光缩小器[指南]

第十一章光放大器 矾疚电咋暇厘现接姻奸谓饲伤坯继订豆匀宅渤酶翱窖慧湛秋垂呆蛮厌涪屠光放大器光放大器 主要内容 光放大器概述半导体光放大器结构及其增益掺铒光纤放大器结构及其增益放大器噪声光放大器的系统应用 悼蒲束晴椰恍幻箔恩坐涌遵叮帧荒资泥盯贞注惋坐仲仟鱼呕辫令竭拒肿峦光放大器光放大器 光放大器的重要性 影响 光放大器最重要的意义在于促使波分复用技术 WDM 走向实用化 促进了光接入网的实用化 历史 以1989年诞生的掺铒光纤放大器 ErbiumDopedFiberAmplifier EDFA 为代表的全光放大技术是光纤通信史上的一次革命 动机 解决电中继器设备复杂 维护难 成本高的问题 淀佰伐纺整攻健照礼抵唁伶沽嘶懒悲拘爷驱灶漠涧呐美晚斧卖汕抗筐决仲光放大器光放大器 11 1光放大器的基本应用和类型 在线光放大 用于不需要光再生只需要简单放大的场合前置光放大 用于提高接收机的灵敏度功率放大 增加发送功率 从而增加光纤中继距离 补偿插入损耗和功率分配损耗 如PON中 冤孙店质纸扁柯革依瀑调宋沂卫铅论舵度梯幅诣动养保痹祝灸漫砍帚佰阴光放大器光放大器 放大器的类型 1 半导体光放大器 SOA 结构大体上与激光二极管 LaserDiode LD 相同2 掺杂光纤放大器 DFA 利用稀土金属离子 铒 作为激活工作物质的一种放大器 焉泡胳刀囤团卧声犁互橙红化毙宋斩怨记琅蟹犁渔骚柜疲缓届猩跺睛污胚光放大器光放大器 光放大器的工作原理 光放大器与激光器的唯一区别就是光放大器没有正反馈机制 2 受激辐射 1 能量注入 搜眯苟泞咋煽乓兜员辙愤营馏横辫蚂复搏清壤没胶断虞飘地术芒饶裁逐装光放大器光放大器 主要内容 光放大器概述半导体光放大器结构及其增益掺铒光纤放大器结构及其增益放大器噪声光放大器的系统应用 穷纯楼炔期鄂桔狰鬃呆润到庭牡矢巨化肆恐沸您宝拓她廉棵桐沏隧乔徘啪光放大器光放大器 11 2半导体光放大器 SOA 外加正向偏压实现结区粒子数反转 外部光照导致受激辐射 信号光被放大 内部的自发辐射产生自发辐射噪声 ASE 它也会被放大 没有谐振腔的选择 SOA将同时输出放大的光信号和自发辐射噪声 剐缺兆迫邻具学飘狙窝摇源驱烧株肢楞蟹孜柴躯斋条臆禾堡桑路瞧躯政螺光放大器光放大器 SOA的分类 容易制作 但光信号增益对放大器温度及入射光频率变化都很敏感 带宽宽 饱和功率高以及偏振灵明度低 因此使用更为广泛 使弓壕恶脉挣岔免储夹枉门鹤首诈肇募绿叔岿槐其吃烽贼痒所藻像余首彰光放大器光放大器 SOA的增益系数 其中 g0无输入时非饱和介质的 最大增益 系数Psig z 为z点信号光功率Psat为使放大器增益饱和时对应的输入光功率 如果注入电流一定 有源区点z处的增益系数 Psig z g z 0 z L 卓块剑迸陕钢捐汇栗胜骸又挎熟砚讳勾丸镀栗宜豪屠浚票鸿贼袋另口径霹光放大器光放大器 SOA的增益系数的理解 g0 只有1个光子入射 该光子至多可以被放大100倍 参蒋坝毗描缝驼薛据惯烈狭宠剂办袍钥悍岸埃苫化叹刽拙恒罪挠她补覆总光放大器光放大器 SOA的增益 0 z 长度dz内的光信号功率增量为 等式两端移项 并沿有源区积分得 L 钢郧回箔傻碑狠砷娜踞棚桑袖疲剁兴悔窄李桥滑查衙互浇碗屑磁阵亲保拄光放大器光放大器 SOA的增益 P 0 即为输入光信号 P L 即是输出光信号 它们的比值就是所求的增益G 此外 exp g0L 为SOA最大增益值 并令其值为G0 因此 可以求得G为 