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1、光放大器 O/E/OO/E/OO/E/Ol l1 l lnl l1 l lnl l1l l2 l lnWDMWDM工作介质工作介质泵浦源泵浦源输出信号光输出信号光输入信号光输入信号光光放大器分类n掺稀土元素光纤放大器掺稀土元素光纤放大器工作介质主要是掺镧系元素（如铒、钕、工作介质主要是掺镧系元素（如铒、钕、镨）的玻璃光纤，泵浦源为一般半导体激镨）的玻璃光纤，泵浦源为一般半导体激光器。利用光的受激放大原理对信号光进光器。利用光的受激放大原理对信号光进行放大，行放大，如如EDFA、PDFA等等 n非线性光学光纤放大器非线性光学光纤放大器工作介质是常规石英光纤，泵浦源为固体工作介质是常规石英光纤，泵
2、浦源为固体激光器。利用光的受激喇曼放大、受激布激光器。利用光的受激喇曼放大、受激布里渊放大里渊放大等，如等，如RAn半导体光放大器（半导体光放大器（SOA）工作介质为半导体材料，泵浦源为电源工作介质为半导体材料，泵浦源为电源EDFn在石英光纤或氟化物光纤中适量掺入三在石英光纤或氟化物光纤中适量掺入三价的铒（价的铒（Er）金属元素，就形成金属元素，就形成EDFA的的工作介质工作介质掺铒光纤掺铒光纤 EDFEDFA的原理的原理 EDFA的结构的结构 前向泵浦前向泵浦后向泵浦后向泵浦 双向泵浦双向泵浦 三种泵浦方式的放大器的比较 EDFA的泵浦波长n1.48 m、0.98 m、0.807 m、0.6
3、55 m及及0.514 mn选择依据：泵浦效率和光源是否容易获取选择依据：泵浦效率和光源是否容易获取n泵浦效率是指放大器增益与泵浦功率之比，泵浦效率是指放大器增益与泵浦功率之比，泵浦效率高说明泵浦光功率的转换效率高。泵浦效率高说明泵浦光功率的转换效率高。0.98 m泵浦效率最高，其次是泵浦效率最高，其次是1.48 m。n1.48 m的大功率泵浦源最先研制成功，早期的大功率泵浦源最先研制成功，早期的的EDFA普遍使用，目前普遍使用，目前0.98 m泵浦源正在泵浦源正在新新EDFA产品中逐步取代产品中逐步取代1.48 m泵浦源。泵浦源。光放大器的性能参数 n增益增益G：输出信号光功率输出信号光功率
4、Pout与输入信号光与输入信号光功率功率Pin之比的分贝数之比的分贝数G=10lg(Pout/Pin)EDFA的增益饱和特性曲线的增益饱和特性曲线 n输入功率小时，光放大器的增益为一常输入功率小时，光放大器的增益为一常数数Gs(Gs称为小信号增益称为小信号增益)，随着输入光，随着输入光功率的增加光放大器的增益反而减小，功率的增加光放大器的增益反而减小，称为光放大器的增益饱和现象。称为光放大器的增益饱和现象。n增益增益(Gs-3dB)称为称为3dB饱和增益。饱和增益。n光放大器的最大输出功率常用光放大器的最大输出功率常用3dB饱和饱和输出功率输出功率Psat来表示。定义为来表示。定义为3dB饱和
5、增饱和增益所对应的输出信号光功率。益所对应的输出信号光功率。EDFA的增益谱的增益谱 n有效放大的光信号的频谱范围。有效放大的光信号的频谱范围。ndB谱宽为增谱宽为增益益Gsmax-ndB对应的两个光波长之差对应的两个光波长之差D Dl l或或(DnDn)。n商用商用EDFA的的D Dl l为为240nm，噪声指数噪声指数 n光放大器的噪声指数光放大器的噪声指数NF定义为输入信噪定义为输入信噪比比(S/N)in和输出信噪比和输出信噪比(S/N)out的商的分的商的分贝数贝数nEDFA的的NF较小，已接近量子极限较小，已接近量子极限3dB n光放大器的增益光放大器的增益G、饱和输出功率饱和输出功
