光纤通信技术 教学课件 ppt 作者 彭利标 Fiber5光中继传输

1、第5章 光中继传输,本章教学目的与重点内容,教学目的： 了解光放大器的作用； 掌握光放大器的组成结构、种类和各组成部分的作用，各放大器的放大过程。,教学重点： 光放大器的种类和特点，EDFA特点及应用。,一、概 述,光的频率很高：167-375THz 波长短： 0.81.8m 低损耗窗口宽度：200nm(40THz) 可用带宽有限（色散、电子器件限制） 实际信息传输率：10Gb/s,解决办法： (1)提高单信道容量： 信号复用（时分、频分、码分） (2)增加信道数： 信道复用（WDM ） (3)光放大，增大传输距离, 5.1 光纤放大器概述,1、光通信的特点：,2、怎样提高系统的通信容量,补偿由于长距离传输而造成的光信号功率（能量）的损耗，提高接收机的灵敏度-提供光信号增益（dB）。,二、光放大器的作用与放大方法,2、对光信号的放大方法,1、作用：,（1）传统E/O/E中继放大 （2）无电中继法放大：,三、E/O、O/E中继方式：,光信号在光纤内的传输-变弱； A.弱光(O)信号转换成电(E)信号；- O/E转换(光检测) B.电信号放大-强电(E)信号； -电信号放大 C.强电(E)

2、信号转换成光(O)信号； - E/O转换(光发射)， D.光信号的传输,1、光信号的处理过程,（1）本方法只对电信号进行放大： （2）优点：技术成熟 （3）缺点：成本高（转换次数多、设备复杂）、带宽受到限制（电带宽）,2、 E/O、O/E中继方式特点,3、 E/O、O/E中继器结构,四、无电中继法：,直接对光信号进行放大（全光网络），补偿长距离传输所损失的光能量（功率）。 优点：降低成本，不影响原带宽。 -重点探讨内容,1、结构图,光纤放大器 半导体光放大器(SOA),2、几种常用的光放大器,对光信号直接放大， 常用放大器有三类： 常规传输光纤放大器； 半导体光放大器； 掺杂光纤放大器。, 5.2 光放大中继器,一、常规传输光纤放大器,用传输光纤的非线性光学效应制作的光放大器，如受激拉曼和受激布里渊散射等。 特点： A、传输线路和放大线路同为一体，都是光纤，它是一种分布参数式的光纤放大器DRA(Distributed Raman Amplifier)， B、宽带：为1.27l.67m整个波段的光信号放大展现了美好的应用前景。 缺点： A、单位长度的增益系数很低，需要很高的泵浦光功率（几

3、百mW几W）； B、不利于在高速大容量光纤通信系统中使用。,二、半导体光放大器,与半导体激光二极管的结构、材料和工作机理相同，唯一不同的是两个端面反射率的大小不同，图中的激光器由于F-P谐振腔的反射面的多次反射，产生相当大的反馈，当偏置电流低于阈值电流时，它被作为放大器使用。,半导体光放大器有以下特点：,优点： （1）尺寸小：长度在100m1mm之间； （2）增益高：一般在1530 dB； （3）频带宽：一般在5070nm，因此可对ps(10-12s)数量级的光脉冲进行放大，特别适合于光子集成和光电子集成使用。 主要问题是： （1）与光纤耦合损耗大：一般为58dB； （2）增益与偏振态、温度等有明显依赖关系，因此稳定性差； （3）增益的恢复时间为ps数量级，这对高速传输的光信号产生不利影响； （4）输出功率小，噪声系数较大。,三、稀土掺杂光纤放大器,在制造光纤的材料中掺入不同的稀土杂质制成的光纤-掺杂光纤； 外加泵浦源： 即可对光信号进行放大。 掺杂剂： 铒、镨、铥,（1）铒掺杂光纤放大器EDFA(1.55m) （2）镨掺杂光纤放大器PDFA (1.3m) （3） 铥掺杂光纤放大器TD

4、FA (1.4m),各自特点,一、EDFA概述,1、EDFA: 稀土铒离子作为增益介质的光纤放大器(Erbium-doped Fiber Amplifier) ， 2、EDF :1985年英国南安普顿大学首次研制成功掺铒光纤； 1988年达到现场实际应用的水平。,铒离子在光纤制作过程中掺入光纤芯中， 泵浦光源直接对光信号进行放大，提供光增益。 3、EDFA放大器的特性：如工作波长、带宽等由掺杂剂所决定。 4、EDFA工作波长：光纤损耗最小的1.55m波长比其它光放大器更引人注意。, 5.3 掺饵光纤放大器,二、EDFA的工作原理,1、泵浦光如何将能量转移给信号光的呢? 信号光-1550nm 泵浦光-980nm 2、铒离子三能级图： E1-基态：能量最低； E2-中间能级； E3 -激发态：能量最高（泵浦光波长不同， E3能量不同）。,能级图,3、放大过程,泵浦过程（粒子数反转） 若泵浦光的光子能量等于E3与E1之差，掺杂的铒离子吸收泵浦光后，从基态E1升至激发态E3。 但是激发态是不稳定的，激发到激发态E3的铒离子很快跃迁到中间能级E2。,信号光的放大过程： 若信号光的光子能量等于能级

