光放大器与光中继器课件

第,6,章,光放大器和光中继器,全光通信网,第六章光放大器和光中继器,全光通信网 第六章光放大器和光中继器,EDFA实物图,EDFA是英文“Erbium-doped Optical Fiber Amplifier”的缩写,意即掺铒光纤放大器,是一种对信号光放大的一种有源光器件。,摘自百度图片,EDFA,（掺铒光纤放大器）,EDFA实物图摘自百度图片EDFA（掺铒光纤放大器）,由前叙光纤的传输特性可知，影响光纤通信距离的两大因素是光纤的损耗和色散。,光纤的损耗是指：,光脉冲信号在光纤中传输，随着距离的增加，脉冲幅度逐渐变小。,光纤的色散是指：,光脉冲信号在光纤中传输，随着传输距离的增加，脉冲宽度在时间上发生展宽，产生波形的畸变。,为了保证光纤长距离传输的性能指标，就需在线路的适当距离设立中继站，一种是光,/,电,/,光转换形式,另一种是直接对光进行放大的光放大器,.,由前叙光纤的传输特性可知，影响光纤通信距离,光放大器意义,我们知道光纤有一定的衰耗，光信号沿光纤传播将会衰减，传输距离受衰减的制约。因此，为了使信号传得更远，我们必须增强光信号。,传统的增强光信号的方法是使用再生器,。,但是，这种方法存在许多缺点，首先，再生器只能工作在确定的信号比特率和信号格式下，不同的比特率和信号格式需要不同的再生器；其次，每一个信道需要一个再生器，网络的成本很高。随着光通信技术的发展，现在人们已经有了一种不采用再生器也可以增强光信号的方法，即光放大技术。,光放大器意义 我们知道光纤有一定,有了光放大器后就可直接实现光信号放大，,而不要像以前一样进行/转换。,光放大器的开发成功及其产业化是光纤通信技术中的光放大器一个非常重要的成果，它大大地促进了,光复用技术、光孤子通信以及全光网络的发展。,有了光放大器后就可直接实现光信号放,光放大器主要有2种：,1.,半导体放大器（SOA）,谐振式,行波式,2.,光纤放大器,掺稀土元素光纤放大器,（如EDFA、PDFA）,非线性光学放大器,布里渊（SBA）光纤放大器,取自 豆丁网,6-1光放大器的分类,光放大器主要有2种：取自 豆丁网6-1光放大器的分类,一、半导体光放大器(SOA:Semiconductor Optical Amplifier),它是由半导体材料制成，可看成是没有反馈的半导体行波放大器。,二、掺铒光纤放大器,1、掺铒光纤放大器,（EDFA:Erbium-Doped Fiber Amplifier），Er（铒）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。因此，称为掺铒光纤放大器。,一、半导体光放大器(SOA:Semiconductor O,2、的优点,工作波长与单模光纤的最小衰减窗口一致，,工作波长在1.531.56m范围，与光纤最小损耗窗口一致。,耦合效率高,。由于是光纤放大器，易与传输光纤耦合连接。,3),能量转换效率高,。掺铒光纤EDF的纤芯比传输光纤小，信号光和泵浦光同时在掺铒光纤EDF 中传播，光能量非常集中。这使得光与增益介质Er离子的作用非常充分，加之适当长度的掺铒光纤，因而光能量的转换效率高。,激励的泵浦功率低，仅需几十mW。,4),增益高、噪声指数较低、输出功率大，信道间串扰很低,。,它的增益可达40dB。噪声可低至34 dB，输出功率可达1420 dBm。,2、的优点工作波长与单模光纤的最小衰减窗口一致，工作,5),增益特性稳定,：EDFA对温度不敏感，增益与偏振相关性小。,6)可实现透明传输：所谓透明，是指可同时传输模拟和数字信号，高、低比特率信号，系统扩容时，可改动端机面不改动线路。,7）连接损耗低，因为是光纤型放大器，所以与光纤连续比较容易，连接损耗可低到0.1dB。,5)增益特性稳定：EDFA对温度不敏感，增益与偏振相关性小,3、的缺点,增益波长范围固定,：Er离子的能级之间的能级差决定了EDFA的工作波长范围是固定的，只能在1550nm窗口。