光纖通信-光放大器

1、1光纖通信系統(tǒng)第5章 光放大器 1-p249286光纖通信(第三版)第11章 光放大器 2- p340361非線性光纖光學(xué)原理及應(yīng)用上篇第4章 光纖放大器 3-p373380 4、光放大器、光放大器3月31日，4月7日2假設(shè)光發(fā)射機(jī)的輸出功率為 0dBm，接收機(jī)的靈敏度為 30dBm，盡管光纖的損耗很小(0.2dB/km)，則光纖通信系統(tǒng)的傳輸距離也只有 150km。如果要加大系統(tǒng)的傳輸距離，必須進(jìn)行光中繼或光放大。對(duì)于單路，低碼率光纖通信系統(tǒng)，光中繼和光放大方案的性能價(jià)格比基本相同。 4、光放大器、光放大器 （1）直接光放大的優(yōu)點(diǎn)光發(fā)射機(jī)光接收機(jī)光發(fā)射機(jī)光接收機(jī)光放大光放大光發(fā)射機(jī)光接收機(jī)光

2、中繼光中繼光發(fā)射機(jī)光接收機(jī)光發(fā)射機(jī)光接收機(jī)3對(duì)于多路，高碼率光纖通信系統(tǒng)，光放大方案的性能價(jià)格比占絕對(duì)優(yōu)勢(shì)。光中繼器的價(jià)格與碼率成正比，光放大器的價(jià)格與碼率無關(guān)。 4、光放大器、光放大器 （1）直接光放大的優(yōu)點(diǎn)光放大光放大光接收機(jī)光接收機(jī)光接收機(jī)光分波器光合波器光發(fā)射機(jī)光發(fā)射機(jī)光發(fā)射機(jī)光中繼光接收機(jī)光接收機(jī)光接收機(jī)光分波器光合波器光發(fā)射機(jī)光發(fā)射機(jī)光發(fā)射機(jī)光分波器光中繼光中繼光合波器4光放大器，特別是 EDFA 是光纖通信技術(shù)領(lǐng)域內(nèi)繼半導(dǎo)體激光器、光纖后的又一重要發(fā)明。它使得波分復(fù)用（ WDM）系統(tǒng)成為現(xiàn)實(shí)，使得光纖的帶寬資源的利用率得到大幅度提高。 4、光放大器、光放大器 （1）直接光放大的優(yōu)

3、點(diǎn)光放大光放大光接收機(jī)光接收機(jī)光接收機(jī)光分波器光合波器光發(fā)射機(jī)光發(fā)射機(jī)光發(fā)射機(jī)5功率放大器，一般工作在飽和狀態(tài)。飽和輸出功率大(15-23dBm)。飽和輸出功率(2-p346圖11.3)。需要注意光纖中的非線性問題。 4、光放大器、光放大器 （2）光放大器按用途分類光功率放大器光在線放大器光接收機(jī)光接收機(jī)光接收機(jī)光分波器光合波器光發(fā)射機(jī)光發(fā)射機(jī)光發(fā)射機(jī)光前置放大器G(dB)Pin(dBm)G0(dB)3dBGsat(dB)Pin-sat(dBm)1dB 壓縮，G1dB(dB)增益調(diào)制，響應(yīng)速度6在線放大器，輸出功率適中、噪聲系數(shù)較小。一般情況下，光放大器工作在小信號(hào)狀態(tài)的增益較高，工作在飽和狀

4、態(tài)的噪聲系數(shù)較小。在線放大器可根據(jù)上述原則設(shè)置工作狀態(tài)。 4、光放大器、光放大器 （2）光放大器按用途分類光功率放大器光在線放大器光接收機(jī)光接收機(jī)光接收機(jī)光分波器光合波器光發(fā)射機(jī)光發(fā)射機(jī)光發(fā)射機(jī)光前置放大器7前置放大器，小信號(hào)輸入(30dBm以下)時(shí)噪聲系數(shù)仍很低(4dB左右)。輸出功率不必很大。用于改善由于熱噪聲限制的光接收機(jī)靈敏度。 4、光放大器、光放大器 （2）光放大器按用途分類光功率放大器光在線放大器光接收機(jī)光接收機(jī)光接收機(jī)光分波器光合波器光發(fā)射機(jī)光發(fā)射機(jī)光發(fā)射機(jī)光前置放大器8半導(dǎo)體光放大器 （SOA），摻雜光纖放大器(EDFA)。它們都是通過受激輻射過程實(shí)現(xiàn)對(duì)輸入光信號(hào)的放大。 4、

