光纖通信課件chap5

1、5.1 摻鉺光纖放大器5.2 喇曼光纖放大器第 5 章 光通信中的光放大器 返回主目錄1 光放大器分類(lèi)： 光放大器有半導(dǎo)體光放大器和光纖放大器兩種類(lèi)型。 半導(dǎo)體光放大器：放大媒質(zhì)為半導(dǎo)體晶體材料構(gòu)成的正向偏壓的PN結(jié)。優(yōu)點(diǎn)：小型化，容易與其他半導(dǎo)體器件集成。缺點(diǎn)：性能與光偏振方向有關(guān)，器件與光纖的耦合損耗大。 2光纖放大器：放大媒質(zhì)為光纖或摻稀土元素的光纖。光纖放大器的性能與光偏振方向無(wú)關(guān)，器件與光纖的耦合損耗很小， 因而得到廣泛應(yīng)用。 根據(jù)放大機(jī)制不同光纖放大器分為兩類(lèi)：摻鉺光纖放大器(EDFA：Erbium Doped Fiber Amplifier)喇曼光纖放大器（ RFA ：Raman

2、 Fiber Amplifier)3 光纖放大器的實(shí)質(zhì)是： 把工作物質(zhì)制作成光纖形狀的固體激光器，所以也稱(chēng)為光纖激光器。 20世紀(jì)80年代末期，波長(zhǎng)為1.55 m的摻鉺(Er)光纖放大器(EDFA： Erbium Doped Fiber Amplifier)研制成功并投入實(shí)用，把光纖通信技術(shù)水平推向一個(gè)新高度，成為光纖通信發(fā)展史上一個(gè)重要的里程碑。4 5.1.1 摻鉺光纖放大器工作原理 圖7.1示出摻鉺光纖放大器(EDFA)的工作原理，說(shuō)明了光信號(hào)放大的原因。 從圖7.1(a)可以看到，在摻鉺光纖(EDF)中，鉺離子(Er3+)有三個(gè)能級(jí)： 能級(jí)1代表基態(tài)， 能量最低 能級(jí)2是亞穩(wěn)態(tài)，處于中間

3、能級(jí) 能級(jí)3代表激發(fā)態(tài)， 能量最高5 當(dāng)泵浦(Pump, 抽運(yùn))光的光子能量等于能級(jí)3和能級(jí)1的能量差時(shí)，鉺離子吸收0.98m波長(zhǎng)泵浦光子能量從基態(tài)躍遷到激發(fā)態(tài)(13)。 但是激發(fā)態(tài)是不穩(wěn)定的，Er3+很快通過(guò)非輻射躍遷返回到能級(jí)2。亞穩(wěn)態(tài)上的粒子數(shù)積累，從而在亞穩(wěn)態(tài)和基態(tài)之間形成粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布。 輸入的1.55 m波段信號(hào)光的光子能量等于能級(jí)2和能級(jí)1的能量差，則處于能級(jí)2的Er3+將躍遷到基態(tài)(21)，產(chǎn)生受激輻射光，因而信號(hào)光得到放大。由此可見(jiàn)，這種放大是由于泵浦光的能量轉(zhuǎn)換為信號(hào)光的結(jié)果。EDFA中的泵浦光源為信號(hào)光的放大提供了足夠的能量，它使處于低能級(jí)的Er3+被提高到高能級(jí)上，使摻

4、鉺光纖達(dá)到粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布。6 圖 7.1摻鉺光纖放大器的工作原理 (a) 硅光纖中鉺離子的能級(jí)圖； (b) EDFA的吸收和增益頻譜 為提高放大器增益， 應(yīng)提高對(duì)泵浦光的吸收，使基態(tài)Er3+盡可能躍遷到激發(fā)態(tài)，圖7.1(b)示出EDFA增益和吸收頻譜。7 圖7.2(a)示出輸出信號(hào)光功率和輸入泵浦光功率的關(guān)系， 泵浦光功率轉(zhuǎn)換為信號(hào)光功率的效率很高，達(dá)到92.6%。當(dāng)泵浦光功率為60 mW時(shí)，吸收效率(信號(hào)輸入光功率-信號(hào)輸出光功率)/泵浦光功率為88%。 圖7.2(b)是小信號(hào)條件下增益和泵浦光功率的關(guān)系，當(dāng)泵浦光功率小于6mW時(shí)，增益系數(shù)為6.3dB/mW。8 圖7.2摻鉺光纖放大器的特性

