光放大器與光中繼器課件

1、全光通信網(wǎng) 第六章光放大器和光中繼器EDFA實(shí)物圖 EDFA是英文“Erbium-doped Optical Fiber Amplifier”的縮寫,意即摻鉺光纖放大器,是一種對(duì)信號(hào)光放大的一種有源光器件。摘自百度圖片EDFA（摻鉺光纖放大器） 由前敘光纖的傳輸特性可知，影響光纖通信距離的兩大因素是光纖的損耗和色散。 光纖的損耗是指：光脈沖信號(hào)在光纖中傳輸，隨著距離的增加，脈沖幅度逐漸變小。 光纖的色散是指：光脈沖信號(hào)在光纖中傳輸，隨著傳輸距離的增加，脈沖寬度在時(shí)間上發(fā)生展寬，產(chǎn)生波形的畸變。 為了保證光纖長(zhǎng)距離傳輸?shù)男阅苤笜?biāo)，就需在線路的適當(dāng)距離設(shè)立中繼站，一種是光/電/光轉(zhuǎn)換形式,另一種是

2、直接對(duì)光進(jìn)行放大的光放大器.光放大器意義 我們知道光纖有一定的衰耗，光信號(hào)沿光纖傳播將會(huì)衰減，傳輸距離受衰減的制約。因此，為了使信號(hào)傳得更遠(yuǎn)，我們必須增強(qiáng)光信號(hào)。傳統(tǒng)的增強(qiáng)光信號(hào)的方法是使用再生器。但是，這種方法存在許多缺點(diǎn)，首先，再生器只能工作在確定的信號(hào)比特率和信號(hào)格式下，不同的比特率和信號(hào)格式需要不同的再生器；其次，每一個(gè)信道需要一個(gè)再生器，網(wǎng)絡(luò)的成本很高。 隨著光通信技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)在人們已經(jīng)有了一種不采用再生器也可以增強(qiáng)光信號(hào)的方法，即光放大技術(shù)。 有了光放大器后就可直接實(shí)現(xiàn)光信號(hào)放大，而不要像以前一樣進(jìn)行/轉(zhuǎn)換。光放大器的開發(fā)成功及其產(chǎn)業(yè)化是光纖通信技術(shù)中的光放大器一個(gè)非常重要的成果

3、，它大大地促進(jìn)了光復(fù)用技術(shù)、光孤子通信以及全光網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展。光放大器主要有2種：1.半導(dǎo)體放大器（SOA）諧振式行波式2.光纖放大器 摻稀土元素光纖放大器 （如EDFA、PDFA）非線性光學(xué)放大器布里淵（SBA）光纖放大器取自 豆丁網(wǎng)6-1光放大器的分類一、半導(dǎo)體光放大器(SOA: Semiconductor Optical Amplifier) 它是由半導(dǎo)體材料制成，可看成是沒有反饋的半導(dǎo)體行波放大器。二、摻鉺光纖放大器1、摻鉺光纖放大器（EDFA: Erbium-Doped Fiber Amplifier），Er（鉺）是一種稀土元素，將它注入到纖芯中，即形成了一種特殊光纖，它在泵浦光的作用下

4、可直接對(duì)某一波長(zhǎng)的光信號(hào)進(jìn)行放大。因此，稱為摻鉺光纖放大器。2、的優(yōu)點(diǎn)工作波長(zhǎng)與單模光纖的最小衰減窗口一致，工作波長(zhǎng)在1.531.56m范圍，與光纖最小損耗窗口一致。 耦合效率高。由于是光纖放大器，易與傳輸光纖耦合連接。 3) 能量轉(zhuǎn)換效率高。摻鉺光纖EDF的纖芯比傳輸光纖小，信號(hào)光和泵浦光同時(shí)在摻鉺光纖EDF 中傳播，光能量非常集中。這使得光與增益介質(zhì)Er離子的作用非常充分，加之適當(dāng)長(zhǎng)度的摻鉺光纖，因而光能量的轉(zhuǎn)換效率高。激勵(lì)的泵浦功率低，僅需幾十mW。4) 增益高、噪聲指數(shù)較低、輸出功率大，信道間串?dāng)_很低。 它的增益可達(dá)40dB。噪聲可低至34 dB，輸出功率可達(dá)1420 dBm。5) 增

