第6章 光放大器和光中繼器.ppt

1、第六章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大因素是光纖的損耗和色散。 光纖的損耗是指：光脈沖信號(hào)在光纖中傳輸，隨著距離的增加，脈沖幅度逐漸變小。 光纖的色散是指：光脈沖信號(hào)在光纖中傳輸，隨著傳輸距離的增加，脈沖寬度在時(shí)間上發(fā)生展寬，產(chǎn)生波形的畸變。 為了保證光纖長(zhǎng)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/電/光轉(zhuǎn)換形式,另一種是直接對(duì)光進(jìn)行放大的光放大器.,6-1光放大器的分類(lèi),一、半導(dǎo)體光放大器(SOA: Semiconductor Optical Amplifier) 它是由半導(dǎo)體材料制成，可看成是沒(méi)有反饋的半導(dǎo)體行波放大器。 二、摻鉺光纖

2、放大器 1、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(duì)某一波長(zhǎng)的光信號(hào)進(jìn)行放大。因此，稱(chēng)為摻鉺光纖放大器。 2、DEFA的優(yōu)點(diǎn) 1）工作波長(zhǎng)在1.531.56m范圍，與光纖最小損耗窗口一致。 2）對(duì)摻鉺光纖進(jìn)行激勵(lì)的泵浦功率低，僅需幾十mW。,3）增益高，噪聲低，輸出功耗大，它的增益可達(dá)40dB。噪聲可低至34 dB，輸出功率可達(dá)1420 dBm。 4）連接損耗低，因?yàn)槭枪饫w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。 5）可實(shí)現(xiàn)透明傳輸：所

3、謂透明，是指可同時(shí)傳輸模擬和數(shù)字信號(hào)，高、低比特率信號(hào)，系統(tǒng)擴(kuò)容時(shí)，可改動(dòng)端機(jī)面不改動(dòng)線路。,6-2 EDFA的結(jié)構(gòu) 一、構(gòu)成 EDFA主要由摻鉺光纖（EDF），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）。,二、作用 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)，它是無(wú)源光器件，一般采用波分復(fù)用器（WDM） 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?摻鉺光纖：是一段長(zhǎng)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(zhǎng)為0

4、.98m。 光濾波器：其作用是濾除光放大器的噪聲，降低噪聲對(duì)系統(tǒng)的影響，提高系統(tǒng)的信噪比。 由圖6.1可見(jiàn)，EDFA的主體部件是泵浦光源和摻鉺光纖。,三、按泵浦光源的泵浦方式不同，EDFA分三種結(jié)構(gòu) 1同向泵浦結(jié)構(gòu) 輸入光信號(hào)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(hào)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）。,3雙向泵浦結(jié)構(gòu) 同時(shí)具備1和2的泵浦光源（如圖6.3）。 從輸出功率看：?jiǎn)伪闷值妮敵龉β士蛇_(dá)14 dBm，雙泵浦達(dá)17 dBm。,6-3 EDFA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

5、作物質(zhì)產(chǎn)生粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布的外界激勵(lì)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(duì)于EDFA，其基本原理相同。 簡(jiǎn)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(hào)得到放大，由于EDFA具有細(xì)長(zhǎng)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(zhǎng)，這樣，可以降低對(duì)泵浦源功率的要求。,由圖6.4可見(jiàn)，鉺離子有三個(gè)工作能級(jí)。(09*5) E1：最低，稱(chēng)為基態(tài) E2：亞穩(wěn)定 E3：最高，稱(chēng)為激發(fā)態(tài) 在未受任何光的情況下，處在最低能級(jí)E1上，當(dāng)用泵浦光源的激光不斷地激發(fā)摻鉺光纖時(shí)，處于基態(tài)的離子獲得了能量，就會(huì)向高能級(jí)躍遷。,如果由E1躍遷

