光放大器和光中繼器

1、第第6 6章章光放大器和光中繼器光放大器和光中繼器第六章光放大器和光中繼器第第6 6章章光放大器和光中繼器光放大器和光中繼器 EDFA是英文“Erbium-doped Optical Fiber Amplifier”的縮寫,意即摻鉺光纖放大器,是一種對信號光放大的一種有源光器件。摘自百度圖片第第6 6章章光放大器和光中繼器光放大器和光中繼器 由前敘光纖的傳輸特性可知，影響光纖通信距離的兩由前敘光纖的傳輸特性可知，影響光纖通信距離的兩大因素是光纖的損耗和色散。大因素是光纖的損耗和色散。 光纖的損耗是指：光纖的損耗是指：光脈沖信號在光纖中傳輸，隨著距離光脈沖信號在光纖中傳輸，隨著距離的增加，脈沖幅

2、度逐漸變小。的增加，脈沖幅度逐漸變小。 光纖的色散是指：光纖的色散是指：光脈沖信號在光纖中傳輸，隨著傳輸光脈沖信號在光纖中傳輸，隨著傳輸距離的增加，脈沖寬度在時間上發(fā)生展寬，產(chǎn)生波形的畸距離的增加，脈沖寬度在時間上發(fā)生展寬，產(chǎn)生波形的畸變。變。 為了保證光纖長距離傳輸?shù)男阅苤笜?biāo)，就需在線路的適為了保證光纖長距離傳輸?shù)男阅苤笜?biāo)，就需在線路的適當(dāng)距離設(shè)立中繼站，一種是光當(dāng)距離設(shè)立中繼站，一種是光/電電/光轉(zhuǎn)換形式光轉(zhuǎn)換形式,另一種是直接另一種是直接對光進(jìn)行放大的光放大器對光進(jìn)行放大的光放大器.第第6 6章章光放大器和光中繼器光放大器和光中繼器 我們知道光纖有一定的衰耗，光信號沿光纖傳播將會衰減，傳

3、輸距離受衰減的制約。因此，為了使信號傳得更遠(yuǎn)，我們必須增強(qiáng)光信號。傳統(tǒng)的增強(qiáng)光信號的方法是使傳統(tǒng)的增強(qiáng)光信號的方法是使用再生器用再生器。但是，這種方法存在許多缺點，首先，再生器只能工作在確定的信號比特率和信號格式下，不同的比特率和信號格式需要不同的再生器；其次，每一個信道需要一個再生器，網(wǎng)絡(luò)的成本很高。 隨著光通信技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)在人們已經(jīng)有了一種不采用再生器也可以增強(qiáng)光信號的方法，即光放大技術(shù)。 第第6 6章章光放大器和光中繼器光放大器和光中繼器 有了光放大器后就可直接實現(xiàn)光信號放大，而不要像以前一樣進(jìn)行而不要像以前一樣進(jìn)行/轉(zhuǎn)換。轉(zhuǎn)換。光放大器的開發(fā)成功及其產(chǎn)業(yè)化是光纖通信技術(shù)中的 光放大器

4、一個非常重要的成果，它大大地促進(jìn)了光復(fù)用技術(shù)、光孤子通信以及全光網(wǎng)絡(luò)的發(fā)光復(fù)用技術(shù)、光孤子通信以及全光網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展。展。第第6 6章章光放大器和光中繼器光放大器和光中繼器光放大器主要有2種：1.半導(dǎo)體放大器（半導(dǎo)體放大器（SOA）l 諧振式l 行波式2.光纖放大器光纖放大器l 摻稀土元素光纖放大器摻稀土元素光纖放大器 （如EDFA、PDFA）l 非線性光學(xué)放大器非線性光學(xué)放大器布里淵（SBA）光纖放大器取自 豆丁網(wǎng)6-1光放大器的分類光放大器的分類第第6 6章章光放大器和光中繼器光放大器和光中繼器一、半導(dǎo)體光放大器一、半導(dǎo)體光放大器(SOA: Semiconductor Optical Ampl

