光纤通信第五章3用

1、1 25.5.1光放大器的优越性 1、直接对光信号作低噪声放大，使中继、直接对光信号作低噪声放大，使中继站简单化、小型化，也更为价廉；站简单化、小型化，也更为价廉；2、线路的分支损耗很容易补偿，信号可、线路的分支损耗很容易补偿，信号可以直接以光的形式处理，因而使光纤传以直接以光的形式处理，因而使光纤传输网络极为灵活可变；输网络极为灵活可变；33、对信号、对信号“透明透明”，其性能与所传输，其性能与所传输电信号的形式、比特率和调制方式无电信号的形式、比特率和调制方式无关，更新系统只需更换终端设备；关，更新系统只需更换终端设备；4、频带极宽，达、频带极宽，达14THz，便于超高，便于超高速传输、波

2、分复用和光频分复用，可速传输、波分复用和光频分复用，可更有效的利用光纤的带宽资源。更有效的利用光纤的带宽资源。451.半导体光放大器半导体光放大器半导体激光器芯片两端镀上增透膜。半导体激光器芯片两端镀上增透膜。优点：单程增益高，小型化，容易与其他半导体优点：单程增益高，小型化，容易与其他半导体器件集成。器件集成。缺点：缺点：性能与光偏振方向有关，性能与光偏振方向有关，与光纤的耦合损耗大与光纤的耦合损耗大6利用光纤中的非线性效应，利用受激拉曼散射利用光纤中的非线性效应，利用受激拉曼散射（SRS）和受激布里渊散射（）和受激布里渊散射（SBS）。）。需要对光纤注入泵浦光，泵浦光能量通过需要对光纤注入

3、泵浦光，泵浦光能量通过SRS或或SBS传送到信号上，同时部分能量转换成分子振传送到信号上，同时部分能量转换成分子振动（动（SRS）或声子（）或声子（SBS）。）。光纤喇曼放大器（光纤喇曼放大器（FRA）泵浦光与信号光可同向或反向传输，增益带宽约泵浦光与信号光可同向或反向传输，增益带宽约为为6THz。光纤布里渊放大器（光纤布里渊放大器（FBA）泵浦光与信号光只能反向传输，增益带宽相当窄，泵浦光与信号光只能反向传输，增益带宽相当窄，为为30100MHz。7利用掺杂离子在泵浦光作用下形成粒子数利用掺杂离子在泵浦光作用下形成粒子数反转分布，当有入射光信号通过时实现对反转分布，当有入射光信号通过时实现对

4、入射光信号的放大作用。入射光信号的放大作用。优点：掺铒与掺镨光纤放大器具有增益高、优点：掺铒与掺镨光纤放大器具有增益高、噪声低、频带宽、输出功率高等优点，具噪声低、频带宽、输出功率高等优点，具有广泛的应用前景。有广泛的应用前景。8掺杂光纤放大器的特性主要由掺杂元素决掺杂光纤放大器的特性主要由掺杂元素决定：定：掺铒掺铒(Er)光纤放大器光纤放大器(EDFA)：工作波长：工作波长1550 nm掺镨掺镨(Pr)光纤放大器光纤放大器(PDFA)：1300 nm掺铥掺铥(Tm)光纤放大器光纤放大器(TDFA)：1400 nm910 1、掺铒光纤放大器原理原理a) 三能级跃迁1s铒是镧系稀土元素,原子序数

5、是68,原子量为167.3, 利用其4f能级11EDF增益谱1213（1）增益特性）增益特性 增益特性表示了光放大器的放大能力，定义为输增益特性表示了光放大器的放大能力，定义为输出功率与输入功率之比出功率与输入功率之比 EDFA的增益大小与多种因素有关，增益一般为的增益大小与多种因素有关，增益一般为15dB40dB insoutsppG,14增益随输入功率变化曲线3)u 放大器增益 小信号增益、饱和增益、最大输出功率、小信号增益带宽 15（2）输出功率特性）输出功率特性 16EDFA的增益与泵浦功率、输入功率和EDF的长度有关，EDF存在最佳长度。05101520253035-40-35-30

