光纤通信原理 邓大鹏 第07章.ppt

1、第7章光放大器，7.1光放大器概述，7.2掺铒光纤放大器，7.3光纤拉曼放大器，7.4其他光放大器，7.1光放大器概述，7.1.1光放大器在现代光纤通信系统中的应用光纤用于在光纤通信中传输光信号。光纤的中继距离受到光纤损耗和色散的限制。目前，光纤的典型损耗在1.31米波段约为0.35分贝/千米，在1.55米波段约为0.25分贝/千米。以1989年诞生的掺铒光纤放大器(EDFA)为代表的光放大器技术，可以说是光纤通信技术的一场革命。目前，光放大器在光纤通信系统中最重要的应用是促进波分复用(WDM)的实际应用。光放大器也将促进光孤子通信技术的实际应用。光孤子通信是一种利用光纤的非线性来补偿光纤色散

2、效应的新型通信方式。7.1.2光放大器的历史光放大器的发展可以追溯到1923年斯米卡尔预言的自发拉曼散射。1928年，在印度加尔各答大学的拉曼光谱中观察到自发拉曼效应。光放大器的分类根据不同的原理有三种类型的光放大器。(1)掺杂光纤放大器是以稀土金属离子为激光工作物质的放大器。(2)传输光纤放大器，包括受激拉曼散射光纤放大器、受激布里渊散射光纤放大器和利用四波混频效应(FWM)的光放大器。(3)半导体激光放大器。它的结构与激光二极管基本相同。这些类型的光放大器具有不同的工作原理和激励模式。7.1.4光纤放大器1的重要指标。光放大器的增益(1)增益G和增益系数G放大器的增益定义为：Pout、Pi

3、n分别是放大器输出端和输入端的连续信号功率。(2)放大器的带宽希望放大器的增益在宽频带内与波长无关。这样，在使用这些放大器的系统中，可以放宽单信道传输波长的容差，并且可以在不降低系统性能的情况下大大增加WDM系统中的信道数量。增益饱和和饱和输出功率由于信号放大过程消耗高能级的粒子，增益系数降低。当放大器增益降低到峰值的一半时，相应的输出功率称为饱和输出功率，这是放大器的一个重要参数。饱和功率用Pouts表示。放大器噪声放大器本身产生噪声，降低信噪比，限制传输距离，这是光放大器的另一个重要指标。(1)光纤放大器的噪声源光纤放大器的噪声主要来自其放大自发辐射。(2)噪声系数由于放大器中的自发辐射噪

4、声，放大后的信噪比降低。它定义为输入信噪比与输出信噪比之比。输入信噪比和输出信噪比分别代表输入和输出的信噪比。它们都是通过在接收器处将光信号转换成光电流来计算的。7.2掺铒光纤放大器是由泵浦掺铒光纤形成的光纤放大器。对这种掺杂光纤放大器有重大影响的工作可以追溯到1963年对玻璃激光器的研究。7.2.1掺铒光纤放大器的工作原理第五章介绍了激光器的工作原理：在泵浦源的作用下，工作物质粒子从低能级跃迁到高能级(通常通过另一个辅助能级)，在一定的泵浦强度下，获得了具有光放大功能的粒子数反转分布。当输入工作频带内的信号光时，信号光被放大。这是掺铒光纤放大器的基本工作原理。然而，EDFA细长的光纤结构(以

5、及其他掺杂的光纤放大器)使得有源区的能量密度很高，光与物质的相互作用区域很长，这有利于降低对泵浦源功率的要求。泵浦效率Wp可以用来衡量泵浦的有效性，其表达式如下：Wp=放大器增益(分贝)/泵浦功率(毫瓦)，7.2.2掺铒光纤放大器结构1。同向泵浦在同向泵浦方案中，泵浦光和信号光从同一端注入掺铒光纤。2.反向泵浦，泵浦光和信号光从不同的方向输入到掺铒光纤中，在掺铒光纤中反向传输。双向泵浦为了在掺铒光纤中充分激发铒离子，必须提高泵浦功率。4.三种泵浦模式的比较(1)信号输出功率(2)噪声特性图7.5显示了噪声指数和输出光功率之间的关系。(3)饱和输出特性共泵浦EDFA的饱和输出光功率最小。图7.5

6、噪声系数与输出功率的关系，7 . 2 . 3 EDFA 1号光纤放大器重要指标。EDFA增益特性增益系数g(z)与高能级和低能级的粒子数与泵浦功率之差有关。光纤放大器的增益G可以通过在整个掺铒光纤长度上积分增益系数g(z)得到，因此放大器的增益应该与泵浦强度和光纤长度有关。2.EDFA带宽图7.9显示了掺铒硅光纤的g曲线。从图中可以看出，增益系数随不同波长而变化。EDFA经历了三个阶段来实现宽带和增益平坦度，如表7.1所示。该光纤在1.55米的低损耗区带宽为200纳米，而目前使用的EDFA增益带宽仅为35纳米左右。图7.9掺铒离子硅光纤3的g曲线。EDFA的噪声系数Fn取决于自发辐射，也就是说

7、，噪声系数与粒子反转差异有关。EDFA被用作前置放大器。由于其低噪声特性，EDFA非常适合接收机前置放大器。2.EDFA被用作功率放大器功率放大器是把EDFA直接放在光发射机后面，以增加输出功率。3.EDFA用作线路放大器EDFA用作线路放大器是光纤通信系统中的一个重要应用。4.EDFA在EDFA本地网的应用可以应用于宽带本地网，尤其是电视分配网。掺铒光纤放大器的优缺点EDFA的快速发展源于它的一系列优点。(1)工作波长与光纤的最小损耗窗口一致，可广泛应用于光纤通信。(2)耦合效率高。由于是光纤放大器，所以容易与光纤耦合连接，也可以通过焊接技术与传输光纤焊接，损耗可以降低到0.1dB，这种焊接

