光放大器和光中继器

1、第第6 6章章光放大器和光中继器光放大器和光中继器第六章光放大器和光中继器第第6 6章章光放大器和光中继器光放大器和光中继器 EDFA是英文“Erbium-doped Optical Fiber Amplifier”的缩写,意即掺铒光纤放大器,是一种对信号光放大的一种有源光器件。摘自百度图片第第6 6章章光放大器和光中继器光放大器和光中继器 由前叙光纤的传输特性可知，影响光纤通信距离的两由前叙光纤的传输特性可知，影响光纤通信距离的两大因素是光纤的损耗和色散。大因素是光纤的损耗和色散。 光纤的损耗是指：光纤的损耗是指：光脉冲信号在光纤中传输，随着距离光脉冲信号在光纤中传输，随着距离的增加，脉冲幅

2、度逐渐变小。的增加，脉冲幅度逐渐变小。 光纤的色散是指：光纤的色散是指：光脉冲信号在光纤中传输，随着传输光脉冲信号在光纤中传输，随着传输距离的增加，脉冲宽度在时间上发生展宽，产生波形的畸距离的增加，脉冲宽度在时间上发生展宽，产生波形的畸变。变。 为了保证光纤长距离传输的性能指标，就需在线路的适为了保证光纤长距离传输的性能指标，就需在线路的适当距离设立中继站，一种是光当距离设立中继站，一种是光/电电/光转换形式光转换形式,另一种是直接另一种是直接对光进行放大的光放大器对光进行放大的光放大器.第第6 6章章光放大器和光中继器光放大器和光中继器 我们知道光纤有一定的衰耗，光信号沿光纤传播将会衰减，传

3、输距离受衰减的制约。因此，为了使信号传得更远，我们必须增强光信号。传统的增强光信号的方法是使传统的增强光信号的方法是使用再生器用再生器。但是，这种方法存在许多缺点，首先，再生器只能工作在确定的信号比特率和信号格式下，不同的比特率和信号格式需要不同的再生器；其次，每一个信道需要一个再生器，网络的成本很高。 随着光通信技术的发展，现在人们已经有了一种不采用再生器也可以增强光信号的方法，即光放大技术。 第第6 6章章光放大器和光中继器光放大器和光中继器 有了光放大器后就可直接实现光信号放大，而不要像以前一样进行而不要像以前一样进行/转换。转换。光放大器的开发成功及其产业化是光纤通信技术中的 光放大器

4、一个非常重要的成果，它大大地促进了光复用技术、光孤子通信以及全光网络的发光复用技术、光孤子通信以及全光网络的发展。展。第第6 6章章光放大器和光中继器光放大器和光中继器光放大器主要有2种：1.半导体放大器（半导体放大器（SOA）l 谐振式l 行波式2.光纤放大器光纤放大器l 掺稀土元素光纤放大器掺稀土元素光纤放大器 （如EDFA、PDFA）l 非线性光学放大器非线性光学放大器布里渊（SBA）光纤放大器取自 豆丁网6-1光放大器的分类光放大器的分类第第6 6章章光放大器和光中继器光放大器和光中继器一、半导体光放大器一、半导体光放大器(SOA: Semiconductor Optical Ampl

5、ifier) 它是由半导体材料制成，可看成是没有反馈的半导体它是由半导体材料制成，可看成是没有反馈的半导体行波放大器。行波放大器。二、掺铒光纤放大器二、掺铒光纤放大器（EDFA: Erbium-Doped Fiber Amplifier），），Er（铒）是一种稀土元素，将它注入到（铒）是一种稀土元素，将它注入到纤芯中，即形成了一种特殊光纤，它在泵浦光的作用纤芯中，即形成了一种特殊光纤，它在泵浦光的作用下可直接对某一波长的光信号进行放大。因此，称为下可直接对某一波长的光信号进行放大。因此，称为掺铒光纤放大器。掺铒光纤放大器。第第6 6章章光放大器和光中继器光放大器和光中继器工作波长与单模光纤的最

