光通信之光放大器

光通信之光放大器第1頁(yè)，共27頁(yè)，2023年，2月20日，星期日本章內(nèi)容1光放大器的基礎(chǔ)2光放大器3摻雜光纖放大器4拉曼放大器5分布式拉曼放大器第2頁(yè)，共27頁(yè)，2023年，2月20日，星期日1光放大器的基礎(chǔ)

■光纖的損耗和色散限制了通信距離。第3頁(yè)，共27頁(yè)，2023年，2月20日，星期日■為了滿足長(zhǎng)距離通信的需要，必須在光纖傳輸線路上每隔一定距離加入一個(gè)中繼器，以補(bǔ)償光信號(hào)的衰減和對(duì)畸變信號(hào)進(jìn)行整形，然后繼續(xù)向終端傳送。■中繼方法：●光電光混合中繼器

≯結(jié)構(gòu)復(fù)雜，價(jià)格昂貴且不能用于波分復(fù)用系統(tǒng)中?！袢庵欣^器

≯對(duì)光信號(hào)進(jìn)行直接放大。■傳統(tǒng)的光通信系統(tǒng)采用的是光電轉(zhuǎn)換的中繼器。第4頁(yè)，共27頁(yè)，2023年，2月20日，星期日■中繼器的缺點(diǎn)：

≯裝置復(fù)雜

≯體積大

≯耗能多■光放大器的優(yōu)點(diǎn)：

≯結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單

≯價(jià)格便宜第5頁(yè)，共27頁(yè)，2023年，2月20日，星期日動(dòng)機(jī)：解決電中繼設(shè)備復(fù)雜、維護(hù)難、成本高的問(wèn)題歷史：以1989年誕生的摻鉺光纖放大器（EDFA）為代表的全光放大技術(shù)是光纖通信技術(shù)的一次革命。影響：光放大器最重要的意義在于促使波分復(fù)用技術(shù)（WDM）走向?qū)嵱没?，促進(jìn)了光接入網(wǎng)的實(shí)用化。第6頁(yè)，共27頁(yè)，2023年，2月20日，星期日2光放大器的種類半導(dǎo)體光放大器：諧振式：法布里-泊羅型FPA

行波式：TWA光纖放大器：摻稀土元素光纖放大器：

1.55um光纖放大器-如，摻餌光纖放大器

1.31um光纖放大器-如，摻鐠光纖放大器

光纖非線性放大器：拉曼光纖放大器—分布式和分立式拉曼放大器布里淵光纖放大器第7頁(yè)，共27頁(yè)，2023年，2月20日，星期日■半導(dǎo)體激光放大器

●法布里-珀羅半導(dǎo)體激光放大器（FPA）

●行波放大器（TWA）：半導(dǎo)體激光器芯片兩端鍍上增透膜●利用能級(jí)間躍遷的受激現(xiàn)象進(jìn)行放大的。

類似于半導(dǎo)體激光器的工作原理

第8頁(yè)，共27頁(yè)，2023年，2月20日，星期日■非線性光纖放大器

●利用光纖中的非線性效應(yīng)，受激拉曼散射（SRS）和受激布里淵散射（SBS）。

●需要對(duì)光纖注入泵浦光，泵浦光能量通過(guò)SRS或SBS傳送到信號(hào)上，同時(shí)部分能量轉(zhuǎn)換成分子震動(dòng)（SRS）或聲子（SBS）。第9頁(yè)，共27頁(yè)，2023年，2月20日，星期日■摻雜光纖放大器●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(hào)通過(guò)時(shí)實(shí)現(xiàn)對(duì)入射光信號(hào)的放大作用?！駜?yōu)點(diǎn)：

≯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(diǎn)，具有廣泛的應(yīng)用前景。第10頁(yè)，共27頁(yè)，2023年，2月20日，星期日半導(dǎo)體激光放大器與光纖放大器的比較半導(dǎo)體激光放大器：≯優(yōu)點(diǎn)：?jiǎn)纬淘鲆娓?，小型化，容易與其他半導(dǎo)體器件集成

≯缺點(diǎn)：性能與光偏振方向有關(guān)；器件與光纖的耦合損耗大。光纖放大器：實(shí)質(zhì)是把工作物質(zhì)制作成光纖形狀的固體激光器

性能與光偏振方向無(wú)關(guān)，器件與光纖的耦合損耗很小，因而得到廣泛應(yīng)用。第11頁(yè)，共27頁(yè)，2023年，2月20日，星期日3摻鉺光纖放大器■摻鉺光纖放大器的特點(diǎn)

摻鉺光纖放大器(EDFA)是將鉺離子注入到纖芯中，形成了一種特殊光纖，它在泵浦光的作用下可直接對(duì)某一波長(zhǎng)的光信號(hào)進(jìn)行放大。高增益、高輸出、寬頻帶、低噪聲、增益特性與偏振無(wú)關(guān)等。第12頁(yè)，共27頁(yè)，2023年，2月20日，星期日EDFA的基本結(jié)構(gòu)■

EDFA主要是由摻鉺光纖(EDF)、泵浦光源、光耦合器、光隔離器以及光濾波器等組成。

其中:光耦合器是將輸入光信號(hào)和泵浦光源輸出的光波混合起來(lái)的無(wú)源光器件。光隔離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(hào)只能正向傳輸?shù)钠骷５?3頁(yè)，共27頁(yè)，2023年，2月20日，星期日EDFA的基本應(yīng)用形式

EDFA工作在1550nm窗口已商用的EDFA噪聲低，增益曲線好，放大器帶寬大，與波分復(fù)用(WDM)系統(tǒng)兼容，泵浦效率高，工作性能穩(wěn)定，技術(shù)成熟，在現(xiàn)代長(zhǎng)途高速光通信系統(tǒng)中備受青睞。