6、-25-20-15-10-50输入光功率Input Power(dBm)增益Gain(dB)246810120NF(dB)05101520253035400255075100 125 150 175 200掺铒光纤长度(m)信号增益(dB)泵浦功率: 90mW泵浦功率: 50mW泵浦功率: 30mW17（4）噪声特性）噪声特性 EDFA的噪声主要有的噪声主要有4种种 ：信号光的散粒噪声信号光的散粒噪声 被放大的自发辐射光被放大的自发辐射光ASE的散粒噪声的散粒噪声 自发辐射自发辐射ASE光谱与信号光之间的差拍光谱与信号光之间的差拍噪声噪声 自发辐射自发辐射ASE光谱间的差拍噪声光谱间的差拍噪声

7、 衡量衡量EDFA的噪声特性可用噪声系数（的噪声特性可用噪声系数（NF）来度量，其定义为来度量，其定义为EDFA的输入信噪比与的输入信噪比与输出信噪比的比值（用输出信噪比的比值（用dB表示）。表示）。18ASE噪声：噪声：放大的自发辐射噪声。来源于放大器介质中放大的自发辐射噪声。来源于放大器介质中 电子电子-空穴对的自发发射，与信号一起放大空穴对的自发发射，与信号一起放大而形而形 成的宽谱噪声。成的宽谱噪声。ASE的功率谱密度为：的功率谱密度为： Nsp是自发辐射或粒子数反转因子。是自发辐射或粒子数反转因子。噪声系数：噪声系数：1GNhSspASE12NNNsp/10lg()/ininouto

8、utSNNFSN19它与同相传输的自发辐射频谱密度和放大器增益它与同相传输的自发辐射频谱密度和放大器增益密切相关，与输入信号功率、泵浦功率和泵浦方密切相关，与输入信号功率、泵浦功率和泵浦方式等有关。式等有关。 表现为以下表现为以下3点点 在输入小信号情况下，光放大器的噪声系数在输入小信号情况下，光放大器的噪声系数（NF）随着输入信号光功率的增大而略有减小，）随着输入信号光功率的增大而略有减小，而而EDFA处于饱和状态时噪声系数随信号功率的处于饱和状态时噪声系数随信号功率的增大而增大。增大而增大。 噪声系数随着泵浦功率的增加而减小。噪声系数随着泵浦功率的增加而减小。 信噪比恶化基本相同，但是当掺

9、铒光纤长度增信噪比恶化基本相同，但是当掺铒光纤长度增大时，同向泵浦形式输出的大时，同向泵浦形式输出的ASE功率最小，因而功率最小，因而噪声系数最低；双向泵浦形式的噪声系数居中；噪声系数最低；双向泵浦形式的噪声系数居中；反向泵浦形式的噪声系数最高反向泵浦形式的噪声系数最高 20214. 级连级连EDFA系统的信噪比恶化系统的信噪比恶化l损耗l色散lASE噪声l功率的不均衡l非线性光学效 应的影响22三种不同的级联方式：第一种级联方式是所谓的“自愈”方式，即对每级增益不做专门的控制。开始增益较大，经过几级放大后增益趋于饱和，输出功率趋于恒定。第二种方式是保证每级EDFA输出总功率恒定。第三种级联方

10、式是保持每级EDFA的增益恰好抵消级间损耗。信号功率恒定。 23增益平坦主要是指采用一些方法将EDFA增益谱中1532nm附近的峰值压平，与后面的增益平台保持一致，从而使得放大器在增益带宽内对各个波长作用相同。增益锁定，即EDFA在一定的输入光功率变化范围内提供恒定的增益。这样当一个信道的光功率发生变化时，其他信道的光功率不会受其影响。（1）增益锁定控制技术）增益锁定控制技术 目前国内外主要有三种增益锁定控制的方法：电路自动增益控制、光自动增益控制和链路增益控制。241)电路自动增益控制 电路自动增益控制(EAGC) 过程主要分三步：一是增益变化的检测；二是校准信号的产生；三是增益的恢复。早期

11、采用总功率泵浦控制法，即输出端光电探测器通过耦合器探测到增益的变化，然后通过控制电路产生标准信号，调整泵浦激光器的驱动电流，达到自动增益控制的目的。当信号从-40dBm变化到-10dBm时，得到13.3dB的稳态增益，波动范围在0.4dB以内。25此类方法都采用光-电-光的控制方式，不同之处主要是检测变化信号和产生校准信号的方式，优点是控制增益稳定可靠，但需要加入的器件多，响应慢，与整个光路耦合时损耗大。262)光自动增益控制 光自动增益控制(OAGC)与电路增益控制方案相比有很大的不同，不需要对放大器增益变化取样，调整电路产生校准信号，而是采用反馈环(环形腔或线形腔)的方法产生控制激光，由于

