光纤通信光放大器

1、光纤通信光放大器1第1页，共25页，2022年，5月20日，4点56分，星期一假设光发射机的输出功率为 0dBm，接收机的灵敏度为 30dBm，尽管光纤的损耗很小(0.2dB/km)，则光纤通信系统的传输距离也只有 150km。如果要加大系统的传输距离，必须进行光中继或光放大。对于单路，低码率光纤通信系统，光中继和光放大方案的性能价格比基本相同。 4、光放大器 （1）直接光放大的优点光发射机光接收机光发射机光接收机光放大光放大光发射机光接收机光中继光中继光发射机光接收机光发射机光接收机2第2页，共25页，2022年，5月20日，4点56分，星期一对于多路，高码率光纤通信系统，光放大方案的性能价

2、格比占绝对优势。光中继器的价格与码率成正比，光放大器的价格与码率无关。 4、光放大器 （1）直接光放大的优点光放大光放大光接收机光接收机光接收机光分波器光合波器光发射机光发射机光发射机光中继光接收机光接收机光接收机光分波器光合波器光发射机光发射机光发射机光分波器光中继光中继光合波器3第3页，共25页，2022年，5月20日，4点56分，星期一光放大器，特别是 EDFA 是光纤通信技术领域内继半导体激光器、光纤后的又一重要发明。它使得波分复用（ WDM）系统成为现实，使得光纤的带宽资源的利用率得到大幅度提高。 4、光放大器 （1）直接光放大的优点光放大光放大光接收机光接收机光接收机光分波器光合波

3、器光发射机光发射机光发射机4第4页，共25页，2022年，5月20日，4点56分，星期一功率放大器，一般工作在饱和状态。饱和输出功率大(15-23dBm)。饱和输出功率(2-p346图11.3)。需要注意光纤中的非线性问题。 4、光放大器 （2）光放大器按用途分类光功率放大器光在线放大器光接收机光接收机光接收机光分波器光合波器光发射机光发射机光发射机光前置放大器G(dB)Pin(dBm)G0(dB)3dBGsat(dB)Pin-sat(dBm)1dB 压缩，G1dB(dB)增益调制，响应速度5第5页，共25页，2022年，5月20日，4点56分，星期一在线放大器，输出功率适中、噪声系数较小。一

4、般情况下，光放大器工作在小信号状态的增益较高，工作在饱和状态的噪声系数较小。在线放大器可根据上述原则设置工作状态。 4、光放大器 （2）光放大器按用途分类光功率放大器光在线放大器光接收机光接收机光接收机光分波器光合波器光发射机光发射机光发射机光前置放大器6第6页，共25页，2022年，5月20日，4点56分，星期一前置放大器，小信号输入(30dBm以下)时噪声系数仍很低(4dB左右)。输出功率不必很大。用于改善由于热噪声限制的光接收机灵敏度。 4、光放大器 （2）光放大器按用途分类光功率放大器光在线放大器光接收机光接收机光接收机光分波器光合波器光发射机光发射机光发射机光前置放大器7第7页，共2

5、5页，2022年，5月20日，4点56分，星期一半导体光放大器 （SOA），掺杂光纤放大器(EDFA)。它们都是通过受激辐射过程实现对输入光信号的放大。 4、光放大器 （3）光放大器按结构分类输入光透镜透镜增透膜增透膜半导体增益介质电流泵浦注入输出光光隔离器光滤波器输入信号光掺铒光纤激光泵浦注入输出光光隔离器光滤波器光耦合器光隔离器光耦合器8第8页，共25页，2022年，5月20日，4点56分，星期一（一）SOA 是由 III、V 族半导体合金材料构成激活介质，有谐振放大（FP-A）和行波放大（TW-A）两种工作方式。若激活介质两端的反射率较高时，则 SOA 是谐振放大（FP-A）。谐振放大

6、SOA 制作工艺简单，但工作带宽较窄，且增益对温度和输入功率的变化很敏感。若激活介质两端的反射率较低时，则 SOA 是行波放大（TW-A）。行波放大 SOA 的带宽比谐振放大 SOA 大 3 个数量级，且饱和输出功率高，偏振不敏感。一般情况下，光纤通信系统中提到 SOA 都是指行波放大 SOA。 4、光放大器 （4）SOA 的基本特点9第9页，共25页，2022年，5月20日，4点56分，星期一（二）SOA 是 2 能级系统，其泵浦源是电源。体积小，结构简单。SOA 的控温电路、直流偏置电路的与半导体激光器的控温电路、直流偏置电路完全相同。目前已有多种非常成熟的技术方案。 4、光放大器 （4）

7、SOA 的基本特点输入光透镜透镜增透膜增透膜半导体增益介质电流泵浦注入输出光光隔离器光滤波器10第10页，共25页，2022年，5月20日，4点56分，星期一 4、光放大器 （4）SOA 的基本特点11第11页，共25页，2022年，5月20日，4点56分，星期一 4、光放大器 （4）SOA 的基本特点PHILIPS 80C51系列：80C552，87C55412第12页，共25页，2022年，5月20日，4点56分，星期一 4、光放大器 （4）SOA 的基本特点6cm13第13页，共25页，2022年，5月20日，4点56分，星期一（三）载流子寿命为 ns 量级。因此：1）SOA 具有 1p