5、光放大器、光放大器 （3）光放大器按結(jié)構(gòu)分類輸入光透鏡透鏡增透膜增透膜半導(dǎo)體增益介質(zhì)電流泵浦注入輸出光光隔離器光濾波器輸入信號(hào)光摻鉺光纖激光泵浦注入輸出光光隔離器光濾波器光耦合器光隔離器光耦合器9（一）SOA 是由 III、V 族半導(dǎo)體合金材料構(gòu)成激活介質(zhì)，有諧振放大（FP-A）和行波放大（TW-A）兩種工作方式。若激活介質(zhì)兩端的反射率較高時(shí)，則 SOA 是諧振放大（FP-A）。諧振放大 SOA 制作工藝簡(jiǎn)單，但工作帶寬較窄，且增益對(duì)溫度和輸入功率的變化很敏感。若激活介質(zhì)兩端的反射率較低時(shí)，則 SOA 是行波放大（TW-A）。行波放大 SOA 的帶寬比諧振放大 SOA 大 3 個(gè)數(shù)量級(jí)，且飽和

6、輸出功率高，偏振不敏感。一般情況下，光纖通信系統(tǒng)中提到 SOA 都是指行波放大 SOA。 4、光放大器、光放大器 （4）SOA 的基本特點(diǎn)10（二）SOA 是 2 能級(jí)系統(tǒng)，其泵浦源是電源。體積小，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。SOA 的控溫電路、直流偏置電路的與半導(dǎo)體激光器的控溫電路、直流偏置電路完全相同。目前已有多種非常成熟的技術(shù)方案。 4、光放大器、光放大器 （4）SOA 的基本特點(diǎn)輸入光透鏡透鏡增透膜增透膜半導(dǎo)體增益介質(zhì)電流泵浦注入輸出光光隔離器光濾波器11 4、光放大器、光放大器 （4）SOA 的基本特點(diǎn)12 4、光放大器、光放大器 （4）SOA 的基本特點(diǎn)PHILIPS 80C51系列：80C552，

7、87C55413 4、光放大器、光放大器 （4）SOA 的基本特點(diǎn)6cm14（三）載流子壽命為 ns 量級(jí)。因此：1）SOA 具有 1ps 0.1ns 的快速增益響應(yīng)。2）自發(fā)輻射噪聲較大。 4、光放大器、光放大器 （4）SOA 的基本特點(diǎn)G(dB)Pin(dBm)G0(dB)3dBGsat(dB)Pin-sat(dBm)增益響應(yīng)速度相對(duì)于脈沖寬度慢增益響應(yīng)速度相對(duì)于脈沖寬度快增益靜態(tài)響應(yīng)2.5Gbit/s 400ps；10 Gbit/s 100ps； 40 Gbit/s 25ps應(yīng)當(dāng)小信號(hào)狀態(tài)下使用小信號(hào)輸入，放大器未飽和15 4、光放大器、光放大器 （4）SOA 的基本特點(diǎn)SOA光放大器S

8、OA光放大器（交叉增益調(diào)制）脈沖寬度很小脈沖寬度較大16（四）SOA 的增益：SOA 的增益與其飽和功率增益 Pamp,sat ，小信號(hào)增益 G0 以及輸入信號(hào)功率 Ps,in 有關(guān)。2-p344-5 的推導(dǎo)過程比較簡(jiǎn)潔。小信號(hào)增益 G0 也稱為最大未飽和光譜增益：其中 g0 是單位長(zhǎng)度增益介質(zhì)的最大增益系數(shù)，L 是增益介質(zhì)長(zhǎng)度（數(shù)百微米）， 是光信號(hào)的角頻率，0 是增益系數(shù)為最大值的角頻率，R 是載流子的偶極子弛豫時(shí)間（0.1ps 3-p374）。g() 見 3-p373（4.1.1）， 3-p373（4.1.2），1-p253（5.1） 4、光放大器、光放大器 （4）SOA 的基本特點(diǎn))(