6、率Psat以以及噪声指数及噪声指数NF还与泵浦情况有关，泵浦还与泵浦情况有关，泵浦强度增大，它们也增大，泵浦强度减小，强度增大，它们也增大，泵浦强度减小，它们也减小它们也减小;还和还和EDF的长度有关的长度有关光放大器的应用光放大器的应用 nEDFA作为线路中继器作为线路中继器nEDFA作为接收机前置放大器作为接收机前置放大器nEDFA作为光发射机的后置放大作为光发射机的后置放大nEDFA作为光无源器件的补偿放大器作为光无源器件的补偿放大器EDFA的特点 n可用做数字和模拟系统的中继器可用做数字和模拟系统的中继器n可可传传输输不不同同的的码码速速，在在系系统统增增容容时时，EDFA线路设备可不
7、必改变线路设备可不必改变n增增益益频频谱谱宽宽，可可同同时时放放大大多多信信道道中中的的光光信信号，适用于波分复用通信号，适用于波分复用通信n（波长透明、速率透明和调制方式透明波长透明、速率透明和调制方式透明）n结构紧凑，可靠性高，价格低廉结构紧凑，可靠性高，价格低廉EDFA的噪声n自发辐射噪声自发辐射噪声ASEnAmplified Spontaneous EmissionASE光源光源n一种高稳定、高功率输出的宽带光源。广泛一种高稳定、高功率输出的宽带光源。广泛应用于光纤耦合器、隔离器、环形器、光纤应用于光纤耦合器、隔离器、环形器、光纤光栅、光栅、DWDM薄膜滤波器、薄膜滤波器、CWDM薄膜
8、滤薄膜滤波器、波器、AWG等光无源器件的生产与测试。等光无源器件的生产与测试。n根据光谱覆盖范围可分为根据光谱覆盖范围可分为C和和C+L波段两种。波段两种。n特点：特点：宽光谱输出，覆盖宽光谱输出，覆盖C波段或波段或C+L波段；波段；高输出功率；超高稳定性高输出功率；超高稳定性n应用：用：光纤光栅、光纤光栅、DWDM滤波器、滤波器、AWG、光纤耦合器和其它光纤无源器件产品的生产光纤耦合器和其它光纤无源器件产品的生产与测试；光纤传感、光纤陀螺等需要超稳定与测试；光纤传感、光纤陀螺等需要超稳定性光源的场合性光源的场合用于用于WDM的光纤放大器的光纤放大器 nWDM系统中使用的光纤放大器应具有系统中
9、使用的光纤放大器应具有:低噪声系数低噪声系数高输出功率高输出功率足够的带宽足够的带宽平坦的增益平坦的增益n动态特性：不同波长信道的增益随输入动态特性：不同波长信道的增益随输入信号光功率变化而产生的动态变化信号光功率变化而产生的动态变化 用于用于WDM的光纤放大器的改进的光纤放大器的改进 n选用选用EDFA的平坦区域的平坦区域n采采用用增增益益均均衡衡和和增增益益斜斜率率补补偿偿技技术术：连连接接一段掺钐光纤一段掺钐光纤n利利用用光光滤滤波波器器抑抑制制EDFA增增益益不不平平坦坦：采采用用与与增增益益谱谱相相反反的的滤滤波波谱谱特特性性的的光光滤滤波波器器来来抑制增益不平坦抑制增益不平坦n采用
10、掺铝采用掺铝EDFAn采用采用掺铒氟化物玻璃光纤掺铒氟化物玻璃光纤掺铒光纤放大器的监控技术 n监控系统必须具备监测和控制两大功能。监控系统必须具备监测和控制两大功能。n监监测测主主要要完完成成与与系系统统性性能能有有关关的的参参量量，包包括括输输入入输输出出信信号号光光功功率率，泵泵浦浦电电流流、EDFA环境温度等的测量环境温度等的测量n控控制制功功能能主主要要是是完完成成备备用用器器件件的的切切换换（如如：备备用用EDFA模模块块的的切切换换及及其其他他备备用用电设备的切换等）。电设备的切换等）。告警项目告警项目n分严重故障告警、一般故障告警和告警显示：分严重故障告警、一般故障告警和告警显示
11、：n无输入信号（严重故障告警）；无输入信号（严重故障告警）；n无输出信号（严重故障告警）；无输出信号（严重故障告警）；nEDFA输出功率超出规定范围（一般故障）；输出功率超出规定范围（一般故障）；n温温度度超超出出范范围围或或失失去去控控制制-泵泵浦浦激激光光器器故故障障（严重故障告警）（严重故障告警）n泵浦激光器电流超出规定范围（一般故障）；泵浦激光器电流超出规定范围（一般故障）；n告警处理单元的微处理器故障（一般故障）；告警处理单元的微处理器故障（一般故障）；n光保护的插入光保护的插入/清除（告警显示）；清除（告警显示）；n通过监控信道传输通过监控信道传输FERF（告警显示）；告警显示）；