12、增益控制激光将与信号光共同消耗上能级粒子数，此消彼长，可以快速调整信号光可获得的上能级粒子数，使得不同波长的信号光经EDFA放大时享有相同的反转粒子数，从而在一定输入功率范围内，信号增益保持一定值。因此光增益控制技术可以实现快速的自动控制，并可实现全光集成，成为当前的研究热点之一。273)链路增益控制 链路增益控制(LAGC)主要用于放大器级联情况下的增益控制。在多个放大器级联时，仅在第一个放大器进行增益控制，这种增益控制的概念称为链路增益控制。复杂多变的情况经常出现在链路前端，在链路中通常不存在上下载复用等情况，由于链路增益控制成本较低(仅在第一个放大器进行增益控制)，受到人们的青睐。研究表

13、明在一定要求程度内，LAGC可以达到满意的增益控制效果。28（2）增益平坦控制技术）增益平坦控制技术 目前EDFA的增益平坦技术主要可分为两大类：一是研究设计自身增益平坦EDFA，如经过优化设计EDFA(粒子数强烈反转法、增益互补法)，特种光纤等等；二是EDFA外部采用各种增益均衡技术，如衰减法、单独放大法、滤波法(插入各种无源光滤波器，如Mz滤波器、声光可调滤波器、镀介质膜的滤波器光纤环镜和光纤光栅)等29（1）EDFA的基本应用形式的基本应用形式 30（2）EDFA在在DWDM系统中的应用系统中的应用 31（3）EDFA在光缆有线电视传输系统在光缆有线电视传输系统（HFC系统）中的应用系统

14、）中的应用 （4）RFA+EDFA混合放大32拉曼光纤放大器(RFA，Raman Fiber Amplifier)的放大范围更宽、噪声指数更低，是实现高速率、大容量、长距离光纤传输的关键器件之一。33工作原理是受激喇曼散射效应工作原理是受激喇曼散射效应 分布式光放大器分布式光放大器 噪声低，适合超长传输系统噪声低，适合超长传输系统 工作波长和带宽由泵浦波长决定工作波长和带宽由泵浦波长决定 采用多波长泵浦可实现宽带光放大器采用多波长泵浦可实现宽带光放大器 采用偏振复用泵浦可消除偏振敏感性采用偏振复用泵浦可消除偏振敏感性 需要的泵浦功率高需要的泵浦功率高34 反向泵浦喇曼放大器的一种结构，泵浦光来

15、自包层泵反向泵浦喇曼放大器的一种结构，泵浦光来自包层泵浦的光纤激光器浦的光纤激光器 反向泵浦喇曼放大器反向泵浦喇曼放大器35受激喇曼散射（受激喇曼散射（SRS）是三阶非线性光学效应，是由光纤物）是三阶非线性光学效应，是由光纤物质中原子振动参与的光散射现象质中原子振动参与的光散射现象 。晶体中原子的振动形成晶体中的格波，格波的能量是量子化晶体中原子的振动形成晶体中的格波，格波的能量是量子化的，对频率为的，对频率为的格波，它的每份能量是的格波，它的每份能量是h，被称为一个声子。，被称为一个声子。受激喇曼散射是光学支声子参与的光散射。受激喇曼散射是光学支声子参与的光散射。喇曼散射的基本过程喇曼散射的

16、基本过程 ：Stokes过程：过程： 下频移下频移 反反Stokes过程：过程： 上频移上频移 。Stokes过程是主要的。过程是主要的。喇曼增益谱宽，峰值位置在频移喇曼增益谱宽，峰值位置在频移13THz处处 in s=in-v in a=in+v E1 E2 s in in a insvhhhainvhhh36RFA的放大原理示意图的放大原理示意图 37受激喇曼散射受激喇曼散射gR 7 *10-14 m/WcgRpeakRgg38信号净增益: 指指RFA的泵浦源打开时的输的泵浦源打开时的输出信号光光功率与输入信号光光功出信号光光功率与输入信号光光功率的比值率的比值02PPGNET12PPGO