5、(a) 輸出信號(hào)光功率與泵浦光功率的關(guān)系； (b) 小信號(hào)增益與泵浦光功率的關(guān)系9 5.1.2 摻鉺光纖放大器的構(gòu)成 圖7.3(a)為光纖放大器構(gòu)成原理圖，圖7.3(b)為實(shí)用光纖放大器構(gòu)成方框圖。 10圖7.3(a) 光纖放大器構(gòu)成原理圖輸入信號(hào)光隔離器波分復(fù)用器泵浦摻鉺光纖光隔離器輸出信號(hào)圖7.3(a)11摻鉺光纖放大器的構(gòu)成和各部分作用1.摻鉺光纖：提供放大。設(shè)計(jì)高增益摻鉺光纖(EDF)是實(shí)現(xiàn)光纖放大器的技術(shù)關(guān)鍵， EDF的增益取決于Er3+的濃度、光纖長(zhǎng)度和直徑以及泵浦光功率等多種因素，通常由實(shí)驗(yàn)獲得最佳增益。2.泵浦光源：提供足夠強(qiáng)的泵浦功率?；疽笫谴蠊β屎烷L(zhǎng)壽命。波長(zhǎng)為1480

6、 m的InGaAsP多量子阱(MQW)激光器， 輸出光功率高達(dá)100 mW, 泵浦光轉(zhuǎn)換為信號(hào)光效率在6 dB/mW以上。 123.波分復(fù)用器：將泵浦光與信號(hào)光耦合在一起輸入到摻鉺光纖中。基本要求是插入損耗小。熔拉雙錐光纖耦合器型和干涉濾波型波分復(fù)用器最適用。4.光隔離器：保證光單向傳輸，以防 由于光反射 形成光振蕩以及反饋光信號(hào)引起激光器工作狀態(tài)的紊亂。 基本要求：插入損耗小，反射損耗大。摻鉺光纖(EDF)和高功率泵浦光源是關(guān)鍵器件。13監(jiān)視和告警電路泵浦監(jiān)視和控制電路泵浦LDPD探測(cè)器泵浦LD輸入隔離器輸入WDM輸出耦合器輸出隔離器輸出WDM摻鉺光纖熱 沉光輸入5 V0 V5 V電源監(jiān)視激

7、光器驅(qū)動(dòng)輸入光輸出圖7.3(b)圖7.3(b) 實(shí)用光纖放大器外形圖及其構(gòu)成方框圖14 波長(zhǎng)為980 nm的泵浦光轉(zhuǎn)換效率更高，達(dá)10 dB/mW， 而且噪聲較低，是未來(lái)發(fā)展的方向。 155.1.3 EDFA的基本性能 EDFA在增益、輸出功率和噪聲這三方面特性。1、增益特性 增益特性表示了光放大器的放大能力，定義為輸出功率與輸入功率之比，EDFA的增益大小與多種因素有關(guān)，一般為15dB40dB。16（1）小信號(hào)輸入時(shí)的增益大于大信號(hào)輸入時(shí)的增益。（2）增益與摻鉺光纖長(zhǎng)度的關(guān)系 開(kāi)始時(shí)增益隨摻鉺光纖長(zhǎng)度的增加而上升。但光纖超過(guò)一定長(zhǎng)度后，增益反而逐漸下降。 因此存在一個(gè)獲得最佳增益的摻鉺光纖長(zhǎng)

8、度，這一長(zhǎng)度只能是最大增益長(zhǎng)度，而不是最佳長(zhǎng)度，最佳長(zhǎng)度還涉及噪聲特性等。一般最佳長(zhǎng)度在幾十米到一二百米。17（3）信號(hào)增益與泵浦光功率Pp 的關(guān)系 人們還關(guān)心摻鉺光纖放大器的增益是以多大的泵浦光功率換來(lái)的，衡量這方面特性的參數(shù)是增益效率，最大增益效率是放大器最高增益與其對(duì)應(yīng)泵浦光功率的比值，它指出放大器的泵浦效率。 若定義增益系數(shù)（以dB為單位）為零時(shí)的泵浦光功率為泵浦閾值功率Pth ,則當(dāng) Pp / Pth 大于3時(shí)放大器增益出現(xiàn)飽和，即泵浦功率增加很多，而增益基本保持不變。 此時(shí)放大器的增益效率將隨泵浦功率增加而下降。 182、 輸出功率特性 當(dāng)輸入功率增加時(shí)，受激輻射加快，以至于減弱了

