摻鉺光纖放大器課件

1、第06章 光放大器光放大器基本概念概述一、光電中繼器（O-E-O）裝置復雜、耗能多、不能同時放大多個波長信道，在WDM系統(tǒng)中復雜性和成本倍增，可實現(xiàn)1R、2R、3R中繼二、光放大器（O-O）多波長放大、低成本，只能實現(xiàn)1R中繼三、光放大器類型：摻雜光纖放大器（EDFA、PDFA）半導體光放大器（SOA）非線性光纖放大器（FRA、FBA）光纖參量放大器（FPA）四、發(fā)展歷程：80年代中、后期SOA的研究為主；90年代EDFA獲得巨大成功，成為光纖通信系統(tǒng)必不可少的器件基本概念在泵浦能量（電或光）的作用下，實現(xiàn)粒子數(shù)反轉（非線性光纖放大器除外），然后通過受激輻射實現(xiàn)對入射光的放大。與激光器不同之處

2、在于光放大器沒有反饋機制。光放大器的增益不僅與信號光的頻率有關，而且還依賴于其強度對于均勻展寬的二能級系統(tǒng)，增益系數(shù)為：上式可用于討論放大器的增益帶寬、放大倍數(shù)、飽和輸出功率等一、光增益譜寬和放大器帶寬小信號下，增益系數(shù)隨的改變而按洛倫茲分布變化增益譜寬：增益系數(shù)降至最大值一半處的全寬（FWHM）放大器增益（或放大倍數(shù)）：放大器帶寬：放大器增益（放大倍數(shù)）降至最大放大倍數(shù)一半處的全寬度（FWHM）光功率隨距離的變化規(guī)律：二、增益飽和與飽和輸出功率起因：增益系數(shù)與功率的依從關系飽和輸出功率：放大器增益降至最大小信號增益的一半時的輸出功率最大輸出功率三、放大器噪聲起因：被放大的自發(fā)輻射（ASE）-

3、ASE噪聲ASE噪聲近似為白噪聲，噪聲功率譜密度為：自發(fā)輻射因子（或反轉因子）：ASE噪聲功率：ASE有效帶寬，由放大器增益譜特性決定噪聲指數(shù)四、應用線路放大（In-line）：周期性補償各段光纖損耗功率放大（Boost）：增加入纖功率，延長傳輸距離前置預放大（Pre-Amplifier）提高接收靈敏度五、光放大器特點1、對信號格式及碼率透明2、工作波段可選3、寬帶放大4、高增益5、低噪聲半導體光放大器（SOA)一、工作原理1、F-P半導體光放大器增益：縱模間隔G()：增益輪廓R1,R2：反射率諧振峰3dB帶寬：半導體光放大器（SOA)多峰值、帶寬窄，不適合系統(tǒng)應用，只可用于一些信號處理可增加

4、帶寬，減小Gmax和Gmin之差，減小行波半導體光放大器要求放大器的殘余反射滿足：此時，放大器的增益特性，主要決定于G（）半導體光放大器（SOA)二、行波半導體放大器特性帶寬由介質的增益譜決定，可達70nm增益系數(shù)與載流子濃度的關系載流子濃度由速率方程決定噪聲指數(shù)：降低端面反射的方法：傾斜有源區(qū)法窗面結構：限制因子g：微分增益系數(shù)V：有源區(qū)體積半導體光放大器（SOA)增益偏振相關性起因：限制因子和微分增益系數(shù)隨輸入光的偏振態(tài)變化而變化解決方法：采用寬、厚可比擬的有源層設計；使用方法著手。半導體光放大器（SOA)三、脈沖放大1、增益壓縮：輸入光功率-載流子耗盡-增益減小光脈沖的不同部分經(jīng)歷的放大

5、不同，前沿經(jīng)歷的增益最大，后沿最小脈沖過后增益開始恢復，恢復速度取決于載流子壽命-脈沖畸變2、相位調(diào)制：增益調(diào)制的同時，引起有源區(qū)折射率變化，導致脈沖相位的變化，脈沖各部分的相位變化不同-調(diào)頻啁啾（自相位調(diào)制）放大前放大后半導體光放大器（SOA)四、應用1、多信道放大中存在的問題噪聲大（Fn8dB)信道串擾（交叉增益調(diào)制XGM、四波混頻FWM）增益飽和引起信號畸變2、其他應用A、光波長轉換：光波長轉換器（Wavelength Converter）是一種實現(xiàn)將光信號從某一波長的光載波轉換至另一波長光載波的器件，是波分復用光通信系統(tǒng)向光網(wǎng)絡演變的一個關鍵性器件。光波長轉換器能使網(wǎng)絡在不同節(jié)點處重復

