《光纤通信》_第5讲_光放大器.ppt

,*,*,第五讲,光放大器,主要内容,一、引言,二、,光纤放大器的分类,三、,掺铒光纤放大器,四、,拉曼光纤放大器简介,3/3/2026,2,一、引言,目前研制的光放大器分为,:,光纤放大器（,OFA,）,和,半导体光放大器（,SOA,）,两大类。,SOA,早期因受噪声、偏振相关性等因素的影响，性能达不到实用要求，但,SOA,结构简单、适于批量生产、成本低、寿命长、功耗小，还能与其它部件一块集成以及使用波长范围可望覆盖,EDFA,和,PDFA,的应用窗口。因此，,SOA,是进一步研究的重要器件之一,。,3/3/2026,3,光纤放大器,（,Optical Fiber Ampler,，,简写,OFA,）,是指运用于光纤通信线路中，实现信号放大的一种新型,全光放大器,。,根据它在光纤线路中的位置和作用，一般分为,:,中继放大,、,前置放大,和,功率放大,三种。,同传统的半导体激光放大器（,SOA,）,相比较，,OFA,不需要经过光电,-,电光转换,和信号再生等复杂过程，可直接对信号进行全光放大，具有很好的“,透明性,”，特别适用于长途光通信的中继放大。可以说，,OFA,为实现全光通信奠定了一项技术基础,3/3/2026,4,传统再生中继器,:,光,-,电,-,光,转换,全光放大器,:,光,-,光,中继,实现光纤通信全光化,3/3/2026,5,传统再生中继器,:,光,-,电,-,光,转换,全光放大器,:,光,-,光,中继,实现光纤通信全光化,比较：,再生器 色散总清 单通路 调制比特率特定,光放大器 色散积累 多通路 调制比特率通透,优点：减少信号多次变换的失真 提高系统的可靠性和稳定性,3/3/2026,6,二、光纤放大器的分类,根据放大机制不同，,OFA,可分为两大类。,1,掺稀土,OFA,制作光纤时，采用特殊工艺，在光纤芯层沉积中,掺入,极小浓度的稀土元素，如铒、镨或铷等离子，可制作出相应的掺铒、掺镨或掺铷光纤。,光纤中掺杂离子在受到泵浦光激励后跃迁到亚稳定的高激发态，在信号光诱导下，产生受激辐射，形成对信号光的相干放大,。这种,OFA,实质上是一种特殊的激光器，它的工作腔是,一段掺稀土粒子光纤,，泵浦光源一般采用半导体激光器。,3/3/2026,7,当前光纤通信系统工作在两个低损耗窗口：,1.55m,波段和,1.31m,波段。,选择不同的掺杂元素，可使放大器工作在不同窗口。,（,1,）掺铒光纤放大器（,EDFA,）,EDFA,工作在,1.55m,窗口，该窗口光纤损耗系数低（仅,0.2dB,km,）。,已商用的,EDFA,噪声低，增益曲线好，放大器带宽大，与波分复用（,WDM,）,系统兼容，泵浦效率高，工作性能稳定，技术成熟，在现代长途高速光通信系统中备受青睐。,目前,，“掺铒光纤放大器（,EDFA,）,+,密集波分复用（,WDM,）,+,非零色散光纤（,NZDF,）,+,光子集成（,PIC,）”,正成为国际上长途高速光纤通信线路的主要技术方向。,3/3/2026,8,（,2,）掺镨光纤放大器（,PDFA,）,PDFA,工作在,1.31m,波段，已敷设的光纤,90,都工作在这一窗口。,PDFA,对,现有,光通信线路的升级和扩容有重要的意义。目前已经研制出低噪声、高增益的,PDFA,，,但是它的泵浦效率不高，工作性能不稳定，增益对温度敏感，离实用还有一段距离。,3/3/2026,9,2,非线性,OFA,非线性,OFA,是利用光纤的,非线性效应,实现对信号光放大的一种激光放大器。,当光纤中光功率密度达到一定阈值时，将产生受激拉曼散射（,SRS,）,或受激布里渊散射（,SBS,），,形成对信号光的相干放大。,非线性,OFA,可相应分为,拉曼光纤放大器,（,SRA,）,和,布里渊光纤放大器,（,BRA,）。,目前研制出的,SRA,尚未商用化。,3/3/2026,10,三、掺铒光纤放大器,概况,掺铒光纤放大器,（,EDFA,）,是,80,年代后期发展起来的新型光纤通信产品。它,的研制成功，,打破了光纤通信传输距离受光纤损耗的限制,，使全光通信距离延长至几千公里，给光纤通信带来了革命性的变化，被誉为光纤通信发展的一个,“,里程碑,”,。,掺铒光纤放大器的工作光谱波段为,1530nm,至,1560nm,，,与光纤通信的,1550nm,这个窗口完全匹配。,掺铒光纤放大器可以对光信号进行直接光放大，具有增益高、输出功率大、噪声低、响应速度快。对信号的编码格式没有要求等优点，因此在光纤传输系统中有广泛的用途。