第10章光放大器.ppt

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1、第十章 光放大器,王立 湖南文理学院电气工程系,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 (Erbium Doped Fiber Amplifier, EDFA) 代表的全光放大技术是光纤通信技 术上的一次革命,动机：解决电中继器设备复杂、维护难、成本高的问题,David Payne,光放大器的类型及其特点,(1)半导体放大器：易与其他半导体器件集成，但性能与光偏振方向有关，器 件与光纤的耦合损耗大。结构大体上与激光二极管 (Laser Diode, LD) 相同,（2）光纤喇曼放大

2、器（FAR）它是利用石英光纤的非线性效应而制成。在合适波长的强光作用下，石英光纤会出现受激喇曼散射（SRS）效应，当光信号沿着这受激发的一段光纤中传输时，可以使其实现光放大。FRA具有频带宽、增益高、输出功率大、响应快等优点；其缺点是需要大功率的半导体激光器作泵浦源（约数瓦）。,铒（Er）是一种稀土元素。将它注入到纤芯中，即形成了一种特殊光纤，它在泵浦光的作用下可直接对某一波长的光信号进行放大。 EDFA的主要优点有： 工作波长处在15301560nm范围，与光纤最小损耗窗口一致； 对掺铒光纤进行激励的泵浦功率低，仅需几十毫瓦； 连接损耗低，耦合效率高。因为它是光纤型放大器，因此易于与光纤耦合

3、连接，且连接损耗可低至0.1dB。 增益高且特性稳定、噪声低、输出功率大。增益可达40dB，且在100内增益特性保持稳定，也与偏振无关。噪声系数可低至34dB，输出功率可达1420dBm； 对各种类型、速率与格式的信号传输透明。,（3）掺铒光纤放大器（EDFA）,EDFA的缺点有： 波长固定，只能放大1550nm左右的光波，可调节的波长有限； 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。,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,掺铒光纤放大器,工作原理 结构 功率转换效率及增益 放大器噪声 系统的应用,

4、掺铒光纤放大器的工作原理 1. 掺铒光纤放大器（EDFA）的基本结构 掺铒光纤放大器主要由掺铒光纤（EDF）、泵浦光源、光耦合器、光隔离器以及光滤波器等组成。如图6.1所示。,图6.1 掺铒光纤放大器结构示意图,光隔离器是防止反射光影响光放大器稳定工作，保证光信号只能正向传输的器件。 光滤波器的作用是滤除光放大器的噪声、降低噪声对系统的影响,提高系统的信噪比.,光耦合器是将输入光信号和泵浦光源输出的光波混合起来的无源光器件，一般采用波分复用器。 掺铒光纤是一段长度大约为10100m的石英光纤，将稀土元素铒离子注入到纤芯中，浓度约为25/。,泵浦光源为半导体激光器，输出的光功率为10100mW，

5、工作波长约为980nm或1480nm。按照泵浦光源的泵浦方式不同，EDFA又可有三种不同的结构方式:,（1）同向泵浦结构 在同向泵浦方案中，泵浦光与信号光从同一端注入掺铒光纤。其优点是构成简单，噪声指数较小;缺点是输出较低。,（2）反向泵浦结构 在反向泵浦方案中，泵浦光与信号光从不同的方向输入掺铒光纤，两者在掺铒光纤中反向传输。其优点是：当光信号放大到很强时，泵浦光也强，不易达到饱和，输出功率比同向泵浦高;缺点是噪声性能差，如6.2图所示。,图6.2 反向泵浦式掺铒光纤放大器结构,（3）双向泵浦结构 在双向泵浦方案中，有两个泵浦光源，其中一个泵浦光与信号光以同一方向注入掺铒光纤，另一个泵浦光从

6、相反方向注入掺铒光纤。这种方式结合了同向泵浦和反向泵浦的优点，使泵浦光在光纤中均匀分布，从而使其增益在光纤中均匀分布，输出功率最大.如图6.3所示。,图6.3 双向泵浦式掺铒光纤放大器结构,(a)转换效率的比较 (b)噪声系数与放大器输出功率的关系 (c)噪声系数与掺铒光纤长度之间的关系 不同泵浦方式下输出功率及噪声特性比较,2. 掺铒光纤放大器的工作原理 掺铒光纤放大器的工作原理与半导体激光器的工作原理相同，它之所以能放大光信号，简单地说，是在泵浦源的作用下，在掺铒光纤中出现了粒子数反转分布，产生了受激辐射，从而使光信号得到放大。由于EDFA具有细长的纤形结构,使得有源区的能量密度很高,光和