6、使用某一個波長，這種“波長再利用”無疑能提高波長的利用效率，有效地減少波分復用網(wǎng)絡中所需波長的數(shù)量機理：基于SOA中的交叉增益調(diào)制（XGM）基于SOA中的交叉相位調(diào)制（XPM）基于SOA中的四波混頻效應（FWM）半導體光放大器（SOA)B、光脈沖壓縮：利用SOA自相位調(diào)制，形成啁啾脈沖，經(jīng)負色散光纖傳輸，實現(xiàn)壓縮C、光開關直接調(diào)制SOA的注入電流實現(xiàn)光的通斷特點：高速、無損半導體光放大器（SOA)摻鉺光纖放大器(EDFA)一、發(fā)展歷程1964年，提出摻釹（Nd3+）光纖放大器的設想1985年，低損耗摻雜SiO2光纖研制成功目前，摻Er3+光纖放大器（EDFA）最為成熟，是光纖通信系統(tǒng)必備器件特

7、點：插損小、高增益、大帶寬、偏振無關低噪聲、低串擾、高輸出功率等摻鉺光纖放大器(EDFA)二、EDFA的工作原理EDFA采用摻鉺離子單模光纖為增益介質，在泵浦光作用下產(chǎn)生粒子數(shù)反轉，在信號光誘導下實現(xiàn)受激輻射放大EDFA中的Er3+能級結構：受激輻射對應于4I13/2到4I15/2的躍遷泵浦波長可以是520、650、800、980、1480nm由于波長短于980nm的泵浦存在著較強的受激帶吸收，泵浦效率低，因而通常采用980和1480nm泵浦上述兩波長的泵浦效率可高達11dB/mW和5dB/mW泵浦可以同向、逆向形式泵浦由于光纖對1480nm的光損耗較小，所以1480nm泵浦光又常用于遙泵方式

8、摻鉺光纖放大器(EDFA)基本結構：摻鉺光纖放大器(EDFA)應用方式：功率放大（Boost）線路放大（In-line）前置放大(Pre-amplifier)同向泵浦反向泵浦雙向泵浦三、EDFA的增益譜特性吸收截面a和發(fā)射截面e：表示Er3+在不同波長的吸收和發(fā)射幾率增益展寬：石英纖芯結構的無序導致非均勻展寬；各能級的斯塔克分裂導致均勻展寬在數(shù)學上，增益系數(shù)應對粒子躍遷頻率的分布求平均15441569典型的EDFA增益譜摻鉺光纖放大器(EDFA)四、EDFA的小信號增益和飽和特性EDFA的增益與Er3+濃度與徑向分布、光纖尺寸、放大器長度、泵浦功率、輸入信號功率等參數(shù)有關計算表明：對于給定的放

9、大器長度（EDF長度），增益隨泵浦功率在開始時按指數(shù)增加，當泵浦功率超過一定值時，增益增加變緩，并趨于一恒定值。當泵浦功率一定時，放大器在某一最佳長度時獲得最大增益，如果放大器長度超過此值，由于泵浦的消耗，最佳點后的摻鉺光纖不能受到足夠泵浦，而且要吸收已放大的信號能量，導致增益很快下降。因此，在EDFA的設計中，需要在摻鉺光纖結構參數(shù)的基礎上，選擇合適的泵浦功率和光纖長度，使放大器工作于最佳狀態(tài)。摻鉺光纖放大器(EDFA)摻鉺光纖放大器(EDFA)EDFA的輸出功率與泵浦功率和輸入信號功率的關系EDFA同樣具有增益飽和特性摻鉺光纖放大器(EDFA)五、EDFA的噪聲特性對于EDFA，同樣有由于

10、N1和N2與泵浦光功率和信號光功率相關，因此F與泵浦光和輸入信號光功率以及放大器長度有關高的泵浦功率和較低的輸入信號有利于獲得較低的噪聲指數(shù)由于980nm泵浦的EDFA為三能級系統(tǒng)，易于獲得較高的粒子數(shù)反轉（nsp，980=1.051.10； nsp，1480=1.31.8） ，所以980nm泵浦具有較低的噪聲系數(shù)通常，EDFA的F5摻鉺光纖放大器(EDFA)摻鉺光纖放大器(EDFA)六、高速與多信道放大特性碼型效應（Pattern effect）A、脈寬s g(增益恢復時間)：無碼型效應，小的波形失真B、s g：有碼型效應，大的波形失真C、s g：無碼型效應，無波形失真摻鉺光纖放大器(EDF