5、益特性穩(wěn)定：EDFA對(duì)溫度不敏感，增益與偏振相關(guān)性小。 6)可實(shí)現(xiàn)透明傳輸：所謂透明，是指可同時(shí)傳輸模擬和數(shù)字信號(hào)，高、低比特率信號(hào)，系統(tǒng)擴(kuò)容時(shí)，可改動(dòng)端機(jī)面不改動(dòng)線路。7）連接損耗低，因?yàn)槭枪饫w型放大器，所以與光纖連續(xù)比較容易，連接損耗可低到0.1dB。3、的缺點(diǎn)增益波長(zhǎng)范圍固定：Er離子的能級(jí)之間的能級(jí)差決定了EDFA的工作波長(zhǎng)范圍是固定的，只能在1550nm窗口。這也是摻稀土離子光纖放大器的局限性，又例如，摻鐠光纖放大器只能工作在1310nm窗口。2) 增益帶寬不平坦：EDFA的增益帶寬很寬，但EFDA本身的增益譜不平坦。在WDM系統(tǒng)中應(yīng)用時(shí)必須采取特殊的技術(shù)使其增益平坦。 3) 光浪涌

6、問題：采用EDFA可使輸入光功率迅速增大，但由于EDFA的動(dòng)態(tài)增益變化較慢，在輸入信號(hào)能量跳變的瞬間，將產(chǎn)生光浪涌，即輸出光功率出現(xiàn)尖峰，尤其是當(dāng)EDFA級(jí)聯(lián)時(shí)，光浪涌現(xiàn)象更為明顯。峰值光功率可以達(dá)到幾瓦，有可能造成O/E變換器和光連接器端面的損壞 6-2 EDFA的結(jié)構(gòu) 一、構(gòu)成 EDFA主要由摻鉺光纖（EDF），泵浦光源，光耦合器，光隔離器以及光波濾波器組成（如圖6.1）。EDFA結(jié)構(gòu)圖1、摻鉺光纖(EDF)2. 光耦合器(WDM)3. 光隔離器(ISO)4. 光濾波器(Optical Filter)5. 泵浦源(PumPing Supply)摘自百度圖片1480或980 nm 激勵(lì)光源摻

7、鉺光纖WDM光纖耦合器光帶通濾波器光隔離器輸入光輸出光二、作用光耦合器：是將輸入光信號(hào)和泵浦光源輸出的光波混合起來，它是無源光器件，一般采用波分復(fù)用器（WDM）光隔離器：是防止反射光影響光放大器的工作穩(wěn)定性，保證光信號(hào)只能正向傳輸?shù)钠骷?。摻鉺光纖：是一段長(zhǎng)度大約為10100m的石英光纖，將稀土元素鉺離子注入到纖芯中，濃度約為25mg/kg。泵浦光源：為半導(dǎo)體激光器，輸出功率約為10100mw（幾十mw），工作波長(zhǎng)為0.98m。光濾波器：其作用是濾除光放大器的噪聲，降低噪聲對(duì)系統(tǒng)的影響，提高系統(tǒng)的信噪比。 由圖6.1可見，EDFA的主體部件是泵浦光源和摻鉺光纖。摻鉺光纖(EDF)（一） EDF

8、是放大器的主體，纖芯中摻有鉺元素（Er）。摻有Er3+的石英光纖具有激光增益特性，鉺光纖的光譜性質(zhì)主要由鉺離子和光纖基質(zhì)決定，鉺離子起主導(dǎo)作用，摻Er3+濃度及在纖芯中的分布等對(duì)EDFA 的特性有很大影響。 為了在放大帶寬內(nèi)的增益平坦，在EDF 中摻入適量的鋁元素，使鉺離子在EDF 中分布更均勻，從而獲得平坦的寬帶增益譜。摻鉺光纖(EDF)（二） 三能級(jí)系統(tǒng)：泵浦光 980 nm 躍遷 亞穩(wěn)態(tài)信號(hào)光1550 nm受激放大光1550 nm基態(tài)基態(tài) 激發(fā)態(tài)光耦合器(WDM) 光耦合器有合波信號(hào)光與泵浦光的作用，也稱光合波器和波分復(fù)用器。是EDFA必不可少的組成部分，它將絕大多數(shù)的信號(hào)光與泵浦光合路

