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1、电光中继器电光中继器探测器探测器输入光纤输入光纤接收机电路接收机电路信号再生信号再生发射机发射机驱动电路驱动电路光源光源输出光纤输出光纤光信号光信号电信号电信号光信号光信号O/E/OO/E/OO/E/Ol l1 l lnl l1 l lnl l1l l2 l lnWDMWDM第1页/共48页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光放大器第2页/共48页第3页/共48页 光放大器的分类光放大器的分类1.掺稀土元素光纤放大器掺稀土元素光纤放大器 工作物质工作物质掺镧系元素（铒，镨）的玻璃光纤掺镧系元素（铒，镨）的玻璃光纤 泵泵 浦浦 源源半导体激光器半导体激光
2、器 工作原理工作原理利用光的受激辐射利用光的受激辐射 典型代表典型代表EDFA PDFA第4页/共48页2.非线性光纤放大器非线性光纤放大器 工作物质工作物质常规石英光纤常规石英光纤 泵泵 浦浦 源源高功率连续或脉冲固体激光器高功率连续或脉冲固体激光器 工作原理工作原理利用光纤非线性效应利用光纤非线性效应 典型代表典型代表光纤喇曼放大器，光纤布里渊放大器光纤喇曼放大器，光纤布里渊放大器3.半导体激光放大器半导体激光放大器 工作物质工作物质半导体材料半导体材料 泵泵 浦浦 源源电源电源 工作原理工作原理类似类似LD 典型代表典型代表驻波型放大器，行波型放大器驻波型放大器，行波型放大器第5页/共4
3、8页EDFATW-LDSRSA工作原理工作原理受激辐射受激辐射受激辐射受激辐射受激拉曼散射受激拉曼散射泵浦方式泵浦方式光光电电光光泵浦功率泵浦功率W/m 0.0016 数百数百2105工作长度工作长度m几数十米几数十米0.310-3几千米几千米小信号增益小信号增益dB50253550输出光功率输出光功率dBm 可达可达50（以上）（以上）1020频带宽度频带宽度GHz103103103噪声特性噪声特性好好差差好好与光纤耦合难易与光纤耦合难易容易容易很难很难容易容易与光波的偏振关与光波的偏振关系系无无有（很大）有（很大）无无稳定性稳定性好好差差较好较好第6页/共48页 20世世纪纪80年年代代末
4、末期期，波波长长为为1.55 m的的掺掺铒铒(Er)光光纤纤放放大大器器(EDFA：ErbiumDoped Fiber Amplifier)研研制制成成功功并并投投入入实实用用，把把光光纤纤通通信信技技术术水水平平推推向向一一个个新新高高度度，成成为为光光纤纤通通信信发发展展史史上上一一个个重重要的里程碑要的里程碑。第7页/共48页 掺铒光纤放大器掺铒光纤放大器 (EDFA）第8页/共48页n工作原理工作原理n重要指标（特性）重要指标（特性）n结构结构n应用应用第9页/共48页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
5、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 EDF第10页/共48页铒离子的能带结构铒离子的能带结构450nm490nm520nm530nm600nm800nm980nm1480nm1530nm激发态激发态亚稳态亚稳态基态基态激发态激发态第11页/共48页 为了详细说明为了详细说明EDFA的放大原理，下图给出的放大原理，下图给出了了Er3+离子与光放大作用有关的能级结构。离子与光放大作用有关的能级结构。铒离子能带图 第12页/共48页n在掺铒光纤中注入足在掺铒光纤中注入足够强的泵浦光够强的泵浦光n当信号光通过掺铒光当信号光通过掺铒光纤时纤时（1）泵浦波长、频带）泵浦波长、频带的
6、选择的选择(1480nm,980nm)（2）EDFA的放大效的放大效应具有一定波长范围，应具有一定波长范围，其典型值为其典型值为15301570nm。铒离子能带图 第13页/共48页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？与半导体激光器进行比较？与半导体激光器进行比较第14页/共48页 自发辐射光子的噪声自发辐射光子的噪声nEr3+离子处于亚稳态时，除了发生受激辐射和离子处于亚稳态时，除了发生受激辐射和受激吸收以外，还要产生自发辐射，即受激吸收以外，还要产生自发辐射，即Er3+离离子在亚稳态上短暂停留还没有机会与光子相互子在亚稳态上短暂停留还没有机会与光子相互作用
7、，就会自发地从亚稳态跃迁到基态并发射作用，就会自发地从亚稳态跃迁到基态并发射出出1550nm波段的光子，这种光子与信号光不波段的光子，这种光子与信号光不同，它构成同，它构成EDFA的噪声。的噪声。n由于自发辐射光子在掺铒光纤中传输时也会得由于自发辐射光子在掺铒光纤中传输时也会得到放大，因此在到放大，因此在EDFA的输入光功率较低时，的输入光功率较低时，会产生较大的噪声。会产生较大的噪声。第15页/共48页掺铒光纤放大器的特性掺铒光纤放大器的特性n增益特性增益特性n带宽（增益谱）带宽（增益谱）n噪声特性噪声特性第16页/共48页增益增益GG=10lg(Pout/Pin)第17页/共48页EDFA