,3/3/2026,11,它可以用作光 的功率放大器、中继放大器和前置放大器，可以用于数字的和模拟的光纤通信系统，,CATV,系统和光纤传输网络。,由于掺铒光纤放大器的出现，,使无中继的光纤传输距离大大延长，使密集波分复用成为可能，使复杂的光纤网络的构造成为可行,，也使光弧子技术 等先进光纤通信技术取得突破性进展。,注：,铒,(Er),是一种稀土元素,(,属于镧系元素,),原子序数是,68,，原子量是,167.3,。,EDFA,在,980nm,泵浦时，是一个典型的三级能级系统，在,1480nm,泵浦时，是一个准二级能级系统。,3/3/2026,12,三、,掺铒光纤放大器,基本结构,EDFA:Erbium Doped Fiber Amplifier,基本结构：,EDFA,是由掺铒光纤、泵浦光源、波分复用器构成,。,输入信号,光隔离器,波分复用器,泵浦,掺铒光纤,光隔离器,输出信号,3/3/2026,13,三、,掺铒光纤放大器,掺,铒,(Er,3+,),光纤中的电子能级,铒离子的电子能级如图：,由图可以看出，一些具有重要,意义的跃迁过程,主要,是：,铒离子的吸收和发射分别发生,在下列能级之间：,吸收过程,：从基态,4I,15/2,4I,9/2,(,对应,800nm,波长,),4I,11/2,(,对应,980nm,波长,),4I,13/2,(,对应,1480nm,波长,),发射过程,：从激发态,4I,13/2,4I,15/2,(,对应,1536nm,波长,),3/3/2026,14,三、,掺铒光纤放大器,掺,铒,(Er,3+,),光纤中的电子能级,(,续,),从右图可以看到，,在掺铒光纤,(EDF),中，,铒离子,(Er,3+,),有三个能级,其中,能级,1,代表,基态,，能量最低；,能级,2,是,亚稳态,，处于中间能级；,能级,3,代表,激发态,，能量最高。,3/3/2026,15,EDFA,放大原理,电子吸收泵浦光,受激辐射跃迁,跃迁,无辐射跃迁,E3,E2,E1,弱光,强光,泵浦光,激发态,亚稳态,基态,简单讲,，是由于在掺铒光纤中铒离子的外层电子在泵浦光作用下呈现出粒子数反转分布状态，当受到入射光照时，受激辐射，从而使光信号得到增强。（注意无辐射跃迁的时间,1us-10ms,）,3/3/2026,16,三、,掺铒光纤放大器,谱图,可见这种放大是由于,泵浦光,的,能量,转换为,信号光,的结果。为提高放大器增益，应提高对泵浦光的吸收，使基态,Er,3+,尽可能跃迁到激发态，下图示出,EDFA,增益和吸收频谱,。,3/3/2026,17,三、,掺铒光纤放大器,谱图,下图示出,输出信号光功率和输入泵浦光功率,的关系，由图可见，泵浦光功率,转换,为信号光功率的效率很高，达到,92.6,。当泵浦光功率为,60 mw,时，,吸收效率,(,信号输出光功率,信号输入光功率,),泵浦光功率,为,88,。,3/3/2026,18,三、,掺铒光纤放大器,谱图,下图示出小信号条件下,增益和泵浦光功率,的关系，当泵浦光功率小于,6 mw,时，,增益线性增加,，增益系数为,6.3 dB,mw,。,3/3/2026,19,正向泵浦,3/3/2026,20,反向泵浦,3/3/2026,21,双向泵浦,3/3/2026,22,EDFA,应用,光中继：,Transmitter,receiver,EDFA,EDFA,光接收机前置放大器：,Transmitter,receiver,EDFA,光发射机后置放大器：,receiver,Transmitter,EDFA,3/3/2026,23,EDFA,的优点,EDFA,的主要优点有：,（,1,）,工作波长正好落在光纤通信最佳波段（,1500,1600 um,）,；,其主体是一段光纤（,EDF,），,与传输光纤的耦合损耗很小，可达,0.1dB,。,（,2,）,增益高，约为,30,40 dB,；,饱和输出光功率,大，约为,10,15,dBm,；,增益特性与光偏振状态无关。,（,3,）,噪声指数小，一般为,4,7 dB(,极限约为,3dB),；,用于多信道传输时，隔离度大，无串扰，适用于波分复用系统。,3/3/2026,24,EDFA,的优点,（,4,）,频带宽，在,1550 nm,窗口，频带宽度为,20,40 nm,，,可进行多信道传输，有利于增加传输容量。,所以,“,波分复用,+,光纤放大器,”,被认为是充分利用光纤带宽增加传输容量最有效的方法。,1550 nm EDFA,在各种光纤通信系统中得到广泛应用，并取得了良好效果。,副载波,CATV,系统，,WDM,系统，相干光系统以及光孤子通信系统，都应用了,EDFA,，并大幅度增加了传输距离。