《光纖通信》_第5講_光放大器.ppt

1、第五講,光放大器,2020/8/18,2,主要內(nèi)容,一、引言 二、光纖放大器的分類 三、摻鉺光纖放大器 四、拉曼光纖放大器簡介,2020/8/18,3,一、引言,目前研制的光放大器分為: 光纖放大器（OFA）和半導(dǎo)體光放大器（SOA）兩大類。 SOA早期因受噪聲、偏振相關(guān)性等因素的影響，性能達(dá)不到實(shí)用要求，但SOA結(jié)構(gòu)簡單、適于批量生產(chǎn)、成本低、壽命長、功耗小，還能與其它部件一塊集成以及使用波長范圍可望覆蓋EDFA和PDFA的應(yīng)用窗口。因此，SOA是進(jìn)一步研究的重要器件之一。,2020/8/18,4,光纖放大器（Optical Fiber Ampler，簡寫OFA）是指運(yùn)用于光纖通信線路中，實(shí)

2、現(xiàn)信號放大的一種新型全光放大器。 根據(jù)它在光纖線路中的位置和作用，一般分為:中繼放大、前置放大和功率放大三種。 同傳統(tǒng)的半導(dǎo)體激光放大器（SOA）相比較，OFA不需要經(jīng)過光電-電光轉(zhuǎn)換和信號再生等復(fù)雜過程，可直接對信號進(jìn)行全光放大，具有很好的“透明性”，特別適用于長途光通信的中繼放大?？梢哉f，OFA為實(shí)現(xiàn)全光通信奠定了一項(xiàng)技術(shù)基礎(chǔ),2020/8/18,5,傳統(tǒng)再生中繼器:光-電-光轉(zhuǎn)換 全光放大器:光-光中繼,實(shí)現(xiàn)光纖通信全光化,2020/8/18,6,傳統(tǒng)再生中繼器:光-電-光轉(zhuǎn)換 全光放大器:光-光中繼,實(shí)現(xiàn)光纖通信全光化,比較： 再生器 色散總清 單通路 調(diào)制比特率特定 光放大器 色散積

3、累 多通路 調(diào)制比特率通透,優(yōu)點(diǎn)：減少信號多次變換的失真 提高系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性,2020/8/18,7,二、光纖放大器的分類,根據(jù)放大機(jī)制不同，OFA可分為兩大類。 1 摻稀土OFA 制作光纖時(shí)，采用特殊工藝，在光纖芯層沉積中摻入極小濃度的稀土元素，如鉺、鐠或銣等離子，可制作出相應(yīng)的摻鉺、摻鐠或摻銣光纖。光纖中摻雜離子在受到泵浦光激勵(lì)后躍遷到亞穩(wěn)定的高激發(fā)態(tài)，在信號光誘導(dǎo)下，產(chǎn)生受激輻射，形成對信號光的相干放大。這種OFA實(shí)質(zhì)上是一種特殊的激光器，它的工作腔是一段摻稀土粒子光纖，泵浦光源一般采用半導(dǎo)體激光器。,2020/8/18,8,當(dāng)前光纖通信系統(tǒng)工作在兩個(gè)低損耗窗口：1.55m波段和1

4、.31m波段。選擇不同的摻雜元素，可使放大器工作在不同窗口。 （1）摻鉺光纖放大器（EDFA） EDFA工作在1.55m窗口，該窗口光纖損耗系數(shù)低（僅0.2dBkm）。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)代長途高速光通信系統(tǒng)中備受青睞。目前，“摻鉺光纖放大器（EDFA）+密集波分復(fù)用（WDM）+非零色散光纖 （NZDF）+光子集成（PIC）”正成為國際上長途高速光纖通信線路的主要技術(shù)方向。,2020/8/18,9,（2）摻鐠光纖放大器（PDFA） PDFA工作在1.31m波段，已敷設(shè)的光纖90都工作在這一窗口。