8、的增益饱和特性曲线的增益饱和特性曲线第18页/共48页n输入功率小时，光放大器的增益为一常数输入功率小时，光放大器的增益为一常数Gs(Gs称为小信号增益称为小信号增益)，随着输入光功率，随着输入光功率的增加光放大器的增益反而减小，称为光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。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饱和输饱和输出功率出功率Psat来表示。定义为来表示。定义为3dB饱和增益饱和增益所对应的输出信号光功率。所对应的输出信号光功率。第19页/共48页最佳光纤长度最佳
9、光纤长度G(dB)G(dB)L L(m(m)0 01010202030304040P Pp p=1mw=1mw2mw2mw3mw3mw4mw4mw 光放大器的增益光放大器的增益G与泵浦情况及与泵浦情况及EDF的长的长度有关：度有关：第20页/共48页EDFA的带宽的带宽 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。D Dl l或或(Dn)(Dn)n商用商用EDFA的的D Dl l为为240nm第21页/共48页噪声指数噪声指数 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n
10、EDFAEDFA噪声的来源？（噪声的来源？（ASEASE噪声）噪声）nEDFA的的NF较小，已接近量子极限较小，已接近量子极限3dB 第22页/共48页EDFA的结构的结构前向泵浦前向泵浦后向泵浦后向泵浦第23页/共48页双向泵浦双向泵浦 第24页/共48页三种泵浦方式的放大器的比较三种泵浦方式的放大器的比较 第25页/共48页怎怎 样样 使使 用用 E D F AE D F AnEDFA在功能应用上可以分为作远距离传输的线路放大器、用作光反射机输出的功率放大器和用作光接收机前端的前置放大器。如图所示。第26页/共48页（1）线 路 放 大 器 掺铒光纤放大器作为线路放大器有许多特殊功掺铒光纤
11、放大器作为线路放大器有许多特殊功能是电子线路放大器不可比拟的：能是电子线路放大器不可比拟的：1、中继距离长。采用、中继距离长。采用“光光-电电-光光”的中继方式一般的中继方式一般只能传输只能传输 70-80 公里就要加一级中继。而光放大公里就要加一级中继。而光放大器作中继可超过器作中继可超过 150 公里，这种特性为在条件恶公里，这种特性为在条件恶劣不宜加中继的地带的通讯带来极大的方便。劣不宜加中继的地带的通讯带来极大的方便。2、它可用作数字、模拟以及相干光通信的线路放大、它可用作数字、模拟以及相干光通信的线路放大器，即如果采用器，即如果采用EDFA作为线路放大器，不管传输作为线路放大器，不管
12、传输数字信号还是模拟信号，都不必改变数字信号还是模拟信号，都不必改变EDFA设备。设备。第27页/共48页3、EDFA作为线路放大器，可在不改变原有噪作为线路放大器，可在不改变原有噪声特性和误码率的前提下直接放大数字、模声特性和误码率的前提下直接放大数字、模拟或二者混合的数据格式。特别适合光纤传拟或二者混合的数据格式。特别适合光纤传输网络升级，实现语言、图象、数据同网传输网络升级，实现语言、图象、数据同网传输时，不必改变输时，不必改变EDFA线路设备。线路设备。4、一个、一个EDFA可同时传输若干个波长的光信号，可同时传输若干个波长的光信号，即用光波复用扩容时，不必改变即用光波复用扩容时，不必
13、改变EDFA的线的线路设备。路设备。5、EDFA用作线路放大器，不必经过光电转换用作线路放大器，不必经过光电转换可以直接对光信号放大，结构简单可靠。可以直接对光信号放大，结构简单可靠。第28页/共48页（2）前前 置置 放放 大大 器器n把把EDFA置于光接收机置于光接收机PIN管光检测器的前管光检测器的前面，来自光纤的信号经面，来自光纤的信号经EDFA放大后再由放大后再由PIN管检测。管检测。n强大的光信号使电子放大器的噪声可以忽强大的光信号使电子放大器的噪声可以忽略，最根本的原因是由于略，最根本的原因是由于EDFA的信噪比优的信噪比优于电子放大器。所以，用于电子放大器。所以，用EDFA作预
14、放的光作预放的光接收机具有较好的灵敏度。接收机具有较好的灵敏度。第29页/共48页（3）功率放大器功率放大器 n把把EDFA置于光发射机半导体激光器之后，光信号经置于光发射机半导体激光器之后，光信号经EDFA放大后进入光纤线路，从而使光纤传输的无中继放大后进入光纤线路，从而使光纤传输的无中继距离增大，可达距离增大，可达200公里以上。公里以上。n在在CATV网络应用中，它能更有效地保证点对多点对的网络应用中，它能更有效地保证点对多点对的所谓星形结构的光功率分配。所谓星形结构的光功率分配。n在高速在高速Gbit/s系统中，半导体激光器直接调制会发出系统中，半导体激光器直接调制会发出“啁啁啁啁”声
15、，如果采用声，如果采用EDFA对输出功率进行放大后再输对输出功率进行放大后再输入到光纤线路则能获得良好的效果。入到光纤线路则能获得良好的效果。nEDFA的应用领域非常的广泛，它不仅在现在的通讯、的应用领域非常的广泛，它不仅在现在的通讯、CATV、数据传输方面得到广泛的应用。而且在未来的、数据传输方面得到广泛的应用。而且在未来的各种通信制式中如相光通信、光孤子通信、全光通信等各种通信制式中如相光通信、光孤子通信、全光通信等当中都将有突出的作用。当中都将有突出的作用。第30页/共48页EDFA的优点的优点 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