,3/3/2026,25,3/3/2026,26,Thank You,3/3/2026,27,拉曼光纤激光放大器简介,一、引言,拉曼光纤激光放大器是基于光纤的,非线性效应,实现光的放大，典型的为,拉曼,光纤激光放大器和,布里渊,光纤激光放大器。,由于,EDFA,尚存在诸多,不足之处,：,首先,是对于所利用单模光纤低损耗区的巨大带宽资源而言，明显存在着,工作波段,和,带宽,的局限性。,其次,是自发辐射噪声的影响，尤其是当系统级联时，自发辐射噪声的影响会大大降低系统接收机端的信噪比。,因此，拉曼光纤放大器逐渐引起人们的重视，但拉曼光纤放大器距离真正商用化还有一段距离。,3/3/2026,28,拉曼光纤放大器的基本原理、特点和应用,拉曼光纤放大器的原理是基于光纤中的非线性效应：,受激拉曼散射（,SRS,）,。,拉曼现象早在,1928,年就被,Chandrasekhara,Raman,爵士所发现。目前对,SRS,效应的研究已形成一套比较完整的理论体系。,在许多非线性光学介质中，高能量（波长较短）的,泵浦光散射，将一小部分入射功率转移到另一频率下移的光束,，频率下移量由介质的振动模式决定，此过程称为,拉曼效应。,量子力学,描述,为入射光波的一个光子被一个分子散射成为另一个低频光子，同时分子完成振动态之间的跃迁，入射光作为泵浦光产生称为,斯托克斯波,的频移光。,3/3/2026,29,研究发现，石英光纤具有很宽的受激拉曼散射（,SRS,）,增益谱，并在,13THz,附近有一较宽的主峰。,如果一个弱信号与一强泵浦光波同时在光纤中传输，并使弱信号波长置于泵浦光的拉曼增益带宽内，弱信号光即可得到放大，,这种基于受激拉曼散射机制的光放大器即称为,拉曼光纤放大器,。,拉曼光纤放大器有三个突出的特点：,a,、,其增益波长由,泵浦光波长决定,，只要泵浦源的波长适当，理论上可得到任意波长的信号放大；,b,、,其增益介质为传输光纤,本身,；,c,、,噪声系数低。,3/3/2026,30,特点,a,使拉曼光纤放大器可以放大,EDFA,所不能放大的波段,，使用多个泵浦源还可得到比,EDFA,宽得多的增益带宽（后者由于能级跃迁机制所限，,增益带宽只有,80nm,），,因此，对于开发光纤的,整个低损耗区,1270nm-1670nm,具有无可替代的作用。,特点,b,使拉曼光纤放大器可以对光信号进行,在线放大,，构成分布式放大，实现长距离的无中继传输和远程泵浦，尤其,适用于海底光缆通信等不方便设立中继器的场合,。而且因为放大是沿光纤分布而不是集中作用，光纤中各处的信号光功率都比较小，从而可降低非线性效应尤其是四波混频（,FWM,）,效应的干扰。,特点,c,使其与常规,EDFA,混合使用时可,大大降低系统的噪声指数,，增加传输跨距。,3/3/2026,31,拉曼光纤放大器的类型,：,拉曼光纤放大器有两种类型：,一种为集总式拉曼放大器,：所用的光纤增益介质比较短，一般在几公里，泵浦功率要求很高，一般在,几到十几瓦特,，可产生,40dB,以上的高增益，象,EDFA,一样用来对信号光进行集中放大，主要作为高增益、高功率放大，,可放大,EDFA,所无法放大的波段,。,在,2000,年的欧洲光通信会议上，斯坦福大学的研究人员报道了他们进行的集总式拉曼放大实验的结果，用,十种不同,的光纤分别做增益放大介质比较得出，,色散补偿型光纤是得到高质量集总式拉曼光纤放大器的最佳选择,。这预示我们可以在进行系统色散补偿的同时对信号进行高增益、低噪声的放大，而且互相不影响。,3/3/2026,32,另一种为,分步式拉曼放大器,。所用的光纤比较长，一般为几十公里，,泵源功率可降低到几百毫瓦,，主要辅助,EDFA,用于,DWDM,通信系统性能的提高，抑制非线性效应，提高信噪比。,在,DWDM,系统中，传输容量，尤其复用波长数目的增加，使光纤中传输的光功率越来越大，引起的非线性效应也越来越强，,容易产生信道串扰,，使信号失真。采用分布式拉曼光纤放大辅助传输可大大降低信号的入射功率，同时保持适当的光信号信噪比（,OSNR,）。,这种分布式拉曼放大技术由于系统传输容量提升的需要而得到快速的发展,。,3/3/2026,33,总结：,拉曼光纤放大器结合,EDFA,等稀土掺杂光纤放大器必将成为未来宽带、高速、长距离光通信传输实现光放大的理想方案！,光纤激光器目前仍处于,实验室研制阶段,，市场上仍未有产品面世。在,OFC2001,会议上所报道的光纤激光器都是实验室自行研制并直接用于科研实验上。作为产生超短光脉冲的激光光源，已经在实验室充分显示其优越性。,3/3/2026,34,Thank You,3/3/2026,35,