7、物质的作用区很长,这样可以降低对泵浦源功率的要求。,掺铒光纤放大器的工作原理,EDFA：Eribium Doped Optical-Fiber Amplifier 在掺铒光纤（EDF）中，铒离子有三个能级：基态E1、亚稳态E2和激发态E3。当泵浦光的光子能级等于E3和E1的能量差时，铒离子吸收泵浦光的光能从基态跃迁到激发态，但激发态不稳定，电子很快返回到E2，若输入的信号光的光子能量等于E2和E1之间能量差，则电子从E2跃迁到E1，产生受激辐射光，故光信号被放大。,在掺铒光纤中如何形成离子数翻转,EDFA模块元件 40/32/16通道DWDM用C-Band EDFA 实物图 980nm 泵浦激

8、光器组件,3 掺铒光纤放大器的特性 1) 功率增益 功率增益反映掺铒光纤放大器的放大能力，定义为输出信号光功率Pout与输入信号光功率Pin之比，一般以分贝（dB）来表示。 （3-24）,功率增益的大小与铒离子浓度、掺铒光纤长度和泵浦功率有关。如图6.4所示。(饱和增益和最佳光纤长度),图6.4 掺铒光纤放大器增益与泵浦功率、光纤长度的关系,图7.9 掺铒离子硅光纤的g-曲线,2) 噪声特性 掺铒光纤放大器的噪声主要来自它的自发辐射。在激光器中，自发辐射是产生激光振荡所不可缺少的，而在放大器中它却成了有害噪声的来源。,它与被放大的信号在光纤中一起传播、放大、在检测器中检测时便得到下列几种形式的

9、噪声： 自发辐射的散弹噪声； 自发辐射的不同频率光波间的差拍噪声； 信号光与自发辐射光间的差拍噪声； 信号光的散弹噪声。 由于本身产生的噪声，使放大后信号的信噪比下降，造成对传输距离的限制，因而是放大器的一项重要指标。,衡量掺铒光纤放大器噪声特性可用噪声系数F来表示，它定义为放大器的输入信噪比与输出信噪比之比。 (SNR)in和(SNR)out分别代表输入和输出信噪比，一般噪声系数越小越好。,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),

10、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 1600 nm波长范围提供平坦增益，使各个信道保持相近的信噪比,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,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,SOA的主要特性 (1) 它们与偏振有关， 因此需要保偏光纤。 (2)

11、它们具有可靠的高增益(20 dB)。 (3) 它们的输出饱和功率范围是510 dBm。 (4) 它们具有大的带宽。 (5) 它们工作在0.85 m， 1.30 m和1.55 m波长范围。 (6) 它们是小型化的半导体器件， 易于和其他器件集成。 (7) 几个SOA可以集成为一个阵列。 但是， 由于非线性现象(四波混频)， SOA的噪声指数高， 串扰电平高。,SOA的性能与应用 SOA的应用主要集中在以下几个方面。 1. 光信号放大器 因为在世界范围内已铺设了大量的常规单模光纤， 还有很多系统工作在1.31 m波段， 并需要周期性的在线放大器， 而工作波长为1.31m的EDFA目前尚未达到实用化

12、的水平， 所以仍然需要SOA。,2. 光电集成器件 半导体放大器可与光纤放大器相抗衡的优点是体积小、 成本低以及可集成性, 即可以集成在含有很多其它光电子器件(例如激光器和检测器)的基片上。,3. 光开关 除了能提供增益外， 半导体放大器在光交换系统中可以作为高速开关元件使用。 因为半导体在有泵浦时可以产生放大， 而在没有泵浦时产生吸收。 其运转很简单， 当提供电流泵浦时信号通过， 而需要信号阻断时将泵浦源断开。 通过的信号因半导体中载流子数反转而得到放大， 而受阻的信号则因半导体没有达到载流子反转数而被吸收。 值得注意的是， 只有半导体放大器才能够完成高速交换， 在光纤放大器中由于载流子寿命

13、太长而难以做到这一点。,4. 全光波长变换器AOWC SOA的一个主要应用是利用SOA中发生的交叉增益调制、 交叉相位调制和四波混频效应来实现波长转换。,图5.14 SOA-XGM的基本结构和原理 (a) 基本结构； (b) 原理,优点：可以对40 Gb/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,MZI型SOA-XPM型AOWC,优点：可以对80 Gb/s的信号进行波长转变换 对信号的偏振不敏感 缺点：只能对单一波长进行波长转换,SOA-FWM型AOWC,优点：真正的全光波长转换 缺点：随着转换波长范围的扩大，转换 效率迅速降低,