5、ifier) 它是由半導(dǎo)體材料制成，可看成是沒有反饋的半導(dǎo)體它是由半導(dǎo)體材料制成，可看成是沒有反饋的半導(dǎo)體行波放大器。行波放大器。二、摻鉺光纖放大器二、摻鉺光纖放大器（EDFA: Erbium-Doped Fiber Amplifier），），Er（鉺）是一種稀土元素，將它注入到（鉺）是一種稀土元素，將它注入到纖芯中，即形成了一種特殊光纖，它在泵浦光的作用纖芯中，即形成了一種特殊光纖，它在泵浦光的作用下可直接對某一波長的光信號進(jìn)行放大。因此，稱為下可直接對某一波長的光信號進(jìn)行放大。因此，稱為摻鉺光纖放大器。摻鉺光纖放大器。第第6 6章章光放大器和光中繼器光放大器和光中繼器工作波長與單模光纖的最

6、小衰減窗口一致，工作波長與單模光纖的最小衰減窗口一致，工作波長在工作波長在1.531.56m范圍，與光纖最小損耗窗口一致。范圍，與光纖最小損耗窗口一致。 耦合效率高耦合效率高。由于是光纖放大器，易與傳輸光纖耦合連接。 3) 能量轉(zhuǎn)換效率高能量轉(zhuǎn)換效率高。摻鉺光纖EDF的纖芯比傳輸光纖小，信號光和泵浦光同時在摻鉺光纖EDF 中傳播，光能量非常集中。這使得光與增益介質(zhì)Er離子的作用非常充分，加之適當(dāng)長度的摻鉺光纖，因而光能量的轉(zhuǎn)換效率高。激勵的泵浦功率低，僅需幾十激勵的泵浦功率低，僅需幾十mW。4) 增益高、噪聲指數(shù)較低、輸出功率大，信道間串?dāng)_很低增益高、噪聲指數(shù)較低、輸出功率大，信道間串?dāng)_很低。

7、 它的增益可達(dá)40dB。噪聲可低至34 dB，輸出功率可達(dá)1420 dBm。第第6 6章章光放大器和光中繼器光放大器和光中繼器5) 增益特性穩(wěn)定增益特性穩(wěn)定：EDFA對溫度不敏感，增益與偏振相關(guān)性小。 6)可實現(xiàn)透明傳輸：所謂透明，是指可同時傳輸模擬和數(shù)字信號，高、低比特率信號，系統(tǒng)擴(kuò)容時，可改動端機(jī)面不改動線路。7）連接損耗低，因為是光纖型放大器，所以與光纖連續(xù)比較容易，連接損耗可低到0.1dB。第第6 6章章光放大器和光中繼器光放大器和光中繼器增益波長范圍固定增益波長范圍固定：Er離子的能級之間的能級差決定了EDFA的工作波長范圍是固定的，只能在1550nm窗口。這也是摻稀土離子光纖放大器

8、的局限性，又例如，摻鐠光纖放大器只能工作在1310nm窗口。2) 增益帶寬不平坦增益帶寬不平坦：EDFA的增益帶寬很寬，但EFDA本身的增益譜不平坦。在WDM系統(tǒng)中應(yīng)用時必須采取特殊的技術(shù)使其增益平坦。 3) 光浪涌問題光浪涌問題：采用EDFA可使輸入光功率迅速增大，但由于EDFA的動態(tài)增益變化較慢，在輸入信號能量跳變的瞬間，將產(chǎn)生光浪涌，即輸出光功率出現(xiàn)尖峰，尤其是當(dāng)EDFA級聯(lián)時，光浪涌現(xiàn)象更為明顯。峰值光功率可以達(dá)到幾瓦，有可能造成O/E變換器和光連接器端面的損壞 第第6 6章章光放大器和光中繼器光放大器和光中繼器6-2 EDFA的結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu) 一、構(gòu)成一、構(gòu)成 EDFA主要由摻鉺光纖（E