9、于EDF 中。主要有兩種形式：980nm/1550nm 或1480nm/1550nm，一般為光纖熔錐型。要求在上述波長(zhǎng)附近插入損耗都小，耦合效率高，耦合頻帶具有一定的寬度且耦合效率平坦，對(duì)偏振不敏感穩(wěn)定性好！光隔離器(ISO) 光隔離器是一種單向光傳輸器件，對(duì)EDFA 工作穩(wěn)定性至關(guān)重要。通常光反射會(huì)干擾器件的正常輸出，產(chǎn)生諸如強(qiáng)度漲落、頻率漂移和噪聲增加等不利影響。提高EDFA 穩(wěn)定性的最有效的方法是進(jìn)行光隔離。在輸入端加光隔離器消除因放大的自發(fā)輻射反向傳播可能引起的干擾，輸出端保護(hù)器件免受來自下段可能的逆向反射。同時(shí)輸入和輸出端插入光隔離器也為了防止連接點(diǎn)上反射引起激光振蕩，抑制光路中的反

10、射光返回光源側(cè)，從而既保護(hù)了光源又使系統(tǒng)工作穩(wěn)定。要求隔離度在40dB 以上，插入損耗低，與偏振無關(guān)。輸出端輸入端圖片 EDFA 原理及特性專題光濾波器(Optical Filter) 光濾波器消除被放大的自發(fā)輻射光以降低放大器的噪聲，提高系統(tǒng)的信噪比（SNR）。一般多采用多層介質(zhì)膜型帶通濾波器，要求通帶窄，在1nm 以下。目前應(yīng)用的光濾波器的帶寬為13nm。此外，濾波器的中心波長(zhǎng)應(yīng)與信號(hào)光波長(zhǎng)一致，并且插入損耗要小。圖片 EDFA 原理及特性專題泵浦源(PumPing Supply) 11*泵浦源為信號(hào)放大提供能量，即實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布。根據(jù)摻鉺光纖(EDF)的吸收光譜特性，可以采用不同波長(zhǎng)

11、的激光器作為泵源，如：Ar2+激光器（514nm）、倍頻YAG（532 nm）、染料激光（665nm）及半導(dǎo)體激光器（807nm、980nm、1480nm）。但由于在807 nm 及小于807 nm 波長(zhǎng)處存在強(qiáng)烈的激發(fā)態(tài)吸收（ESA），泵浦效率較低。若用665nm、514nm 的染料和Ar+激光器泵浦得到25dB以上的增益，需要的入纖泵浦功率大于100mw，且Ar+激光器體積大難以實(shí)用化。目前980 nm 和1480 nm 的LD 已商品化，不存在激發(fā)態(tài)吸收，泵浦效率較高，所以一般采用980nm 和1480nm 的半導(dǎo)體激光器作泵源。圖片 EDFA 原理及特性專題三、按泵浦光源的泵浦方式不同

12、，EDFA分三種結(jié)構(gòu)1同向泵浦結(jié)構(gòu)輸入光信號(hào)與泵浦光源輸出的光波，以同一方向注入摻鉺光纖（如圖6.1）。2反向泵浦結(jié)構(gòu)輸入光信號(hào)與泵浦光源輸出的光波，從相反方向注入摻鉺光纖（如圖6.2）。3雙向泵浦結(jié)構(gòu)同時(shí)具備1和2的泵浦光源（如圖6.3）。 從輸出功率看：?jiǎn)伪闷值妮敵龉β士蛇_(dá)14 dBm，雙泵浦達(dá)17 dBm。6-3 EDFA的工作原理 在3-2節(jié)，我們討論了半導(dǎo)體激光器的工作原理，它是在泵浦源（能使工作物質(zhì)產(chǎn)生粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布的外界激勵(lì)源）的作用下，使工作物質(zhì)的粒子處于反轉(zhuǎn)分布狀態(tài)，具有了光放大作用，對(duì)于EDFA，其基本原理相同。 簡(jiǎn)言之，在泵浦源的作用下，在摻鉺光纖中出現(xiàn)了粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布，

