寬帶光網(wǎng)絡第11章光放技術

1、第11章 光放大技術11.1 光放大器概述 11.2 摻鉺光纖放大器EDFA11.3 半導體光放大器SOA11.4 光纖拉曼放大器FRA11.1 光放大器概述光放大器的出現(xiàn)，可視為光纖通信發(fā)展史上的重要里程碑。光放大器出現(xiàn)之前，光纖通信的中繼器采用光電光(O-E-O)變換方式。 裝置復雜、耗能多、不能同時放大多個波長信道，在WDM系統(tǒng)中復雜性和成本倍增，可實現(xiàn)1R、2R、3R中繼光放大器（O-O） 多波長放大、低成本，只能實現(xiàn)1R中繼光放大器的原理 光放大器的功能：提供光信號增益，以補償光信號在通路中的傳輸衰減，增大系統(tǒng)的無中繼傳輸距離。 在泵浦能量（電或光）的作用下，實現(xiàn)粒子數(shù)反轉（非線性光

2、纖放大器除外），然后通過受激輻射實現(xiàn)對入射光的放大。 光放大器是基于受激輻射或受激散射原理實現(xiàn)入射光信號放大的一種器件。其機制與激光器完全相同。實際上，光放大器在結構上是一個沒有反饋或反饋較小的激光器。光放大器的類型利用稀土摻雜的光纖放大器（EDFA、PDFA）利用半導體制作的半導體光放大器（SOA）利用光纖非線性效應制作的非線性光纖放大器（FRA、FBA）幾種光放大器的比較放大器類型原理激勵方式工作長度噪聲特性與光纖耦合與光偏振關系穩(wěn)定性摻稀土光纖放大器粒子數(shù)反轉光數(shù)米到數(shù)十米好容易無好半導體光放大器粒子數(shù)反轉電100m1mm差很難大差光纖(喇曼)放大器光學非線性(喇曼)效應光數(shù)千米好容易大

3、好光放大器的應用研究新熱點展寬帶寬：C-band 40nm, L-band 再加40nm；均衡功能：針對點對點系統(tǒng)的增益均衡，針對全光網(wǎng)的功率均衡；監(jiān)控管理功能：在線放大器，全光網(wǎng)路由改變；動態(tài)響應特性；其它波段的光纖放大器，如Raman放大器。11.2 摻鉺光纖放大器EDFA摻雜光纖放大器利用摻入石英光纖的稀土離子作為增益介質，在泵浦光的激發(fā)下實現(xiàn)光信號的放大，放大器的特性主要由摻雜元素決定。工作波長為1550nm的鉺(Er)摻雜光纖放大器(EDFA)工作波長為1300nm的鐠(Pr)摻雜光纖放大器(PDFA)工作波長為1400nm的銩(Tm)摻雜光纖放大器(TDFA)目前，EDFA最為成熟

4、，是光纖通信系統(tǒng)必備器件。摻鉺光纖放大器給光纖通信領域帶來的革命EDFA解決了系統(tǒng)容量提高的最大的限制光損耗補償了光纖本身的損耗，使長距離傳輸成為可能大大增加了功率預算的冗余，系統(tǒng)中引入各種新型光器件成為可能支持了最有效的增加光通信容量的方式-WDM推動了全光網(wǎng)絡的研究開發(fā)熱潮為什么要用摻鉺光纖放大器工作頻帶正處于光纖損耗最低處(1525-1565nm)；頻帶寬，可以對多路信號同時放大-波分復用；對數(shù)據(jù)率/格式透明，系統(tǒng)升級成本低；增益高(40dB)、輸出功率大(30dBm)、噪聲低(45dB)；全光纖結構，與光纖系統(tǒng)兼容；增益與信號偏振態(tài)無關，故穩(wěn)定性好；所需的泵浦功率低(數(shù)十毫瓦)。EDF

5、A的工作原理EDFA采用摻鉺離子單模光纖為增益介質，在泵浦光作用下產(chǎn)生粒子數(shù)反轉，在信號光誘導下實現(xiàn)受激輻射放大。EDFA中的Er3+能級結構泵浦波長可以是520、650、800、980、1480nm波長短于980nm的泵浦效率低，因而通常采用980和1480nm泵浦。摻鉺光纖放大器的基本結構三種泵浦方式的EDFAEDFA的工作特性光放大器的增益放大器的噪聲EDFA的多信道放大特性EDFA的大功率化一、光放大器的增益增益G是描述光放大器對信號放大能力的參數(shù)。定義為：G與光放大器的泵浦功率、摻雜光纖的參數(shù)和輸入光信號有很復雜的關系。insoutsPPdBG,10log10)(小信號增益隨泵浦功率