9、DF），泵浦光源，光耦合器，光隔離器以及光波濾波器組成（如圖6.1）。第第6 6章章光放大器和光中繼器光放大器和光中繼器1、摻鉺光纖(EDF)2. 光耦合器(WDM)3. 光隔離器(ISO)4. 光濾波器(Optical Filter)5. 泵浦源(PumPing Supply)摘自百度圖片第第6 6章章光放大器和光中繼器光放大器和光中繼器1480或980 nm 激勵光源摻鉺光纖WDM光纖耦合器光帶通濾波器光隔離器輸入光輸出光第第6 6章章光放大器和光中繼器光放大器和光中繼器二、作用二、作用光耦合器：是將輸入光信號和泵浦光源輸出的光波混合起來，它是無源光器件，一般采用波分復(fù)用器（WDM）光隔離

10、器：是防止反射光影響光放大器的工作穩(wěn)定性，保證光信號只能正向傳輸?shù)钠骷姐s光纖：是一段長度大約為10100m的石英光纖，將稀土元素鉺離子注入到纖芯中，濃度約為25mg/kg。泵浦光源：為半導(dǎo)體激光器，輸出功率約為10100mw（幾十mw），工作波長為0.98m。光濾波器：其作用是濾除光放大器的噪聲，降低噪聲對系統(tǒng)的影響，提高系統(tǒng)的信噪比。 由圖6.1可見，EDFA的主體部件是泵浦光源泵浦光源和摻鉺光纖摻鉺光纖。第第6 6章章光放大器和光中繼器光放大器和光中繼器 EDF 是放大器的主體，纖芯中摻有鉺元素（Er）。摻有Er3+的石英光纖具有激光增益特性，鉺光纖的光譜性質(zhì)主要由鉺離子鉺離子和光纖基

11、質(zhì)光纖基質(zhì)決定，鉺離子起主導(dǎo)作用，摻Er3+濃度及在纖芯中的分布等對EDFA 的特性有很大影響。 為了在放大帶寬內(nèi)的增益平坦為了在放大帶寬內(nèi)的增益平坦，在EDF 中摻入適量的鋁元素，使鉺離子在EDF 中分布更均勻，從而獲得平坦的寬帶增益譜。第第6 6章章光放大器和光中繼器光放大器和光中繼器 三能級系統(tǒng)：三能級系統(tǒng)：泵浦光 980 nm 躍遷躍遷 亞穩(wěn)態(tài)亞穩(wěn)態(tài)信號光信號光1550 nm受激放大光受激放大光1550 nm基態(tài)基態(tài)基態(tài)基態(tài) 激發(fā)態(tài)激發(fā)態(tài)第第6 6章章光放大器和光中繼器光放大器和光中繼器 光耦合器有合波信號光與泵浦光的作用，也稱光合波器和波分復(fù)用器。是EDFA必不可少的組成部分，它將絕

12、大多數(shù)的信號光與泵浦光合路于EDF 中。主要有兩種形式：980nm/1550nm 或1480nm/1550nm，一般為光纖熔錐型。要求在上述波長附近插入損耗都小，耦合效率高，耦合頻帶具有一定的寬度且耦合效率平坦，對偏振不敏感穩(wěn)定性好！第第6 6章章光放大器和光中繼器光放大器和光中繼器 光隔離器是一種單向光傳輸器件，對對EDFA 工作穩(wěn)定性至關(guān)重要工作穩(wěn)定性至關(guān)重要。通常光反射會干擾器件的正常輸出，產(chǎn)生諸如強(qiáng)度漲落、頻率漂移和噪聲增加等不利影響。提高EDFA 穩(wěn)定性的最有效的方法是進(jìn)行光隔離。在輸入端在輸入端加光隔離器消除因放大的自發(fā)輻射反向傳播可能引起的干擾，輸出端輸出端保護(hù)器件免受來自下段可