13、產(chǎn)生了受激輻射，從而使光信號(hào)得到放大，由于EDFA具有細(xì)長(zhǎng)的纖形結(jié)構(gòu)，使得有源區(qū)的能量密度很高，光與物質(zhì)的作用區(qū)很長(zhǎng)，這樣，可以降低對(duì)泵浦源功率的要求。由圖6.4可見，鉺離子有三個(gè)工作能級(jí)。 E1：最低，稱為基態(tài) E2：亞穩(wěn)定 E3：最高，稱為激發(fā)態(tài) 在未受任何光的情況下，處在最低能級(jí)E1上，當(dāng)用泵浦光源的激光不斷地激發(fā)摻鉺光纖時(shí)，處于基態(tài)的離子獲得了能量，就會(huì)向高能級(jí)躍遷。基態(tài)E1E2E3e-非輻射衰減受激輻射激勵(lì)光受激吸收激發(fā)態(tài)能量輸出放大光(1530-1570 nm)980 nm1460 nm(sp1s)亞穩(wěn)態(tài)(sp10ms)1540 nm自發(fā)輻射 如果由E1躍遷E3到。由于粒子在E3這

14、個(gè)高能級(jí)上是不穩(wěn)定，它將迅速以無輻射過程落到亞穩(wěn)態(tài)上E2，在該能級(jí)上，粒子相對(duì)來講有較長(zhǎng)的存活壽命，由于泵浦光源不斷地激發(fā)，則E2能級(jí)上的粒子就不斷地增加，而E1上的粒子數(shù)就少，這樣，在這段摻鉺光纖中，就實(shí)現(xiàn)了離子數(shù)反轉(zhuǎn)分布，就存在了實(shí)現(xiàn)光放大的條件。 當(dāng)輸入光信號(hào)的光子能量Ehf，正好等于（E2 E1）能級(jí)差時(shí)，則亞穩(wěn)態(tài)E2上的粒子將以受激輻射的形式躍遷到基態(tài)E1上，并輻射出和輸入光信號(hào)中的光子一樣的全同光子。從而大大增加了光子數(shù)量，使得輸入信號(hào)光在摻鉺光纖（EDF）中變?yōu)橐粋€(gè)強(qiáng)的輸出光信號(hào)，實(shí)現(xiàn)了光的直接放大。 在E2上，離子除了發(fā)生受激輻射外，還有少數(shù)離子要產(chǎn)生自發(fā)輻射，即在上短暫停留還

15、沒有機(jī)會(huì)與光子相互作用，就會(huì)自發(fā)地從亞穩(wěn)態(tài)躍遷到基態(tài)并發(fā)射出1550nm波段的光子，這種光子與信號(hào)光不同，它是隨機(jī)的，它構(gòu)成了EDFA的噪聲，由于這種自發(fā)輻射的光子在摻鉺光纖中傳輸，同樣也會(huì)得到放大，因此，在EDFA的輸入光功率較低時(shí)，會(huì)產(chǎn)生較大的噪聲。 由于E2和E1有一定的寬度，使EDFA的放大效應(yīng)具有一定的波長(zhǎng)范圍，Ehf（h：普朗克常數(shù)），其典型值為15301570nm，在這個(gè)范圍內(nèi)，EDFA都能提供有用的增益和相對(duì)平坦特性，表明它們能對(duì)波分多路（WDM）信號(hào)的每一路都提供放大作用，而相對(duì)平坦增益帶寬意味著，WDM各路光纖信號(hào)需采用特殊手段進(jìn)行增益譜補(bǔ)償，這樣不會(huì)相互產(chǎn)生路標(biāo)串?dāng)_。 E