这也是掺稀土离子光纤放大器的局限性，又例如，掺镨光纤放大器只能工作在1310nm窗口,。,2),增益带宽不平坦,：EDFA的增益带宽很宽，但EFDA本身的增益谱不平坦。在WDM系统中应用时必须采取特殊的技术使其增益平坦。,3),光浪涌问题,：采用EDFA可使输入光功率迅速增大，但由于EDFA的动态增益变化较慢，在输入信号能量跳变的瞬间，将产生光浪涌，即输出光功率出现尖峰，尤其是当EDFA级联时，光浪涌现象更为明显。峰值光功率可以达到几瓦，有可能造成O/E变换器和光连接器端面的损坏,3、的缺点增益波长范围固定：Er离子的能级之间的能级,6,-,2 EDFA的结构,一、构成,EDFA主要由掺铒光纤（EDF），泵浦光源，光耦合器，光隔离器以及光波滤波器组成（如图6.1）。,6-2 EDFA的结构,EDFA结构图,1、掺铒光纤(EDF),2.光耦合器(WDM),3.光隔离器(ISO),4.光滤波器(Optical Filter),5.泵浦源(PumPing Supply),摘自百度图片,EDFA结构图1、掺铒光纤(EDF)摘自百度图片,1480,或,980 nm,激勵光源,摻鉺光纖,WDM,光纖耦合器,光帶通,濾波器,光隔離器,輸入光,輸出光,1480或980 nm摻鉺光纖WDM光帶通光隔離器輸出光,二、作用,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，它是无源光器件，一般采用波分复用器（WDM）,光隔离器：,是防止反射光影响光放大器的工作稳定性，保证光信号只能正向传输的器件。,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25mg/kg。,泵浦光源：,为半导体激光器，输出功率约为10100mw（几十mw），工作波长为0.98m。,光滤波器：,其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。,由图6.1可见，EDFA的主体部件是,泵浦光源,和,掺铒光纤,。,二、作用,掺铒光纤(EDF)（一）,EDF 是放大器的主体，纤芯中掺有铒元素（Er）。掺有Er3+的石英光纤具有激光增益特性，铒光纤的光谱性质主要由,铒离子,和,光纤基质,决定，铒离子起主导作用，掺Er3+浓度及在纤芯中的分布等对EDFA 的特性有很大影响。,为了在放大带宽内的增益平坦,，在EDF 中掺入适量的铝元素，使铒离子在EDF 中分布更均匀，从而获得平坦的宽带增益谱。,掺铒光纤(EDF)（一）,掺铒光纤(EDF)（二）,三能级系统：,：,泵浦光,980 nm,跃迁,亚稳态,信号光,1550 nm,受激放大光,1550 nm,基态,基态,激发态,掺铒光纤(EDF)（二）三能级系统：泵浦光,光耦合器(WDM),光耦合器有合波信号光与泵浦光的作用，也称光合波器和波分复用器。是EDFA必不可少的组成部分，它将绝大多数的信号光与泵浦光合路于EDF 中。主要有两种形式：980nm/1550nm 或1480nm/1550nm，一般为光纤熔锥型。要求在上述波长附近插入损耗都小，耦合效率高，耦合频带具有一定的宽度且耦合效率平坦，对偏振不敏感稳定性好！,光耦合器(WDM)光耦合器有合波信,光隔离器(ISO),光隔离器是一种单向光传输器件，,对EDFA 工作稳定性至关重要,。通常光反射会干扰器件的正常输出，产生诸如强度涨落、频率漂移和噪声增加等不利影响。提高EDFA 稳定性的最有效的方法是进行光隔离。,在输入端,加光隔离器消除因放大的自发辐射反向传播可能引起的干扰，,输出端,保护器件免受来自下段可能的逆向反射。同时输入和输出端插入光隔离器也为了防止连接点上反射引起激光振荡，抑制光路中的反射光返回光源侧，从而既保护了光源又使系统工作稳定。要求隔离度在40dB 以上，插入损耗低，与偏振无关。,输出端,输入端,图片,EDFA,原理及特性专题,光隔离器(ISO)光隔离器是一种单向,光滤波器(Optical Filter),光滤波器消除被放大的自发辐射光以降低放大器的噪声，提高系统的信噪比（SNR）。