光放大器的种类和比较

,*,2004-10-26,光放大器,2004.10.26,第八讲,DWDM,工作原理,DWDM,光纤传输系统,O,M,U,X,O,D,M,U,X,OA,光发送,光发送,光发送,，,光接收,光接收,光接收,后置放大,前置放大,内容提要,、光放大器的形式（分类）,、,EDFA,的结构与部件,、,EDFA,的工作原理,、,EDFA,在光纤通信中的应用形式,0.1,序,光放大器的出现，可视为光纤通信发展史上的重要的里程碑。,在光纤放大器出现之前，光纤通信的中继器无一例外的采用,光,/,电,/,光,变换的方式，导致通信系统的复杂化，进而系统效率降低,因此人们一直致力于全光型中继器的研制，出现了很多种光放大器。,放大,整形,判决再生,O/E,E/O,0.1,传统放大技术的缺陷,缺点：,1,、设备复杂。,2,、稳定性可靠性不够。,3,、不利于波分复用。,4,、光电转换限制通信的容量。,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。,发展历程：,80,年代中、后期,SOA,的研究为主；,90,年代,EDFA,获得巨大成功，成为光纤通信系统必不可少的器件。,Erbium-doped fiber amplifier,(EDFA),0.2,放大器的形式,利用,光纤非线性效应,制作的常规光纤放大器，如：喇曼放大器；,利用,半导体,制作的半导体放大器；,利用,稀土掺杂,的光纤放大器,0.3,几种类型放大器的比较,0.4,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,1310nm,1550nm,波长,SOA,FRA,EDFA,PDFA,1.1,常规光纤放大器,所谓常规光纤放大器：用传输光纤制作的放大器，这种光纤放大器是利用,光纤的非线性光学效应,产生增益机制从而对光信号放大。,特点：传输线路和放大线路同为一体,(,都是光纤）,不足：,单位长度的增益系数很低，需要很高的泵浦功率，不利于在高速大容量光纤通信系统中使用。,耦合,器件,激活物质,耦合,器件,泵浦源,光输入,信号,放大光,信号,常规光纤放大器原理图,1.2,半导体光放大器,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。,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。,1.3,稀土掺杂光纤放大器,利用光纤中稀土掺杂物质引起的增益机制实现光放大。,典型代表,:,工作波长为：,1550nm,的铒,Er,掺杂光纤放大器,EDFA,1300nm,的镨,Pr,掺杂光纤放大器,PDFA,1400nm,的铥,T,掺杂光纤放大器,TDFA,1.,已经商用化的是,EDFA,，其大量用于通信系统；,2.PDFA,的放大波段在,1300nm,与,G-652,光纤的零点色散相吻合，在已建立的,1.3um,通信系统中有着巨大的应用市场；但因掺镨光纤的机械强度和与普通光纤熔接困难等因素，目前尚未获得广泛商业应用。,3.,工作在,1.4um,的掺铥光纤放大器（,TDFA,）为传输开辟了新的波长段资源，它和,EDFA,组合可以实现超宽带合波传输。,1.3.1,掺铒光纤放大器原理图,输入信号,耦合器,980/1550nm WDM,泵浦光,掺铒光纤,输出信号,光隔离器,1.3.2 EDFA,EDFA,工作在波长,1550nm,，与光纤的低损耗波段一致，是最具吸引力的和最成熟的光纤放大器。,EDFA,优点：,EDFA,优点,1.,2.,3.,4.,5.,2 EDFA,的结构和部件,一台实用的,EDFA,由光路和辅助电路组成。,光路部分：,掺铒光纤、泵浦光源、合波器、光隔离器、光滤波器等；,辅助电路：,电源、微处理自动控制和告警及保护电路,2.1 EDFA,的泵浦源和泵浦方式,EDFA,的另一核心是泵浦源，它为信号放大提供足够的能量，使物质达到粒子数反转分布的必要条件。,泵浦源直接决定,EDFA,的性能，所以要求泵浦工作必须稳定可靠、寿命长；,2.2 EDFA,的三种结构方式,、同向泵浦方式,合波器,光隔离器,光隔离器,滤波器,泵浦光源,优点：噪声小,缺点：输出光功率不大,EDFA,的三种结构方式,、反向泵浦方式,合波器,光隔离器,光隔离器,光滤波器,泵浦光源,优点：输出光功率大,缺点：噪声大,合波器,光隔离器,光滤波器,泵浦光源,3,、双向泵浦方式,泵浦光源,EDFA,的三种结构方式,光隔离器,3 EDFA,工作原理,在泵浦光的照射下，掺铒光纤处于粒子数反转的状态，接收到光子后产生受激辐射，实现了对光的放大。,4 EDFA,在光纤通信中的应用形式,EDFA,主要有三种应用方式：,发射机末级光功率放大；,线路（在线）放大器；,接收机预放。,4.1,发射机末级光功率放大器,可直接接在激光二极管后，将信号放大到,10dBm,上，而不恶化信号。,图示：,4.2,系统线路放大器,直接接入光传输链路线路中，作为在线放大器，或光中继器取代,光,-,电,-,光,中继器，实现,光,-,光,放大。,结构如图示,这种,线路放大器,是全光通信系统和全光网络的关键器件，也是长距离和,CATV,光纤网的关键器件。,4.3,系统接收机预放,如果用光滤波器，,EDFA,的低噪声将极大改善直接检测式接收机灵敏度，可改善约,10dB,，接近或超过相干光接收机的最好水平。,EDFA,FRA,SOA,美国,CIBC,worrld,market,公司对,2004,年光放大器市场预测,96,亿美圆,7.5,亿美圆,2,亿,美圆,要点,、光放大器的分类,半导体放大器,光纤放大器,非线性光放大器,EDFA,要点,、,EDFA,的结构与分类,泵浦光源,掺铒光纤,光隔离器,波分复用器,光滤波器,同向泵浦结构,反向泵浦结构,双向泵浦结构,要点,、,EDFA,的工作原理,在泵浦光的照射下，掺铒光纤处于粒子数反转的状态，接收到光子后产生受激辐射，实现了对光的放大。,要点,、,EDFA,的性能指标,功率增益,输出饱和功率,噪声系数,要点,、,EDFA,在光纤通信中的应用,前置放大器,功率放大器,中继器,作业,、光放大器的种类，画出各自的工作波段,、,EDFA,的结构及功能,、简述,EDFA,的工作原理，并从量子学的角度解释,、,EDFA,的几种应用形式,2.0 EDFA,的基本结构及功能,合波器,光滤波器,泵浦,光源,（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,输出一个较短波长的激,光为提供激励,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,利用光泵浦源对光纤进行激发，使光纤中产 生非线性效应（拉曼散射），将泵浦光的能量向信号光转移，从而实现光的放大。,2.1,拉曼放大器,一、,工作原理,：,拉曼散射,：,介质在强光功率下产生对入射光的非弹性散射，使得短波长光的能量向长波长转移。,二、放大波段,1270nm-1670nm,三、优点,1,、输出光功率 大，工作稳定,2,、噪声特性好，耦合容易,四、缺点,光纤长度过大，于偏振态有关,