第十一章光放大器--精品PPT课件.ppt
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1、第十一章 光 放 大 器,11.1 光放大器的基本应用和类型 11.2 半导体光放大器 11.3 掺铒光纤放大器 11.4 传输光纤放大器 11.5 系统应用 11.6 波长变换器,11.1光放大器的基本应用和类型,11.1.1 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。就损耗而言,目前光纤损耗典型值在1.31m波段为0.35dB/km左右,在1.55m波段为0.25dB/km左右。,以1989年诞生的掺铒光纤放大器(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
2、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。光孤子通信是利用光纤的非线性来补偿光纤的色散作用的一种新型通信方式。,三种主要应用 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:用于抑制接收机中热噪声造成的信噪比下降 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,Fig. 11.1: Applications of optical amplifiers,11.1.3 光放大器的分类 光放大器按原理不同大
3、体上有三种类型。 (1)半导体激光放大器。其结构大体上与 激光二极管(Laser Diode,LD)相同。 (2)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。 (3) 传输光纤放大器,其中有受激喇曼散射(Stimulated Raman Scattering,SRS)光纤放大器、受激布里渊散射(Stimulated Brilliouin Scattering,SBS)光纤放大器和利用四波混频效应(FWM)的光放大器等。,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,外加电(光)泵浦,SOA电泵浦 EDFA光泵浦,11.2 半导体光放大器 (SOA
4、),在解理面来回反射并得到放大 直到较高的强度在发射出去 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,入射光信号仅经过一次放大即 被输出 带宽宽、饱和功率高以及偏振 灵明度低,因此使用更为广泛,11.1.4 光纤放大器的重要指标 1. 光放大器的增益 (1) 增益G与增益系数g 放大器的增益定义为 式中:Ps,out,Ps,in分别为放大器输出端与输入端的信号功率。,有源区单程增益,其中,为零信号增益,式中:Pamp,sat为放大器的饱和功率。g0为没有输入信号时单位长度的非饱和介质增益,放大器增益对输入功率的依存关系,光功率过大使增益反而下降 这是因为输入信号超过饱和 功
5、率时,有源区中激活的载 流子数目被大量消耗。由于 没有足够的激活载流子来产 生受激辐射,因此在输入功 率过大时,再增加输入信号 也无法让输出信号增大,(2) 增益饱和与饱和输出功率 由于信号放大过程消耗了高能级上粒子,因而使增益系数减小,当放大器增益减小为峰值的一半时,所对应的输出功率就叫饱和输出功率,这是放大器的一个重要的参数,饱和功率用Pamp,sat表示。,(3) 放大器的带宽 人们希望放大器的增益在很宽的频带内与波长无关。这样在应用这些放大器的系统中,便可放宽单信道传输波长的容限,也可在不降低系统性能的情况下,极大地增加WDM系统的信道数目。,2. 放大器噪声 放大器本身产生噪声,放大
6、器噪声使信号的信噪比(Signal-to-Noise Ratio,SNR)下降,造成对传输距离的限制,是光放大器的另一重要指标。 (1) 光纤放大器的噪声来源 光纤放大器的噪声主要来自它的放大自发辐射(Amplified Spontaneous Emission,ASE)。,(2) 噪声系数 由于放大器中产生自发辐射噪声,使得放大后的信噪比下降。它定义为输入信噪比与输出信噪比之比。 (SNR)in和(SNR)out分别代表输入与输出的信噪比。它们都是在接收机端将光信号转换成光电流后的功率来计算的。,11.3 掺铒光纤放大器,掺铒光纤放大器是将掺铒光纤在泵浦源的作用下而形成的光纤放大器。对这种掺