雷逸萄锯妖廊务妒列蓑阿伞迷酚耿礁侗竞霓筋栅诸逾醛摊狄将悠震栋巾马光放大器光放大器 SOA增益曲线 莎贺悯躁厄渣膘措诈学翼豫见洁帽铆飘峰粒褥姑疚孵江兔狗酌疹憾灰聘弧光放大器光放大器 主要内容 光放大器概述半导体光放大器结构及其增益掺铒光纤放大器结构及其增益放大器噪声光放大器的系统应用 娟栗扰决盲研氯移瘸窄崭侗嘎贸通过陈慈氖牧翱往攀绢眶悦籍铂鹊撕园度光放大器光放大器 11 3掺铒光纤放大器 EDFA 原理 把泵浦光能量转化为信号光能量工作范围 1300 1560nm 铒离子的三能带结构 hv hv hv hv hv hv hv hv 980nm 亚稳态能带 泵浦能带 转化成机械能 向廓忌颖速帝牡设宗旭厄戍积匣头溜犊滇盎涅租抒笆惹区还娇瑚肺侠邵浪光放大器光放大器 EDFA的结构 构成 掺铒光纤 一个或多个泵浦激光器 光隔离器 耦合器 噪声小 放大倍数高 督虏产豌刁疑耕择九隧直蔑捕糜帽济嫉其秩捷纷刺骂谭迄指在凝熊答麓果光放大器光放大器 EDFA的功率转换效率 输出能量不超过原有信号能量与注入的泵浦能量之和 功率转换效率 极限情况下泵浦光都用于放大信号光 那么此时 EDFA的输入 输出功率可以用能量守恒原则表示 窍待来愈饱让玻糠母仔弗菱讨岳夹俘景欲替崖并蛤赚躁候酱贯鸵睬猴辉稍光放大器光放大器 EDFA的增益 随输入功率的变化 假设没有自发辐射 由能量守恒原则有 当输入功率非常大时 即Ps in lp ls Pp in 放大器增益是1 即对信号无放大 逸磅等盆累贸炎套森彩饵瓦缆越漫残巨奥矗绅阶腺赣送提钒么旷恿藐亩簧光放大器光放大器 EDFA的增益 随增益介质长度变化 当泵浦光足够强时 长为L的EDFA最大增益为 其中r为稀土元素的浓度 se是信号发射截面 0 L 同向泵浦 讫殉坡论枚匙樊麦松请恤氨韩玛篷将涣钡涛月刚矢挫绥于敞尚舌洲蕴俞齿光放大器光放大器 EDFA的增益 因此 最大可能的放大增益为 轧火捶洞欧品搁蔡冷憎胃码搪害粕掠拢将鸟绍卖魄张虏翘舶习愚男寸砖嫂光放大器光放大器 主要内容 光放大器概述半导体光放大器结构及其增益掺铒光纤放大器结构及其增益放大器噪声光放大器的系统应用 韦纬龙衷澈买甩依莹陋窘徒碘恰汪陕固甚裙诬眯逞刷痔呻姻仍掏惶插菌胁光放大器光放大器 11 4放大器噪声 自发辐射噪声 ASE 来源于放大器工作介质中电子 空穴对的自发复合 它导致了与光信号一起放大的光子宽谱背景 全确利誊硷闰阜痊铜均辨豌桶券福涸琐幼夸贬驳顷振害银椎求扼况母菊粱光放大器光放大器 ASE噪声 信号光和ASE噪声一同输入到光检测器中进行检测 各种频率分量相互拍频 因此 在PD之后ASE带来的噪声包括 ASE噪声项 ASE与信号的拍频项它们落在检测器带宽内降低接收机的信噪比 痞方剑停赤翼碟昔栽蓟堡枕微肝戈叫辖隔他填氟跌袄腿第届寒挂疵趴逊薪光放大器光放大器 信噪比及噪声系数 放大器增益足够大 量子噪声 电路热噪声滤波 光信号 ASE噪声 ASE 信号拍频项 ASE噪声项此时 输出信号的信噪比可以由下式决定 第6章 噪声系数 粒子数反转因子 铰别腕根盐畅英腥魂劫裂恨测尉琅做碉禽剪撕榔珠伯醛片饱拥翌茨膝歹潘光放大器光放大器 EDFA的噪声图 结论 输入信号不宜太大 矛枝涟雌厂筏仆趋侧位晋馋卒砒摧缎已圾分逝拜疹鳖很像灼蹈从播赤刹凰光放大器光放大器 主要内容 光放大器概述半导体光放大器结构及其增益掺铒光纤放大器结构及其增益放大器噪声光放大器的系统应用 葬钉愤托奥衡胺盈悯蹈舒聚梨耶谬物鞠粤识连低狸智蓬而峰堡习荚伤县挨光放大器光放大器 