光纤通信第五章+光放大器1

第五章：光放大器刘建国中国科学院大学光纤通信技术三大问题如何提高光纤链路的速率？如何提高通信系统的容量？根据不同的应用需求，如何选择合适的通信器件？opticalpre-amplifierphoto-detectorsemiconductorlaseropticalmodulatoropticalfiberelectricalsignalopticalsignalopticalreceiverelectronicsopticaltransmitteropticalamplifieropticalfiberopticalfiberopticaltransmitteropticalreceiverrepeaterinformationreceiverreceiverelectronicsinformationsourcedriveelectronics现代数字光纤通信系统构成opticalpre-amplifierphoto-detectorsemiconductorlaseropticalmodulatoropticalfiberelectricalsignalopticalsignalopticalreceiverelectronicsopticaltransmitteropticalamplifieropticalfiberopticalfiberopticaltransmitteropticalreceiverrepeaterinformationreceiverreceiverelectronicsinformationsourcedriveelectronics光发送机中继器光放大器光接收机光源光纤光纤光纤信源信宿电信号光信号内容提要光放大概述光放大器分类EDFASOAFRA内容提要光放大概述光放大器分类EDFASOAFRA光放大器出现之前，光纤通信的中继器采用光－电－光(O-E-O)变换方式，但可实现3R中继TransmitterRepeaterElectronics(amplification,filtering,decisioncircuits)photodetectorlaserReceiver光放大器概述在WDM系统中，每个波长需要配备一个中继器，且需要波分复用器和解复用器，复杂性和成本倍增光放大器概述光放大器概述功能：以补偿光信号在通路中的传输衰减，增大系统的无中继传输距离。定义：光放大器是基于受激辐射或非线性效应实现入射光信号放大的一种器件。其机制与激光器完全相同。实际上，光放大器在结构上是一个没有反馈或反馈较小的激光器。光放大器概述EDFA诞生：1987年前后，南安普顿大学和贝尔实验室先后独立报道掺铒光纤放大器EDFA，这是光纤通信新一轮突破的开始，但只能实现1R中继。DAVIDN.PAYNEandW.ALECGAMBLING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光放大器概述光放大器在光纤通信系统发展中的作用光放大器概述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)能量注入光放大器概述光放大器的类型和应用在线光放大：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)光放大器概述光放大器概述光放大器的噪声：所有光放大器在放大过程中都会把自发辐射（或散射）叠加到信号光上，导致被放大信号的信噪比（SNR）下降噪声指数Fn，其定义为：主要噪声源：放大的自发辐射噪声（ASE），它源于放大器介质中电子空穴对的自发复合。自发复合导致了与光信号一起放大的光子的宽谱背景。outinnSNRSNRF)()(光放大器概述增益特性：增益G与信号光波长有关增益谱不平坦。光放大器概述光放大器概述内容提要光放大概述光放大器分类EDFASOAFRA光放大器的类型稀土掺杂光纤放大器EDFA、PDFA、TDFA……半导体光放大器SOA光纤非线性放大器拉曼放大器、布里渊放大器，参量放大器稀土掺杂光纤放大器各种光纤放大器比较商用EDFA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。输入信号光1525nm-1565nm放大后的输出光泵浦激光器980nmor1480nm掺铒离子光纤掺铒光纤放大器EDFAEDFA中的Er3+能级结构铒离子简化能级示意图吸收泵浦光快速非辐射跃迁光放大受激辐射产生噪声自发辐射受激吸收基态能带泵浦能带980nm1480nm亚稳态能带1550nm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：1530~1560nm铒离子的三能带结构hvhvhvhvhvhvhvhv980nm亚稳态能带泵浦能带转化成机械能掺铒光纤放大器EDFA掺铒光纤放大器EDFA三种泵浦方式的EDFALD2WDM2EDFAPCAPCinoutLD1WDM1LDWDMEDFAPCAPCinoutLDWDMEDFAPCAPCinout同向泵浦(前向泵浦)型：输出信号功率高反向泵浦(后向泵浦)型：好的噪声性能双向泵浦型：输出信号功率比单泵浦源高3dB，且放大特性与信号传输方向无关掺铒光纤放大器EDFA前向泵浦EDFA掺铒光纤放大器EDFA后向泵浦EDFA反向泵浦反向泵浦反向泵浦反向泵浦掺铒光纤放大器EDFA双向泵浦EDFA掺铒光纤放大器EDFA掺铒光纤放大器EDFAEDFA的基本结构insinpspinsoutsPPPPG,,,,1EDFA的增益：随输入功率的变化Why?↑↓掺铒光纤放大器EDFAEDFA的增益：随增益介质长度变化Why?0L吸收区增益降低同向泵浦掺铒光纤放大器EDFA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。