12、基于泵浦源调制的监控技术 nEDFA增益调制法：增益调制法：（低速时）利用监（低速时）利用监控信号对泵浦光进行调制，通过调制光控信号对泵浦光进行调制，通过调制光放大器的增益将监控信号叠加在主信号放大器的增益将监控信号叠加在主信号上传输至接收端上传输至接收端n泵浦源调制泵浦源调制+WDMWDM法：法：（高速时）利用（高速时）利用100100kHzkHz以上的调制光放大器的增益不敏以上的调制光放大器的增益不敏感性，即泵浦光的调制对主信号传输不感性，即泵浦光的调制对主信号传输不产生明显影响的特点，在泵浦源调制后。产生明显影响的特点，在泵浦源调制后。利用利用WDMWDM技术使加有小信号调制的泵浦光技术
13、使加有小信号调制的泵浦光和信号光同时在光纤中传输。和信号光同时在光纤中传输。光纤拉曼放大器n受激拉曼散射（受激拉曼散射（SRS）是光纤中的一种非线是光纤中的一种非线性现象，它将一小部分入射光功率转移到频性现象，它将一小部分入射光功率转移到频率比其低的斯托克斯波上；如果一个弱信号率比其低的斯托克斯波上；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，弱信号波长置于泵浦光的拉曼增益带宽内，弱信号光即可以得到放大，这种基于受激拉曼信号光即可以得到放大，这种基于受激拉曼散射机制的光放大器即称为光纤拉曼放大器散射机制的光放大器
14、即称为光纤拉曼放大器（FRA）。）。增益谱RA的结构光纤拉曼放大器的优点n（1）增益介质为普通传输光纤，与光纤系统具）增益介质为普通传输光纤，与光纤系统具有良好的兼容性；有良好的兼容性；n（2）增益波长由泵浦光波长决定，不受其它因）增益波长由泵浦光波长决定，不受其它因素的限制，理论上只要泵浦源的波长适当，就素的限制，理论上只要泵浦源的波长适当，就可以放大任意波长的信号光；可以放大任意波长的信号光；n（3）增益高、串扰小、噪声指数低、频谱范围）增益高、串扰小、噪声指数低、频谱范围宽、温度稳定性好。宽、温度稳定性好。n可放大可放大EDFA不能放大的波段，可在不能放大的波段，可在1292 1660n
15、m范围内进行光放大，获得比范围内进行光放大，获得比EDFA宽得宽得多的增益带宽；是多的增益带宽；是EDFA的补充，而不是代替，的补充，而不是代替，两者结合起来可获得大于两者结合起来可获得大于100nm增益平坦宽带增益平坦宽带缺点n需要特大功率的泵浦激光器：几百需要特大功率的泵浦激光器：几百mW到几十到几十Wn对信号的偏振态有要求对信号的偏振态有要求光纤放大器的发展方向n(1)EDFA从从C-Band向向L-Band发展；发展；n(2)宽频谱、大功率的光纤拉曼放大器；宽频谱、大功率的光纤拉曼放大器；n(3)将局部平坦的将局部平坦的EDFA与光纤拉曼放大与光纤拉曼放大器进行串联使用，获得超宽带的平
16、坦增器进行串联使用，获得超宽带的平坦增益放大器；益放大器；n(4)研发具有动态增益平坦技术的光纤放研发具有动态增益平坦技术的光纤放大器；大器；n(5)小型化、集成化光纤放大器。小型化、集成化光纤放大器。色散补偿技术 n光纤放大器的采用，损耗对中继距离的限制光纤放大器的采用，损耗对中继距离的限制已被消除，光纤色散上升为限制最大无再生已被消除，光纤色散上升为限制最大无再生中继距离的主要因素。中继距离的主要因素。n采用窄谱线光源和降低光纤传输窗口的色散采用窄谱线光源和降低光纤传输窗口的色散值两种最直接方法降低色散对光传输的限制。值两种最直接方法降低色散对光传输的限制。n发展新的技术来克服色散的影响发
17、展新的技术来克服色散的影响n色散补偿技术主要是通过在光纤传输途中加色散补偿技术主要是通过在光纤传输途中加入适当的色散元件解决因光纤色散而引起的入适当的色散元件解决因光纤色散而引起的波形失真波形失真类型n色散补偿的方法主要有光纤型色散补偿色散补偿的方法主要有光纤型色散补偿技术、光纤布拉格光栅型色散补偿技术、技术、光纤布拉格光栅型色散补偿技术、Fabry-Perot谐振腔型色散补偿技术、谐振腔型色散补偿技术、相位共轭型色散补偿技术及光源预啁啾相位共轭型色散补偿技术及光源预啁啾色散补偿技术。色散补偿技术。n从光信号的检测角度来看，只需在接收从光信号的检测角度来看，只需在接收点处得到好的信号波形，并不
