哈工大-光纤网络-光放大器.pdf

哈尔滨工程大学一光纤网络一王锋光放大器1年出滨工程承一光纤网络三锋光放大器概述 光放大器在现代光纤通信系统中的应用光纤通信中用光纤来传输光信号。光纤的中继距离受限于光纤的损耗和色 散。光放大器的发展最早可追溯到1923年A斯梅卡尔预示的自发喇曼散射。1928年印度加尔各答大学的喇曼观测到自发喇曼效应。2年出滨工程承一光纤网络三锋以1989年诞生的掺锂光纤放大器(Erbium Doped Fiber Amplifier,EDFA)代表的光放大器技术可以说是光纤通信 技术上的一次革命。光放大器在光纤通信系统目前最重要的应用就是促使了波分复用技术(Wavelength Division Multiplexing,WDM)走向实用化。光放大器还将促进光孤子通信技术的实用化。3哈尔滨工程大学一光纤网络一王锋光放大器的分类光放大器按原理不同大体上有三种类型。(1)掺杂光纤放大器，就是利用稀土金属离 子作为激光工作物质的一种放大器。(2)传输光纤放大器，其中有受激喇曼散射 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)的光放大器等。半导体激光放大器。4哈尔滨工程大学一光纤网络一王锋光放大器的应用在线放大(in-line ampli,er)(a)5年出滨工程承一光纤网络三锋前置放大(pre-amplifier)光纤链路光发射 机光接收 机光放大器6年出滨工程承一光纤网络三锋功率放大(powerboaster)光纤链路光放大器7哈尔滨工程大学一光纤网络一王锋掺银光纤放大器8年出滨工程承一光纤网络三锋哈尔滨工程大学一光纤网络一王锋饵(Er)是一种稀土元素(属于铜系元素)，原子序数离子在亚稳态上粒子的平均寿命时间达到10ms;离子在泵浦态上的平均寿命为1 Fis o掺饵光纤的光放大原理1112哈尔滨工程大学一光纤网络一王锋哈尔滨工程大学一光纤网络一王掺锂光纤放大器掺银光纤放大器是目前性能最完美，技术最 成熟，应用最广泛的光放大器。14W缸 哈尔滨工程大学一光纤网络一王锋_g在EDFA诞生以前，已经有利用光纤中非线 性效应研制出的光放大器和利用半导体技术研 制出的半导体光放大器(SOA)o到20世纪80 年代中期，这几项技术已经比较成熟。但是，由于自身的一些缺陷，它们在光纤通信中的应 用 并不令人满意。1987年，掺饵光纤放大器的研究取得突破行进展，英国南安普顿大学和美国AT&T Bell实验室报道了离子态的稀土元素饵在光纤中可提供L55pm通信波长处的光增益，引起人们的极大兴趣。15哈尔滨工程大学一光纤网络一王锋在短短的几年时间里，EDFA的研究工作硕果累累，并迅速实用化。与其他类型的光放大器相比，EDFA具有高增益、低噪声，对偏振不敏感等优点，能放大不同速率和调制方式的信号，并具有几十纳 米的放大带宽。正是由于其近于完美的特性 和半导体泵浦源的使用，EDFA给1.55禹11窗口 的光纤通信带来了一场革命。16这种结构噪声特性较好17这种结构具有较高的输出信号功率,但噪声特性较差18这种结构具有的输出信号功率最高，噪 声特性也不差19哈尔滨工程大学一光纤网络一王锋滤波器特性放大器增益波长波长波长均衡滤波器逐饵小纤EDFA中的均衡滤波器柞用.21点盘哈尔滨工程大学一光纤网络一王锋_玲EDFA在系统中的居留由于EDFA具有插入损耗小，大带宽，增益与偏振态武官，低噪声，低串扰等优点,已在光纤通信系统中获得广泛的应用。EDFA的噪声系数很低，可以接近3dB的理论极限，所以很适合用作接收端的前置放大器，从而大大提高接收机的灵敏度。利 用两个EDFA分别作为发射端的功率放大器 和接受端的前置放大器，使1.8Gb/s的信号 沿光纤传输了 250km。22年出滨工程承一光纤网络三锋在光纤通信系统中，EDFA最重要的一个应 用就是作为在线放大器以提高系统的传输距离。在一个实验中，采用12个EDFA,使L2Gb/s的信号传输了904km；在另一个相干光传输实验 中，采用了25个间隔为80km的EDFA,提供了大 于440dB的总增益，使2.5Gb/s的光信号沿色散位 移光纤传输了2223km,系统的BL高达5.5(Tb/s)km,在1996年投入使用的跨洋光缆 系统(TPC-5)中，采用大量的ED必 一23热哈尔滨工程大学-光纤网络-王锋在EDFA用做在线放大器后，系统的传输距离是受限于光纤的色散而不是损耗，在这种情况下，为了进一步延长传输距离，可以采用周期性加入EDFA的色散位移光纤孤子传输方式，EDFA以成为孤子传输系统中 基本上不可缺少的器件。