為高增益、高功率放大，介質(zhì)通常是介質(zhì)通常是色散補(bǔ)償光纖或高非線色散補(bǔ)償光纖或高非線 性光纖性光纖 ，比較，比較短短，一般，一般10km10km以內(nèi)；以內(nèi)；泵浦源功率泵浦源功率幾瓦到幾十瓦。幾瓦到幾十瓦。EDFAEDFA

38、 也屬于分立式也屬于分立式。 1.1.分立分立式拉曼放大器的應(yīng)用式拉曼放大器的應(yīng)用 與與EDFA一樣集中放大，通常用于一樣集中放大，通常用于EDFA無(wú)法放大的波段無(wú)法放大的波段 3.3 FRA的系統(tǒng)應(yīng)用的系統(tǒng)應(yīng)用 分立式拉曼放大器的應(yīng)用分立式拉曼放大器的應(yīng)用 DCF-色散補(bǔ)償型光纖；色散補(bǔ)償型光纖； C-EDFA-C波段波段EDFA 拉曼泵浦(50W) 3.3 FRA的系統(tǒng)應(yīng)用的系統(tǒng)應(yīng)用 2. .分布分布式拉曼放大器（式拉曼放大器（DRA）的應(yīng)用）的應(yīng)用 在在WDM系統(tǒng)的每個(gè)傳輸單元中，在輸入端系統(tǒng)的每個(gè)傳輸單元中，在輸入端 注入反向拉曼泵注入反向拉曼泵 浦，信號(hào)將沿光纖實(shí)現(xiàn)分布式拉曼放大，可

39、以降低入射功浦，信號(hào)將沿光纖實(shí)現(xiàn)分布式拉曼放大，可以降低入射功 率并保持一定的信噪比。率并保持一定的信噪比。 DRA具有噪聲低、增益帶寬與泵浦波長(zhǎng)和功率相關(guān)特點(diǎn)。具有噪聲低、增益帶寬與泵浦波長(zhǎng)和功率相關(guān)特點(diǎn)。 EDFA具有高增益、低成本的特點(diǎn)。具有高增益、低成本的特點(diǎn)。 采用采用DRA+EDFA的典型的典型WDM系統(tǒng)系統(tǒng) 3.4 FRA的性能 1.1.增益增益 與信號(hào)光和泵浦光的與信號(hào)光和泵浦光的頻率差頻率差有關(guān)有關(guān); ;頻差小頻差小, ,增益大，增益大， 與泵浦光的與泵浦光的功率功率有關(guān)。有關(guān)。功率大功率大, ,增益大。增益大。 典型的拉曼放大器增益曲線典型的拉曼放大器增益曲線 3.4 FRA的性能的性能 2.帶寬帶寬 EDFA的增益帶寬只有的增益帶寬只有80nm。 FRA使用多個(gè)泵浦源，增益帶寬可達(dá)使用多個(gè)泵浦源，增益帶寬可達(dá)132nm，通，通 過(guò)選擇泵浦光波長(zhǎng)可實(shí)現(xiàn)過(guò)選擇泵浦光波長(zhǎng)可實(shí)現(xiàn)任意波長(zhǎng)的光放大任意波長(zhǎng)的光放大。 3.4 FRA的性能的性能 3.噪聲指數(shù)噪聲指數(shù) 3.5 FRA的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn) (3) 噪聲指數(shù)低噪聲指數(shù)低，可提升原系統(tǒng)的信噪比。，可提升原系統(tǒng)的信噪比。 3.5 FRA的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn) 3.5 FRA的優(yōu)點(diǎn)