光纖通信第四章3-光放大器

1、北京郵電大學(xué)顧畹儀1l 光纖放大器l 半導(dǎo)體光放大器(SOA)l 受激輻射型l 受激散射型類型：類型：北京郵電大學(xué)顧畹儀2 1、摻鉺光纖放大器 (Erbium-doped Fiber Amplifier, EDFA)原理原理a) 三能級躍遷1s鉺是鑭系稀土元素,原子序數(shù)是68,原子量為167.3, 利用其4f能級北京郵電大學(xué)顧畹儀3(b) EDFA結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)北京郵電大學(xué)顧畹儀4c) 速率方程速率方程 描述了受激吸收、受激輻射和自發(fā)輻射對基態(tài)和亞穩(wěn)態(tài)粒子數(shù)的影響。在二能級模型下,NNNNAAhPPPNAhPPPAhPPtNssseaseasessssaaseasesppppp2122111)()(

2、)(A為纖芯面積，se，sa為信號光受激輻射截面和受激吸收截面，p為泵浦吸收截面，s和p為信號光和泵浦光光功率分布與纖芯中鉺離子分布重疊程度的積分因子；A21為亞穩(wěn)態(tài)粒子自發(fā)輻射速率。N, N1,N2分別為摻雜濃度, 基態(tài)和亞穩(wěn)態(tài)的鉺粒子濃度.北京郵電大學(xué)顧畹儀5d) 傳輸方程),(),(),(),(),(),(),(112tzptzNztzPtzptzNtzNztzpppppssasess),(2),(),(),(),(212tzNtzPtzNtzNztzPsasasesasesase在穩(wěn)態(tài)情況下012tNtN 數(shù)值計(jì)算求解。 北京郵電大學(xué)顧畹儀6增益隨輸入功率變化曲線3) 性能指標(biāo)性能指標(biāo)

3、u 放大器增益 小信號增益、飽和增益、最大輸出功率、小信號增益帶寬 insoutsppG,北京郵電大學(xué)顧畹儀7EDFA的增益與泵浦功率、輸入功率和EDF的長度有關(guān)，EDF存在最佳長度。05101520253035-40-35-30-25-20-15-10-50輸入光功率Input Power(dBm)增益Gain(dB)246810120NF(dB)05101520253035400255075100 125 150 175 200摻鉺光纖長度(m)信號增益(dB)泵浦功率: 90mW泵浦功率: 50mW泵浦功率: 30mW北京郵電大學(xué)顧畹儀8u EDFA的噪聲系數(shù)的噪聲系數(shù)nASE噪聲：放大

4、的自發(fā)輻射噪聲。來源于放大器介質(zhì)中 電子-空穴對的自發(fā)發(fā)射，與信號一起放大而形 成的寬譜噪聲。ASE的功率譜密度為： Nsp是自發(fā)輻射或粒子數(shù)反轉(zhuǎn)因子。n噪聲系數(shù)：1GNhSspASE12NNNsp/10lg()/ininoutoutSNNFSN北京郵電大學(xué)顧畹儀9北京郵電大學(xué)顧畹儀10級連級連EDFA的系統(tǒng)的信噪比惡化的系統(tǒng)的信噪比惡化l損耗l色散lASE噪聲l功率的不均衡l非線性光學(xué)效 應(yīng)的影響北京郵電大學(xué)顧畹儀11三種不同的級聯(lián)方式：第一種級聯(lián)方式是所謂的“自愈”方式，即對每級增益不做專門的控制。開始增益較大，經(jīng)過幾級放大后增益趨于飽和，輸出功率趨于恒定。第二種方式是保證每級EDFA輸出