9、10,GGlnPPGinssatampLgLgReeG)()(102200g()0(11.15)171、通信系統(tǒng)光放大（噪聲、非線性、飽和輸出功率、偏振）2、集成電路光放大3、光調(diào)制器（驅(qū)動(dòng)電流大）4、通過式光檢測(cè)器件5、全光波長(zhǎng)變換（光信噪比、非線性、效率） 4、光放大器、光放大器 （5）SOA 應(yīng)用18 4、光放大器、光放大器 （6）EDFA 的基本特點(diǎn)（一）EDFA 是行波放大器，其增益介質(zhì)一般為 10 30 米 Er 元素輕摻雜（0.1%）石英系光纖。摻雜不同的光纖放大器具有不同的工作波段。EDFA 工作波長(zhǎng)為1530 1560nm。（二）EDFA 是 3 能級(jí)系統(tǒng)，其泵浦源是光源，波

10、長(zhǎng)為 980nm 或 1480nm。EDFA 可以是單泵浦源，也可以是雙泵浦源。體積大，結(jié)構(gòu)較復(fù)雜。（見2-p348 圖11.5）EDFA 的典型增益為 15 35dB。EDFA 采用同向泵浦時(shí)增益較高，采用反向泵浦時(shí)噪聲較??；采用 980nm 泵浦可獲得較高的粒子數(shù)反轉(zhuǎn)和較低的噪聲。19 4、光放大器、光放大器 （6）EDFA 的基本特點(diǎn)（三）EDFA 中載流子在亞穩(wěn)態(tài)能級(jí)有較長(zhǎng)的壽命（0.1 10ms）。所以，EDFA 中亞穩(wěn)態(tài)能級(jí)上可以儲(chǔ)存足夠的載流子。這使得：（1） EDFA 的飽和輸出功率較高，且隨泵浦功率的增加而線性增加；（2）當(dāng)信號(hào)碼率超過數(shù) kbit/s 后，其增益響應(yīng)與信號(hào)的

11、峰值功率無關(guān)。對(duì)于商用光纖通信系統(tǒng)（155Mb/s），EDFA 不存在交叉增益調(diào)制現(xiàn)象，具有良好的信號(hào)格式和碼率透明性。（四）EDFA 的功率轉(zhuǎn)換效率和增益根據(jù)能量守恒原理：EDFA 的增益inpspinsoutsPPP,insinpspinsoutsPPPPG,1(11.19)(11.16)20 4、光放大器、光放大器 （6）EDFA 的基本特點(diǎn)（五）EDFA 噪聲的主要來源是放大的自發(fā)輻射（ASE），其物理機(jī)制是增益介質(zhì)中電子-空穴的自發(fā)復(fù)合所產(chǎn)生的光子被增益介質(zhì)放大。自發(fā)輻射的功率譜密度可以表示為：其中 nsp 是粒子數(shù)反轉(zhuǎn)因子，它與泵浦功率和波長(zhǎng)有關(guān)，典型值為 1.4 4。n1，n2

12、分別是能態(tài) 1 和能態(tài) 2 中的電子密度。EDFA 的輸出光進(jìn)入接收機(jī)后將產(chǎn)生光電流，該光電流包括信號(hào)成分和噪聲成分兩大部分。optASEspASEvPfGnnnhvfGnhvfS 1)( 1)()(1222,22)(insphphGPi2222222ASEASEASEsASEshotsshotTtotaltotali 021 4、光放大器、光放大器 （6）EDFA 的基本特點(diǎn)（5）EDFA 的輸出光進(jìn)入接收機(jī)后形成的電信噪比(11.31)(42)(,2,2222222BSGPBGPqGPiiNSASEinsinsinsASEssshortphtotalphtotalphoutoptASEspASEvPGnhvS) 1() 1(212/ ) 1(212,GnGqBPqGnhvGqBPNSspinsspinsoutqBPBqIPiiNSinsphinsQphin22)(,2,22spspoutinnGGnNSNSF2) 1(21(11.26)(11.27)(6.13) 量子噪聲電流(11.24)22 4、光放大器、光放大器 （7）EDFA 的應(yīng)用光功率放大器光在線放大器光接收機(jī)光接收機(jī)光接收機(jī)光分波器光合波器光發(fā)射機(jī)光發(fā)射機(jī)光發(fā)射機(jī)光前置放大器EDFA 級(jí)連后光信噪比逐步下降，30 50dB 22 dB23 4、光放大器、光放大器 （7）ED