6、E3到。由于粒子在E3這個(gè)高能級(jí)上是不穩(wěn)定，它將迅速以無(wú)輻射過(guò)程落到亞穩(wěn)態(tài)上E2，在該能級(jí)上，粒子相對(duì)來(lái)講有較長(zhǎng)的存活壽命，由于泵浦光源不斷地激發(fā)，則E2能級(jí)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(shí)現(xiàn)了離子數(shù)反轉(zhuǎn)分布，就存在了實(shí)現(xiàn)光放大的條件。 當(dāng)輸入光信號(hào)的光子能量Ehf，正好等于（E2 E1）能級(jí)差時(shí)，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(hào)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(hào)光在摻鉺光纖（EDF）中變?yōu)橐粋€(gè)強(qiáng)的輸出光信號(hào)，實(shí)現(xiàn)了光的直接放大。,在E2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

7、發(fā)輻射，即在E2上短暫停留還沒(méi)有機(jī)會(huì)與光子相互作用，就會(huì)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(hào)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(huì)得到放大，因此，在EDFA的輸入光功率較低時(shí)，會(huì)產(chǎn)生較大的噪聲。,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(zhǎng)范圍，Ehf（h：普朗克常數(shù)），其典型值為15301570nm，在這個(gè)范圍內(nèi)，EDFA都能提供有用的增益和相對(duì)平坦特性，表明它們能對(duì)波分多路（WDM）信號(hào)的每一路都提供放大作用，而相對(duì)平坦增益帶寬意味著，WDM各路光纖信號(hào)需采用特殊手段進(jìn)行增益譜補(bǔ)償，這

8、樣不會(huì)相互產(chǎn)生路標(biāo)串?dāng)_。,EDFA能提供大功率輸出，就可能使WDM信號(hào)沿線路傳輸較長(zhǎng)距離才需再次放大，從而減少了中間放大級(jí)數(shù)。 EDFA具有較小的噪聲系數(shù)，就容許長(zhǎng)距離傳輸時(shí)可設(shè)置較多的放大器（級(jí)數(shù)），而整個(gè)線路噪聲積累不致太嚴(yán)重。,實(shí)用光纖放大器外形圖及其構(gòu)成方框圖,6-4 EDFA的特性指標(biāo) 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(jiàn)，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(zhǎng)度，才能達(dá)到最大功率增益。,通常光纖長(zhǎng)度是實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，圖6.6給出了光纖長(zhǎng)度與功率增益的關(guān)系曲線。,目前采用的主要泵浦波長(zhǎng)：0.98m和1.48m。

9、 據(jù)報(bào)導(dǎo)：當(dāng)波長(zhǎng)為1.48m，泵浦功率為5mw時(shí)，EDF長(zhǎng)30m時(shí)，可35dB獲得的增益。,二、輸出飽和功率 表征輸入信號(hào)功率與輸出信號(hào)功率之間關(guān)系的參數(shù)（如圖6.7）。 飽和增益下降3dB所對(duì)應(yīng)的輸出功率，稱(chēng)3dB飽和輸出功率。,三、噪聲系數(shù) EDFA噪聲來(lái)源： 信號(hào)光的散彈噪聲 信號(hào)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：,6-5 EDFA的應(yīng)用 一、作前置放大器使用（如圖6.8） 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。,二、作發(fā)射機(jī)功率放大器使用（如圖6.9）。 用于提高輸出光功率，增加入纖功率，延長(zhǎng)傳輸距離。,三、作光中繼器使用（如圖6.10） 這是重要應(yīng)用，可替代光/電/光中繼器，對(duì)光直接放大，使全光通信得以實(shí)現(xiàn)。（EDFA雖補(bǔ)充了損耗,但來(lái)解決色散問(wèn)題，解決辦法：用色散頻移光纖，使1550處色散為零。用窄譜光源減小色散影響。）,6-6光中繼器 光脈沖信號(hào)從光發(fā)射機(jī)輸出，經(jīng)光纖傳輸若干距離后，由于光纖損耗和色散影響，將使光脈沖信號(hào)的幅度受到衰減，波形出現(xiàn)失真，這樣，就限制了光纖中的長(zhǎng)距離傳輸，為此，需在光波經(jīng)過(guò)一定距離傳