光纖通信第五章3用

1、1 25.5.1光放大器的優(yōu)越性 1、直接對光信號作低噪聲放大，使中繼、直接對光信號作低噪聲放大，使中繼站簡單化、小型化，也更為價廉；站簡單化、小型化，也更為價廉；2、線路的分支損耗很容易補(bǔ)償，信號可、線路的分支損耗很容易補(bǔ)償，信號可以直接以光的形式處理，因而使光纖傳以直接以光的形式處理，因而使光纖傳輸網(wǎng)絡(luò)極為靈活可變；輸網(wǎng)絡(luò)極為靈活可變；33、對信號、對信號“透明透明”，其性能與所傳輸，其性能與所傳輸電信號的形式、比特率和調(diào)制方式無電信號的形式、比特率和調(diào)制方式無關(guān)，更新系統(tǒng)只需更換終端設(shè)備；關(guān)，更新系統(tǒng)只需更換終端設(shè)備；4、頻帶極寬，達(dá)、頻帶極寬，達(dá)14THz，便于超高，便于超高速傳輸、波

2、分復(fù)用和光頻分復(fù)用，可速傳輸、波分復(fù)用和光頻分復(fù)用，可更有效的利用光纖的帶寬資源。更有效的利用光纖的帶寬資源。451.半導(dǎo)體光放大器半導(dǎo)體光放大器半導(dǎo)體激光器芯片兩端鍍上增透膜。半導(dǎo)體激光器芯片兩端鍍上增透膜。優(yōu)點：單程增益高，小型化，容易與其他半導(dǎo)體優(yōu)點：單程增益高，小型化，容易與其他半導(dǎo)體器件集成。器件集成。缺點：缺點：性能與光偏振方向有關(guān)，性能與光偏振方向有關(guān)，與光纖的耦合損耗大與光纖的耦合損耗大6利用光纖中的非線性效應(yīng)，利用受激拉曼散射利用光纖中的非線性效應(yīng)，利用受激拉曼散射（SRS）和受激布里淵散射（）和受激布里淵散射（SBS）。）。需要對光纖注入泵浦光，泵浦光能量通過需要對光纖注入

3、泵浦光，泵浦光能量通過SRS或或SBS傳送到信號上，同時部分能量轉(zhuǎn)換成分子振傳送到信號上，同時部分能量轉(zhuǎn)換成分子振動（動（SRS）或聲子（）或聲子（SBS）。）。光纖喇曼放大器（光纖喇曼放大器（FRA）泵浦光與信號光可同向或反向傳輸，增益帶寬約泵浦光與信號光可同向或反向傳輸，增益帶寬約為為6THz。光纖布里淵放大器（光纖布里淵放大器（FBA）泵浦光與信號光只能反向傳輸，增益帶寬相當(dāng)窄，泵浦光與信號光只能反向傳輸，增益帶寬相當(dāng)窄，為為30100MHz。7利用摻雜離子在泵浦光作用下形成粒子數(shù)利用摻雜離子在泵浦光作用下形成粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布，當(dāng)有入射光信號通過時實現(xiàn)對反轉(zhuǎn)分布，當(dāng)有入射光信號通過時實現(xiàn)對

4、入射光信號的放大作用。入射光信號的放大作用。優(yōu)點：摻鉺與摻鐠光纖放大器具有增益高、優(yōu)點：摻鉺與摻鐠光纖放大器具有增益高、噪聲低、頻帶寬、輸出功率高等優(yōu)點，具噪聲低、頻帶寬、輸出功率高等優(yōu)點，具有廣泛的應(yīng)用前景。有廣泛的應(yīng)用前景。8摻雜光纖放大器的特性主要由摻雜元素決摻雜光纖放大器的特性主要由摻雜元素決定：定：摻鉺摻鉺(Er)光纖放大器光纖放大器(EDFA)：工作波長：工作波長1550 nm摻鐠摻鐠(Pr)光纖放大器光纖放大器(PDFA)：1300 nm摻銩摻銩(Tm)光纖放大器光纖放大器(TDFA)：1400 nm9(Erbium-doped Fiber Amplifier, EDFA)10