5、PDFA對現(xiàn)有光通信線路的升級和擴(kuò)容有重要的意義。目前已經(jīng)研制出低噪聲、高增益的PDFA，但是它的泵浦效率不高，工作性能不穩(wěn)定，增益對溫度敏感，離實(shí)用還有一段距離。,2020/8/18,10,2 非線性O(shè)FA 非線性O(shè)FA是利用光纖的非線性效應(yīng)實(shí)現(xiàn)對信號光放大的一種激光放大器。 當(dāng)光纖中光功率密度達(dá)到一定閾值時(shí)，將產(chǎn)生受激拉曼散射（SRS）或受激布里淵散射（SBS），形成對信號光的相干放大。 非線性O(shè)FA可相應(yīng)分為拉曼光纖放大器（SRA）和布里淵光纖放大器（BRA）。目前研制出的SRA尚未商用化。,2020/8/18,11,三、摻鉺光纖放大器 概況,摻鉺光纖放大器（EDFA）是80年代后期發(fā)展

6、起來的新型光纖通信產(chǎn)品。它的研制成功，打破了光纖通信傳輸距離受光纖損耗的限制，使全光通信距離延長至幾千公里，給光纖通信帶來了革命性的變化，被譽(yù)為光纖通信發(fā)展的一個(gè)“里程碑”。 摻鉺光纖放大器的工作光譜波段為1530nm至1560nm，與光纖通信的1550nm這個(gè)窗口完全匹配。 摻鉺光纖放大器可以對光信號進(jìn)行直接光放大，具有增益高、輸出功率大、噪聲低、響應(yīng)速度快。對信號的編碼格式?jīng)]有要求等優(yōu)點(diǎn)，因此在光纖傳輸系統(tǒng)中有廣泛的用途。,2020/8/18,12,它可以用作光 的功率放大器、中繼放大器和前置放大器，可以用于數(shù)字的和模擬的光纖通信系統(tǒng)，CATV系統(tǒng)和光纖傳輸網(wǎng)絡(luò)。 由于摻鉺光纖放大器的出現(xiàn)

7、，使無中繼的光纖傳輸距離大大延長，使密集波分復(fù)用成為可能，使復(fù)雜的光纖網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)造成為可行，也使光弧子技術(shù) 等先進(jìn)光纖通信技術(shù)取得突破性進(jìn)展。 注： 鉺(Er)是一種稀土元素(屬于鑭系元素),原子序數(shù)是68，原子量是167.3 。 EDFA在980nm泵浦時(shí)，是一個(gè)典型的三級能級系統(tǒng)，在1480nm泵浦時(shí)，是一個(gè)準(zhǔn)二級能級系統(tǒng)。,2020/8/18,13,三、摻鉺光纖放大器基本結(jié)構(gòu),EDFA: Erbium Doped Fiber Amplifier 基本結(jié)構(gòu)：,EDFA是由摻鉺光纖、泵浦光源、波分復(fù)用器構(gòu)成。,輸入信號,光隔離器,波分復(fù)用器,泵浦,摻鉺光纖,光隔離器,輸出信號,2020/8/1

8、8,14,三、摻鉺光纖放大器,摻鉺(Er3+)光纖中的電子能級 鉺離子的電子能級如圖： 由圖可以看出，一些具有重要 意義的躍遷過程主要是： 鉺離子的吸收和發(fā)射分別發(fā)生 在下列能級之間： 吸收過程：從基態(tài)4I15/2 4I9/2(對應(yīng) 800nm波長) 4I11/2(對應(yīng) 980nm波長) 4I13/2(對應(yīng) 1480nm波長) 發(fā)射過程：從激發(fā)態(tài)4I13/2 4I15/2(對應(yīng) 1536nm波長),2020/8/18,15,三、摻鉺光纖放大器,摻鉺(Er3+)光纖中的電子能級(續(xù)) 從右圖可以看到， 在摻鉺光纖(EDF)中， 鉺離子(Er3+)有三個(gè)能級,其中 能級1代表基態(tài)，能量最低； 能級

