光放大器课件.ppt

第5章光放大器 5 1光放大器概述5 2半导体光放大器5 3掺铒光纤放大器5 4拉曼光纤放大器 5 1光放大器概述 光放大器的重要性光放大器的本质光放大器工作性能光放大器的分类 光放大器的重要性 1 传统放大技术的缺陷 缺点 1 设备复杂 体积太大 耗能多2 系统的稳定性和可靠性不高3 光电转换限制通信的容量4 尤其在多信道复用和双向复用光纤通信系统中 将更复杂 并将极其昂贵 未来全光网络 AON 的发展趋势 光复用 光交换 光路由 所以必须在光传输上实现全光化 光放大器 直接在光域进行放大 光放大器的重要性 2 波分复用WDM技术的实用化需要光放大器 光放大器的重要性 2 波分复用WDM技术的实用化需要光放大器 波分复用系统中的光电中继 光放大器的重要性 2 波分复用WDM技术的实用化需要光放大器 宽带宽的光放大器可以对多信道信号同时放大 而不需要进行解复用 光放大器的问世推动了DWDM技术的快速发展 光放大器整形能力较差 在长途干线上需与光电中继器或色散补偿光纤结合使用 采用光放大器的中继方法 OpticalAmplifiers OA最重要的应用 光放大器的重要性 3 光放大器促进了光接入网技术的蓬勃发展 4 光放大器还将促进光孤子通信技术的实用化 5 光放大器是未来全光网络中不可缺少的重要器件 OA从线路上解决了无电再生中继问题 它还必将与层出不穷的新器件 新技术组合在一起逐步实现光通信系统的全光化 发展历程 80年代中 后期SOA的研究为主 90年代EDFA Erbium dopedfiberamplifier获得巨大成功 成为光纤通信系统必不可少的器件 光放大器的出现 可视为光纤通信发展史上的重要里程碑 DavidPayne 5 1光放大器概述 光放大器的重要性光放大器的本质光放大器工作性能光放大器的分类 光放大器的本质 基本原理 通过受激辐射或受激散射原理实现对入射光信号的放大 其机理与激光器完全相同 在泵浦能量 电或光 的作用下 OA的激活物质实现粒子数反转 非线性光纤放大器除外 然后对注入其中的微弱光信号进行放大 使其获得足够的光增益转变为较强的光信号 然后通过受激辐射实现对入射光信号的直接放大 基本结构 光放大器在结构上是一个没有反馈或反馈较小的激光器 光放大器的本质 利用某种具有增益的激活介质对注入其中的微弱光信号进行放大 使其获得足够的光增益 变为较强的光信号 从而实现对光信号的直接光放大 光放大器的本质 光放大器是基于受激辐射机理来实现入射光功率放大的 放大器的增益与光频率 光强有关 5 1光放大器概述 光放大器的重要性光放大器的本质光放大器工作性能光放大器的分类 光放大器的工作性能 1 光放大器的放大倍数 增益 增益G是描述光放大器对信号放大能力的参数 定义为 G与光放大器的泵浦功率 掺杂光纤的参数和输入光信号 信号频率和强度 有很复杂的关系 光放大器的工作性能 输入光功率较小时 G是一常数 即输出光功率PS OUT与输入光功率PS IN成正比例 此时增益G0为光放大器的小信号增益 G0 2 增益饱和 表示最大输出能力 放大器的增益与光强有关 光放大器的工作性能 3 放大器带宽 放大器的增益与光频率有关 增益G与输入光波长的关系 增益谱G 增益G与信号光波长 的关系 光放大器的增益谱不平坦 光放大器的工作性能 光放大器的工作性能 4 放大器噪声 3 噪声系数信噪比的劣化用噪声系数Fn表示 定义为输入信噪比与输出信噪比的比值 1 光放大器的噪声来源 主要由于自发辐射被放大 自发辐射光子的相位和方向是随机的 对于有用信号没有贡献 就形成了信号带宽内的噪声 与放大信号在光纤中一起传输 放大 降低了信号光的信噪比 2 信噪比 正常信号功率与噪声功率的比值 5 1光放大器概述 光放大器的重要性光放大器的本质光放大器工作性能光放大器的分类 光放大器的分类 掺镨光纤放大器 PDFA 1310nm 光放大器家族 光放大器的分类 几种类型光放大器的比较 光放大器的分类 常用光放大器及其工作波段 3 掺铒光纤放大器 EDFA 4 掺镨光纤放大器 PDFA 2 光纤拉曼放大器 FRA 1 