16、DFA能提供大功率輸出，就可能使WDM信號(hào)沿線路傳輸較長(zhǎng)距離才需再次放大，從而減少了中間放大級(jí)數(shù)。 EDFA具有較小的噪聲系數(shù)，就容許長(zhǎng)距離傳輸時(shí)可設(shè)置較多的放大器（級(jí)數(shù)），而整個(gè)線路噪聲積累不致太嚴(yán)重。 改進(jìn)的EDFA內(nèi)部光路結(jié)構(gòu)為一種二級(jí)橋式結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)圖如圖6-4a所示：圖6-4a雙級(jí)橋式結(jié)構(gòu) 圖中輸入即為波長(zhǎng)為1550nm的輸入信號(hào)光；隔離器1為1550nm光隔離器，用于防止1550nm反射光對(duì)信號(hào)源造成損害；此EDFA使用的是980nm單模泵浦光源，一般將泵浦功率調(diào)至幾十毫瓦。如圖中所示增益介質(zhì)EDF分成前后兩段摻鉺光纖1和摻鉺光纖2，1550nm輸入信號(hào)光通過隔離器與980nm泵浦光

17、經(jīng)過波分復(fù)用器1合并后進(jìn)入摻鉺光纖EDF1，從而實(shí)現(xiàn)信號(hào)光的第一級(jí)放大。 波分復(fù)用器2將經(jīng)過摻鉺光纖1放大的1550nm信號(hào)光與剩余的980nm泵浦光分離開來，1550nm信號(hào)光經(jīng)過隔離器2到達(dá)波分復(fù)用3，與經(jīng)過第一級(jí)摻鉺光纖后剩余的980nm泵浦光合并后進(jìn)入摻鉺光纖2，在該段摻鉺光纖中，980nm泵浦光會(huì)對(duì)信號(hào)光實(shí)現(xiàn)第二級(jí)放大。放大后的信號(hào)經(jīng)隔離器隔離器3輸出，隔離器3的作用是隔離掉可能來自輸出端接點(diǎn)的光反射。不難看出，通過這種結(jié)構(gòu)，既保證了增益在光纖中的均勻分布，又充分提高了泵浦效率。6-4 EDFA的特性指標(biāo)一、功率增益G G10lg Pi / P0 （dB） P0：輸出光功率Pi：輸入

18、光功率 由圖6.5可見，在給定的摻鉺光纖情況下，應(yīng)選擇合適的泵浦功率和光纖長(zhǎng)度，才能達(dá)到最大功率增益。通常光纖長(zhǎng)度是實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，圖6.6給出了光纖長(zhǎng)度與功率增益的關(guān)系曲線。目前采用的主要泵浦波長(zhǎng)：0.98m和1.48m。 據(jù)報(bào)導(dǎo)：當(dāng)波長(zhǎng)為1.48m，泵浦功率為5mw時(shí)，EDF長(zhǎng)30m時(shí)，可35dB獲得的增益。二、輸出飽和功率表征輸入信號(hào)功率與輸出信號(hào)功率之間關(guān)系的參數(shù)（如圖6.7）。飽和增益下降3dB所對(duì)應(yīng)的輸出功率，稱3dB飽和輸出功率。三、噪聲系數(shù)EDFA噪聲來源：信號(hào)光的散彈噪聲信號(hào)光波與放大器自發(fā)輻射光波間的差拍噪聲被放大的自發(fā)輻射和散彈噪聲光放大器自發(fā)輻射的不同頻率光波間差拍噪聲用F表

19、示： 6-5 EDFA的應(yīng)用一、作前置放大器使用（如圖6.8） 前置放大器（PA）：放在光接收機(jī)之前，放大微弱的光信號(hào)，以改善光接收靈敏度，對(duì)噪聲要求苛刻。 用于前置，要求噪聲低，而EDFA的低噪聲特性，正好可大大提高光接收機(jī)的靈敏度。二、作發(fā)射機(jī)功率放大器使用（如圖6.9）。后置放大器（BA）：放在光發(fā)射機(jī)后，以提高發(fā)射光功率，對(duì)其噪聲要求不高，飽和輸出功率是主要參數(shù)。用于提高輸出光功率，增加入纖功率，延長(zhǎng)傳輸距離。 三、作光中繼器使用（如圖6.10） 中繼放大器（LA）：在光纖線路中每隔一段距離設(shè)置一個(gè)光纖放大器，以延長(zhǎng)干線網(wǎng)的傳輸距離。 這是重要應(yīng)用，可替代光/電/光中繼器，對(duì)光直接放大，使全光通信得以實(shí)現(xiàn)。（EDFA雖補(bǔ)充了損耗,但來解決色散問題，解決辦法：用色散頻移光纖，使