6、小衰减窗口一致，工作波长与单模光纤的最小衰减窗口一致，工作波长在工作波长在1.531.56m范围，与光纤最小损耗窗口一致。范围，与光纤最小损耗窗口一致。 耦合效率高耦合效率高。由于是光纤放大器，易与传输光纤耦合连接。 3) 能量转换效率高能量转换效率高。掺铒光纤EDF的纤芯比传输光纤小，信号光和泵浦光同时在掺铒光纤EDF 中传播，光能量非常集中。这使得光与增益介质Er离子的作用非常充分，加之适当长度的掺铒光纤，因而光能量的转换效率高。激励的泵浦功率低，仅需几十激励的泵浦功率低，仅需几十mW。4) 增益高、噪声指数较低、输出功率大，信道间串扰很低增益高、噪声指数较低、输出功率大，信道间串扰很低。

7、 它的增益可达40dB。噪声可低至34 dB，输出功率可达1420 dBm。第第6 6章章光放大器和光中继器光放大器和光中继器5) 增益特性稳定增益特性稳定：EDFA对温度不敏感，增益与偏振相关性小。 6)可实现透明传输：所谓透明，是指可同时传输模拟和数字信号，高、低比特率信号，系统扩容时，可改动端机面不改动线路。7）连接损耗低，因为是光纤型放大器，所以与光纤连续比较容易，连接损耗可低到0.1dB。第第6 6章章光放大器和光中继器光放大器和光中继器增益波长范围固定增益波长范围固定：Er离子的能级之间的能级差决定了EDFA的工作波长范围是固定的，只能在1550nm窗口。这也是掺稀土离子光纤放大器

8、的局限性，又例如，掺镨光纤放大器只能工作在1310nm窗口。2) 增益带宽不平坦增益带宽不平坦：EDFA的增益带宽很宽，但EFDA本身的增益谱不平坦。在WDM系统中应用时必须采取特殊的技术使其增益平坦。 3) 光浪涌问题光浪涌问题：采用EDFA可使输入光功率迅速增大，但由于EDFA的动态增益变化较慢，在输入信号能量跳变的瞬间，将产生光浪涌，即输出光功率出现尖峰，尤其是当EDFA级联时，光浪涌现象更为明显。峰值光功率可以达到几瓦，有可能造成O/E变换器和光连接器端面的损坏 第第6 6章章光放大器和光中继器光放大器和光中继器6-2 EDFA的结构的结构 一、构成一、构成 EDFA主要由掺铒光纤（E

9、DF），泵浦光源，光耦合器，光隔离器以及光波滤波器组成（如图6.1）。第第6 6章章光放大器和光中继器光放大器和光中继器1、掺铒光纤(EDF)2. 光耦合器(WDM)3. 光隔离器(ISO)4. 光滤波器(Optical Filter)5. 泵浦源(PumPing Supply)摘自百度图片第第6 6章章光放大器和光中继器光放大器和光中继器1480或980 nm 激勵光源摻鉺光纖WDM光纖耦合器光帶通濾波器光隔離器輸入光輸出光第第6 6章章光放大器和光中继器光放大器和光中继器二、作用二、作用光耦合器：是将输入光信号和泵浦光源输出的光波混合起来，它是无源光器件，一般采用波分复用器（WDM）光隔离

10、器：是防止反射光影响光放大器的工作稳定性，保证光信号只能正向传输的器件。掺铒光纤：是一段长度大约为10100m的石英光纤，将稀土元素铒离子注入到纤芯中，浓度约为25mg/kg。泵浦光源：为半导体激光器，输出功率约为10100mw（几十mw），工作波长为0.98m。光滤波器：其作用是滤除光放大器的噪声，降低噪声对系统的影响，提高系统的信噪比。 由图6.1可见，EDFA的主体部件是泵浦光源泵浦光源和掺铒光纤掺铒光纤。第第6 6章章光放大器和光中继器光放大器和光中继器 EDF 是放大器的主体，纤芯中掺有铒元素（Er）。掺有Er3+的石英光纤具有激光增益特性，铒光纤的光谱性质主要由铒离子铒离子和光纤基

