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1、1 12004-10-262004-10-26光放大器光放大器2004.10.26第八讲第八讲2 22004-10-262004-10-26DWDM工作原理工作原理DWDMDWDM光纤传输系统光纤传输系统OMUXODMUXOA光发送光发送光发送，光接收光接收光接收后置放后置放大大前置放前置放大大3 32004-10-262004-10-26内容提要内容提要n、光放大器的形式（分类）、光放大器的形式（分类）n、EDFA的结构与部件的结构与部件n、EDFA的工作原理的工作原理n、EDFA在光纤通信中的应用形式在光纤通信中的应用形式4 42004-10-262004-10-260.1 序序n光放大器
2、的出现，可视为光纤通信发展史光放大器的出现，可视为光纤通信发展史上的重要的里程碑。上的重要的里程碑。n在光纤放大器出现之前，光纤通信的中继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器无一例外的采用光光/电电/光光变换的方式，变换的方式，导致通信系统的复杂化，进而系统效率降导致通信系统的复杂化，进而系统效率降低低n因此人们一直致力于全光型中继器的研制，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。出现了很多种光放大器。5 52004-10-262004-10-26放大整形整形判决再生判决再生O/EE/O0.1 传统放大技术的缺陷传统放大技术的缺陷缺点：缺点：1、设备复杂。
3、、设备复杂。2、稳定性可靠性不够。、稳定性可靠性不够。3、不利于波分复用。、不利于波分复用。4、光电转换限制通信的容量。、光电转换限制通信的容量。未来全光网络（未来全光网络（AON）的发展趋势：光复用、光交换、光路的发展趋势：光复用、光交换、光路由，所以必须在光传输上实现全光化。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。光放大器：直接在光域进行放大。6 62004-10-262004-10-26发展历程：发展历程：80年代中、后期年代中、后期SOA的研究为主；的研究为主；90年代年代EDFA获得巨大成功，成为光纤通信获得巨大成功，成为光纤通信系统必不可少的器件。系统必不可
4、少的器件。Erbium-doped fiber amplifier(EDFA)7 72004-10-262004-10-260.2 放大器的形式放大器的形式n利用利用光纤非线性效应光纤非线性效应制作的常规光纤放大制作的常规光纤放大器，如：喇曼放大器；器，如：喇曼放大器；n利用利用半导体半导体制作的半导体放大器；制作的半导体放大器；n利用利用稀土掺杂稀土掺杂的光纤放大器的光纤放大器8 82004-10-262004-10-260.3 几种类型放大器的比较几种类型放大器的比较9 92004-10-262004-10-260.4 常用光放大器及其工作波段常用光放大器及其工作波段 3、掺铒光纤放大器（
5、掺铒光纤放大器（EDFA）4、掺镨光纤放大器（掺镨光纤放大器（PDFA）2、光纤拉曼放大器（光纤拉曼放大器（FRA）1、半导体放大器（半导体放大器（SOA）损耗损耗1310nm 1550nm波长波长SOAFRAEDFAPDFA10102004-10-262004-10-261.1 常规光纤放大器常规光纤放大器n所谓常规光纤放大器：用传输光纤制作的放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大器，这种光纤放大器是利用光纤的非线性光纤的非线性光学效应光学效应产生增益机制从而对光信号放大。产生增益机制从而对光信号放大。n特点：传输线路和放大线路同为一体特点：传输线路和放大线路同
6、为一体(都是光纤）都是光纤）不足：不足：单位长度的增益系数很低，需要很高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的泵浦功率，不利于在高速大容量光纤通信系统中使用。系统中使用。11112004-10-262004-10-26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n常规光纤放大器原理图常规光纤放大器原理图12122004-10-262004-10-261.2 半导体光放大器半导体光放大器一、一、一、一、工作原理：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