13、能的逆向反射。同時輸入和輸出端插入光隔離器也為了防止連接點上反射引起激光振蕩，抑制光路中的反射光返回光源側(cè)，從而既保護(hù)了光源又使系統(tǒng)工作穩(wěn)定。要求隔離度在40dB 以上，插入損耗低，與偏振無關(guān)。輸出輸出端端輸輸入入端端圖片 EDFA 原理及特性專題第第6 6章章光放大器和光中繼器光放大器和光中繼器 光濾波器消除被放大的自發(fā)輻射光以降低放大器的噪聲，提高系統(tǒng)的信噪比（SNR）。一般多采用多層介質(zhì)膜型帶通濾波器，要求通帶窄，在1nm 以下。目前應(yīng)用的光濾波器的帶寬為13nm。此外，濾波器的中心波長應(yīng)與信號光波長一致，并且插入損耗要小。圖片 EDFA 原理及特性專題第第6 6章章光放大器和光中繼器光

14、放大器和光中繼器泵浦源為信號放大提供能量，即實現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布。泵浦源為信號放大提供能量，即實現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布。根據(jù)摻鉺光纖(EDF)的吸收光譜特性，可以采用不同波長的激光器作為泵源，如：Ar2+激光器（514nm）、倍頻YAG（532 nm）、染料激光（665nm）及半導(dǎo)體激光器（807nm、980nm、1480nm）。但由于在807 nm 及小于807 nm 波長處存在強(qiáng)烈的激發(fā)態(tài)吸收（ESA），泵浦效率較低。若用665nm、514nm 的染料和Ar+激光器泵浦得到25dB以上的增益，需要的入纖泵浦功率大于100mw，且Ar+激光器體積大難以實用化。目前目前980 nm 和和1480 nm

15、 的的LD 已商已商品化，品化，不存在激發(fā)態(tài)吸收，泵浦效率較高，不存在激發(fā)態(tài)吸收，泵浦效率較高，所以一般采用所以一般采用980nm 和和1480nm 的的半導(dǎo)體激光器作泵源。半導(dǎo)體激光器作泵源。圖片 EDFA 原理及特性專題第第6 6章章光放大器和光中繼器光放大器和光中繼器三、按泵浦光源的泵浦方式不同，三、按泵浦光源的泵浦方式不同，EDFA分三種結(jié)構(gòu)分三種結(jié)構(gòu)1同向泵浦結(jié)構(gòu)輸入光信號與泵浦光源輸出的光波，以同一方向注入摻鉺光纖（如圖6.1）。2反向泵浦結(jié)構(gòu)輸入光信號與泵浦光源輸出的光波，從相反方向注入摻鉺光纖（如圖6.2）。第第6 6章章光放大器和光中繼器光放大器和光中繼器3雙向泵浦結(jié)構(gòu)同時具

16、備1和2的泵浦光源（如圖6.3）。 從輸出功率看：單泵浦的輸出功率可達(dá)14 dBm，雙泵浦達(dá)17 dBm。第第6 6章章光放大器和光中繼器光放大器和光中繼器6-3 EDFA的工作原理的工作原理 在3-2節(jié)，我們討論了半導(dǎo)體激光器的工作原理，它是在泵浦源（能使工作物質(zhì)產(chǎn)生粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布的外界激勵源）的作用下，使工作物質(zhì)的粒子處于反轉(zhuǎn)分布狀態(tài)，具有了光放大作用，對于EDFA，其基本原理相同。 簡言之，在泵浦源的作用下，在摻鉺光纖中出現(xiàn)了粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布，產(chǎn)生了受激輻射，從而使光信號得到放大，由于EDFA具有細(xì)長的纖形結(jié)構(gòu)，使得有源區(qū)的能量密度很高，光與物質(zhì)的作用區(qū)很長光與物質(zhì)的作用區(qū)很長，這樣，可以