8、反射损耗也很小，不容易自激。(3)高能量转换效率。激光的工作物质集中在纤芯和纤芯的近轴部分，信号光和泵浦光在近轴部分也最强，使光和物质充分相互作用。(4)高增益和低噪声。输出功率大，增益可达40dB，单向泵浦时输出功率可达14dBm，双向泵浦时可达17dBm甚至20dBm，噪声系数可低至34dB，全泵浦时串扰很小。(5)增益特性不敏感。首先，EDFA增益对温度不敏感，其增益特性在100内保持稳定。此外，增益也与偏振无关。(6)可以实现信号的透明传输，即在波分复用系统中可以同时传输模拟信号、数字信号、高速率信号和低速率信号。当系统扩展时，只有终端机可以改变而不改变电路。EDFA也有其固有的缺点：

9、(1)波长是固定的，只能放大1.55米左右的光波。当使用不同衬底的光纤时，铒离子的能级只能变化很小，可调波长有限，所以只能使用其他元件；(2)增益带宽是不均匀的，因此在WDM系统中需要使用特殊的手段来补偿增益谱。7.3光纤拉曼放大器7.3.1光纤拉曼放大器的工作原理受激拉曼散射的主要特性包括：光学声子参与玻璃介质中的拉曼散射；它出现在所有类型的光纤中，但是拉曼增益稀疏的形状和峰值与泵浦源的波长和功率有关。响应时间短，这是一种瞬态效应；增益取决于偏振。当泵浦光的偏振方向平行于信号光时，增益最大，而当泵浦光垂直时，增益最小。然而，事实上，由于模式干扰，它与非保偏光纤中的增益无关。增益谱很宽，但不均

10、匀。最大增益频移为13.2赫兹，可扩展至30赫兹。7.3.2光纤拉曼放大器的结构光纤拉曼放大器可分为两类：离散拉曼放大器(RA)和分布式拉曼放大器(DRA)。7.3.3光纤拉曼放大器1的性能。光纤拉曼放大器的增益处于连续波工作状态，泵浦光消耗被忽略。光纤拉曼放大器的增益可由下式表示：其中：gR为拉曼增益系数；Aeff是光纤在泵浦波长下的有效面积；P0是泵浦光功率；p是光纤中泵浦光的衰减常数。2.拉曼放大器的带宽由泵浦波长决定。如果适当选择泵浦波长，可以获得任何波长的信号放大。DRA的增益谱是每个波长的泵浦光产生的增益谱叠加的结果，因此它由泵浦光波长的数量和类型决定。噪声指数由于拉曼放大是一个分

11、布式增益过程，其等效噪声小于垂直放大器。为了比较DRA放大器和离散放大器的性能，将DRA等效集中噪声指数定义为：ASE是光纤末端放大自发辐射的密度；GR是光纤末端信号的拉曼增益。分布式拉曼放大器通常与EDFA混合使用。当前置放大器DRA与功率放大器常规EDFA混合时，其等效噪声指数为F=FR FE/GR，其中GR和FR分别为DRA的增益和噪声指数。FE是EDFA的噪音指数。因为作为功率放大器，FR通常小于EDFA的噪声指数FE，所以从上面的公式可以看出，只要拉曼增益GR增加，总噪声指数就可以降低。7.3.4光纤拉曼放大器1的系统应用。分立拉曼放大器的应用分立拉曼放大器中使用的光纤增益介质相对较

12、短，泵浦功率要求很高，一般在几瓦到几十瓦之间，可以产生40dB以上的高增益。像EDFA一样，它可以用于光信号的集中放大，所以它主要用于EDFA不能放大的波段。DRA传输系统典型结构采用DRA技术的传输系统典型结构如图7.14所示。在WDM系统的每个传输单元中，反向拉曼泵浦在EDFA的输入端注入，信号将沿光纤分布拉曼放大。由于DRA具有低噪声的特点，增益带宽与泵浦波长和功率有关，而EDFA具有高增益和低成本的特点，这种混合放大结构可以同时发挥两种光纤放大器的优势。光纤拉曼放大器的优缺点光纤拉曼放大器有以下优点。(1)增益波长由泵浦光的波长决定。只要泵浦源的波长合适，理论上可以获得任何波长的信号放

13、大，从而可以将光纤拉曼放大器扩展到EDFA不能使用的波段，从而拓宽了进一步增加波分复用容量的空间。(2)增益介质可以是传输光纤本身。以这种方式实现的光纤拉曼放大器被称为分布式放大，因为放大沿光纤集中而不是集中，并且光纤中各处的信号光功率相对较小，从而减小了各种光纤非线性效应的影响。(3)低噪声指数可以提高原系统的信噪比。(4)拉曼增益谱宽，普通DSF上的单波长泵浦可以获得40纳米范围内的有效增益；如果使用多个泵浦源，可以容易地实现宽带放大。(5)光纤放大器的饱和功率较高，增益谱的调整方式可以通过优化实现拉曼光纤放大器需要高泵浦功率。作用距离太长，增益系数低。对极化敏感。7.4其他光放大器7.4.1光纤布里渊放大器物体内部将持续产生弱声波。这种声波的频率很高(一般在109赫兹左右)，人耳听不见，它会对穿过物质的光波产生影响。根据光波的多普勒效应，推导出布里渊散射公式：其中v0、vs和vp分别表示