11、质光纤基质决定，铒离子起主导作用，掺Er3+浓度及在纤芯中的分布等对EDFA 的特性有很大影响。 为了在放大带宽内的增益平坦为了在放大带宽内的增益平坦，在EDF 中掺入适量的铝元素，使铒离子在EDF 中分布更均匀，从而获得平坦的宽带增益谱。第第6 6章章光放大器和光中继器光放大器和光中继器 三能级系统：三能级系统：泵浦光 980 nm 跃迁跃迁 亚稳态亚稳态信号光信号光1550 nm受激放大光受激放大光1550 nm基态基态基态基态 激发态激发态第第6 6章章光放大器和光中继器光放大器和光中继器 光耦合器有合波信号光与泵浦光的作用，也称光合波器和波分复用器。是EDFA必不可少的组成部分，它将绝

12、大多数的信号光与泵浦光合路于EDF 中。主要有两种形式：980nm/1550nm 或1480nm/1550nm，一般为光纤熔锥型。要求在上述波长附近插入损耗都小，耦合效率高，耦合频带具有一定的宽度且耦合效率平坦，对偏振不敏感稳定性好！第第6 6章章光放大器和光中继器光放大器和光中继器 光隔离器是一种单向光传输器件，对对EDFA 工作稳定性至关重要工作稳定性至关重要。通常光反射会干扰器件的正常输出，产生诸如强度涨落、频率漂移和噪声增加等不利影响。提高EDFA 稳定性的最有效的方法是进行光隔离。在输入端在输入端加光隔离器消除因放大的自发辐射反向传播可能引起的干扰，输出端输出端保护器件免受来自下段可

13、能的逆向反射。同时输入和输出端插入光隔离器也为了防止连接点上反射引起激光振荡，抑制光路中的反射光返回光源侧，从而既保护了光源又使系统工作稳定。要求隔离度在40dB 以上，插入损耗低，与偏振无关。输出输出端端输输入入端端图片 EDFA 原理及特性专题第第6 6章章光放大器和光中继器光放大器和光中继器 光滤波器消除被放大的自发辐射光以降低放大器的噪声，提高系统的信噪比（SNR）。一般多采用多层介质膜型带通滤波器，要求通带窄，在1nm 以下。目前应用的光滤波器的带宽为13nm。此外，滤波器的中心波长应与信号光波长一致，并且插入损耗要小。图片 EDFA 原理及特性专题第第6 6章章光放大器和光中继器光

14、放大器和光中继器泵浦源为信号放大提供能量，即实现粒子数反转分布。泵浦源为信号放大提供能量，即实现粒子数反转分布。根据掺铒光纤(EDF)的吸收光谱特性，可以采用不同波长的激光器作为泵源，如：Ar2+激光器（514nm）、倍频YAG（532 nm）、染料激光（665nm）及半导体激光器（807nm、980nm、1480nm）。但由于在807 nm 及小于807 nm 波长处存在强烈的激发态吸收（ESA），泵浦效率较低。若用665nm、514nm 的染料和Ar+激光器泵浦得到25dB以上的增益，需要的入纤泵浦功率大于100mw，且Ar+激光器体积大难以实用化。目前目前980 nm 和和1480 nm

15、 的的LD 已商已商品化，品化，不存在激发态吸收，泵浦效率较高，不存在激发态吸收，泵浦效率较高，所以一般采用所以一般采用980nm 和和1480nm 的的半导体激光器作泵源。半导体激光器作泵源。图片 EDFA 原理及特性专题第第6 6章章光放大器和光中继器光放大器和光中继器三、按泵浦光源的泵浦方式不同，三、按泵浦光源的泵浦方式不同，EDFA分三种结构分三种结构1同向泵浦结构输入光信号与泵浦光源输出的光波，以同一方向注入掺铒光纤（如图6.1）。2反向泵浦结构输入光信号与泵浦光源输出的光波，从相反方向注入掺铒光纤（如图6.2）。第第6 6章章光放大器和光中继器光放大器和光中继器3双向泵浦结构同时具