16、，在在系系统统增增容容时时，EDFA线路设备可不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，价格低廉第31页/共48页EDFA的缺点的缺点n波长固定波长固定n增益带宽不平坦增益带宽不平坦第32页/共48页用于用于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
17、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 第33页/共48页第34页/共48页第35页/共48页n由于掺铒光纤的增益谱形所限，其不同的波长的增由于掺铒光纤的增益谱形所限，其不同的波长的增益亦不相同。在益亦不相同。在DWDM系统中，各信道增益的差系统中，各信道增益的差别造成增益的不平坦性。当别造成增益的不平坦性。当EDFA在系统级联使用在系统级联使用时，由于此不平坦性的积累，会使增益较低信道的时，由于此不平坦性的积累，会使增益较低信道的光信噪比迅速恶化，从而影响系统性能。光信噪比迅速恶化，从而影响系统
18、性能。n增益锁定是指增益锁定是指EDFA在一定的输入光变化范围内提在一定的输入光变化范围内提供恒定的增益，这样当一个信道的光功率发生变化供恒定的增益，这样当一个信道的光功率发生变化时，其他信道的光功率不会受其影响。时，其他信道的光功率不会受其影响。在在DWDM系统中的系统中的EDFA还要考虑还要考虑增增益平坦益平坦和和增益锁定增益锁定的问题。的问题。第36页/共48页用于用于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
19、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第37页/共48页掺铒光纤放大器的监控技术掺铒光纤放大器的监控技术 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EDF
20、A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）。第38页/共48页告警项目告警项目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：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
21、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）；第39页/共48页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+WDM+WDM法：法：（高速时）利用（高速时）利用100kHz100kHz以上的调制光放大器的增益不敏以上的
22、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。第40页/共48页监视和监视和告警电路告警电路泵浦监视泵浦监视和控制电路和控制电路泵浦泵浦LDPD探测器探测器泵浦泵浦LD输入隔离器输入隔离器输入输入WDM输出耦合器输出耦合器输出隔离器输出隔离器输出输出WDM掺铒掺铒光纤光纤热热 沉沉光输入光输入5 V0 V5 V电源电源监视监视激光器驱动输入激光器驱动输入
23、光输出光输出图图7.3(b)实用光纤放大器外形图及其构成方框图实用光纤放大器外形图及其构成方框图第41页/共48页光纤拉曼放大器光纤拉曼放大器第42页/共48页光纤拉曼放大器光纤拉曼放大器 受激拉曼散射（受激拉曼散射（SRS）是光纤中的一种）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非线性现象，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；如果一个弱到频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，使弱信号波长置于泵浦光的拉曼增益带宽内，弱信号光即可以得到放大，这种基于受激
24、拉弱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曼散射机制的光放大器即称为光纤拉曼放大器（器（FRA）。）。第43页/共48页增益增益第44页/共48页RA的结构第45页/共48页光纤拉曼放大器的优点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）增益介质为普通传输光纤，与光纤系统具有良好的兼容性；具有良好的兼容性；n（2）增益波长由泵浦光波长决定，不受其它）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，因素的限制，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；就可以放大任意波长的信号光；n（3）增益高、串扰小
25、、噪声指数低、频谱范）增益高、串扰小、噪声指数低、频谱范围宽、温度稳定性好。围宽、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 1660nm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第46页/共48页缺点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到到几十几十Wn对信号的偏振态有要求对信号的偏振态有要求第47页/共48页感谢您的欣赏！感谢您的欣赏！第48页/共48页