光纤通信原理与系统-光放大器

光纤通信原理与系统论文题目：光放大器【摘要】：光导纤维通信简称光纤通信，原理是利用光导纤维传输信号，以实现信息传递的一种通信方式。实际应用中的光纤通信系统使用的不是单根的光纤，而是许多光纤聚集在一起的组成的光缆。光纤放大器不但可对光信号进行直接放大，同时还具有实时、高增益、宽带、在线、低噪声、低损耗的全光放大功能，是新一代光纤通信系统中必不可少的关键器件。【关键字】：光纤放大器放大器类型光纤放大器应用【正文】光纤放大器的发展方向随着新材料、新技术的不断突破，光纤放大器在1292~1660nm波长范围内获得带宽为300nm超宽带将不是梦想，Tbit/s

DWDM光网络传输系统将一定会实现。光纤放大器一般都由增益介质、泵浦光和输入输出耦合结构组成。目前光纤放大器主要有掺铒光纤放大器、半导体光放大器和光纤拉曼放大器三种，根据其在光纤网络中的应用，光纤放大器主要有三种不同的用途：在发射机侧用作功率放大器以提高发射机的功率；在接收机之前作光预放大器以极大地提高光接收机的灵敏度；在光纤传输线路中作中继放大器以补偿光纤传输损耗，延长传输距离。光放大器不但可对光信号进行直接放大，同时还具有实时、高增益、宽带、低噪声、低损耗的全光放大功能，是新一代光纤通信系统中必不可少的关键器件；由于这项技术不仅解决了衰减对光网络传输速率与距离的限制，更重要的是它开创了1550nm频段的波分复用，从而将使超高速、超大容量、超长距离的波分复用（WDM）、密集波分复用（DWDM）、全光传输、光孤子传输等成为现实，是光纤通信发展史上的一个划时代的里程碑。在目前实用化的光纤放大器中主要有掺铒光纤放大器（EDFA）、半导体（SOA）和光纤拉曼放大器（FRA）等，其中掺铒光纤放大器以其优越的性能现已广泛应用于长距离、大容量、高速率的光纤通信系统、接入网、光纤CATV网、军用系统（雷达多路数据复接、数据传输、制导等）等领域，作为功率放大器、中继放大器和前置放大器。2.光纤放大器原理及各类技术指标原理：EDFA的泵浦过程需要使用三能级系统，在掺铒光纤中注入足够强的泵浦光，就可以将大部分处于基态的Er3+离子抽运到激发态，处于激发态的Er3+离子又迅速无辐射地转移到亚稳态。由于Er3+离子在亚稳态能级上寿命较长，因此很容易在亚稳态与基态之间形成粒子数反转。当信号光子通过掺铒光纤时，与处于亚稳态的Er3+离子相互作用发生受激辐射效应，产生大量与自身完全相同的光子，这时通过掺铒光纤传输的信号光子迅速增多，产生信号放大作用。Er3+离子处于亚稳态时，除了发生受激辐射和受激吸收以外，还要产生自发辐射(ASE)，它造成EDFA的噪声。掺铒光纤放大器(EDFA)具有增益高、噪声低、频带宽、输出功率高、连接损耗低和偏振不敏感等优点，直接对光信号进行放大，无需转换成电信号，能够保证光信号在最小失真情况下得到稳定的功率放大。EDFA的特性及性能指标：增益特性表示了放大器的放大能力，其定义为输出功率与输入功率之比，Pout,Pin分别表示放大器输出端与输入端的连续信号功率。增益系数是指从泵浦光源输入1mW泵浦光功率通过光纤放大器所获得的增益。g0是由泵浦强度定的小信号增益系数，由于增益饱和现象，随着信号功率的增加，增益系数下降；Is，Ps分别为饱和光强和饱和光功率，是表明增益物质特性的量，与掺杂系数、荧光时间和跃迁截面有关。增益和增益系数的区别在于：增益主要是针对输入信号而言的，而增益系数主要是针对输入泵浦光而言的。另外，增益还与泵浦条件(包括泵浦功率和泵浦波长)有关，目前采用的主要泵浦波长是980nm和1480nm。由于各处的增益系数是不同的，而增益须在整个光纤上积分得到，故此特性可用以通过选择光纤长度得到较为平坦的增益谱。3.几类光纤放大器掺铒光纤放大器掺铒光纤放大器是利用掺铒光纤这一活性介质，当泵浦光输入到EDF中时，就可以将大部分处于基态的Er3+抽运到激发态上，处于激发态的Er3+又迅速无辐射地转移到亚稳态上，由于Er3+在亚稳态上的平均停留时间为10ms，因此很容易在亚稳态与基态之间形成粒子数反转，此时，信号光子通过掺铒光纤，在受激辐射效应作用下产生大量与自身完全相同的光子，使信号光子迅速增多，这样在输出端就可以得到被不断放大的光信号。自80年代末至90年代初研制成掺铒光纤放大器（EDFA），并开始应用于1.55mm频段的光纤通信系统以来，推动了光纤通信向全光传输方向发展，且目前EDFA的技术开发和商品化最成熟；应用广泛的C波段EDFA通常工作在1530~1565nm光纤损耗最低的窗口，具有输出功率大、增益高、与偏振无关、噪声指数低、放大特性与系统比特率和数据格式无关，且同时放大多路波长信号等一系列的特性，在长途光通信系统中得到了广泛的应用。其不足是C-Band

