第6章 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六章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。两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，随着光脉冲信号在光纤中传输，随着距离的增加，脉冲幅度逐渐变小。距离的增加，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，产生波形的畸变。形的畸变。

2、 为了保证光纤长距离传输的性能指标，就需在线路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，一种是光的适当距离设立中继站，一种是光/电电/光转换形式光转换形式,另一另一种是直接对光进行放大的光放大器种是直接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6-1光放大器的分类光放大器的分类一、半导体光放大器一、半导体光放大器(SOA: Semiconductor Optical Amplifier) 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。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。二、掺铒光纤放大器二、掺铒光纤放大器

3、1、掺铒光纤放大器（、掺铒光纤放大器（EDFA: Erbium-Doped Fiber Amplifier），），Er（铒）是一种稀土元素，将它注入到纤芯中，即形成了一种特殊（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，它在泵浦光的作用下可直接对某一波长的光信号进行放大。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，称为掺铒光纤放大器。因此，称为掺铒光纤放大器。2、DEFA的优点的优点 1）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。 2）对掺铒光纤进行激励的泵浦功率低，仅需几十）对掺铒光纤进行激励的泵浦

4、功率低，仅需几十mW。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）增益高，噪声低，输出功耗大，它的增益可达40dB。噪声可低至34 dB，输出功率可达1420 dBm。 4）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。 5）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。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（EDF），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

5、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

6、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和掺铒光纤。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

7、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，这样，可以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。(09*5) E1：最低，称为基态 E2：亚稳定

8、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E3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E

9、2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E2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

10、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

11、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实用光纤放大器外形图及其构成方框图第第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

12、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

13、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） 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）。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

14、图作光中继器使用（如图6.10） 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。用窄谱光源减小色散影响。） 第第6 6章章光放大器和光中继器光放大器和光中继器發射器接收器In-Line AmplifierEDFAEDFA光纖光纖發射器接收器Power AmplifierEDFA光纖發射器接收器Pre-AmplifierEDFA光纖第第6 6章章光放大器和光中继器光放大器和光中继器6-6光中继器光中继器 光脉冲信号从光发射机输出，经光纤传输若干距离后，由于光纤损耗和色散影响，将使光脉冲信号的幅度受到衰减，波形出现失真，这样，就限制了光纤中的长距离传输，为此，需在光波经过一定距离传输后加上一个光中继器，经放大衰减的信号，恢复失真的