6、而變的曲線二、放大器的噪聲所有光放大器在放大過程中都會把自發(fā)輻射（或散射）疊加到信號光上，導致被放大信號的信噪比（SNR）下降，其降低程度通常用噪聲指數(shù)Fn來表示，其定義為：主要噪聲源：放大的自發(fā)輻射噪聲（ASE），它源于放大器介質中電子空穴對的自發(fā)復合。自發(fā)復合導致了與光信號一起放大的光子的寬譜背景。outinnSNRSNRF)()(ASE噪聲ASE噪聲近似為白噪聲，噪聲功率譜密度為：hnGSspsp1122NNNnspspspnnGGnF212ASE噪聲三、 EDFA的多信道放大特性EDFA的增益恢復時間g10ms(SOA的g=0.11ns),其增益不能響應調(diào)制信號的快速變化，不存在增益調(diào)

7、制，四波混頻效應也很小，所以在多信道放大中不引入信道間串擾(SOA則不然)，是其能夠用于多信道放大的關鍵所在。EDFA對信道的插入、分出或無光故障等因素引起的輸入光功率的變化（較低速變化）能產(chǎn)生響應-瞬態(tài)特性。在系統(tǒng)應用中應予以控制-增益鉗制。15441569典型的典型的EDFAEDFA增益譜增益譜固有的增益不平坦，增益固有的增益不平坦，增益差隨級聯(lián)放大而積累增大差隨級聯(lián)放大而積累增大各信道的信噪比差別增大各信道的信噪比差別增大各信道的接收靈敏度不同各信道的接收靈敏度不同增益譜的形狀隨信號功率而變，在有信道增益譜的形狀隨信號功率而變，在有信道上、下的動態(tài)情況下，失衡情況更加嚴重上、下的動態(tài)情況

8、下，失衡情況更加嚴重增益鉗制技術(1)電控：監(jiān)測EDFA的輸入光功率，根據(jù)其大小調(diào)整泵浦功率，從而實現(xiàn)增益鉗制，是目前最為成熟的方法。增益鉗制技術(2)在系統(tǒng)中附加一波長信道，根據(jù)其它信道的功率，改變附加波長的功率，而實現(xiàn)增益鉗制。EDFA的大功率化(2)11.3 半導體光放大器SOA行波半導體光放大器TWSOA與FPSOA的區(qū)別在于端面的反射率大小， TWSOA具有極低的端面反射率，通常在0.1%以下。降低端面反射方法：傾斜有源區(qū)法、窗面結構。TWSOA的增益、增益帶寬和噪聲特性都可以滿足光纖通信的要求，但如下兩個缺點限制著它在光纖通信中的實際應用： 對光信號偏振態(tài)的敏感性； 對光信號增益的

9、飽和性。SOA增益偏振相關性SOA的應用多信道放大中存在問題 噪聲大 信道串擾(交叉增益調(diào)制XGM、四波混頻FWM) 增益飽和引起信號畸變其他應用： 光波長轉換（XGM, XPM, FWM） 光開關：直接調(diào)制SOA的注入電流實現(xiàn)光的通斷。特點：高速、無損 光信號處理器件。11.4 光纖拉曼放大器FRA拉曼現(xiàn)象在1928年被發(fā)現(xiàn)。90年代早期，EDFA取代它成為焦點，F(xiàn)RA受到冷遇。隨著光纖通信網(wǎng)容量的增加，對放大器提出新的要求，傳統(tǒng)的EDFA已很難滿足，F(xiàn)RA再次成為研究的熱點。特別是高功率二極管泵浦激光器的迅猛發(fā)展，又為FRA的實現(xiàn)奠定了堅實的基礎。人們對FRA的興趣來源于這種放大器可以提供整個波長波段的放大。通過適當改變泵浦激光波長，就可以達到在任意波段進行寬帶光放大，甚至可在12701670nm整個波段內(nèi)提供放大。光纖拉曼放大器Properties of Raman Scattering in FibersRaman Amplifiers光纖拉曼放大器的泵浦要求高能量輸出。消偏輸出和偏振混合輸出。（拉曼散射增益具有偏振依賴性）泵浦波長至關重要。信號光在1300nm波段時，最佳泵浦波長約在12201240nm，而在1550nm波段時，最佳泵浦波長約在1