EDFA的增益带宽只有35nm，仅覆盖石英单模光纤低损耗窗口的一部分，制约了光纤固有能够容纳的波长信道数；然而随着因特网技术的迅速发展，要求光纤传输系统的传输容量要不断地扩大，面对传输容量的扩大，目前主要有三种解决途径：增加每个波长的传输速率；减少波长间距；增加总的传输带宽。对于第一种办法，如果速率提高到10Gbit/s将带来新的色散补偿问题，况且现在的电子系统还存在着所谓"电子瓶颈"效应问题。第二种办法如果将信号间距从100GHz降低到50GHz或25GHz将给系统带来四波混频（FWM）等非线性效应，且要求系统采用波长稳定技术。从而研究新的光纤放大器如L波段的EDFA是增加总的传输带宽的一种，它将EDFA工作波长由C波段1530~1560nm扩展到L波段1570~1605nm，使EDFA的放大增益谱扩展了一倍。尽管L波段EDFA的波长覆盖了EDF增益谱的尾部，但仍可与性能先进的C波段EDFA产品相媲美：例如两者的基本结构相类似，大多数C波段EDFA的设计和制造技术仍可应用于L波段EDFA研制；L波段EDFA有较小的辐射和吸收以及较低的平均反转因子，增益波动系数远小于C波段EDFA，所存在的是L波段EDFA的EDF较长带来无源光纤损耗较大。半导体光放大器

半导体光放大器（SOA）是采用通信用激光器相类似的工艺制作而成的一种行波放大器，当偏置电流低于振荡阈值时，激光二极管就能对输入相干光实现光放大作用。由于半导体放大器具有体积小、结构较为简单、功耗低、寿命长、易于同其它光器件和电路集成、适合批量生产、成本低，可实现增益兼开关功能等特性，在全光波长变换、光交换、谱反转、时钟提取、解复用中的应用受到了广泛的重视，特别是目前应变量子阱材料的半导体光放大器的研制成功，已引起人们对SOA的广泛研究兴趣。国内武邮院与华中科技大学合作成功地研制开发了在光网络中的关键器件--半导体光放大器，并很快实现了产品化，成为继Alcatel公司之后能够批量供应国际市场应用于光开关的半导体光放大器的供货商，这标志着我国自行研制的应变量子阱器件迈出了商品化生产的关键一步。但半导体光放大器与掺铒光纤放大器相比存在着噪声大、功率较小、对串扰和偏振敏感、与光纤耦合时损耗大，工作稳定性较差等缺陷，迄今为止，其性能与掺铒光纤放大器仍有较大的差距。又由于半导体光放大器覆盖了1300~1600nm波段，既可用于1300nm窗口的光放大器，也可以用于1550nm窗口的光放大器，且在DWDM多波长光纤通信系统中，无需增益锁定，那么它不仅可作为光放大器一种有益的选择方案，而且还可以促成1310nm窗口DWDM系统的实现。光纤拉曼放大器

受激拉曼散射（SRS）是光纤中的一种非线性现象，它将一小部分入射光功率转移到频率比其低的斯托克斯波上；如果一个弱信号与一强泵浦光波同时在光纤中传输，并使弱信号波长置于泵浦光的拉曼增益带宽内，弱信号光即可以得到放大，这种基于受激拉曼散射机制的光放大器即称为光纤拉曼放大器（FRA）。近年来光纤拉曼放大器倍受关注，已成为研制开发的热点，它具有许多优点：增益介质为普通传输光纤，与光纤系统具有良好的兼容性；增益波长由泵浦光波长决定，不受其它因素的限制，理论上只要泵浦源的波长适当，就可以放大任意波长的信号光；（3）增益高、串扰小、噪声指数低、频谱范围宽、温度稳定性好。