11、A)摻鉺光纖放大器(EDFA) EDFA的 增益恢復時間g10ms（ SOA的g=0.11ns），其增益不能響應調(diào)制信號的快速變化，不存在增益調(diào)制，四波混頻效應也很小，所以在多信道放大中不引入信道間串擾（SOA則不然），是其能夠用于多信道放大的關鍵所在EDFA對信道的插入、分出或無光故障等因素引起的輸入光功率的變化（較低速變化）能產(chǎn)生響應-瞬態(tài)特性。在系統(tǒng)應用中應予以控制-增益鉗制在級聯(lián)EDFA系統(tǒng)中瞬態(tài)響應速度將增加（10100s），對輸入光功率的變化將更加敏感多信道放大中存在的其它問題：要求：增益平坦、增益鉗制、高的輸出功率1、增益平坦15441569典型的EDFA增益譜固有的增益不平坦增

12、益差隨級聯(lián)放大而積累增大各信道的信噪比差別增大各信道的接收靈敏度不同摻鉺光纖放大器(EDFA)光發(fā)射機光發(fā)射機光發(fā)射機光發(fā)射機N 123光接收機光接收機光接收機光接收機N 123EDFA光功率光功率BER接收光功率波長波長摻鉺光纖放大器(EDFA)增益平坦/均衡技術濾波器均衡： 采用透射譜與摻雜光纖增益譜反對稱的濾波器使增益平坦, 如：薄膜濾波、紫外寫入長周期光纖光柵、周期調(diào)制的雙芯光纖等。 只能實現(xiàn)靜態(tài)增益譜的平坦，在信道功率突變時增益譜仍會發(fā)生變化EDFA + 均衡器 合成增益摻鉺光纖放大器(EDFA)增益平坦EDFA摻鉺光纖放大器(EDFA)新型寬譜帶摻雜光纖： 如摻鉺氟化物玻璃光纖（3

13、0nm平坦帶寬）、鉺/鋁共摻雜光纖（20nm）等， 靜態(tài)增益譜的平坦，摻雜工藝復雜聲光濾波調(diào)節(jié)： 根據(jù)各信道功率，反饋控制放大器輸出端的多通道聲光帶阻濾波器，調(diào)節(jié)各信道輸出功率使之均衡，動態(tài)均衡需要解復用、光電轉換、結構復雜，實用性受限摻鉺光纖放大器(EDFA)2、增益鉗制EDFA對信道的插入、分出或信道無光故障等因素引起的輸入光功率的變化（較低速變化）能產(chǎn)生響應-瞬態(tài)特性瞬態(tài)特性使得剩余信道獲得過大的增益，并輸出過大的功率，而產(chǎn)生非線性，最終導致其傳輸性能的惡化-需進行自動增益控制對于級聯(lián)EDFA系統(tǒng)，瞬態(tài)響應時間可短至幾幾十s，要求增益控制系統(tǒng)的響應時間相應為幾幾十s摻鉺光纖放大器(EDF

14、A)增益鉗制技術：電鎖定：監(jiān)測EDFA的輸入光功率，根據(jù)其大小調(diào)整泵浦功率，從而實現(xiàn)增益鉗制，是目前最為成熟的方法，其響應時間由Er3+三能級至二能級的躍遷時間決定（1 s）摻鉺光纖放大器(EDFA)光鎖定：在放大器中對某一波長形成激射-存儲載流子（蓄水池原理），優(yōu)點：只須對第一級放大器進行增益鉗制，即可實現(xiàn)對整個傳輸鏈路的鉗制；確定；瞬態(tài)特性不如電鎖定；激射波長產(chǎn)生的非線性效應應設法避免。在系統(tǒng)中附加一波長信道，根據(jù)其它信道的功率，改變附加波長的功率，而實現(xiàn)增益鉗制摻鉺光纖放大器(EDFA)EDFA輸出功率WDM系統(tǒng)要求EDFA具有足夠高的輸出功率，以保證各信道獲得足夠的光功率方法：多級泵浦

15、221916輸出功率（dBm）15401570摻鉺光纖放大器(EDFA)七、EDFA的設計1、摻雜光纖參數(shù)設計：摻雜種類、濃度、分布、光纖芯徑、數(shù)值孔徑等2、根據(jù)實際要求（增益、輸出功率），由摻雜光纖參數(shù)和理論計算，并結合泵浦功率和泵浦方式，確定光纖長度3、泵浦波長可選用980和1480nm，980nm常用于獲得高增益和低噪聲，而由于1480nm的激光器可以有更高的輸出功率，常用來獲得EDFA的高輸出功率4、EDFA中需要加入光隔離器以防止反射光引起信號光或泵浦光的波動摻鉺光纖放大器(EDFA)5、多級設計：第一級設計以提供高增益、低噪聲為目的；第二級設計以提供高輸出功率為目的。此外，兩極之間