9、2是亞穩(wěn)態(tài)，處于中間能級； 能級3代表激發(fā)態(tài)，能量最高。,2020/8/18,16,EDFA放大原理,電子吸收泵浦光,受激輻射躍遷,躍遷,無輻射躍遷,E3,E2,E1,弱光,強(qiáng)光,泵浦光,激發(fā)態(tài),亞穩(wěn)態(tài),基態(tài),簡單講，是由于在摻鉺光纖中鉺離子的外層電子在泵浦光作用下呈現(xiàn)出粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布狀態(tài)，當(dāng)受到入射光照時(shí)，受激輻射，從而使光信號得到增強(qiáng)。（注意無輻射躍遷的時(shí)間1us-10ms）,2020/8/18,17,三、摻鉺光纖放大器譜圖,可見這種放大是由于泵浦光的能量轉(zhuǎn)換為信號光的結(jié)果。為提高放大器增益，應(yīng)提高對泵浦光的吸收，使基態(tài)Er3+盡可能躍遷到激發(fā)態(tài)，下圖示出EDFA增益和吸收頻譜。,2020

10、/8/18,18,三、摻鉺光纖放大器譜圖,下圖示出輸出信號光功率和輸入泵浦光功率的關(guān)系，由圖可見，泵浦光功率轉(zhuǎn)換為信號光功率的效率很高，達(dá)到 92.6。當(dāng)泵浦光功率為 60 mw時(shí)，吸收效率 (信號輸出光功率信號輸入光功率)泵浦光功率為88。,2020/8/18,19,三、摻鉺光纖放大器譜圖,下圖示出小信號條件下增益和泵浦光功率的關(guān)系，當(dāng)泵浦光功率小于 6 mw時(shí)，增益線性增加，增益系數(shù)為 6.3 dBmw。,2020/8/18,20,正向泵浦,2020/8/18,21,反向泵浦,2020/8/18,22,雙向泵浦,2020/8/18,23,EDFA應(yīng)用,光中繼：,Transmitter,re

11、ceiver,EDFA,EDFA,光接收機(jī)前置放大器：,Transmitter,receiver,EDFA,光發(fā)射機(jī)后置放大器：,receiver,Transmitter,EDFA,2020/8/18,24,EDFA的優(yōu)點(diǎn),EDFA的主要優(yōu)點(diǎn)有： （1）工作波長正好落在光纖通信最佳波段（15001600 um）；其主體是一段光纖（EDF），與傳輸光纖的耦合損耗很小，可達(dá)0.1dB。 （2）增益高，約為 3040 dB；飽和輸出光功率大，約為 1015 dBm；增益特性與光偏振狀態(tài)無關(guān)。 （3）噪聲指數(shù)小，一般為47 dB(極限約為3dB)；用于多信道傳輸時(shí)，隔離度大，無串?dāng)_，適用于波分復(fù)用系統(tǒng)

12、。,2020/8/18,25,EDFA的優(yōu)點(diǎn),（4）頻帶寬，在 1550 nm窗口，頻帶寬度為 2040 nm，可進(jìn)行多信道傳輸，有利于增加傳輸容量。,所以“波分復(fù)用+光纖放大器”被認(rèn)為是充分利用光纖帶寬增加傳輸容量最有效的方法。 1550 nm EDFA在各種光纖通信系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用，并取得了良好效果。 副載波CATV系統(tǒng)，WDM系統(tǒng)，相干光系統(tǒng)以及光孤子通信系統(tǒng)，都應(yīng)用了EDFA，并大幅度增加了傳輸距離。,2020/8/18,26,2020/8/18,27,2020/8/18,28,拉曼光纖激光放大器簡介,一、 引言 拉曼光纖激光放大器是基于光纖的非線性效應(yīng)實(shí)現(xiàn)光的放大，典型的為拉曼光纖

13、激光放大器和布里淵光纖激光放大器。 由于EDFA尚存在諸多不足之處：首先是對于所利用單模光纖低損耗區(qū)的巨大帶寬資源而言，明顯存在著工作波段和帶寬的局限性。其次是自發(fā)輻射噪聲的影響，尤其是當(dāng)系統(tǒng)級聯(lián)時(shí)，自發(fā)輻射噪聲的影響會(huì)大大降低系統(tǒng)接收機(jī)端的信噪比。 因此，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。,2020/8/18,29,拉曼光纖放大器的基本原理、特點(diǎn)和應(yīng)用,拉曼光纖放大器的原理是基于光纖中的非線性效應(yīng)：受激拉曼散射（SRS）。拉曼現(xiàn)象早在1928年就被Chandrasekhara Raman爵士所發(fā)現(xiàn)。目前對SRS效應(yīng)的研究已形成一套比較完整的理論體系