9、粒子反轉(zhuǎn)分布的程度，使受激輻射光減弱，輸出功率趨于飽和。 EDFA的最大輸出功率常用3dB 飽和輸出功率表示。 3dB 飽和輸出功率指當(dāng)飽和增益下降3dB時(shí)所對(duì)應(yīng)的輸出功率。該參數(shù)反映了EDFA的最大功率輸出能力。 19 圖7.4是EDFA商品的特性曲線(xiàn)，圖中顯示出增益、 噪聲指數(shù)和輸出信號(hào)光功率與輸入信號(hào)光功率的關(guān)系。 在泵浦光功率一定的條件下，當(dāng)輸入信號(hào)光功率較小時(shí)，放大器增益不隨輸入信號(hào)光功率而變化，基本上保持不變。 當(dāng)信號(hào)光功率增加到一定值(一般為-20 dBm)后，增益開(kāi)始隨信號(hào)光功率的增加而下降， 因此出現(xiàn)輸出信號(hào)光功率達(dá)到飽和的現(xiàn)象。20 圖7.4 摻鉺光纖放大器增益、 噪聲指數(shù)

10、和輸出光功率與輸入光功率的關(guān)系曲線(xiàn)10.0405.00.05.010.015.020.025.030.035.035302520151050IIIIIII噪聲指數(shù) / dB輸出光功率 / dBm增益 / dB輸入光功率 / dBm增益 / dB213、噪聲特性EDFA 輸出光中的噪聲主要有四種信號(hào)光的散粒噪聲被放大的自發(fā)輻射光的散粒噪聲 自發(fā)輻射光譜與信號(hào)光之間的差拍噪聲 自發(fā)輻射光譜之間的差拍噪聲第三種影響最大。噪聲系數(shù)：EDFA輸入信噪比與輸出信噪比的比值(dB)。特性：（1）在輸入小信號(hào)情況下，光放大器的噪聲系數(shù) 隨著輸入信號(hào)光功率的增大而略有減小，而EDFA 處于飽和狀態(tài)時(shí)噪聲系數(shù)隨信

11、號(hào)功率增大而增大。（2）噪聲系數(shù)隨泵浦功率的增大而減小。22 5.1.4 摻鉺光纖放大器的優(yōu)點(diǎn)和應(yīng)用 EDFA的主要優(yōu)點(diǎn)有： 工作波長(zhǎng)正好落在光纖通信最佳波段(15001600 nm)； 其主體是一段光纖(EDF)，與傳輸光纖的耦合損耗很小， 可達(dá)0.1 dB。 增益高，約為3040 dB; 飽和輸出光功率大， 約為1015 dBm； 增益特性與光偏振狀態(tài)無(wú)關(guān)。 噪聲指數(shù)小， 一般為47 dB； 用于多信道傳輸時(shí)， 隔離度大，無(wú)串?dāng)_，適用于波分復(fù)用系統(tǒng)。 頻帶寬，在1550 nm窗口，頻帶寬度為2040 nm， 可進(jìn)行多信道傳輸，有利于增加傳輸容量。23 如果加上1310 nm摻鐠光纖放大器(

12、PDFA)，頻帶可以增加一倍。 所以“波分復(fù)用+光纖放大器”被認(rèn)為是充分利用光纖帶寬增加傳輸容量最有效的方法。 1550 nm EDFA在各種光纖通信系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用，并取得了良好效果。 副載波CATV系統(tǒng)，WDM或OFDM系統(tǒng)，相干光系統(tǒng)以及光孤子通信系統(tǒng)，都應(yīng)用了EDFA，并大幅度增加了傳輸距離。 24 圖7.5 (a) 光纖放大器的應(yīng)用形式中繼放大器LDPD中繼放大器EDFA的應(yīng)用， 歸納起來(lái)可以分為三種形式， 如圖7.5所示。 中繼放大器 （LA：Line Amplifier）在光纖線(xiàn)路上每隔一定的距離設(shè)置一個(gè)光纖放大器，以延長(zhǎng)干線(xiàn)網(wǎng)的傳輸距離。 前置放大器 （PA：Preampli