半导体放大器 SOA 损耗 1310nm 1550nm 波长 SOA FRA EDFA PDFA 第5章光放大器 5 1光放大器概述5 2半导体光放大器5 3掺铒光纤放大器5 4拉曼光纤放大器 5 2半导体光放大器SOA 半导体光放大器的工作原理半导体光放大器的工作波段半导体光放大器的优点半导体光放大器的缺点 SOAProduct 外加正向偏压实现结区粒子数反转 泵浦导致受激辐射 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 与半导体激光器工作原理类似 第5章光放大器 5 1光放大器概述5 2半导体光放大器5 3掺铒光纤放大器5 4拉曼光纤放大器 5 3掺铒光纤放大器 EDFAErbium DopedFiberAmplifier 掺杂光纤放大器利用掺入石英光纤的稀土离子作为增益介质 在泵浦光的激发下实现光信号的放大 放大器的特性主要由掺杂元素决定 工作波长为1550nm的铒 Er 掺杂光纤放大器 EDFA 工作波长为1300nm的镨 Pr 掺杂光纤放大器 PDFA 工作波长为1400nm的铥 Tm 掺杂光纤放大器 TDFA 目前 EDFA最为成熟 是光纤通信系统必备器件 5 3掺铒光纤放大器 EDFAErbium DopedFiberAmplifier 掺铒光纤放大器给光纤通信领域带来的革命 EDFA解决了系统容量提高的最大的限制 光损耗补偿了光纤本身的损耗 使长距离传输成为可能大大增加了功率预算的冗余 系统中引入各种新型光器件成为可能支持了最有效的增加光通信容量的方式 WDM推动了全光网络的研究开发热潮 5 3掺铒光纤放大器 EDFAErbium DopedFiberAmplifier 为什么要用掺铒光纤放大器 工作频带正处于光纤损耗最低处 1525 1565nm 频带宽 可以对多路信号同时放大 波分复用 对数据率 格式透明 系统升级成本低 增益高 40dB 输出功率大 30dBm 噪声低 4 5dB 全光纤结构 与光纤系统兼容 增益与信号偏振态无关 故稳定性好 所需的泵浦功率低 数十毫瓦 5 3掺铒光纤放大器 EDFAErbium DopedFiberAmplifier 5 1掺铒光纤放大器EDFA 掺铒光纤放大器的工作原理掺铒光纤放大器的结构掺铒光纤放大器的性能指标掺铒光纤放大器的应用掺铒光纤放大器的优缺点 掺铒光纤放大器的工作原理 EDFA采用掺铒离子单模光纤为增益介质 在泵浦光作用下产生粒子数反转 在信号光诱导下实现受激辐射放大 信号光与波长较其为短的光波 泵浦光 同沿光纤传输 泵浦光的能量被光纤中的稀土元素离子吸收而使其跃迁至更高能级 并可通过能级间的受激发射转移为信号光的能量 信号光沿光纤长度得到放大 泵浦光沿光纤长度不断衰减 通信窗口和铒离子 自然界给光通信的礼物 铒离子的增益谱与光纤传输最低损耗窗口重合 Gain Absorption 掺铒光纤放大器的工作原理 铒纤吸收谱 掺铒光纤放大器的工作原理 EDFA中的Er3 能级结构 泵浦波长可以是520 650 800 980 1480nm波长短于980nm的泵浦效率低 因而通常采用980和1480nm泵浦 铒离子简化能级示意图 掺铒光纤放大器的工作原理 三能级系统v s 二能级系统 980nm泵浦 三能级系统能够很好的表述 简化为二能级模型能够更贴近现实 1480nm泵浦 二能级系统比较精确 掺铒光纤放大器的工作原理 所以EDFA的工作波长1530 1560nm 5 1掺铒光纤放大器EDFA 掺铒光纤放大器的工作原理掺铒光纤放大器的结构掺铒光纤放大器的性能指标掺铒光纤放大器的应用掺铒光纤放大器的优缺点 EDFA的基本结构及功能 合波器 光滤波器 泵浦光源 掺铒光纤 信号光 光隔离器 光隔离器 放大的信号光 掺铒光纤放大器的结构 EDFA主要由掺铒光纤 EDF 泵浦光源 耦合器 光隔离器及光滤波器组成 结构如图所示 掺铒光纤放大器的结构 按泵浦方式不同的3种结构 1 同向泵浦掺铒光纤放大器结构 前向泵浦 具有好的噪声特性 2 反向泵浦掺铒光纤放大器结构 后向泵浦 3 双向泵浦掺铒光纤放大器结构 