16、可接入損耗元件的EDFA被色散補償系統(tǒng)及光網(wǎng)絡中所需求，設計要求：損耗元件的接入對噪聲指數(shù)影響盡可能小摻鉺光纖放大器(EDFA)FRA原理簡介：物理機制：A.光纖拉曼散射效應（SRS)一個入射光子（pump)的湮滅，產(chǎn)生一個下移stokes頻率的光子和另一個具有相當能量和動量的光學聲子B.與pump光子相差stokes頻率的信號光子，經(jīng)受受激散射過程，被放大光纖拉曼放大器原理簡介光纖拉曼放大器（FRA)拉曼增益特性：取決于光學聲子的振動能帶峰值增益頻移：13.2THz反向泵浦為主，也可同向泵浦支撐技術: 14nm的大功率泵浦激光器，目前以取得實用化光纖拉曼放大器原理簡介光纖拉曼放大器（FRA)

17、FRA以傳輸光纖作為放大介質分布式放大，從而實現(xiàn)一種“無損耗”傳輸（可降低入纖光功率，避免非線性效應）光纖拉曼放大器超低噪聲放大原理光纖拉曼放大器（FRA)機制：拉曼增益與泵浦波長相關方法：多波長泵浦增益：各個泵浦波長拉曼增益譜的加權和（以dB為單位）光纖拉曼放大器寬帶放大原理光纖拉曼放大器（FRA)損耗限制與光放大光放大器僅對光信號進行簡單放大，不能再生信號光放大器對信號進行放大的同時引入ASE噪聲光放大器的ASE噪聲積累導致的OSNR下降，在不考慮色散的情況下（損耗限制系統(tǒng)），成為限制系統(tǒng)傳輸距離的主要因素系統(tǒng)的自調(diào)整：EDFA的增益飽和可使系統(tǒng)工作于一種自調(diào)整狀態(tài)，即EDFA的輸入信號功

18、率發(fā)生變化時，放大器增益作相應改變，輸出功率保持恒定，保證系統(tǒng)穩(wěn)定工作級聯(lián)EDFA系統(tǒng)設計的主要任務：設計放大器間隔使系統(tǒng)在滿足傳輸要求的情況下，具有最小的成本損耗限制與光放大級聯(lián)EDFA系統(tǒng)放大器增益（忽略放大器產(chǎn)生的ASE引起的自飽和）：放大器的輸入輸出功率滿足：對于自調(diào)整系統(tǒng)滿足：考慮系統(tǒng)中的某一信道以及相鄰兩級放大器的情況，放大器的增益和輸出功率可由下式確定：損耗限制與光放大因此，在自調(diào)整系統(tǒng)中，有：放大器的增益以及輸出功率可通過求解上述方程組得出。由于在每級附加ASE噪聲的存在 ，在ASE較小的情況下，可以假定 則N級級聯(lián)EDFA的輸出總ASE噪聲為：上式表明：在系統(tǒng)輸出端的ASE噪

19、聲功率正比于EDFA的增益和級數(shù)的積在系統(tǒng)總損耗（等于各級的增益和級數(shù)的積）一定的情況下，顯然小增益、多級數(shù)比大增益、少級數(shù)的系統(tǒng)的輸出信噪比要高，由此推理，將傳輸光纖作為放大介質的分布式放大器（如喇曼光纖放大器）具有最優(yōu)的信噪比特性。損耗限制與光放大1、系統(tǒng)信噪比的確定無中繼系統(tǒng)的信噪比TxRxL功放預放求解步驟：A、根據(jù)光發(fā)射機功率及功放參數(shù)求解功放增益GBB、功放的信號輸出功率：C、功放附加的ASE噪聲功率D、預放的輸入功率E、根據(jù)預放的輸入功率及其參數(shù)求解預放的增益Gpre損耗限制與光放大F、系統(tǒng)總的ASE噪聲功率G、系統(tǒng)輸出的信號功率H、求出系統(tǒng)的OSNR由N個光纖段（N+1級級聯(lián)EDFA）組成的系統(tǒng)的OSNR通常假定ASE噪聲為：用dB表示：損耗限制與光放大根據(jù)上式和前述的系統(tǒng)對OSNR的要求，可以得出系統(tǒng)在不同碼率B