16、备1和2的泵浦光源（如图6.3）。 从输出功率看：单泵浦的输出功率可达14 dBm，双泵浦达17 dBm。第第6 6章章光放大器和光中继器光放大器和光中继器6-3 EDFA的工作原理的工作原理 在3-2节，我们讨论了半导体激光器的工作原理，它是在泵浦源（能使工作物质产生粒子数反转分布的外界激励源）的作用下，使工作物质的粒子处于反转分布状态，具有了光放大作用，对于EDFA，其基本原理相同。 简言之，在泵浦源的作用下，在掺铒光纤中出现了粒子数反转分布，产生了受激辐射，从而使光信号得到放大，由于EDFA具有细长的纤形结构，使得有源区的能量密度很高，光与物质的作用区很长光与物质的作用区很长，这样，可以

17、降低对泵浦源功率的要求。第第6 6章章光放大器和光中继器光放大器和光中继器由图6.4可见，铒离子有三个工作能级。 E1：最低，称为基态 E2：亚稳定 E3：最高，称为激发态 在未受任何光的情况下，处在最低能级E1上，当用泵浦光源的激光不断地激发掺铒光纤时，处于基态的离子获得了能量，就会向高能级跃迁。第第6 6章章光放大器和光中继器光放大器和光中继器基態E1E2E3e-非輻射衰減受激輻射激勵光受激吸收激發態能量輸出放大光(1530-1570 nm)980 nm1460 nm(sp1s)亞穩態(sp10ms)1540 nm自發輻射第第6 6章章光放大器和光中继器光放大器和光中继器 如果由E1跃迁E

18、3到。由于粒子在E3这个高能级上是不稳定，它将迅速以无辐射过程落到亚稳态上E2，在该能级上，粒子相对来讲有较长的存活寿命，由于泵浦光源不断地激发，则E2能级上的粒子就不断地增加，而E1上的粒子数就少，这样，在这段掺铒光纤中，就实现了离子数反转分布，就存在了实现光放大的条件。 当输入光信号的光子能量Ehf，正好等于（E2 E1）能级差时，则亚稳态E2上的粒子将以受激辐射的形式跃迁到基态E1上，并辐射出和输入光信号中的光子一样的全同光子。从而大大增加了光子数量，使得输入信号光在掺铒光纤（EDF）中变为一个强的输出光信号，实现了光的直接放大。第第6 6章章光放大器和光中继器光放大器和光中继器 在E2

19、上，离子除了发生受激辐射外，还有少数离子要产生自发辐射，即在上短暂停留还没有机会与光子相互作用，就会自发地从亚稳态跃迁到基态并发射出1550nm波段的光子，这种光子与信号光不同，它是随机的，它构成了EDFA的噪声，由于这种自发辐射的光子在掺铒光纤中传输，同样也会得到放大，因此，在EDFA的输入光功率较低时，会产生较大的噪声。 第第6 6章章光放大器和光中继器光放大器和光中继器 由于E2和E1有一定的宽度，使EDFA的放大效应具有一定的波长范围，Ehf（h：普朗克常数），其典型值为15301570nm，在这个范围内，EDFA都能提供有用的增益和相对平坦特性，表明它们能对波分多路（WDM）信号的每

20、一路都提供放大作用，而相对平坦增益带宽意味着，WDM各路光纤信号需采用特殊手段进行增益谱补偿，这样不会相互产生路标串扰。第第6 6章章光放大器和光中继器光放大器和光中继器 EDFA能提供大功率输出，就可能使WDM信号沿线路传输较长距离才需再次放大，从而减少了中间放大级数。 EDFA具有较小的噪声系数，就容许长距离传输时可设置较多的放大器（级数），而整个线路噪声积累不致太严重。 第第6 6章章光放大器和光中继器光放大器和光中继器 改进的EDFA内部光路结构为一种二级桥式结构，结构图如图6-4a所示：图6-4a双级桥式结构 第第6 6章章光放大器和光中继器光放大器和光中继器 图中输入即为波长为15