8、s 0.1ns 的快速增益响应。2）自发辐射噪声较大。 4、光放大器 （4）SOA 的基本特点G(dB)Pin(dBm)G0(dB)3dBGsat(dB)Pin-sat(dBm)增益响应速度相对于脉冲宽度慢增益响应速度相对于脉冲宽度快增益静态响应2.5Gbit/s 400ps；10 Gbit/s 100ps； 40 Gbit/s 25ps应当小信号状态下使用小信号输入，放大器未饱和14第14页，共25页，2022年，5月20日，4点56分，星期一 4、光放大器 （4）SOA 的基本特点SOA光放大器SOA光放大器（交叉增益调制）脉冲宽度很小脉冲宽度较大15第15页，共25页，2022年，5月2

9、0日，4点56分，星期一（四）SOA 的增益：SOA 的增益与其饱和功率增益 Pamp,sat ，小信号增益 G0 以及输入信号功率 Ps,in 有关。2-p344-5 的推导过程比较简洁。小信号增益 G0 也称为最大未饱和光谱增益：其中 g0 是单位长度增益介质的最大增益系数，L 是增益介质长度（数百微米）， 是光信号的角频率，0 是增益系数为最大值的角频率，R 是载流子的偶极子弛豫时间（0.1ps 3-p374）。g() 见 3-p373（4.1.1）， 3-p373（4.1.2），1-p253（5.1） 4、光放大器 （4）SOA 的基本特点g()0(11.15)16第16页，共25页，

10、2022年，5月20日，4点56分，星期一1、通信系统光放大（噪声、非线性、饱和输出功率、偏振）2、集成电路光放大3、光调制器（驱动电流大）4、通过式光检测器件5、全光波长变换（光信噪比、非线性、效率） 4、光放大器 （5）SOA 应用17第17页，共25页，2022年，5月20日，4点56分，星期一 4、光放大器 （6）EDFA 的基本特点（一）EDFA 是行波放大器，其增益介质一般为 10 30 米 Er 元素轻掺杂（0.1%）石英系光纤。掺杂不同的光纤放大器具有不同的工作波段。EDFA 工作波长为1530 1560nm。（二）EDFA 是 3 能级系统，其泵浦源是光源，波长为 980nm

11、 或 1480nm。EDFA 可以是单泵浦源，也可以是双泵浦源。体积大，结构较复杂。（见2-p348 图11.5）EDFA 的典型增益为 15 35dB。EDFA 采用同向泵浦时增益较高，采用反向泵浦时噪声较小；采用 980nm 泵浦可获得较高的粒子数反转和较低的噪声。18第18页，共25页，2022年，5月20日，4点56分，星期一 4、光放大器 （6）EDFA 的基本特点（三）EDFA 中载流子在亚稳态能级有较长的寿命（0.1 10ms）。所以，EDFA 中亚稳态能级上可以储存足够的载流子。这使得：（1） EDFA 的饱和输出功率较高，且随泵浦功率的增加而线性增加；（2）当信号码率超过数

12、kbit/s 后，其增益响应与信号的峰值功率无关。对于商用光纤通信系统（155Mb/s），EDFA 不存在交叉增益调制现象，具有良好的信号格式和码率透明性。（四）EDFA 的功率转换效率和增益根据能量守恒原理：EDFA 的增益(11.19)(11.16)19第19页，共25页，2022年，5月20日，4点56分，星期一 4、光放大器 （6）EDFA 的基本特点（五）EDFA 噪声的主要来源是放大的自发辐射（ASE），其物理机制是增益介质中电子-空穴的自发复合所产生的光子被增益介质放大。自发辐射的功率谱密度可以表示为：其中 nsp 是粒子数反转因子，它与泵浦功率和波长有关，典型值为 1.4 4。

13、n1，n2 分别是能态 1 和能态 2 中的电子密度。EDFA 的输出光进入接收机后将产生光电流，该光电流包括信号成分和噪声成分两大部分。 020第20页，共25页，2022年，5月20日，4点56分，星期一 4、光放大器 （6）EDFA 的基本特点（5）EDFA 的输出光进入接收机后形成的电信噪比(11.31)(11.26)(11.27)(6.13) 量子噪声电流(11.24)21第21页，共25页，2022年，5月20日，4点56分，星期一 4、光放大器 （7）EDFA 的应用光功率放大器光在线放大器光接收机光接收机光接收机光分波器光合波器光发射机光发射机光发射机光前置放大器EDFA 级连后光信噪比逐步下降，30 50dB 22 dB22第22页，共25页，2022年，5月20日，4点56分，星期一 4、光放大器 （7）EDFA 的应用光功率放大器光在线放大器光接收机光接收机光接收机光分波器光合波器光发射机光发射机光发射机光前置放大器EDFA 级连后增益不平坦情况恶化。23第