18、需要在整点处得到好的信号波形，并不需要在整个传输链路上都保持好的波形。色散补个传输链路上都保持好的波形。色散补偿技术追求的是整体色散的优化，而不偿技术追求的是整体色散的优化，而不是色散的局部优化。是色散的局部优化。光纤型色散补偿技术 n采用色散补偿光纤（采用色散补偿光纤（DCF）对常规传输光纤）对常规传输光纤的色散进行补偿的技术的色散进行补偿的技术nDCF是通过光纤结构设计改变光纤的波导色是通过光纤结构设计改变光纤的波导色散进而获得不同色散特性的一种特种光纤。散进而获得不同色散特性的一种特种光纤。n1）基于基模（）基于基模（LP01）的单模色散补偿光纤，的单模色散补偿光纤，基本原理是在高折射率
19、纤芯周围设有不同折基本原理是在高折射率纤芯周围设有不同折射率的多包层结构以增强基模的负波导色散；射率的多包层结构以增强基模的负波导色散；n2）基于高阶模（）基于高阶模（LP11）的双模色散补偿光纤，的双模色散补偿光纤，利用在截止波长附近工作的利用在截止波长附近工作的LP11模有很大的模有很大的负色散的特点来实现补偿负色散的特点来实现补偿 基于基于LP01模的色散补偿光纤模的色散补偿光纤n单模光纤的波长色散可分为材料色散单模光纤的波长色散可分为材料色散、和波和波导色散。波导色散是由某一传输模式中群速导色散。波导色散是由某一传输模式中群速度随光频变化而产生的色散，它是随波导结度随光频变化而产生的色
20、散，它是随波导结构而变化的。构而变化的。基于基于LP11模的色散补偿光纤模的色散补偿光纤Fabry-Perot谐振腔型色散补偿技术 n原理是利用光束在原理是利用光束在F-P谐振腔内往复反射而形谐振腔内往复反射而形成多光束干涉，成多光束干涉，使一定频段上的光波得到线使一定频段上的光波得到线性相位变化，进而得到色散补偿。性相位变化，进而得到色散补偿。n反向输出的光场为反向输出的光场为 相频特性、色散特性相频特性、色散特性nr2=1时时n时延：时延：n色散色散：相位共轭型色散补偿技术 n又称中间谱反转技术又称中间谱反转技术 n色散使光脉冲展宽，也就是使不同频率光的色散使光脉冲展宽，也就是使不同频率光
21、的相位发生了相对变化相位发生了相对变化n理论上一种非常理想的色散补偿技术，关键理论上一种非常理想的色散补偿技术，关键是光信号的共轭实现。可采用非线性光学技是光信号的共轭实现。可采用非线性光学技术实现，如三波混频或四波混频技术术实现，如三波混频或四波混频技术 相位共轭相位共轭LL预啁啾技术n光信号在反常色散光纤中传输时，所含光信号在反常色散光纤中传输时，所含的高频成分传播速率较快，将逐渐集中的高频成分传播速率较快，将逐渐集中在脉冲前沿，低频成分传播速率较慢，在脉冲前沿，低频成分传播速率较慢，将逐渐集中在脉冲后沿。将逐渐集中在脉冲后沿。n预啁啾是通过在光源上附加一个正弦调预啁啾是通过在光源上附加一
22、个正弦调制，使脉冲前沿的频率降低，后沿频率制，使脉冲前沿的频率降低，后沿频率升高，在一定程度上补偿色散造成的脉升高，在一定程度上补偿色散造成的脉冲展宽。冲展宽。偏振模色散偏振模色散n单模光纤中实际存在偏振方向相互正交的两单模光纤中实际存在偏振方向相互正交的两个基模的传输速度不同而引起的色散。个基模的传输速度不同而引起的色散。nPolarization Mode Dispersion,简称简称PMDn偏振模色散具有随机性，与光纤制作工艺、偏振模色散具有随机性，与光纤制作工艺、材料、传输线路长度和应用环境等因素相关。材料、传输线路长度和应用环境等因素相关。PMD的大小，由这些因素的综合影响决定，的