7、光的能量进行放大外来光子激励时，产生受激辐射，对光的能量进行放大。二、放大波段：二、放大波段：1300nm-1600nm三、三、优点：优点：1、覆盖覆盖1310nm和和1550nm 的窗口范围。的窗口范围。2、充分利用激光器技术，工艺成熟，便于集成。、充分利用激光器技术，工艺成熟，便于集成。四、缺点：四、缺点：1、与光纤耦合困难。、与光纤耦合困难。2、对光的偏振特性敏感。、对光的偏振特性敏感。3、噪声及串扰大。噪声及串扰大。13132004-10-262004-10-261.3 稀土掺杂光纤放大器稀土掺杂光纤放大器n利用光纤中稀土掺杂物质引起的增益机制利用光纤中稀土掺杂物质引起的增益机制实现光
8、放大。实现光放大。n典型代表典型代表:n工作波长为：工作波长为：n 1550nm的铒的铒Er掺杂光纤放大器掺杂光纤放大器EDFAn 1300nm的镨的镨Pr掺杂光纤放大器掺杂光纤放大器PDFAn 1400nm的铥的铥 T 掺杂光纤放大器掺杂光纤放大器TDFA14142004-10-262004-10-26n1.已经商用化的是已经商用化的是EDFA，其大量用于通信，其大量用于通信系统；系统；n2.PDFA的放大波段在的放大波段在1300nm与与G-652光光纤的零点色散相吻合，在已建立的纤的零点色散相吻合，在已建立的1.3um通通信系统中有着巨大的应用市场；但因掺镨信系统中有着巨大的应用市场；但
9、因掺镨光纤的机械强度和与普通光纤熔接困难等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。因素，目前尚未获得广泛商业应用。n3.工作在工作在1.4um的掺铥光纤放大器的掺铥光纤放大器（TDFA）为传输开辟了新的波长段资源，）为传输开辟了新的波长段资源，它和它和EDFA组合可以实现超宽带合波传输。组合可以实现超宽带合波传输。15152004-10-262004-10-261.3.1 掺铒光纤放大器原理图掺铒光纤放大器原理图输入信号输入信号耦合器耦合器980/1550nm WDM980/1550nm WDM泵浦光泵浦光掺铒光纤掺铒光纤输出信号输出信号光隔离器光隔离器161620
10、04-10-262004-10-261.3.2 EDFAnEDFA工作在波长工作在波长1550nm，与光纤的低损，与光纤的低损耗波段一致，是最具吸引力的和最成熟的耗波段一致，是最具吸引力的和最成熟的光纤放大器。光纤放大器。nEDFA优点：优点：17172004-10-262004-10-26EDFA优点优点n1.n2.n3.n4.n5.18182004-10-262004-10-262 EDFA的结构和部件的结构和部件n一台实用的一台实用的EDFA由光路和辅助电路组成。由光路和辅助电路组成。n光路部分：光路部分：掺铒光纤、泵浦光源、合波器、光隔离器、掺铒光纤、泵浦光源、合波器、光隔离器、光滤波
11、器等；光滤波器等；n辅助电路：辅助电路：电源、微处理自动控制和告警及保护电路电源、微处理自动控制和告警及保护电路19192004-10-262004-10-262.1 EDFA的泵浦源和泵浦方式的泵浦源和泵浦方式nEDFA的另一核心是泵浦源，它为信号放大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提供足够的能量，使物质达到粒子数反转分布的必要条件。分布的必要条件。n泵浦源直接决定泵浦源直接决定EDFA的性能，所以要求泵的性能，所以要求泵浦工作必须稳定可靠、寿命长；浦工作必须稳定可靠、寿命长；20202004-10-262004-10-262.2 EDFA的三种结构方式的
12、三种结构方式、同向泵浦方式、同向泵浦方式合波器合波器光隔离器光隔离器光隔离器光隔离器滤波器滤波器泵浦光源泵浦光源优点：噪声小优点：噪声小 缺点：缺点：输出光功率不大输出光功率不大21212004-10-262004-10-26nEDFA的三种结构方式的三种结构方式、反向泵浦方式、反向泵浦方式合波器合波器光隔离器光隔离器光隔离器光隔离器光滤波光滤波器器泵浦光源泵浦光源优点：输出光功率大优点：输出光功率大缺点：噪声大缺点：噪声大 22222004-10-262004-10-26合波器合波器光隔离器光隔离器光滤光滤波器波器泵浦光源泵浦光源3、双向泵浦方式、双向泵浦方式泵浦光源泵浦光源EDFA的三种结
13、构方式的三种结构方式光隔离器光隔离器23232004-10-262004-10-263 EDFA工作原理工作原理n在泵浦光的照射下，掺铒光纤处于粒子数在泵浦光的照射下，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，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。实现了对光的放大。24242004-10-262004-10-264 EDFA在光纤通信中的应用形式在光纤通信中的应用形式nEDFA主要有三种应用方式：主要有三种应用方式：n发射机末级光功率放大；发射机末级光功率放大；n线路（在线）放大器；线路（在线）放大器；n接收机预放。接收机预放。25252004-10-26200