具有较高的输出信号功率 具有更高的输出信号功率 性能与信号传输方向无关 掺铒光纤放大器的结构 第一级同向泵浦 得到低的噪声指数 第二级反向泵浦 得到高的输出功率 多级泵浦 掺铒光纤放大器的结构 三种泵浦方式比较 1 信号输出功率三种方式的转换效率分别为61 76 和77 在同样泵浦条件下 同向泵浦式的输出最低 信号输出光功率与泵浦光功率的关系 掺铒光纤放大器的结构 三种泵浦方式比较 2 噪声特性输出功率加大将导致粒子反转数的下降 因而在未饱和区 同向泵浦式噪声指数最小 但在饱和区 情况将发生变化 对于不同掺铒光纤长度 同向泵浦方式噪声都最小 放大器输出功率与NF的关系 光纤长度与NF的关系 掺铒光纤放大器的结构 三种泵浦方式性能差异总结 同向泵浦 噪声性能好反向泵浦 输出功率大双向泵浦 兼有上述优点 但成本高 掺铒光纤放大器的结构 5 1掺铒光纤放大器EDFA 掺铒光纤放大器的工作原理掺铒光纤放大器的结构掺铒光纤放大器的性能指标掺铒光纤放大器的应用掺铒光纤放大器的优缺点 EDFA的重要指标 增益 EDFA的输出功率含信号功率和噪声功率两部分 噪声功率记为PASE 则EDFA的增益为 EDFA的增益通常为15 40dB 大小与铒离子浓度 泵浦功率和掺铒光纤长度有关 掺铒光纤放大器的性能指标 对于给定的放大器长度 EDF长度 增益随泵浦功率在开始时按指数增加 当泵浦功率超过一定值时 增益增加变缓 并趋于一恒定值 小信号增益随泵浦功率而变的曲线 掺铒光纤放大器的性能指标 小信号增益随放大器长度而变的曲线 当泵浦功率一定时 放大器在某一最佳长度时获得最大增益 如果放大器长度超过此值 由于泵浦的消耗 最佳点后的掺铒光纤不能受到足够泵浦 而且要吸收已放大的信号能量 导致增益很快下降 因此 在EDFA设计中 需要在掺铒光纤结构参数的基础上 选择合适的泵浦功率和光纤长度 使放大器工作于最佳状态 掺铒光纤放大器的性能指标 WDM系统要求EDFA具有足够高的输出功率 以保证各信道获得足够的光功率 方法 多级泵浦 EDFA的大功率化 1 掺铒光纤放大器的性能指标 EDFA的大功率化 2 用于制作大功率EDFA的双包层光纤结构图 芯层 5 m内包层 50 m芯层 掺铒 传播信号层 SM 内包层 传播泵浦光 MM 双包层光纤是实现EDFA的重要技术 信号光在中心的纤芯里以单模传播 而泵浦光则在内包层中以多模传输 掺铒光纤放大器的性能指标 5 1掺铒光纤放大器EDFA 掺铒光纤放大器的工作原理掺铒光纤放大器的结构掺铒光纤放大器的性能指标掺铒光纤放大器的应用掺铒光纤放大器的优缺点 局域网的功率放大器 补偿分配损耗 增大网络节点数 掺铒光纤放大器的应用 Inlineamplifier线路放大器 LA 在光纤线路中每隔一段距离设置一个光纤放大器 以延长干线网的传输距离 Boosteramplifier功率放大器 BA 放在光发射机后 以提高发射光功率 对其噪声要求不高 饱和输出功率是主要参数 Pre amplifier前置放大器 PA 放在光接收机之前 放大微弱的光信号 以改善光接收灵敏度 对噪声要求苛刻 1 EDFA用作前置放大器 光接收器之前 提高接收机灵敏度可提高10 20dB 即 在光信号进入接收机前 得到放大 以抑制接收机内的噪声 小信号放大 要求低噪声 但输出饱和功率则不要求很高 掺铒光纤放大器的应用 2 EDFA用作功率放大器 放在光发射机之后用来提升输出功率 将通信距离延长10 20km 通信距离由放大器增益及光纤损耗决定 功率放大器除了要求低噪声外 还要求高饱和输出功率 掺铒光纤放大器的应用 3 EDFA用作线路放大器 非常适合用在海底光缆 没有电中继器的光 电 光过程 用EDFA可代替半导体光放大器 对线路中的光信号直接进行放大 使得全光通信技术得以实现 掺铒光纤放大器的应用 4 EDFA用作本地网放大器 EDFA WDM结合可在宽带本地网 特别在电视分配网中得到应用 它补偿由于分路带来的损耗及其他损耗 极大地扩大了网径和用户数量 58 掺铒光纤放大器的应用 掺铒光纤放大器的应用 5 1掺铒光纤放大器EDFA 