14、。 在許多非線性光學(xué)介質(zhì)中，高能量（波長較短）的泵浦光散射，將一小部分入射功率轉(zhuǎn)移到另一頻率下移的光束，頻率下移量由介質(zhì)的振動(dòng)模式?jīng)Q定，此過程稱為拉曼效應(yīng)。 量子力學(xué)描述為入射光波的一個(gè)光子被一個(gè)分子散射成為另一個(gè)低頻光子，同時(shí)分子完成振動(dòng)態(tài)之間的躍遷，入射光作為泵浦光產(chǎn)生稱為斯托克斯波的頻移光。,2020/8/18,30,研究發(fā)現(xiàn)，石英光纖具有很寬的受激拉曼散射（SRS）增益譜，并在13THz附近有一較寬的主峰。如果一個(gè)弱信號與一強(qiáng)泵浦光波同時(shí)在光纖中傳輸，并使弱信號波長置于泵浦光的拉曼增益帶寬內(nèi)，弱信號光即可得到放大，這種基于受激拉曼散射機(jī)制的光放大器即稱為拉曼光纖放大器。 拉曼光纖放大器

15、有三個(gè)突出的特點(diǎn)： a、其增益波長由泵浦光波長決定，只要泵浦源的波長適當(dāng)，理論上可得到任意波長的信號放大； b、其增益介質(zhì)為傳輸光纖本身； c、噪聲系數(shù)低。,2020/8/18,31,特點(diǎn)a使拉曼光纖放大器可以放大EDFA所不能放大的波段，使用多個(gè)泵浦源還可得到比EDFA寬得多的增益帶寬（后者由于能級躍遷機(jī)制所限，增益帶寬只有80nm），因此，對于開發(fā)光纖的整個(gè)低損耗區(qū)1270nm-1670nm具有無可替代的作用。 特點(diǎn)b使拉曼光纖放大器可以對光信號進(jìn)行在線放大，構(gòu)成分布式放大，實(shí)現(xiàn)長距離的無中繼傳輸和遠(yuǎn)程泵浦，尤其適用于海底光纜通信等不方便設(shè)立中繼器的場合。而且因?yàn)榉糯笫茄毓饫w分布而不是集中

16、作用，光纖中各處的信號光功率都比較小，從而可降低非線性效應(yīng)尤其是四波混頻（FWM）效應(yīng)的干擾。 特點(diǎn)c使其與常規(guī)EDFA混合使用時(shí)可大大降低系統(tǒng)的噪聲指數(shù)，增加傳輸跨距。,2020/8/18,32,拉曼光纖放大器的類型：,拉曼光纖放大器有兩種類型： 一種為集總式拉曼放大器：所用的光纖增益介質(zhì)比較短，一般在幾公里，泵浦功率要求很高，一般在幾到十幾瓦特，可產(chǎn)生40dB以上的高增益，象EDFA一樣用來對信號光進(jìn)行集中放大，主要作為高增益、高功率放大，可放大EDFA所無法放大的波段。 在2000年的歐洲光通信會(huì)議上，斯坦福大學(xué)的研究人員報(bào)道了他們進(jìn)行的集總式拉曼放大實(shí)驗(yàn)的結(jié)果，用十種不同的光纖分別做增益放大介質(zhì)比較得出，色散補(bǔ)償型光纖是得到高質(zhì)量集總式拉曼光纖放大器的最佳選擇。這預(yù)示我們可以在進(jìn)行系統(tǒng)色散補(bǔ)償?shù)耐瑫r(shí)對信號進(jìn)行高增益、低噪聲的放大，而且互相不影響。,2020/8/18,33,另一種為分步式拉曼放大器。所用的光纖比較長，一般為幾十公里，泵源功率可降低到幾百毫瓦，主要輔助EDFA用于DWDM通信系統(tǒng)性能的提高，抑制非線性效應(yīng)，提高信噪比。 在DWDM系統(tǒng)中，傳輸容量，尤其復(fù)用波長數(shù)目的增加，使光纖中傳輸?shù)墓夤β试絹碓酱螅鸬姆蔷€性效應(yīng)也越來越強(qiáng)，容易產(chǎn)生信道串?dāng)_，使信號失真。采用分布式拉曼光纖放大輔助傳輸可大大降低信號的入射