14、4-10-264.1 发射机末级光功率放大器发射机末级光功率放大器n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。n图示：26262004-10-262004-10-264.2 系统线路放大器系统线路放大器n直接接入光传输链路线路中，作为在线放直接接入光传输链路线路中，作为在线放大器，或光中继器取代大器，或光中继器取代光光-电电-光光中继器，中继器，实现实现光光-光光放大。放大。n结构如图示结构如图示n这种这种线路放大器线路放大器是全光通信系统和全光网是全光通信系统和全光网络的关键器件，也是长距离和络的关键器件，也是长距离和CATV光纤网光纤网的关键器件。的关键器件。2727
15、2004-10-262004-10-264.3 系统接收机预放n 如果用光滤波器，如果用光滤波器，EDFA的低噪声将极的低噪声将极大改善直接检测式接收机灵敏度，可改善大改善直接检测式接收机灵敏度，可改善约约10dB，接近或超过相干光接收机的最好，接近或超过相干光接收机的最好水平。水平。28282004-10-262004-10-26EDFAFRASOA美国美国CIBC worrld market公司对公司对2004年光放大器市场预测年光放大器市场预测96亿美圆亿美圆7.5亿美圆亿美圆2亿亿美圆美圆29292004-10-262004-10-26要点、光放大器的分类、光放大器的分类半导体放大器半
16、导体放大器光纤放大器光纤放大器非线性光放大器非线性光放大器EDFA30302004-10-262004-10-26要点、EDFA的结构与分类的结构与分类泵浦光源泵浦光源掺铒光纤掺铒光纤光隔离器光隔离器波分复用器波分复用器光滤波器光滤波器同向泵浦结构同向泵浦结构反向泵浦结构反向泵浦结构双向泵浦结构双向泵浦结构31312004-10-262004-10-26要点、EDFA的工作原理的工作原理在泵浦光的照射下，掺铒光纤处于粒子数反转在泵浦光的照射下，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，实现了的状态，接收到光子后产生受激辐射，实现了对光的放大。对光的放大。32322004-10-2
17、62004-10-26要点、EDFA的性能指标的性能指标功率增益功率增益输出饱和功率输出饱和功率噪声系数噪声系数33332004-10-262004-10-26要点、EDFA在光纤通信中的应用在光纤通信中的应用前置放大器前置放大器功率放大器功率放大器中继器中继器34342004-10-262004-10-26作业、光放大器的种类，画出各自的工作波段、光放大器的种类，画出各自的工作波段、EDFA的结构及功能的结构及功能、简述、简述EDFA的工作原理，并从量子学的角度解释的工作原理，并从量子学的角度解释、EDFA的几种应用形式的几种应用形式35352004-10-262004-10-262.0 E
18、DFA的基本结构及功能的基本结构及功能合波合波器器光滤波光滤波器器泵浦泵浦光源光源（掺铒光纤）（掺铒光纤）信号光信号光光隔离器光隔离器光隔离器光隔离器放大的放大的信号光信号光将输入光信号和泵浦光将输入光信号和泵浦光 混合在一起送给混合在一起送给输出一个较短波长的激输出一个较短波长的激光为提供激励光为提供激励 防止反射光防止反射光影响光放大影响光放大器的工作稳器的工作稳定性。定性。提供能产生粒子数提供能产生粒子数反转的工作物质，反转的工作物质，放大光信号。放大光信号。清除放大器的噪声，清除放大器的噪声，提高系统的信噪比提高系统的信噪比36362004-10-262004-10-26 利用光泵浦源
19、对光纤进行激发，使光纤中利用光泵浦源对光纤进行激发，使光纤中产产 生非线性效应（拉曼散射），将泵浦光的能生非线性效应（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。量向信号光转移，从而实现光的放大。2.1 拉曼放大器拉曼放大器一、一、工作原理工作原理：拉曼散射拉曼散射：介质在强光功率下产生对入射光的非弹性散射，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。使得短波长光的能量向长波长转移。二、放大波段二、放大波段1270nm-1670nm37372004-10-262004-10-26三、三、优点优点1、输出光功率输出光功率 大，工作稳定大，工作稳定2、噪声特性好，耦合容易噪声特性好，耦合容易四、四、缺点缺点光纤长度过大，于偏振态有关光纤长度过大，于偏振态有关