23、大小，由这些因素的综合影响决定，具有不确定性，是一个随机变量。通常所说具有不确定性，是一个随机变量。通常所说的的PMD是多少，指的是（统计）平均值。是多少，指的是（统计）平均值。n在光纤链路上，两个正交的偏振模产生的时在光纤链路上，两个正交的偏振模产生的时延差遵守一定的概率密度分布。延差遵守一定的概率密度分布。PMD的值与的值与光纤长度的平方根成反比例的变化，因而其光纤长度的平方根成反比例的变化，因而其单位记作单位记作ps/km1/2nPMD和色度色散对系统性能具有相同的和色度色散对系统性能具有相同的影响，即引起脉冲展宽，从而限制传输影响，即引起脉冲展宽，从而限制传输速率。速率。nPMD比波长
24、色散小得多，对低速率光传比波长色散小得多，对低速率光传输的影响可忽略不计，甚至没有列入早输的影响可忽略不计，甚至没有列入早先的光纤性能指标之中。但是随着系统先的光纤性能指标之中。但是随着系统传输速率的提升，偏振模色散的影响逐传输速率的提升，偏振模色散的影响逐渐显现出来，成为继衰减、波长色散之渐显现出来，成为继衰减、波长色散之后限制传输速度和距离的又一个重要因后限制传输速度和距离的又一个重要因素素,，研究的热点之一。，研究的热点之一。n当两个正交的偏振模之间的时延差当两个正交的偏振模之间的时延差d dt达达到系统速率一个脉冲时隙的三分之一时，到系统速率一个脉冲时隙的三分之一时，将会付出将会付出1
25、dB的信号功率代价。由于的信号功率代价。由于PMD的随机统计特性，的随机统计特性，PMD的瞬时值有的瞬时值有可能达到平均值的可能达到平均值的3倍。为了保证信号功倍。为了保证信号功率代价低于率代价低于1dB，PMD的平均值必须小的平均值必须小于系统速率一个脉冲时隙的十分之一。于系统速率一个脉冲时隙的十分之一。受PMD限制的最大传输距离PMD ps/km1/210 Gb/s(km)40 Gb/s(km)160Gb/s(km)640Gb/s(km)0.001100000000 625000039062524414.060.011000000625003906.25244.14060.11000062
26、539.06252.44140611006.250.390625 0.0244142251.56250.097656 0.006104偏振模色散补偿 n偏振模色散是限制高速（偏振模色散是限制高速（10Gb/s以上）光以上）光通信传输距离的主要因素，都需要进行补偿。通信传输距离的主要因素，都需要进行补偿。n目前偏振模色散补偿的方案主要分三大类：目前偏振模色散补偿的方案主要分三大类：n（1）在光信号域进行补偿：比较好的补偿）在光信号域进行补偿：比较好的补偿一阶偏振模色散，对高阶色散的补偿方案系一阶偏振模色散，对高阶色散的补偿方案系统复杂，且不太成功；统复杂，且不太成功；n（2）在电信号域进行补偿：
27、补偿能力有限）在电信号域进行补偿：补偿能力有限n（3）同时在光信号域和电信号域进行混合）同时在光信号域和电信号域进行混合补偿：效果比较好补偿：效果比较好 在发射机端进行主偏振态跟踪的补偿方案在发射机端进行主偏振态跟踪的补偿方案传输光纤传输光纤偏振控制器偏振控制器光发射机光发射机光接收机光接收机光接收机光接收机传输光纤传输光纤光发射机光发射机在接收机端进行偏振模色散补偿的方案在接收机端进行偏振模色散补偿的方案 光发光发射机射机传输光纤传输光纤偏偏 振振控制器控制器光接光接收机收机偏振偏振色散色散器件器件光分光分路器路器偏振效果测偏振效果测量装置量装置在接收机端进行偏振模色散补偿的方案在接收机端进行偏振模色散补偿的方案光发光发射机射机传输光纤传输光纤偏偏 振振控制器控制器光接光接收机收机偏振偏振色散色散器件器件光分光分路器路器偏振效果测偏振效果测量装置量装置偏振态偏振态扰动器扰动器 在接收机端进行偏振模色散补偿的方案在接收机端进行偏振模色散补偿的方案光发光发射机射机传输光纤传输光纤偏振偏振控制控制器器光接光接收机收机偏振偏振色散色散器件器件光分光分路器路器偏振效果测偏振效果测量装置量装置偏振态偏振态扰动器扰动器 光光分分路路器器偏振效果测偏振效果测量装置量装置光电混合偏振模色散补偿方案 光发光发射机射机编码器编码器偏振态偏振态扰动器扰动器传输传输光纤光纤解码器解码器光接光接收机收机