21、50nm的输入信号光；隔离器1为1550nm光隔离器，用于防止1550nm反射光对信号源造成损害；此EDFA使用的是980nm单模泵浦光源，一般将泵浦功率调至几十毫瓦。如图中所示增益介质EDF分成前后两段掺铒光纤1和掺铒光纤2，1550nm输入信号光通过隔离器与980nm泵浦光经过波分复用器1合并后进入掺铒光纤EDF1，从而实现信号光的第一级放大。第第6 6章章光放大器和光中继器光放大器和光中继器 波分复用器2将经过掺铒光纤1放大的1550nm信号光与剩余的980nm泵浦光分离开来，1550nm信号光经过隔离器2到达波分复用3，与经过第一级掺铒光纤后剩余的980nm泵浦光合并后进入掺铒光纤2，

22、在该段掺铒光纤中，980nm泵浦光会对信号光实现第二级放大。放大后的信号经隔离器隔离器3输出，隔离器3的作用是隔离掉可能来自输出端接点的光反射。不难看出，通过这种结构，既保证了增益在光纤中的均匀分布，又充分提高了泵浦效率。第第6 6章章光放大器和光中继器光放大器和光中继器6-4 EDFA的特性指标的特性指标一、功率增益一、功率增益G G10lg Pi / P0 （dB） P0：输出光功率Pi：输入光功率 由图6.5可见，在给定的掺铒光纤情况下，应选择合适的泵浦功率和光纤长度，才能达到最大功率增益。第第6 6章章光放大器和光中继器光放大器和光中继器通常光纤长度是实验数据，图6.6给出了光纤长度与

23、功率增益的关系曲线。目前采用的主要泵浦波长：0.98m和1.48m。 据报导：当波长为1.48m，泵浦功率为5mw时，EDF长30m时，可35dB获得的增益。第第6 6章章光放大器和光中继器光放大器和光中继器二、输出饱和功率二、输出饱和功率表征输入信号功率与输出信号功率之间关系的参数（如图6.7）。饱和增益下降3dB所对应的输出功率，称3dB饱和输出功率。第第6 6章章光放大器和光中继器光放大器和光中继器三、噪声系数三、噪声系数EDFA噪声来源：信号光的散弹噪声信号光波与放大器自发辐射光波间的差拍噪声被放大的自发辐射和散弹噪声光放大器自发辐射的不同频率光波间差拍噪声用F表示： outinF）放

24、大器的输出信噪比（）放大器的输入信噪比（NSNS第第6 6章章光放大器和光中继器光放大器和光中继器6-5 EDFA的应用的应用一、作前置放大器使用一、作前置放大器使用（如图6.8） 前置放大器（PA）：放在光接收机之前，放大微弱的光信号，以改善光接收灵敏度，对噪声要求苛刻。 用于前置，要求噪声低，而EDFA的低噪声特性，正好可大大提高光接收机的灵敏度。第第6 6章章光放大器和光中继器光放大器和光中继器二、作发射机功率放大器使用二、作发射机功率放大器使用（如图6.9）。后置放大器（BA）：放在光发射机后，以提高发射光功率，对其噪声要求不高，饱和输出功率是主要参数。用于提高输出光功率，增加入纤功率，延长传输距离。 第第6 6章章光放大器和光中继器光放大器和光中继器三、三、作光中继器使用（如图作光中继器使用（如图6.10） 中继放大器（LA）：在光纤线路中每隔一段距离设置一个光纤放大器，以延长干线网的传输距离。 这是重要应用，可替代光/电/光中继器，对光直接放大，使全光通信得以实现。（EDFA虽补充了损耗,但来解决色散问题，解决办法：用色散频移光纤，使1550处色散为零。