光放大器课件

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放大整形判决再生O/EE/O1.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铺设更多的光缆成本高受器件响应速度限制Internet数据量急剧增长追求更高的传输容量提高传输速率光时分复用技术系统复杂波分复用光放大器的重要性2.波分复用WDM技术的实用化需要光放大器复用器光接收机1光接收机2光接收机n光发送机1光发送机2光发送机n……λ1λ2λnλ1λ1λ2λnλ1λ2…λn解复用器解复用器复用器中继器中继器中继器λ1λ2λnλ1λ2…λn波分复用系统中的光电中继光接收机光发送机滤波、去噪、恢复、整形；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复用器光放大器光接收机1光接收机2光接收机n光发送机1光发送机2光发送机n……λ1λ2λnλ1λ1λ2λnλ1λ2…λn光纤解复用器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OpticalAmplifiersOA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。DavidPayne5.1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。被放大的光信号输入光信号光放大器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。(2)受激辐射(1)能量注入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：insoutsPPG,,insoutsPPdBG,,10log10)(•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饱和输出功率：放大器增益降至小信号增益一半时的输出功率。3dBPout,sat当PS,IN增大到一定值后，光放大器的增益G开始下降。增益饱和现象。饱和区域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！相对增益0.00.20.40.60.81.0-4-2024归一化失谐G()g()02TAg注入电流输入光信号输出光信号有源区Lz=0z=Lz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。outinnSNRSNRF)()(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光放大器分类半导体光放大器(SOA)掺铒光纤放大器(EDFA)1550nm非线性光纤放大器掺稀土元素光纤放大器布里渊光纤放大器(FBA)拉曼光纤放大器(FRA)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1310nm1550nm波长SOAFRAEDFAPDFA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耦合光设备注入电流（泵浦）有源区传输光纤传输光纤包层纤芯放大后的光信号光输入信号一、工作原理：在电泵浦源的作用下，半导体材料发生粒子数反转，当遇到外来光子激励时，产生受激辐射，对光的能量进行放大。pn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。二、放大波段：1300nm-1600nm三、优点：1、覆盖1310nm和1550nm的窗口范围。2、充分利用激光器技术，工艺成熟，便于集成。四、缺点：1、与光纤耦合困难。2、对光的偏振特性敏感。3、噪声及串扰大。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。Inputsignal1530nm-1570nmAmplifiedoutputsignalPowerlaser(Pump)980nmor1480nmFibercontainingerbiumdopant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。GainAbsorption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掺铒光纤放大器的工作原理三能级系统v.s.二能级系统：980nm1480nm1530-1560nm~1s=11ms4I15/24I13/24I11/201234514501500155016001650Wavelength(nm)Emission/Absorption(dB/m)EmissionAbsorption1480nm1530-1560nm980nm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1530-1560nm5.1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ＥＤＦ（掺铒光纤）信号光光隔离器光隔离器放大的信号光将输入光信号和泵浦光混合在一起送给ＥＤＦ输出一个较短波长的激光为ＥＤＦ提供激励防止反射光影响光放大器的工作稳定性。提供能产生粒子数反转的工作物质，放大光信号。清除放大器的噪声，提高系统的信噪比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信号光耦合器光隔离器掺铒光纤光隔离器光滤波器输出光泵浦光按泵浦方式不同的3种结构：1.同向泵浦掺铒光纤放大器结构（前向泵浦）具有好的噪声特性信号光耦合器光隔离器EDF光隔离器光滤波器输出光泵浦光2.反向泵浦掺铒光纤放大器结构（后向泵浦）信号光耦合器光隔离器EDF光隔离器光滤波器输出光泵浦光泵浦光耦合器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Er3+DopedFiberPumpPumpInputSignalOutputSignalOpticalIsolator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