正因为光纤拉曼放大器有这么多的优点，它可以放大掺铒光纤放大器所不能放大的波段，并可在1292~1660nm光谱范围内进行光放大，获得比EDFA宽得多的增益带宽；再次增益介质为普通光纤，可制作分立式或分布式FRA，分布式光纤拉曼放大器可以对信号光进行在线放大，增加光放大的传输距离，应用于40Gbit/s的高速光网络中，也特别适用于海底光缆通信系统，而且因为放大是沿着光纤分布而不是集中作用，所以输入光纤的光功率大为减少，从而非线性效应尤其是四波混频效应大大减少，这对于大容量DWDM系统是十分适用的。FRA是EDFA的补充，而不是代替，两者结合起来可获得大于100nm增益平坦宽带，这就是采用分布式光纤拉曼放大器的好处。

但光纤拉曼放大器有一个主要的缺点就是需要特大功率的泵浦激光器，解决这个问题的主要途径有：一是研究降低阈值功率的泵浦激光器，使得普通的大功率半导体激光器能作为拉曼泵浦使用；其二是提高获得更大输出功率泵浦激光器的研制水平；其三是将多个泵浦源激光器的波长采用列阵、单片组合的方法复用在一起，获得一个大功率输出的泵浦激光器，此种方法不但可提供一个宽带的增益谱，而且还可以通过调节单个激光器的功率来调整增益斜率。4.光纤放大器应用EDFA在功能应用上可以分为用作远距离传输的线路放大器、用作光发射机输出的功率放大器和用作接收机前端的前置放大器。(1)功率放大器把EDFA置于光发射机半导体激光器之后，光信号经EDFA放大后进入光纤线路，从而使光纤传输的无中继距离增大，可达200km以上。具有输出功率大、输出稳定、噪声小、增益频带宽、易于监控等优点。(2)线路放大器处于功率放大器之后，用于周期性地补偿线路传输损耗，一般要求比较小的噪声指数，较大的输出光功率。EDFA作为线路放大器有许多特殊功能是电子线路放大器不可比拟的。(3)前置放大器处于分波器之前，线路放大器之后，用于信号放大，提高接收机的灵敏度。EDFA具有接近量子极限的低噪声优点，因而可用作接收机的前置放大器以提高接收灵敏度，要求噪声指数很小，对输出功率没有太大的要求。把EDFA置于光接收机PIN光检侧器的前面，来自光纤的信号经EDFA放大后再由PIN检测。强大的光信号使电子放大器的噪声可以忽略，用EDFA作预放的光接收机具有更高的灵敏度。如果综合上述各种应用，一个EDFA用作接收机前置放大器，另一个EDFA用作发送机的功率提升放大器，就可以实现长距离的无中继传输。这类系统主要用于海底光纤通信系统。EDFA作前置放大器时，放在光接收机之前，以提高光接收机的灵敏度，一般工作于小信号或线性状态，信号输入功率约一40dBm。要求EDFA的增益足够高，噪声系数则越小越好。EDFA用作线路放大器时，可以直接插入到光纤传输链路中作为光中继放大器，省去了电中继器的光／电／光转换过程，直接放大光信号，以补偿传输线路损耗，延长中继距离。一般工作在近饱和区，信号输入功率约一20dBm。要求EDFA同时具有较高的增益和输出光功率，还应有对其工作状态的实时监控。EDFA作为功率放大器时，装在光发送机之后，对光源发出的光信号进行放大，以补偿无源光器件的损耗和提高发送光功率。通常工作于深饱和区，要求EDFA在保持适中的增益和噪声系数下，能提供尽可能高的输出光功率，必要时可用双泵浦。5.光放大器常见问题及解决方案

光放大器，面板显示和实际输出是同步的，如果面板显示正常，则说明光放大器输出正常，如果这种情况下测试光放大器时光功率下降或不够，最大的可能性有以下几种：

5.1.光功率计不准，国产的光功率计只能测试光功率输出较小的设备，不能测试大功率输出的EDFA，测试光放大器的光功率计必须原装进口，不能把不准确的仪器当作标准来使用。

5.2.输出口的法兰损坏，这个可能性较小。

5.3.用户使用不当，在机器工作时插拔尾纤