一般多采用多层介质膜型带通滤波器，要求通带窄，在1nm 以下。目前应用的光滤波器的带宽为13nm。此外，滤波器的中心波长应与信号光波长一致，并且插入损耗要小。,图片,EDFA,原理及特性专题,光滤波器(Optical Filter),泵浦源(PumPing Supply),11*,泵浦源为信号放大提供能量，即实现粒子数反转分布。,根据掺铒光纤(EDF)的吸收光谱特性，可以采用不同波长的激光器作为泵源，如：Ar2+激光器（514,nm）、,倍频YAG（532,nm）、染料激光（665nm）及半导体激光器（807nm、980nm、,1480,nm）。但由于在807 nm 及小于807 nm 波长处存在强烈的激发态吸收,（ESA），泵浦效率较低。若用665,nm、514nm 的染料和Ar+激光器泵浦得到25dB,以上的增益，需要的入纤泵浦功率大于100,mw，且Ar+激光器体积大难以实用化。,目前980,nm 和1480 nm 的LD 已商品化，,不存在激发态吸收，泵浦效率较高，,所以一般采用980nm 和1480nm 的,半导体激光器作泵源。,图片,EDFA,原理及特性专题,泵浦源(PumPing Supply)11*泵浦源为信号放,三、按泵浦光源的泵浦方式不同，EDFA分三种结构,1同向泵浦结构,输入光信号与泵浦光源输出的光波，以同一方向注入掺铒光纤（如图6.1）。,2反向泵浦结构,输入光信号与泵浦光源输出的光波，从相反方向注入掺铒光纤（如图6.2）。,三、按泵浦光源的泵浦方式不同，EDFA分三种结构,3双向泵浦结构,同时具备1和2的泵浦光源（如图6.3）。,从输出功率看：单泵浦的输出功率可达14 dBm，双泵浦达17 dBm。,3双向泵浦结构,6-3 EDFA的工作原理,在3-2节，我们讨论了半导体激光器的工作原理，它是在泵浦源（能使工作物质产生粒子数反转分布的外界激励源）的作用下，使工作物质的粒子处于反转分布状态，具有了光放大作用，对于EDFA，其基本原理相同。,简言之，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，,光与物质的作用区很长,，这样，可以降低对泵浦源功率的要求。,6-3 EDFA的工作原理,由图,6.4,可见，铒离子有三个工作能级。,E1,：最低，称为基态,E2,：亚稳定,E3,：最高，称为激发态,在未受任何光的情况下，处在最低能级,E1,上，当用泵浦光源的激光不断地激发掺铒光纤时，处于基态的离子获得了能量，就会向高能级跃迁。,由图6.4可见，铒离子有三个工作能级。,基態,E,1,E,2,E,3,e,-,非輻射衰減,受,激,輻射,激勵光,受,激,吸收,激發態,能量,輸出放大光,(1530-1570 nm),980 nm,1460 nm,(,sp,1,s),亞穩態,(,sp,10ms),1540 nm,自發,輻,射,基態E1E2E3e-非輻射衰減受激勵光受激發態能量輸出放大光,如果由,E,1,跃迁,E,3,到。由于粒子在,E,3,这个高能级上是不稳定，它将迅速以无辐射过程落到亚稳态上,E,2,，在该能级上，粒子相对来讲有较长的存活寿命，由于泵浦光源不断地激发，则,E,2,能级上的粒子就不断地增加，而,E1,上的粒子数就少，这样，在这段掺铒光纤中，就实现了离子数反转分布，就存在了实现光放大的条件。,当输入光信号的光子能量,E,hf,，正好等于（,E,2,E,1,）能级差时，则亚稳态,E,2,上的粒子将以受激辐射的形式跃迁到基态,E,1,上，并辐射出和输入光信号中的光子一样的全同光子。从而大大增加了光子数量，使得输入信号光在掺铒光纤（,EDF,）中变为一个强的输出光信号，实现了光的直接放大。,如果由E1跃迁E3到。由于粒子在E3这个高,在,E,2,上，离子除了发生受激辐射外，还有少数离子要产生自发辐射，即在上短暂停留还没有机会与光子相互作用，就会