摻鉺光纖放大器(EDFA)+密集波分復(fù)用(WDM)+非零色散光纖(NZ-DSF)+光子集成(PIC)

成為國(guó)際上長(zhǎng)途高速光纖通信線路的主要技術(shù)方向。第14頁(yè)，共27頁(yè)，2023年，2月20日，星期日具體的應(yīng)用形式有以下四種■線路放大—周期性補(bǔ)償各段光纖損耗；用于不需要光再生，只需要簡(jiǎn)單放大的場(chǎng)合■功率放大—增加入纖功率，延長(zhǎng)傳輸距離，補(bǔ)償插入損耗和功率分配損耗■前置放大—用于提高接收靈敏度■局域網(wǎng)放大—補(bǔ)償分配損耗，增大網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)數(shù)第15頁(yè)，共27頁(yè)，2023年，2月20日，星期日能量躍遷當(dāng)泵浦光的光子能量等于能級(jí)3和能級(jí)1的能量差時(shí)，鉺離子吸收泵浦光從基態(tài)躍遷到激發(fā)態(tài)（1->3）。但是激發(fā)態(tài)是不穩(wěn)定的，Er離子很快返回到能級(jí)2。如果輸入的信號(hào)光的光子能量等于能級(jí)2和能級(jí)1的能量差，則處于能級(jí)2的Er離子將躍遷到基態(tài)（2->1），產(chǎn)生受激輻射光，因而信號(hào)光得到放大。這種放大是由泵浦光的能量裝換成信號(hào)光的能量的結(jié)果。第16頁(yè)，共27頁(yè)，2023年，2月20日，星期日EDFA的優(yōu)點(diǎn)：(1)工作波長(zhǎng)與光纖的最小損耗窗口一致(2)耦合效率高(3)能量裝換效率高(4)增益高、噪聲低(5)增益特性不敏感(6)可實(shí)現(xiàn)信號(hào)的透明傳輸EDFA固有的缺點(diǎn)：（1）波長(zhǎng)固定（2）增益帶寬不平坦第17頁(yè)，共27頁(yè)，2023年，2月20日，星期日

4光纖拉曼放大器

■光纖拉曼放大器的工作原理

光纖拉曼放大器(FiberRamanAmplifier，F(xiàn)RA)是利用光纖的受激拉曼散射效應(yīng)制成的。

第18頁(yè)，共27頁(yè)，2023年，2月20日，星期日拉曼散射效應(yīng)物質(zhì)內(nèi)部的分子無(wú)時(shí)無(wú)刻都在振動(dòng)著，但它們只能在某幾個(gè)固定的頻率上振動(dòng)，這些頻率叫拉曼頻率，不同的振動(dòng)頻率對(duì)應(yīng)于不同的分子能量。當(dāng)外界光照射時(shí)，外來(lái)光子能與振動(dòng)分子發(fā)生能量交換，這時(shí)在入射光光譜線(稱為母線)兩邊出現(xiàn)一些強(qiáng)度很弱的新譜線，這種效應(yīng)稱為拉曼散射效應(yīng)。這些新出現(xiàn)的譜線叫伴線，其中比母線波長(zhǎng)長(zhǎng)的叫斯托克斯(Strokes)線，比母線波長(zhǎng)短的叫反斯托克斯線。它們兩個(gè)與母線波長(zhǎng)的間隔相等，其值等于相應(yīng)的分子振動(dòng)頻率，約十幾個(gè)THz。第19頁(yè)，共27頁(yè)，2023年，2月20日，星期日FRA的種類光纖放大器可分為:分立式拉曼放大器分布式拉曼放大器第20頁(yè)，共27頁(yè)，2023年，2月20日，星期日采用DRA+EDFA的WDM傳輸系統(tǒng)第21頁(yè)，共27頁(yè)，2023年，2月20日，星期日拉曼放大器的特點(diǎn)●可制作超帶寬光纖放大器

1300nm-1700nm整個(gè)波段●實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)距離的無(wú)中繼傳輸和遠(yuǎn)程泵浦

適合超長(zhǎng)距離WDM系統(tǒng)●噪聲指數(shù)低

與EDFA混用，增加傳輸距離第22頁(yè)，共27頁(yè)，2023年，2月20日，星期日拉曼放大器的特性■受激拉曼放大與偏振相關(guān)

●同偏振：信號(hào)光與泵浦光的偏振方向一致，獲得最大增益

●正交偏振：兩個(gè)偏振垂直，增益很小■實(shí)際是，兩偏振方向基本上是隨機(jī)的，所以整個(gè)拉曼放大器的增益系數(shù)是同偏振時(shí)的增益與正交時(shí)增益之和的二分之一。第23頁(yè)，共27頁(yè)，2023年，2月20日，星期日5分布式拉曼放大器DRA■工作原理

基于光纖的非線性效應(yīng)和受激拉曼散射，夠強(qiáng)的光波在線路光纖中傳遞時(shí)能夠向其他波長(zhǎng)段發(fā)生能量平移。

第24頁(yè)，共27頁(yè)，2023年，2月20日，星期日■拉曼放大器類型比較

≯集總式拉曼

≯分布式拉曼■出于成本、安全性、設(shè)計(jì)難度等考慮，一般的光纖通信系統(tǒng)均采用分布式拉曼放大器（DRA）。

第25頁(yè)，共27頁(yè)，2023年，2月20日，星期日DRA的特點(diǎn)■優(yōu)點(diǎn)：噪聲指數(shù)低