5、1、摻鉺光纖放大器原理原理a) 三能級躍遷1s鉺是鑭系稀土元素,原子序數(shù)是68,原子量為167.3, 利用其4f能級11EDF增益譜1213（1）增益特性）增益特性 增益特性表示了光放大器的放大能力，定義為輸增益特性表示了光放大器的放大能力，定義為輸出功率與輸入功率之比出功率與輸入功率之比 EDFA的增益大小與多種因素有關(guān)，增益一般為的增益大小與多種因素有關(guān)，增益一般為15dB40dB insoutsppG,14增益隨輸入功率變化曲線3)u 放大器增益 小信號增益、飽和增益、最大輸出功率、小信號增益帶寬 15（2）輸出功率特性）輸出功率特性 16EDFA的增益與泵浦功率、輸入功率和EDF的長度

6、有關(guān)，EDF存在最佳長度。05101520253035-40-35-30-25-20-15-10-50輸入光功率Input Power(dBm)增益Gain(dB)246810120NF(dB)05101520253035400255075100 125 150 175 200摻鉺光纖長度(m)信號增益(dB)泵浦功率: 90mW泵浦功率: 50mW泵浦功率: 30mW17（4）噪聲特性）噪聲特性 EDFA的噪聲主要有的噪聲主要有4種種 ：信號光的散粒噪聲信號光的散粒噪聲 被放大的自發(fā)輻射光被放大的自發(fā)輻射光ASE的散粒噪聲的散粒噪聲 自發(fā)輻射自發(fā)輻射ASE光譜與信號光之間的差拍光譜與信號光之

7、間的差拍噪聲噪聲 自發(fā)輻射自發(fā)輻射ASE光譜間的差拍噪聲光譜間的差拍噪聲 衡量衡量EDFA的噪聲特性可用噪聲系數(shù)（的噪聲特性可用噪聲系數(shù)（NF）來度量，其定義為來度量，其定義為EDFA的輸入信噪比與的輸入信噪比與輸出信噪比的比值（用輸出信噪比的比值（用dB表示）。表示）。18ASE噪聲：噪聲：放大的自發(fā)輻射噪聲。來源于放大器介質(zhì)中放大的自發(fā)輻射噪聲。來源于放大器介質(zhì)中 電子電子-空穴對的自發(fā)發(fā)射，與信號一起放大空穴對的自發(fā)發(fā)射，與信號一起放大而形而形 成的寬譜噪聲。成的寬譜噪聲。ASE的功率譜密度為：的功率譜密度為： Nsp是自發(fā)輻射或粒子數(shù)反轉(zhuǎn)因子。是自發(fā)輻射或粒子數(shù)反轉(zhuǎn)因子。噪聲系數(shù)：噪聲

8、系數(shù)：1GNhSspASE12NNNsp/10lg()/ininoutoutSNNFSN19它與同相傳輸?shù)淖园l(fā)輻射頻譜密度和放大器增益它與同相傳輸?shù)淖园l(fā)輻射頻譜密度和放大器增益密切相關(guān)，與輸入信號功率、泵浦功率和泵浦方密切相關(guān)，與輸入信號功率、泵浦功率和泵浦方式等有關(guān)。式等有關(guān)。 表現(xiàn)為以下表現(xiàn)為以下3點點 在輸入小信號情況下，光放大器的噪聲系數(shù)在輸入小信號情況下，光放大器的噪聲系數(shù)（NF）隨著輸入信號光功率的增大而略有減小，）隨著輸入信號光功率的增大而略有減小，而而EDFA處于飽和狀態(tài)時噪聲系數(shù)隨信號功率的處于飽和狀態(tài)時噪聲系數(shù)隨信號功率的增大而增大。增大而增大。 噪聲系數(shù)隨著泵浦功率的增加

9、而減小。噪聲系數(shù)隨著泵浦功率的增加而減小。 信噪比惡化基本相同，但是當(dāng)摻鉺光纖長度增信噪比惡化基本相同，但是當(dāng)摻鉺光纖長度增大時，同向泵浦形式輸出的大時，同向泵浦形式輸出的ASE功率最小，因而功率最小，因而噪聲系數(shù)最低；雙向泵浦形式的噪聲系數(shù)居中；噪聲系數(shù)最低；雙向泵浦形式的噪聲系數(shù)居中；反向泵浦形式的噪聲系數(shù)最高反向泵浦形式的噪聲系數(shù)最高 20214. 級連級連EDFA系統(tǒng)的信噪比惡化系統(tǒng)的信噪比惡化l損耗l色散lASE噪聲l功率的不均衡l非線性光學(xué)效 應(yīng)的影響22三種不同的級聯(lián)方式：第一種級聯(lián)方式是所謂的“自愈”方式，即對每級增益不做專門的控制。開始增益較大，經(jīng)過幾級放大后增益趨于飽和，輸