17、降低對泵浦源功率的要求。第第6 6章章光放大器和光中繼器光放大器和光中繼器由圖6.4可見，鉺離子有三個工作能級。 E1：最低，稱為基態(tài) E2：亞穩(wěn)定 E3：最高，稱為激發(fā)態(tài) 在未受任何光的情況下，處在最低能級E1上，當(dāng)用泵浦光源的激光不斷地激發(fā)摻鉺光纖時，處于基態(tài)的離子獲得了能量，就會向高能級躍遷。第第6 6章章光放大器和光中繼器光放大器和光中繼器基態(tài)E1E2E3e-非輻射衰減受激輻射激勵光受激吸收激發(fā)態(tài)能量輸出放大光(1530-1570 nm)980 nm1460 nm(sp1s)亞穩(wěn)態(tài)(sp10ms)1540 nm自發(fā)輻射第第6 6章章光放大器和光中繼器光放大器和光中繼器 如果由E1躍遷E

18、3到。由于粒子在E3這個高能級上是不穩(wěn)定，它將迅速以無輻射過程落到亞穩(wěn)態(tài)上E2，在該能級上，粒子相對來講有較長的存活壽命，由于泵浦光源不斷地激發(fā)，則E2能級上的粒子就不斷地增加，而E1上的粒子數(shù)就少，這樣，在這段摻鉺光纖中，就實現(xiàn)了離子數(shù)反轉(zhuǎn)分布，就存在了實現(xiàn)光放大的條件。 當(dāng)輸入光信號的光子能量Ehf，正好等于（E2 E1）能級差時，則亞穩(wěn)態(tài)E2上的粒子將以受激輻射的形式躍遷到基態(tài)E1上，并輻射出和輸入光信號中的光子一樣的全同光子。從而大大增加了光子數(shù)量，使得輸入信號光在摻鉺光纖（EDF）中變?yōu)橐粋€強(qiáng)的輸出光信號，實現(xiàn)了光的直接放大。第第6 6章章光放大器和光中繼器光放大器和光中繼器 在E2

19、上，離子除了發(fā)生受激輻射外，還有少數(shù)離子要產(chǎn)生自發(fā)輻射，即在上短暫停留還沒有機(jī)會與光子相互作用，就會自發(fā)地從亞穩(wěn)態(tài)躍遷到基態(tài)并發(fā)射出1550nm波段的光子，這種光子與信號光不同，它是隨機(jī)的，它構(gòu)成了EDFA的噪聲，由于這種自發(fā)輻射的光子在摻鉺光纖中傳輸，同樣也會得到放大，因此，在EDFA的輸入光功率較低時，會產(chǎn)生較大的噪聲。 第第6 6章章光放大器和光中繼器光放大器和光中繼器 由于E2和E1有一定的寬度，使EDFA的放大效應(yīng)具有一定的波長范圍，Ehf（h：普朗克常數(shù)），其典型值為15301570nm，在這個范圍內(nèi)，EDFA都能提供有用的增益和相對平坦特性，表明它們能對波分多路（WDM）信號的每

20、一路都提供放大作用，而相對平坦增益帶寬意味著，WDM各路光纖信號需采用特殊手段進(jìn)行增益譜補(bǔ)償，這樣不會相互產(chǎn)生路標(biāo)串?dāng)_。第第6 6章章光放大器和光中繼器光放大器和光中繼器 EDFA能提供大功率輸出，就可能使WDM信號沿線路傳輸較長距離才需再次放大，從而減少了中間放大級數(shù)。 EDFA具有較小的噪聲系數(shù)，就容許長距離傳輸時可設(shè)置較多的放大器（級數(shù)），而整個線路噪聲積累不致太嚴(yán)重。 第第6 6章章光放大器和光中繼器光放大器和光中繼器 改進(jìn)的EDFA內(nèi)部光路結(jié)構(gòu)為一種二級橋式結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)圖如圖6-4a所示：圖6-4a雙級橋式結(jié)構(gòu) 第第6 6章章光放大器和光中繼器光放大器和光中繼器 圖中輸入即為波長為15