17、FFON开关增益开关增益: 喇曼开关增益指RFA的泵浦源打开时输出的信号功率P2与关闭时对应的输出信号光功率p1的比值)exp(12LGPPGnetOFFON)exp(01LPP39分布式喇曼放大器的等效噪声系数指的是将分布式喇曼放大器分布式喇曼放大器的等效噪声系数指的是将分布式喇曼放大器（包括传输光纤在内）等效成为传统的传输光纤分立式放大（包括传输光纤在内）等效成为传统的传输光纤分立式放大器结果，等效指的是输出端具有相同的器结果，等效指的是输出端具有相同的OSNR的分立放大器所的分立放大器所应具有的噪声系数。可见喇曼放大器的等效噪声系数反映的是应具有的噪声系数。可见喇曼放大器的等效噪声系数反

18、映的是分布式喇曼放大器比起传统的传输光纤分立式放大器在噪声分布式喇曼放大器比起传统的传输光纤分立式放大器在噪声特性方面的优劣。特性方面的优劣。 outinSNRSNRfNF)()exp(1(LENFNF等效分立放大器）实际）40 设计宽带RAMAN放大器不仅要考虑信号和泵浦之间的受激喇曼散射，还要考虑 信号和信号之间的受激喇曼散射 泵浦和泵浦之间的受激喇曼散射 双径后向瑞利散射4.多波长泵浦时的组合增益谱多波长泵浦时的组合增益谱（OFC2001）41（1）独立喇曼宽带放大器）独立喇曼宽带放大器（2）RFA+EDFA混合放大器 123422）Raman+EDFA增益平坦，噪声性能佳43 目前，光

19、纤拉曼放大器主要在以下几方面得到了发展。 (1)新型泵浦结构的分布式光纤拉曼放大器。传统的分布式光纤拉曼放大器部采用后向泵浦方式，目前，采用双向泵浦结构及合理的泵浦波长的选择，在1528-1605nm范围内可以同时实现增益与噪声指数的平坦化。44(2)用于光纤拉曼放大器的材料和器件方面。输出功率在350mW 以上的泵浦激光器已经商用，同时带有布拉格光纤光栅稳频器；制约集中式光纤拉曼放大器研究进展的增益介质也取得了突破，最近出现了一种采用光子晶体光纤技术研制的高非线性光纤，它弥补了通常色散补偿光纤拉曼增益系数小的问题。45从技术前景来看，光纤拉曼放大器是其它类型光放大器无法替代的，也是使现有传输

20、系统由低速率升级40Gbit/S所必需的关键器件，是目前唯一能实现l290-1660nm光谱放大器件；是超大容量、超长距离光传输系统的关键技术。46从市场上看，虽然拉曼光纤放大器研究很热，也有一些应用，但在功率、效率方面的原因，他的应用现在还没有达到取代市场上的EDFA，只是起到协助EDFA的工作。47拉曼光纤放大器的设计研究主要集中在其结构的实验设计，包括光纤的研制、泵浦源的选择和泵浦方式的选择。拉曼光纤放大器需要的是特种光纤，通过对光纤的加工，使得光纤具有高的拉曼增益系数，较低的损耗的性能，有利于提高泵浦功率阈值，提高效率。48 半导体光放大器(SOA：semiconductor opti

21、cal amplifier)是利用半导体材料的受激辐射放大原理，实现相干光放大的器件。SOA 的特点是具有很大的增益带宽(1300-1600nn)和比较好的增益平坦性，它在1515-1575nm范围内的增益平坦度小于5dB。另外，低价格也是SOA的主要潜在优点。49 SOA在非线性区有增益串扰问题，如果SOA工作在非线性区(如饱和态)，则快速的增益动态变化将会引起多信道之间的串扰，解决的办法是让SOA工作在线性区，提高饱和输出功率；使用一个内置的激光器结构作增益箝制。通过改变SOA的偏置电流，既可以吸收也可以放大，而且高达50dB的消光比及快速的响应时间(ns量级)，从而允许将SOA用作光开关。50SOA放大示意图51多年来，虽然SOA被EDFA的成功所淹没，但是由于其具有体积小、增益带宽宽、可集成等优点，许多国家也在研究。据报道已开发出大于30db增益和6db噪