光纤通信原理第七章ppt课件

1、7.1 光放大器概述光放大器概述7.2 掺铒光纤放大器掺铒光纤放大器7.3 光纤喇曼放大器光纤喇曼放大器7.4 其他光放大器其他光放大器以以1989年诞生的掺铒光纤放大器年诞生的掺铒光纤放大器(Erbium Doped Fiber Amplifier，EDFA)代表的光放大器技术可以说是光纤通信技代表的光放大器技术可以说是光纤通信技术上的一次革命。术上的一次革命。光放大器在光纤通信系统目前最重要光放大器在光纤通信系统目前最重要的 应 用 就 是 促 使 了 波 分 复 用 技 术的 应 用 就 是 促 使 了 波 分 复 用 技 术(Wavelength Division Multiplexi

2、ng，WDM)走向实用化。走向实用化。光放大器还将促进光孤子通信技术的光放大器还将促进光孤子通信技术的实用化。光孤子通信是利用光纤的非线性实用化。光孤子通信是利用光纤的非线性来补偿光纤的色散作用的一种新型通信方来补偿光纤的色散作用的一种新型通信方式。式。7.1.2 光放大器的发展史光放大器的发展史光放大器的发展最早可追溯到光放大器的发展最早可追溯到1923年年A斯梅卡尔预示的自发喇曼散射。斯梅卡尔预示的自发喇曼散射。1928年年印度加尔各答大学的喇曼观测到自发喇曼印度加尔各答大学的喇曼观测到自发喇曼效应。效应。(2) 传输光纤放大器，其中有受激喇传输光纤放大器，其中有受激喇曼散射曼散射(Sti

3、mulated Raman Scattering，S R S ) 光 纤 放 大 器 、 受 激 布 里 渊 散 射光 纤 放 大 器 、 受 激 布 里 渊 散 射(Stimulated Brilliouin Scattering，SBS)光光纤放大器和利用四波混频效应纤放大器和利用四波混频效应(FWM)的光的光放大器等。放大器等。(3) 半导体激光放大器。其结构大体半导体激光放大器。其结构大体上与激光二极管上与激光二极管(Laser Diode，LD)一样。一样。这几种类型的光放大器的工作原理和这几种类型的光放大器的工作原理和激励方式各不相同。激励方式各不相同。inoutPPG outin

4、nSNRSNRF)()(掺铒光纤放大器是将掺铒光纤在泵浦掺铒光纤放大器是将掺铒光纤在泵浦源的作用下而形成的光纤放大器。对这种源的作用下而形成的光纤放大器。对这种掺杂光纤放大器影响较大的工作可追溯到掺杂光纤放大器影响较大的工作可追溯到1963年对玻璃激光器的研究。年对玻璃激光器的研究。大器的基本工作原理。大器的基本工作原理。只是只是EDFA(及其他掺杂光纤放大器及其他掺杂光纤放大器)细长的纤形结构使得有源区能量密度很高，细长的纤形结构使得有源区能量密度很高，光与物质的作用区很长，有利于降低对泵光与物质的作用区很长，有利于降低对泵浦源功率的要求。浦源功率的要求。泵浦效率泵浦效率Wp可以用来衡量泵浦

5、的有可以用来衡量泵浦的有效性，其表达式如下：效性，其表达式如下：Wp=放大器增益放大器增益(dB)/泵浦功率泵浦功率(mW)同向泵浦式同向泵浦式EDFA的饱和输出光的饱和输出光功率最小。功率最小。图图7.5 噪声指数与输出功率之间的关系噪声指数与输出功率之间的关系图图7.9 掺铒离子硅光纤的掺铒离子硅光纤的g-曲线曲线表7-1 EDFA 宽带、增益平坦化的进程增益平坦放大波段关键技术第一代1.55 m放大波段（一部分）15401560nm波段 掺铝 （A1） 、 磷 （P） 使用改善频带特性的均衡器 构成混合型EDFA第二代1.55 m放大波段、全波段15301560nm波段（15251564

6、nm） 提高光均衡器的性能长周期光纤光栅 复用法布里珀罗滤波器 氟化物EDFA第三代EDFA放大波段、 全波段1.55 m放大波段+1.58 m放大波段15301600nm波段 并联型放大器（1.55 m波段+1.58 m波段增益平坦型EDFA） 碲化物EDFA（+均衡器）在一起，损耗可降至在一起，损耗可降至0.1dB，这样，这样的熔接反射损耗也很小，不易自的熔接反射损耗也很小，不易自激。激。(3) 能量转换效率高。激光工作物质集能量转换效率高。激光工作物质集中在光纤芯子，且集中在光纤芯子中的近中在光纤芯子，且集中在光纤芯子中的近轴部分，而信号光和泵浦光也是在近轴部轴部分，而信号光和泵浦光也是