10、出功率趨于恒定。第二種方式是保證每級EDFA輸出總功率恒定。第三種級聯(lián)方式是保持每級EDFA的增益恰好抵消級間損耗。信號功率恒定。 23增益平坦主要是指采用一些方法將EDFA增益譜中1532nm附近的峰值壓平，與后面的增益平臺保持一致，從而使得放大器在增益帶寬內(nèi)對各個波長作用相同。增益鎖定，即EDFA在一定的輸入光功率變化范圍內(nèi)提供恒定的增益。這樣當(dāng)一個信道的光功率發(fā)生變化時，其他信道的光功率不會受其影響。（1）增益鎖定控制技術(shù)）增益鎖定控制技術(shù) 目前國內(nèi)外主要有三種增益鎖定控制的方法：電路自動增益控制、光自動增益控制和鏈路增益控制。241)電路自動增益控制 電路自動增益控制(EAGC) 過程

11、主要分三步：一是增益變化的檢測；二是校準(zhǔn)信號的產(chǎn)生；三是增益的恢復(fù)。早期采用總功率泵浦控制法，即輸出端光電探測器通過耦合器探測到增益的變化，然后通過控制電路產(chǎn)生標(biāo)準(zhǔn)信號，調(diào)整泵浦激光器的驅(qū)動電流，達(dá)到自動增益控制的目的。當(dāng)信號從-40dBm變化到-10dBm時，得到13.3dB的穩(wěn)態(tài)增益，波動范圍在0.4dB以內(nèi)。25此類方法都采用光-電-光的控制方式，不同之處主要是檢測變化信號和產(chǎn)生校準(zhǔn)信號的方式，優(yōu)點是控制增益穩(wěn)定可靠，但需要加入的器件多，響應(yīng)慢，與整個光路耦合時損耗大。262)光自動增益控制 光自動增益控制(OAGC)與電路增益控制方案相比有很大的不同，不需要對放大器增益變化取樣，調(diào)整電

12、路產(chǎn)生校準(zhǔn)信號，而是采用反饋環(huán)(環(huán)形腔或線形腔)的方法產(chǎn)生控制激光，由于增益控制激光將與信號光共同消耗上能級粒子數(shù)，此消彼長，可以快速調(diào)整信號光可獲得的上能級粒子數(shù)，使得不同波長的信號光經(jīng)EDFA放大時享有相同的反轉(zhuǎn)粒子數(shù)，從而在一定輸入功率范圍內(nèi)，信號增益保持一定值。因此光增益控制技術(shù)可以實現(xiàn)快速的自動控制，并可實現(xiàn)全光集成，成為當(dāng)前的研究熱點之一。273)鏈路增益控制 鏈路增益控制(LAGC)主要用于放大器級聯(lián)情況下的增益控制。在多個放大器級聯(lián)時，僅在第一個放大器進(jìn)行增益控制，這種增益控制的概念稱為鏈路增益控制。復(fù)雜多變的情況經(jīng)常出現(xiàn)在鏈路前端，在鏈路中通常不存在上下載復(fù)用等情況，由于鏈路

13、增益控制成本較低(僅在第一個放大器進(jìn)行增益控制)，受到人們的青睞。研究表明在一定要求程度內(nèi)，LAGC可以達(dá)到滿意的增益控制效果。28（2）增益平坦控制技術(shù)）增益平坦控制技術(shù) 目前EDFA的增益平坦技術(shù)主要可分為兩大類：一是研究設(shè)計自身增益平坦EDFA，如經(jīng)過優(yōu)化設(shè)計EDFA(粒子數(shù)強(qiáng)烈反轉(zhuǎn)法、增益互補(bǔ)法)，特種光纖等等；二是EDFA外部采用各種增益均衡技術(shù)，如衰減法、單獨(dú)放大法、濾波法(插入各種無源光濾波器，如Mz濾波器、聲光可調(diào)濾波器、鍍介質(zhì)膜的濾波器光纖環(huán)鏡和光纖光柵)等29（1）EDFA的基本應(yīng)用形式的基本應(yīng)用形式 30（2）EDFA在在DWDM系統(tǒng)中的應(yīng)用系統(tǒng)中的應(yīng)用 31（3）EDF