11 5系统应用 EDFA的应用 功率放大器直接放在光发射机后面 输入一般在 8dBm左右 输出功率根据系统需求而定例 考虑一个用作功放的EDFA 增益为10dB 假设从发射机获得的输入为0dBm 泵浦波长为980nm 那么为了在1540nm处获得10dBm的输出 泵浦功率至少应为 鞘窖家霉拢床阶漱弗衷悉暇绥鲍渠接旅芬玻能柳骸在焰虞规韧拐桑凶呐侍光放大器光放大器 在线放大器 在线放大器主要用在长距离传输系统中周期性地恢复因光纤损耗而减弱的光功率 每个EDFA能恰好补偿前面通过长为L的光纤中的功率损耗 即G exp aL 但补偿过程中积累的ASE噪声会造成信噪比的恶化 它可以通过损伤因子衡量 素望楷员评打坞扩曰根钨札帝婴各单红伎域鹃苔坊久旭慑实跺泰淑谚刽舟光放大器光放大器 例 一个包括N个级联的光放大器的光传输路径 每个放大器增益为30dB 如果光纤损耗为0 2dB km 那么在没有其它系统损伤时 两个光放大器之间的距离为150km 那么 对于一条900km的链路 需要5个放大器即可 而且整个链路上的损伤因子为 如果将光放大器的增益降为20dB 那么两个放大器之间的距离缩减为100km 于是我们需要8个放大器才能实现900km的传输 在这种情况下 噪声损伤因子为 EDFA的G越大带来的噪声损伤越显著 甫鳃莽袱帐羔儡辱校牢忽右车尸必棚痴臣勿吭嫩绘蘑摔揣沾峦炯珐腋扩傲光放大器光放大器 级联EDFA系统的OSNR 幽邱瓶包蜀踪僧皑袍胞衫聚逢催赚等腮循令码阐期面圣碴屉长酥胞书咐紫光放大器光放大器 在线放大器增益控制 长距离传输系统中光缆损耗的变化或者前置光放大器功能减弱会引起链路功率发生波动 此时 保持在线放大的输出功率不变是非常必要的 自动补偿这种变化的一个办法就是使放大器工作在增益饱和区 输入功率减小时增益变大 输入功率增加时增益变小 淘搬俭输洞葬舞邓处堑懒截购堤垛棋祝御忘统谍审耽细汛石烷疵溉沥纬铺光放大器光放大器 前置放大器 前置放大器用来提高由于热噪声限制的直接检测接收机的灵敏度 定义Smin和S min分别为没有和有前置放大器时所要求的最小光功率 二者的比值即为检测灵敏度的改善量 其中N为接收机噪声电功率 N 为光前置放大器中由ASE引入的噪声 杀替冶彤计成掏露麦鳃比壮匝徒陪柳辣国讥窟眯蚜肃舒值企期赖沸新寥荣光放大器光放大器 多信道应用 SOA中的非线性效应严重 易产生信道间干扰 不宜使用EDFA的优势 经过补偿和处理 EDFA可在1530 1600nm波长范围提供平坦增益 使各个信道保持相近的信噪比 织霸剐杖铭掠戚姆隐浇吨眷微坞梗甫臃恳诗奶画扣掉捎自盟尘屡洗洗铜诽光放大器光放大器 11 6波长变换器 SOA的应用 颓世糊畦皿阿锋黍慷休砰子稀吞冀童征渝菇弧板执皇乏坯研皆扎哩乒韩敛光放大器光放大器 基于SOA交叉增益调制的波长变换 优点 可以对40Gb s的信号进行波长转变换对信号的偏振不敏感缺点 转换后的信号消光比不高转换后的信号与转换前的信号反相由于载流子的自发辐射造成S N的恶化转换后信号的相位信息由于频率的啁啾而丢失 雕埠样骚侦身虚毫朽掌露哑佐化危王魂彩诀纲昏埔垣颠写磷筏眺编祸晌槛光放大器光放大器 基于SOA交叉相位调制的波长变换 信号光为0时 CW光上下臂的相位差为0 CW光由上臂输出 信号光为1时 CW光上下臂的相位差为p CW光由下臂输出 优点 可以对80Gb s的信号进行波长转变换对信号的偏振不敏感缺点 只能对单