增益随泵浦功率而变的曲线(Why)掺铒光纤放大器EDFAEDFA光放大器的噪声ASE噪声叠加在信号上，导致信噪比下降掺铒光纤放大器EDFA掺铒光纤放大器EDFA掺铒光纤放大器EDFA掺铒光纤放大器EDFA掺铒光纤放大器EDFA掺铒光纤放大器EDFA掺铒光纤放大器EDFA15441569典型的EDFA增益谱固有的增益不平坦，增益差随级联放大而积累增大各信道的信噪比差别增大各信道的接收灵敏度不同－增益谱的形状随信号功率而变，在有信道上、下的动态情况下，失衡情况更加严重掺铒光纤放大器EDFA增益平坦/均衡技术1.滤波器均衡：采用透射谱与掺杂光纤增益谱反对称的滤波器使增益平坦,如：薄膜滤波、紫外写入长周期光纤光栅、周期调制的双芯光纤等。只能实现静态增益谱的平坦，在信道功率突变时增益谱仍会发生变化。EDFA+均衡器→合成增益掺铒光纤放大器EDFA增益平坦/均衡技术2.新型宽谱带掺杂光纤：如掺铒氟化物玻璃光纤（30nm平坦带宽）、铒/铝共掺杂光纤（20nm）等，静态增益谱的平坦，掺杂工艺复杂。3.声光滤波调节：根据各信道功率，反馈控制放大器输出端的多通道声光带阻滤波器，调节各信道输出功率使之均衡，动态均衡需要解复用、光电转换、结构复杂，实用性受限掺铒光纤放大器EDFA增益平坦/均衡技术4.预失真技术不灵活，传输链路变换后，输入功率也要随之调整掺铒光纤放大器EDFA增益钳制技术电控：监测EDFA的输入光功率，根据其大小调整泵浦功率，从而实现增益钳制，是目前最为成熟的方法。LDPumpInOut泵浦控制均衡放大器（电控）EDFA掺铒光纤放大器EDFA方法1：多级泵浦大功率EDFA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)方法2：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。MultistageEDFA内插隔离器，抑制ASE，降低噪声指数小信号增益，低噪声指数大功率放大输出掺铒光纤放大器EDFA光纤拉曼放大器FRA拉曼现象在1928年被发现。1930年诺贝尔物理学奖90年代早期，EDFA取代它成为焦点，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。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。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。拉曼放大器(Raman)：传输光纤作为增益介质光纤拉曼放大器FRA原理：受激拉曼散射是强激光的光电场与原子中的电子激发、分子中的振动或与晶体中的晶格相耦合产生的，具有很强的受激特性。𝑓光子=𝑓拉曼+𝑓光子光纤拉曼放大器FRA光纤拉曼放大器FRA如果一个弱信号和一个强泵浦光同时在光纤中传输，并使弱信号波长置于泵浦光的拉曼增益带宽内，则弱信号即可被放大。这种基于SRS机制的光放大器称为光纤拉曼放大器FRA光纤(a)无泵激光的1550nm传输光功率(dB)波长1550nm波长光功率(dB)1550nm1450nm光纤(b)有泵激光的1550nm传输1550nm经光纤传输衰减的光1450nm1550nm•受激拉曼散射效应（SRS)：一个入射光子（pump)的湮灭，产生一个下移stokes频率的光子和另一个具有相当能量和动量的光学光子•与pump光子相差stokes频率的信号光子，经受激散射过程被放大FRA是靠非线性散射实现放大功能，不需要能级间粒子数反转光纤拉曼放大器FRA54SRS是分布式前向散射（以前向为主）谱线以斯托克斯光为主距离主频~13.2THz线宽可以达到5000GHzSRS特点：光纤拉曼放大器FRA•在所有类型光纤中都会发生•峰值增益频移~13THz(60-100nm)•增益具有偏振依赖性，当泵浦光与信号光偏振方向平行时增益最大，垂直时增益最小为零•增益谱很宽(125nm)但并不平坦FRA特点波长光功率(dB)1550nm1450nm光纤有泵激光的1550nm传输1450nm1550nm光纤拉曼放大器FRA光纤拉曼放大器的泵浦要求高能量输出消偏输出和偏振混合输出（拉曼散射增益具有偏振依赖性）泵浦波长至关重要。信号光在1300nm波段时，最佳泵浦波长约在1220～1240nm，而在1550nm波段时，最佳泵浦波长约在1440～1460nm左右处。高功率双包层拉曼光纤激光器是最佳的泵浦源当前的研究热点是动态可调谐的多波长泵浦源，它对于喇曼放大的实用化有着举足轻重的作用（宽带平坦高增益）光纤拉曼放大器FRA机制：拉曼增益与泵浦波长相关方法：多波长泵浦增益：各个泵浦波长拉曼增益谱的加权和（以dB为单位）宽带放大原理Overallgain光纤拉曼放大器FRA拉曼放大器的种类分布式喇曼放大器：所用的光纤比较长，一般为几十公里，泵源功率可降低到几百毫瓦，主要辅助EDFA用于DWDM通信系统性能的提高，抑制非线性效应，提高信噪比。集总式喇曼放大器：所用的光纤增益介质比较短，一般在几公里，泵浦功率要求很高，一般在几到十几瓦特，可产生40dB以上的高增益，象EDFA一样用来对信号光进行集中放大，主要作为高增益、高功率放大光纤拉曼放大器FRAFRA以传输光纤作为放大介质－分布式放大，从而实现一种“无损耗”传输（可降低入纤光功率，避免非线性效应）超低噪声放大原理脉冲幅度z集中放大NonlinearEffectsNoiseHigh分布放大缺点：泵浦功率大(W),对光纤损害光纤拉曼放大器FRA光纤喇曼放大器的特性Advantages:理论上可以得到任意波长的增益，前提是需要合适的泵浦源；分布或分立放大均能实现；使用光纤作为放大介质意味着在线放大的可能，可以减少噪声的积累。Disadvantages:泵浦功率高（500