24年出滨工程承一光纤网络三锋在局域网络光纤系统中，EDFA也发挥着 重要作用。在这类系统中，为了实现信息的交 换和分配，通常采用很多星型耦合器，这样在 接收机上的功率就会很弱，限制了系统的性 能。如果在光路中使用EDFA,系统的性能会 大为改善，在一个采用几个星型耦合器和几个 EDFA相结合的LAN实验中，实现了几乎无损 耗的分配网。25年出滨工程承一光纤网络三锋掺饵光纤放大器的优缺点优点:(1)工作波长与光纤最小损耗窗口一致，可在光纤通信中获得广泛应用。(2)耦合效率高。因为是光纤型放大器，易于光纤耦合连接，也可用熔接技术与传输光 纤熔接在一起，损耗可降至O.ldB,这样的熔接反射损耗也很小，不易自激。26热哈尔滨工程大学-光纤网络-王锋(3)能量转换效率高。激光工作物质集 中在光纤芯子，且集中在光纤芯子中的近 轴部分，而信号光和泵浦光也是在近轴部 分最强，这使得光与物质作用很充分。(4)增益高，噪声低。输出功率大，增 益可达40dB,输出功率在单向泵浦时可达 14dBin,双向泵浦时可达17dBm,甚至可 达20dBm,充分泵浦时，噪声系数可低至 34dB,串话也很小。51aB27年出滨工程承一光纤网络三锋增益特性不敏感。首先是EDFA增益对温度不敏感，在100 C内增益特性保持稳定，另外，增益也与偏振无关。(6)可实现信号的透明传输，即在波分 复用系统中可同时传输模拟信号和数字信号，高速率信号和低速率信号，系统扩容时，可只改动端机而不改动线路。28哈尔滨工程大学一光纤网络一王锋EDFA也有有的缺点:(1)波长定，只能放大L55jim左右的光波，换用不同基质的光纤时，锂离子 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；(2)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。29哈尔滨工程大学一光纤网络一王锋掺错光纤放大器增益和噪声与波长的关系热哈尔滨工程大学-光纤网络-王锋光纤喇曼放大器受激喇曼散射主要性质包括：在玻璃介质中参与喇曼散射的是光学声子;在所有类型的光纤中都会发生；响应时间很短，为瞬态效应；增益具有偏振依赖性；增益谱很宽，但不平坦。31热哈尔滨工程大学-光纤网络-王锋光纤喇曼放大器可分为两类：A分立式喇曼放大器(Raman Amplifier,RA)A分布式喇曼放大器(Distributed Raman Amplifier,DRA)主要用于EDFA无法放大的波段32哈尔滨工程大学一光纤网络一王锋光纤喇曼放大器的优缺点FRA具有以下优点。(1)增益波长由泵浦光波长决定，只要泵 浦源的波长适当，理论上可以得到任意 波长的信号放大，这样的FRA就可扩展 到EDFA不能使用的波段，为波分复用进 一步增加容量拓宽了空间。33热哈尔滨工程大学-光纤网络-王锋(2)增益介质可以为传输光纤本身，如此实 现的FRA称为分布式放大，因为放大是沿光纤集中作用而不是集中作用，光纤中各处的信号光功率都比较小，从而可降低各种光纤非线性效应的影响。噪声指数低，可提升原系统的信噪比。34年出滨工程承一光纤网络三锋(4)喇曼增益谱比较宽，在普通DSF上单波长泵浦可实现4011m范围的有效增益;如果采用多个泵浦源，则可容易地实现宽带放大。(5)FRA的饱和功率比较高，增益谱调节方式可通过优化配置泵浦光波长和强度来实现。(6)明曼放大的作用时间为飞秒(1015)级，可实现超短脉冲的放大。35哈尔滨工程大学一光纤网络一王锋FRA主要有以下缺点。喇曼光纤放大器所需要的泵浦光功 率高。作用距离太长，增益系数偏低。对偏振敏感。36哈尔滨工程大学一光纤网络一王锋光纤布里渊放大物体内部会持续产生微弱的声波，这种声波的频率很高（一般在109Hz左右），人 耳是听不见的，它对通过物质的光波会产 生作用。根据光波的多普勒效应，推导出 布里渊散射公式：匕=5。2vn.0射=v0 sin-c 237热 哈尔滨工程大学-光纤网络-王锋半导体光放大器半导体光放大器(SOA)是采用与通 信用激光器相类似的工艺制作而成的一 种行波放大器，当偏置电流低于振荡阈 值时，激光二极管就能对输入相干光实 现光放大作用。38哈尔滨工程大学一光纤网络一王锋(a)法布里-珀罗放大器