掺铒光纤放大器的工作原理掺铒光纤放大器的结构掺铒光纤放大器的性能指标掺铒光纤放大器的应用掺铒光纤放大器的优缺点 的优点 掺铒光纤放大器的主要优点1 工作波长与单模光纤的最小衰减窗口一致 2 耦合效率高 由于是光纤放大器 易与传输光纤耦合连接 3 能量转换效率高 掺铒光纤EDF的纤芯比传输光纤小 信号光和泵浦光同时在掺铒光纤EDF中传播 光能量非常集中 这使得光与增益介质Er离子的作用非常充分 加之适当长度的掺铒光纤 因而光能量的转换效率高 4 增益高 噪声指数较低 输出功率大 信道间串扰很低 5 增益特性稳定 EDFA对温度不敏感 增益与偏振相关性小 6 增益特性与系统比特率和数据格式无关 的缺点 掺铒光纤放大器的主要缺点1 增益波长范围固定 Er离子的能级之间的能级差决定了EDFA的工作波长范围是固定的 只能在1550nm窗口 这也是掺稀土离子光纤放大器的局限性 又例如 掺镨光纤放大器只能工作在1310nm窗口 2 增益带宽不平坦 EDFA的增益带宽很宽 但EFDA本身的增益谱不平坦 在WDM系统中应用时必须采取特殊的技术使其增益平坦 3 光浪涌问题 采用EDFA可使输入光功率迅速增大 但由于EDFA的动态增益变化较慢 在输入信号能量跳变的瞬间 将产生光浪涌 即输出光功率出现尖峰 尤其是当EDFA级联时 光浪涌现象更为明显 峰值光功率可以达到几瓦 有可能造成O E变换器和光连接器端面的损坏 EDFA的优点和缺点 另一版本 可课下参考 优点 工作频带正处于光纤损耗最低处 1525 1565nm 能量转换效率高 激光工作物质集中在光纤芯子的近轴部分 而信号光和泵浦光也在近轴部分最强 则光与物质作用很充分 频带宽 可以对多路信号同时放大 波分复用 增益高 噪声低 输出功率大 增益达40dB 输出功率在单向泵浦14dBm 双向泵浦17dBm 20dBm 充分泵浦时 噪声系数可低至3 4dB 串话也很小 2 6EDFA的优点和缺点 优点 增益特性不敏感 对温度不敏感 在100 内增益特性保持稳定 可实现信号的透明传输 在波分复用系统中 同时传输模拟信号和数字信号 高速率信号和低速率信号 缺点 波长固定 只能放大1 55 m左右的光波 换用不同基质的光纤时 铒离子能级也只能发生很小的变化 可调节的波长有限 只能换用其他元素 增益带宽不平坦 在WDM系统中需要采用特殊的手段来进行增益谱补偿 第5章光放大器 5 1光放大器概述5 2半导体光放大器5 3掺铒光纤放大器5 4拉曼光纤放大器 5 4拉曼光纤放大器RFA 拉曼光纤放大器的发展历史拉曼光纤放大器的工作原理拉曼光纤放大器的优缺点 光纤拉曼放大器FRA的发展历史 拉曼 Raman 现象在1928年被发现 拉曼放大技术从1984年开始研究并应用 90年代早期 掺铒光纤放大器取代它成为焦点 光纤拉曼放大器 FRA 受到冷遇 随着光纤通信网容量的增加 对放大器提出新的要求 传统的EDFA已很难满足 FRA再次成为研究的热点 泵浦功率大转换效率低 只能工作在1530 1564nm之间的C波段 人们对FRA的兴趣来源于这种放大器可以提供整个波长波段的放大 通过适当改变泵浦激光波长 就可以达到在任意波段进行宽带光放大 甚至可在1270 1670nm整个波段内提供放大 特别是高功率二极管泵浦激光器的迅猛发展 又为FRA的实现奠定了坚实的基础 拉曼光纤放大器逐渐引起人们的重视 但拉曼光纤放大器距离真正商用化还有一段距离 EDFA 拉曼放大器 是目前的通信系统中比较成熟的一种方式 光纤拉曼放大器FRA的发展历史 5 4拉曼光纤放大器RFA 拉曼光纤放大器的发展历史拉曼光纤放大器的工作原理拉曼光纤放大器的优缺点 光纤拉曼放大器FRA的工作原理 拉曼散射基本原理 在许多非线性光学介质中 高能量 波长较短 的泵浦光散射 将一部分入射功率转移给另一较低频率的光波 这个低频与高频相比的偏移量由介质的振动模式决定 FRA实现放大是基于光纤中的非线性效应 受激拉曼散射 StimulatedRamanScattering SRS 如果光纤中同时存在两个光束 会发生受激拉曼散射 图中一个弱信号和一个强泵浦光同时在光纤中传输 高频 高能量 波长较