14、A在光纜有線電視傳輸系統(tǒng)在光纜有線電視傳輸系統(tǒng)（HFC系統(tǒng)）中的應(yīng)用系統(tǒng)）中的應(yīng)用 （4）RFA+EDFA混合放大32拉曼光纖放大器(RFA，Raman Fiber Amplifier)的放大范圍更寬、噪聲指數(shù)更低，是實現(xiàn)高速率、大容量、長距離光纖傳輸?shù)年P(guān)鍵器件之一。33工作原理是受激喇曼散射效應(yīng)工作原理是受激喇曼散射效應(yīng) 分布式光放大器分布式光放大器 噪聲低，適合超長傳輸系統(tǒng)噪聲低，適合超長傳輸系統(tǒng) 工作波長和帶寬由泵浦波長決定工作波長和帶寬由泵浦波長決定 采用多波長泵浦可實現(xiàn)寬帶光放大器采用多波長泵浦可實現(xiàn)寬帶光放大器 采用偏振復(fù)用泵浦可消除偏振敏感性采用偏振復(fù)用泵浦可消除偏振敏感性 需要

15、的泵浦功率高需要的泵浦功率高34 反向泵浦喇曼放大器的一種結(jié)構(gòu)，泵浦光來自包層泵反向泵浦喇曼放大器的一種結(jié)構(gòu)，泵浦光來自包層泵浦的光纖激光器浦的光纖激光器 反向泵浦喇曼放大器反向泵浦喇曼放大器35受激喇曼散射（受激喇曼散射（SRS）是三階非線性光學(xué)效應(yīng)，是由光纖物是三階非線性光學(xué)效應(yīng)，是由光纖物質(zhì)中原子振動參與的光散射現(xiàn)象質(zhì)中原子振動參與的光散射現(xiàn)象 。晶體中原子的振動形成晶體中的格波，格波的能量是量子化晶體中原子的振動形成晶體中的格波，格波的能量是量子化的，對頻率為的，對頻率為的格波，它的每份能量是的格波，它的每份能量是h，被稱為一個聲子。被稱為一個聲子。受激喇曼散射是光學(xué)支聲子參與的光散射

16、。受激喇曼散射是光學(xué)支聲子參與的光散射。喇曼散射的基本過程喇曼散射的基本過程 ：Stokes過程：過程： 下頻移下頻移 反反Stokes過程：過程： 上頻移上頻移 。Stokes過程是主要的。過程是主要的。喇曼增益譜寬，峰值位置在頻移喇曼增益譜寬，峰值位置在頻移13THz處處 in s= in- v in a= in+ v E1 E2 s in in a insvhhhainvhhh36RFA的放大原理示意圖的放大原理示意圖 37受激喇曼散射受激喇曼散射gR 7 *10-14 m/WcgRpeakRgg38信號凈增益: 指指RFA的泵浦源打開時的輸?shù)谋闷衷创蜷_時的輸出信號光光功率與輸入信號光光

17、功出信號光光功率與輸入信號光光功率的比值率的比值02PPGNET12PPGOFFON開關(guān)增益開關(guān)增益: 喇曼開關(guān)增益指RFA的泵浦源打開時輸出的信號功率P2與關(guān)閉時對應(yīng)的輸出信號光功率p1的比值)exp(12LGPPGnetOFFON)exp(01LPP39分布式喇曼放大器的等效噪聲系數(shù)指的是將分布式喇曼放大器分布式喇曼放大器的等效噪聲系數(shù)指的是將分布式喇曼放大器（包括傳輸光纖在內(nèi)）等效成為傳統(tǒng)的傳輸光纖分立式放大（包括傳輸光纖在內(nèi)）等效成為傳統(tǒng)的傳輸光纖分立式放大器結(jié)果，等效指的是輸出端具有相同的器結(jié)果，等效指的是輸出端具有相同的OSNR的分立放大器所的分立放大器所應(yīng)具有的噪聲系數(shù)?？梢娎?/p>