7、杂光纤放大器影响较大的工作可追溯到1963年对玻璃激光器的研究。,11.3.1 掺铒光纤放大器的工作原理 第四章已经介绍过激光器的工作原理:经泵浦源的作用,工作物质粒子由低能级跃迁到高能级(一般通过另一辅助能级),在一定泵浦强度下,得到了粒子数反转分布而具有光放大作用。当工作频带范围内的信号光输入时便得到放大。这也就是掺铒光纤放大器的基本工作原理。,只是EDFA(及其他掺杂光纤放大器)细长的纤形结构使得有源区能量密度很高,光与物质的作用区很长,有利于降低对泵浦源功率的要求。 泵浦效率Wp可以用来衡量泵浦的有效性,其表达式如下: Wp=放大器增益(dB)/泵浦功率(mW),掺铒光纤放大机制,原理
8、:把泵浦光能量转化为信号光能量 工作范围:1300 1560 nm,铒原子的三能级结构,11.3.2 掺铒光纤放大器的结构 1. 同向泵浦 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。 2. 反向泵浦 反向泵浦,泵浦光与信号光从不同的方向输入掺杂光纤,两者在掺铒光纤中反向传输。 3. 双向泵浦 为了使掺铒光纤中的铒离子能够得到充分的激励,必须提高泵浦功率。,EDFA的结构,输出功率最小,噪声性能好,较高的增益,噪声最大,同向泵浦,反向泵浦,双向泵浦,构成:掺铒光纤、一个或多个泵浦激光器、光隔离器、耦合器,850 nm,输出功率最大,三种泵浦方式比较 (1) 信号输出功率 (2) 噪声
9、特性 (3) 饱和输出特性 同向泵浦式EDFA的饱和输出光功率最小。,图11.5 噪声指数与输出功率之间的关系,11.3.3 EDFA的重要指标 1. EDFA的增益特性 增益系数g(z)与高能级和低能级的粒子数目差及泵浦功率有关,对增益系数g(z)在整个掺铒光纤长度上进行积分,就可求出光纤放大器的增益G,所以,放大器的增益应与泵浦强度及光纤的长度有关。,EDFA的功率转换效率,输出能量不可能超过原有信号能量与注入的泵浦能量之和,功率转换效率:,极限情况下泵浦光都用于放大信号光,那么此时,EDFA的输入、输出功率可以用能量守恒原则表示:,EDFA的增益,假设没有自发辐射,根据前面的能量守恒原则
10、有: 极端情况下,当输入信号功率非常大时,即Ps,in(lp/ls)Pp,in,放大器最大增益是1,这表示放大器对信号几乎没有放大。 此外,增益还跟光纤长度有关。EDFA中长为L的三能级激光介质中最大增益为: 其中r为稀土元素的浓度,se是信号发射截面。结合上述两个式子,最大可能的放大增益为:,EDFA增益图,饱和增益随泵浦功率增加 而线性增加。另外,类似 于SOA,输入信号功率过 大会导致增益下降。,在一定的长度之后,由于泵浦 没有足够能量在放大器的后部 产生足够的粒子数反转,增益 开始下降。在非泵浦区,吸收 大于增益。,2. EDFA的带宽 图11.9所示是掺铒硅光纤的g-曲线,从图中可以
11、看出增益系数随着波长的不同而不同。 EDFA实现宽频带和增益平坦度经过了3个阶段,如表11.1所示。 光纤在1.55m低损耗区具有200nm带宽,而目前使用的EDFA增益带宽仅为35nm左右。,图11.9 掺铒离子硅光纤的g-曲线,放大器噪声,放大器的主要噪声是自发辐射噪声(ASE),来源于放大器中介质中电子-空穴对的自发复合。自发复合导致了与光信号一起放大的光子宽谱背景。因此,光信号经过放大之后都需要做一个带通滤波,抑制ASE噪声功率。,信噪比及噪声系数,信号光和ASE噪声一同输入到光检测器中进行平方检测,各种频率分量相互拍频: 因此,在光检测器之后,由ASE 带来的噪声包括ASE噪声项和A
12、SE与信号的拍频项,它们可以落在检测器带宽内减低接收机的信噪比。在检测器之间放置一个光滤波器,可以大幅度降低ASE噪声的功率。 当放大器增益足够大时,系统热噪声可以忽略;另外,放大的信号功率一般远大于ASE噪声功率,因此ASE噪声项一般远小于ASE与信号拍频项。在这种条件下,假设检测器前加入光滤波器,那么输出信号的信噪比可以由下式决定:,EDFA的噪声图,泵浦波长 1480 nm、信号波长1558 nm,同向泵浦 噪声系数,反向泵浦 噪声系数,11.3.4 掺铒光纤放大器的优缺点 EDFA之所以得到迅速的发展,源于它的一系列优点。 (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
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