7、在近轴部分最强，这使得光与物质作用很充分。分最强，这使得光与物质作用很充分。(4) 增益高，噪声低。输出功率大，增增益高，噪声低。输出功率大，增益可达益可达40dB，输出功率在单向泵浦时可达，输出功率在单向泵浦时可达14dBm，双向泵浦时可达，双向泵浦时可达17dBm，甚至可，甚至可达达20dBm，充分泵浦时，噪声系数可低至，充分泵浦时，噪声系数可低至34dB，串话也很小。，串话也很小。(5) 增益特性不敏感。首先是增益特性不敏感。首先是EDFA增增益对温度不敏感，在益对温度不敏感，在100C内增益特性保内增益特性保持稳定，另外，增益也与偏振无关。持稳定，另外，增益也与偏振无关。(6) 可实现

8、信号的透明传输，即在波分可实现信号的透明传输，即在波分复用系统中可同时传输模拟信号和数字信复用系统中可同时传输模拟信号和数字信号，高速率信号和低速率信号，系统扩容号，高速率信号和低速率信号，系统扩容时，可只改动端机而不改动线路。时，可只改动端机而不改动线路。EDFA也有固有的缺点：也有固有的缺点：(1) 波长固定，只能放大波长固定，只能放大1.55m左右左右的光波，换用不同基质的光纤时，铒离子的光波，换用不同基质的光纤时，铒离子能级也只能发生很小的变化，可调节的波能级也只能发生很小的变化，可调节的波长有限，只能换用其他元素；长有限，只能换用其他元素；(2) 增益带宽不平坦，在增益带宽不平坦，在

9、WDM系统中系统中需要采用特殊的手段来进行增益谱补偿。需要采用特殊的手段来进行增益谱补偿。增益具有偏振依赖性，当泵浦光与增益具有偏振依赖性，当泵浦光与信号光偏振方向平行时增益最大，垂直时信号光偏振方向平行时增益最大，垂直时增益最小，但实际上在非保偏光纤中由于增益最小，但实际上在非保偏光纤中由于模式混扰的原因而表现为增益无关；增模式混扰的原因而表现为增益无关；增益谱很宽，但不平坦。最大增益频移为益谱很宽，但不平坦。最大增益频移为13.2THz，并且可以扩展到，并且可以扩展到30THz。 ；泵浦光在光纤中的衰减常数。泵浦光在光纤中的衰减常数。)/exp(0effeffRAALPgG PPeffLL

10、)exp(1(ASE)GR信号的喇曼增益。信号的喇曼增益。RASERGhF1)(分布式喇曼放大器经常与分布式喇曼放大器经常与EDFA混合混合使用，当作为前置放大器的使用，当作为前置放大器的DRA与作为功与作为功率放大器的常规率放大器的常规EDFA混合使用时，其等混合使用时，其等效噪声指数为效噪声指数为F=FR+FE/GR式中：式中：GR和和FR分别是分别是DRA的增益和噪声的增益和噪声指数；指数；FE是是EDFA的噪声指数。因为的噪声指数。因为FR通通常要比作为功率放大器的常要比作为功率放大器的EDFA的噪声指的噪声指数数FE要小，所以由上式可知，只要增加喇要小，所以由上式可知，只要增加喇曼增

11、益曼增益GR，就可以减少总的噪声指数。，就可以减少总的噪声指数。(2) 增益介质可以为传输光纤本身，增益介质可以为传输光纤本身，如此实现的如此实现的FRA称为分布式放大，因为放称为分布式放大，因为放大是沿光纤集中作用而不是集中作用，光大是沿光纤集中作用而不是集中作用，光纤中各处的信号光功率都比较小，从而可纤中各处的信号光功率都比较小，从而可降低各种光纤非线性效应的影响。降低各种光纤非线性效应的影响。(3) 噪声指数低，可提升原系统的信噪声指数低，可提升原系统的信噪比。噪比。(4) 喇曼增益谱比较宽，在普通喇曼增益谱比较宽，在普通DSF上上单波长泵浦可实现单波长泵浦可实现40nm范围的有效增益；

12、范围的有效增益；如果采用多个泵浦源，则可容易地实现宽如果采用多个泵浦源，则可容易地实现宽带放大。带放大。(5) FRA的饱和功率比较高，增益谱调的饱和功率比较高，增益谱调节方式可通过优化配置泵浦光波长和强度节方式可通过优化配置泵浦光波长和强度来实现。来实现。(6) 喇曼放大的作用时间为飞秒喇曼放大的作用时间为飞秒(10-15s)级，可实现超短脉冲的放大。级，可实现超短脉冲的放大。FRA主要有以下缺点。主要有以下缺点。 喇曼光纤放大器所需要的泵浦光功喇曼光纤放大器所需要的泵浦光功率高。率高。 作用距离太长，增益系数偏低。作用距离太长，增益系数偏低。 对偏振敏感。对偏振敏感。布里渊散射公式：布里渊散射公式：式中：式中：v0、vs、vp分别代表入射光、分别代表入射光、散射光和超声波的频率；散射光和超声波的频率；v代表超声波的代表超声波的速度；速度；c是