5、總功率恒定。第三種級聯(lián)方式是保持每級EDFA的增益恰好抵消級間損耗。信號功率恒定。 北京郵電大學(xué)顧畹儀122、喇曼光放大器、喇曼光放大器v 工作原理是受激喇曼散射效應(yīng)v 分布式光放大器v 噪聲低，適合超長傳輸系統(tǒng)v 工作波長和帶寬由泵浦波長決定v 采用多波長泵浦可實(shí)現(xiàn)寬帶光放大器v 采用偏振復(fù)用泵浦可消除偏振敏感性v 需要的泵浦功率高北京郵電大學(xué)顧畹儀13 反向泵浦喇曼放大器的一種結(jié)構(gòu)，泵浦光來自包層泵反向泵浦喇曼放大器的一種結(jié)構(gòu)，泵浦光來自包層泵浦的光纖激光器浦的光纖激光器 反向泵浦喇曼放大器反向泵浦喇曼放大器北京郵電大學(xué)顧畹儀141）工作原理和性能參數(shù)受激喇曼散射（SRS）是三階非線性光學(xué)

6、效應(yīng)，是由光纖物質(zhì)中原子振動參與的光散射現(xiàn)象 。晶體中原子的振動形成晶體中的格波，格波的能量是量子化的，對頻率為的格波，它的每份能量是h，被稱為一個(gè)聲子。受激喇曼散射是光學(xué)支聲子參與的光散射。喇曼散射的基本過程 ：Stokes過程： 下頻移 反Stokes過程： 上頻移 。Stokes過程是主要的。喇曼增益譜寬，峰值位置在頻移13THz處 in s=in-v in a=in+v E1 E2 s in in a insvhhhainvhhh北京郵電大學(xué)顧畹儀15effRLIgsssRseILIdzIIgdI0)0()(0自發(fā)喇曼散射和受激喇曼散射自發(fā)喇曼散射和受激喇曼散射gR 7 *10-12

7、cm/WLLzeffedzeL0/)1(drdrrIdrdrrIAeff),(),(22等效長度示意圖 等效面積示意圖 北京郵電大學(xué)顧畹儀16111inRj iRijsiisisjsjsijj iijeffjjieffggdpppppdzK AK A cRRpeakRgg多波長系統(tǒng)中受激喇曼散射多波長系統(tǒng)中受激喇曼散射Kij是與偏振有關(guān)的參數(shù)，偏振方向一致時(shí)取1，在一般情況下取2。北京郵電大學(xué)顧畹儀17喇曼光纖放大器增益的表示方法喇曼光纖放大器增益的表示方法n信號凈增益信號凈增益: 指RFA的泵浦源打開時(shí)的輸出信號光光功率與輸入信號光光功率的比值02PPGNET12PPGOFFON開關(guān)增益開關(guān)

8、增益: 喇曼開關(guān)增益指RFA的泵浦源打開時(shí)輸出的信號功率P2與關(guān)閉時(shí)對應(yīng)的輸出信號光功率p1的比值)exp(12LGPPGnetOFFON)exp(01LPP北京郵電大學(xué)顧畹儀18喇曼光纖放大器噪聲的表示方法 n分布式喇曼放大器的等效噪聲系數(shù)指的是將分布式喇曼放大器（包括傳輸光纖在內(nèi)）等效成為傳統(tǒng)的傳輸光纖分立式放大器結(jié)果，等效指的是輸出端具有相同的OSNR的分立放大器所應(yīng)具有的噪聲系數(shù)。可見喇曼放大器的等效噪聲系數(shù)反映的是分布式喇曼放大器比起傳統(tǒng)的傳輸光纖分立式放大器在噪聲特性方面的優(yōu)劣。 outinSNRSNRfNF)()exp(1(LENFNF等效分立放大器）實(shí)際）北京郵電大學(xué)顧畹儀19 設(shè)計(jì)寬帶RAMAN放大器不僅要考慮信號和泵浦之間的受激喇曼散射，還要考慮 信號和信號之間的受激喇曼散射 泵浦和泵浦之間的受激喇曼散射 雙徑后向瑞利散射多波長泵浦時(shí)的