18、放大器的等效噪聲系數(shù)反映的是應(yīng)具有的噪聲系數(shù)?？梢娎糯笃鞯牡刃г肼曄禂?shù)反映的是分布式喇曼放大器比起傳統(tǒng)的傳輸光纖分立式放大器在噪聲分布式喇曼放大器比起傳統(tǒng)的傳輸光纖分立式放大器在噪聲特性方面的優(yōu)劣。特性方面的優(yōu)劣。 outinSNRSNRfNF)()exp(1(LENFNF等效分立放大器）實際）40 設(shè)計寬帶RAMAN放大器不僅要考慮信號和泵浦之間的受激喇曼散射，還要考慮 信號和信號之間的受激喇曼散射 泵浦和泵浦之間的受激喇曼散射 雙徑后向瑞利散射4.多波長泵浦時的組合增益譜多波長泵浦時的組合增益譜（OFC2001）41（1）獨(dú)立喇曼寬帶放大器）獨(dú)立喇曼寬帶放大器（2）RFA+EDFA混合

19、放大器 123422）Raman+EDFA增益平坦，噪聲性能佳43 目前，光纖拉曼放大器主要在以下幾方面得到了發(fā)展。 (1)新型泵浦結(jié)構(gòu)的分布式光纖拉曼放大器。傳統(tǒng)的分布式光纖拉曼放大器部采用后向泵浦方式，目前，采用雙向泵浦結(jié)構(gòu)及合理的泵浦波長的選擇，在1528-1605nm范圍內(nèi)可以同時實現(xiàn)增益與噪聲指數(shù)的平坦化。44(2)用于光纖拉曼放大器的材料和器件方面。輸出功率在350mW 以上的泵浦激光器已經(jīng)商用，同時帶有布拉格光纖光柵穩(wěn)頻器；制約集中式光纖拉曼放大器研究進(jìn)展的增益介質(zhì)也取得了突破，最近出現(xiàn)了一種采用光子晶體光纖技術(shù)研制的高非線性光纖，它彌補(bǔ)了通常色散補(bǔ)償光纖拉曼增益系數(shù)小的問題。4

20、5從技術(shù)前景來看，光纖拉曼放大器是其它類型光放大器無法替代的，也是使現(xiàn)有傳輸系統(tǒng)由低速率升級40Gbit/S所必需的關(guān)鍵器件，是目前唯一能實現(xiàn)l290-1660nm光譜放大器件；是超大容量、超長距離光傳輸系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)。46從市場上看，雖然拉曼光纖放大器研究很熱，也有一些應(yīng)用，但在功率、效率方面的原因，他的應(yīng)用現(xiàn)在還沒有達(dá)到取代市場上的EDFA，只是起到協(xié)助EDFA的工作。47拉曼光纖放大器的設(shè)計研究主要集中在其結(jié)構(gòu)的實驗設(shè)計，包括光纖的研制、泵浦源的選擇和泵浦方式的選擇。拉曼光纖放大器需要的是特種光纖，通過對光纖的加工，使得光纖具有高的拉曼增益系數(shù)，較低的損耗的性能，有利于提高泵浦功率閾值，

21、提高效率。48 半導(dǎo)體光放大器(SOA：semiconductor optical amplifier)是利用半導(dǎo)體材料的受激輻射放大原理，實現(xiàn)相干光放大的器件。SOA 的特點是具有很大的增益帶寬(1300-1600nn)和比較好的增益平坦性，它在1515-1575nm范圍內(nèi)的增益平坦度小于5dB。另外，低價格也是SOA的主要潛在優(yōu)點。49 SOA在非線性區(qū)有增益串?dāng)_問題，如果SOA工作在非線性區(qū)(如飽和態(tài))，則快速的增益動態(tài)變化將會引起多信道之間的串?dāng)_，解決的辦法是讓SOA工作在線性區(qū)，提高飽和輸出功率；使用一個內(nèi)置的激光器結(jié)構(gòu)作增益箝制。通過改變SOA的偏置電流，既可以吸收也可以放大，而且高達(dá)50dB的消光比及快速的響應(yīng)時間(ns量級)，從而允許將SOA用作光開關(guān)。50SOA放大示意圖51多年來，雖然SOA被EDFA的成功所淹沒，但是由于其具有體積小、增益帶寬寬、可集成等優(yōu)點，許多國家也在研究。據(jù)報道已開發(fā)出大于30db增益和6db噪聲值的S0A器件。525.