13、fier) 置于光接收機(jī)的前面，放大非常微弱的光信號(hào)，以改善接收靈敏度。作為前置放大器，對(duì)噪聲要求非?？量?。 后置放大器 （BA： Booster Amplifier) 置于光發(fā)射機(jī)的后面，以提高發(fā)射機(jī)功率。對(duì)后置放大器噪聲要求不高，而飽和輸出光功率是主要參數(shù)。25圖7.5 (b) 光纖放大器的應(yīng)用形式前置放大器和后置放大器 LDPD后置放大器前置放大器光纖265.2 喇曼光纖放大器 人們對(duì)喇曼光纖放大器(RFA)的興趣來(lái)源于這種放大器可以提供整個(gè)光纖波長(zhǎng)波段的放大，通過(guò)適當(dāng)改變泵浦激光光波波長(zhǎng)可達(dá)到任意波段進(jìn)行光放大的寬帶放大器。5.2.1 RFA的工作原理RFA的工作原理建立在喇曼散射的基

14、礎(chǔ)上。 喇曼散射：指入射泵浦光子通過(guò)光纖的非線(xiàn)性散射轉(zhuǎn)移部分能量，產(chǎn)生低頻斯托克斯光子，而剩余的能量被介質(zhì)以分子振動(dòng)（光學(xué)聲）的形式吸收，完成振動(dòng)態(tài)之間的躍遷。27 斯托克斯頻移 ( 這里 是泵浦光的頻率， 是信號(hào)光的頻率），由分子振動(dòng)能級(jí)決定，其值決定了受激喇曼散射的頻率范圍。 如圖所示，泵浦光子經(jīng)過(guò)分子的散射作用成為另一個(gè)低頻斯托克斯光子，同時(shí)其余能量轉(zhuǎn)移給聲子，分子完成了振動(dòng)態(tài)之間的躍遷。28 對(duì)非晶態(tài)石英光纖，其分子振動(dòng)能級(jí)集合在一起，形成一條能帶，因而可以在較寬的頻差范圍通過(guò)受激喇曼散射實(shí)現(xiàn)信號(hào)光的放大。 如果一強(qiáng)泵浦光波和一個(gè)弱信號(hào)光波同時(shí)在一根光纖中傳輸，而弱信號(hào)光波的波長(zhǎng)在強(qiáng)泵

15、浦光波的喇曼增益帶寬內(nèi)，基于受激喇曼散射原理，弱信號(hào)光波就會(huì)得到放大。295.2.2 RFA的基本性能喇曼光纖放大器具有許多優(yōu)點(diǎn) ：增益介質(zhì)為普通傳輸光纖，與光纖具有良好的兼容性。增益波長(zhǎng)由泵浦光波長(zhǎng)決定，不受其它因素的限制，理論上只要泵浦源的波長(zhǎng)適當(dāng)，就可以放大任意波長(zhǎng)的信號(hào)光。增益高，串?dāng)_小，噪聲系數(shù)低，頻譜范圍寬，溫度穩(wěn)定性好。30基本性能 ：（1）增益特性 當(dāng)泵浦功率增加的時(shí)候，喇曼增益也上升。當(dāng)增益上升到一定程度后，由于泵浦功率的消耗導(dǎo)致增益的下降，產(chǎn)生飽和增益。喇曼放大器中一般當(dāng)信號(hào)功率達(dá)到十幾到幾十毫瓦時(shí)才出現(xiàn)較明顯的飽和，因此其受增益飽和的影響較小，這也是喇曼放大器的優(yōu)點(diǎn)之一。 31（2）噪聲特性 喇曼放大器的噪聲主要是被放大的自發(fā)喇曼散射噪聲(ASE) 、串話(huà)噪聲、瑞利散射噪聲和非線(xiàn)性受激布里淵散射噪聲。 ASE噪聲是覆蓋整個(gè)喇曼增益譜的背景噪聲。 泵浦光越大ASE噪聲越大； 接收端的光濾波器帶寬越窄， ASE噪聲功率越小。 信號(hào)功率越大串話(huà)越嚴(yán)重 泵浦功率越大串話(huà)越嚴(yán)重 泵浦光到信號(hào)光轉(zhuǎn)化效率越高串話(huà)越嚴(yán)重瑞利散射噪聲是由于瑞利后向散射引起的放大器增益越高，傳輸線(xiàn)越長(zhǎng)，則瑞利散射噪聲越