21、50nm的輸入信號光；隔離器1為1550nm光隔離器，用于防止1550nm反射光對信號源造成損害；此EDFA使用的是980nm單模泵浦光源，一般將泵浦功率調(diào)至幾十毫瓦。如圖中所示增益介質(zhì)EDF分成前后兩段摻鉺光纖1和摻鉺光纖2，1550nm輸入信號光通過隔離器與980nm泵浦光經(jīng)過波分復(fù)用器1合并后進(jìn)入摻鉺光纖EDF1，從而實現(xiàn)信號光的第一級放大。第第6 6章章光放大器和光中繼器光放大器和光中繼器 波分復(fù)用器2將經(jīng)過摻鉺光纖1放大的1550nm信號光與剩余的980nm泵浦光分離開來，1550nm信號光經(jīng)過隔離器2到達(dá)波分復(fù)用3，與經(jīng)過第一級摻鉺光纖后剩余的980nm泵浦光合并后進(jìn)入摻鉺光纖2，

22、在該段摻鉺光纖中，980nm泵浦光會對信號光實現(xiàn)第二級放大。放大后的信號經(jīng)隔離器隔離器3輸出，隔離器3的作用是隔離掉可能來自輸出端接點的光反射。不難看出，通過這種結(jié)構(gòu)，既保證了增益在光纖中的均勻分布，又充分提高了泵浦效率。第第6 6章章光放大器和光中繼器光放大器和光中繼器6-4 EDFA的特性指標(biāo)的特性指標(biāo)一、功率增益一、功率增益G G10lg Pi / P0 （dB） P0：輸出光功率Pi：輸入光功率 由圖6.5可見，在給定的摻鉺光纖情況下，應(yīng)選擇合適的泵浦功率和光纖長度，才能達(dá)到最大功率增益。第第6 6章章光放大器和光中繼器光放大器和光中繼器通常光纖長度是實驗數(shù)據(jù)，圖6.6給出了光纖長度與

23、功率增益的關(guān)系曲線。目前采用的主要泵浦波長：0.98m和1.48m。 據(jù)報導(dǎo)：當(dāng)波長為1.48m，泵浦功率為5mw時，EDF長30m時，可35dB獲得的增益。第第6 6章章光放大器和光中繼器光放大器和光中繼器二、輸出飽和功率二、輸出飽和功率表征輸入信號功率與輸出信號功率之間關(guān)系的參數(shù)（如圖6.7）。飽和增益下降3dB所對應(yīng)的輸出功率，稱3dB飽和輸出功率。第第6 6章章光放大器和光中繼器光放大器和光中繼器三、噪聲系數(shù)三、噪聲系數(shù)EDFA噪聲來源：信號光的散彈噪聲信號光波與放大器自發(fā)輻射光波間的差拍噪聲被放大的自發(fā)輻射和散彈噪聲光放大器自發(fā)輻射的不同頻率光波間差拍噪聲用F表示： outinF）放

24、大器的輸出信噪比（）放大器的輸入信噪比（NSNS第第6 6章章光放大器和光中繼器光放大器和光中繼器6-5 EDFA的應(yīng)用的應(yīng)用一、作前置放大器使用一、作前置放大器使用（如圖6.8） 前置放大器（PA）：放在光接收機(jī)之前，放大微弱的光信號，以改善光接收靈敏度，對噪聲要求苛刻。 用于前置，要求噪聲低，而EDFA的低噪聲特性，正好可大大提高光接收機(jī)的靈敏度。第第6 6章章光放大器和光中繼器光放大器和光中繼器二、作發(fā)射機(jī)功率放大器使用二、作發(fā)射機(jī)功率放大器使用（如圖6.9）。后置放大器（BA）：放在光發(fā)射機(jī)后，以提高發(fā)射光功率，對其噪聲要求不高，飽和輸出功率是主要參數(shù)。用于提高輸出光功率，增加入纖功率，延長傳輸距離。 第第6 6章章光放大器和光中繼器光放大器和光中繼器三、三、作光中繼器使用（如圖作光中繼器使用（如圖6.10） 中繼放大器（LA）：在光纖線路中每隔一段距離設(shè)置一個光纖放大器，以延長干線網(wǎng)的傳輸距離。 這是重要應(yīng)用，可替代光/電/光中繼器，對光直接放大，使全光通信得以實現(xiàn)。（EDFA雖補(bǔ)充了損耗,但來解決色散問題，解決辦法：用色散頻移光纖，使1550處色散為零。