5、E2和El之差，则当处于能级E2的铒离子返回基态El时，则产生信号光子，这就是受激发射，其结果使信号光得到了放大。,4、提高放大器的增益：,应尽可能使基态铒离子激发到激发态能E3上。,三、EDFA的特点,1、工作波长为1530-1560nm范围，处于第三传低损耗输窗口 2、激励的泵浦功率低（几十mW）。 3、增益高（40dB）、噪声低（3-4dB） 、输出功率大（14-20dBm）。,4、连接损耗低（0.1dB） 光纤与光纤的连接，较容易。 5、对各种类型、速率、格式的信号传输透明。,1、内部结构与外形,四、EDFA的结构图,掺饵光纤 泵浦源 检测控制,光信号输入；光信号输出；内部结构 EDFA能放大光信号的根本，是有泵浦光源进行能量补充,2、EDFA各组成部分的作用,1）光耦合（合波）器： 将输入的光信号和泵浦光源的输出光功率混合； 2）光隔离器： 防止反射光影响光放大器的稳定工作，保证光信号只能定向传输。 3）掺铒光纤EDF： 是浓度为25mg/kg、长度为10-100m的稀土掺杂光纤（放大介质） 4）泵浦光源： 是半导体激光器，输出光功率为10-100mW，工作波长为980nm或

6、1480nm。,五、EDFA的性能指标,增益G、转换效率、饱和输出功率、噪声系数F,1、光功率增益G,定义：G=10lg(Pout)/(Pin) dB,光功率增益因素：饵光纤长度、泵浦功率、波长、饵浓度等。 转换效率图：,2、转换效率图,从泵浦光能量转换成信号光功率的转换效率很高（ 926 ）。如图中曲线可见。因此EDFA很适合作功率放大器。 A、转换(泵浦)效率 1=Pout/Pp B、吸收效率 2=(Pout-Pin)Pp,例 某EDFA工作于波长为1.55m时，输入信号光功率Pin为300W，用波长为0.98m的光源泵浦该功率放大器，泵浦功率Pp为40mW，该功率放大器输出功率Pout为35mW，试计算该功率放大器的功率增益、转换效率和吸收效率。,解：1)功率增益 G=10lg(Pout)/(Pin) = 10lg(35mW)/(300W) = 10lg(117) =21dB 2)转换(泵浦)效率 1=Pout/Pp =35mW/40mW =0.875 =87.5% 3)吸收效率 2=(Pout-Pin)Pp =(35mW-300W)/40mW =0.86=86%,3、增益饱和特

7、性,3 dB饱和功率-最大输出能力 当光功率输入Pin增加时，输出Pout增加， 但有饱和现象 。 用3 dB饱和功率P3dB表示。 G与 Pout的关系图,4、EDFA的噪声特性,（1）噪声种类： 散弹噪声、差拍噪声 （2）表示方法： 噪声系数F: 定义： F=（输入信噪比）/ （输出信噪比） =(S/N)in/ (S/N) out 小好,980nm泵浦：3.2dB 优于 1480nm泵浦：4.1dB,六、EDFA的泵浦特性,EDFA的增益与泵浦方式和光纤掺杂剂有关： 1、泵源的波长选择： EDFA可使用多种不同波长的光源来泵浦，但用0.98m和1.48m的半导体激光泵浦最有效，泵浦效率最高。 2、泵源的功率选择： 使用0.98m和1.48m波长的光泵浦EDFA时，只用几mW的泵浦功率就可获得高达30-40dB的放大器增益，但综合考虑一般取几mW-几十mW。,3、掺铒光纤放大器的泵浦形式 同向泵浦、反向泵浦、双向泵浦,4、几种泵浦形式性能比较,同向泵浦： 泵浦光与信号光以相同的方向进入EDF,该泵浦形式的噪声特性最好。 反向泵浦： 泵浦光与信号光以相反的方向进入EDF,该泵浦形式具有

8、较高的输出光功率。 双向泵浦： 泵浦光从两个不同方向进入EDF（双泵浦源）,该泵浦形式的输出光功率最高（比反相泵浦形式高出3dB）。,输入光、输出光、泵浦光方向的关系曲线,1、末级光功率放大器,作用：在光发射机后面外加光放大器，作为光发射机功率增强放大器，以增加光发射机的输出功率，从而增加传输距离。 方法1：将光功率放大器直接连在发射激光二极管后，将光信号放大到10dBm以上，增加光信号的传输距离。 方法2：在发射机和光放大器之间加入光隔离器，防止光信号返回发射机，影响发射机的正常工作。,功放结构图,七、EDFA的应用场合,2、线路在线放大器,作用：将光放大器接入光传输链路中，作为在线放大器来取代光-电-光中继器，实现光-光放大。 在长距离通信系统中，线路在线放大器是全光通信系统和全光网络的关键器件，也是长距离传输和CATV光纤网的关键器件。 泵浦方法：泵浦光直接泵浦或遥泵。只要色散允许，就可以多次级联在线放大，延长中继距离，解决传输衰减问题。,在线放大结构图,3、前置放大器,作用：将光放大器放在接收机前级，利用EDFA低噪声性能，改善直接检测式接收机的灵敏度（约10dB）。 效果：这

9、种连接方式，可使信号的接收效果接近或超过相干光接收机的最好水平。,前置放大实例,4、补偿局域网的分配损耗,分配损耗常限制网络中的接点数量，特别是在总线形式拓扑结构，在多用户局域网、公用电话网和CATV分配网中，使用EDFA补偿分配损耗，可做到信号无损耗的分配传输； 此外EDFA在光交换系统中也得到应用。,分配损耗结构, 5.4 光无源器件,一、光无源器件概述,1、类型 构成完整的光纤通信系统，除了有源光学器件(光源、光检测器件、光纤)外，还包括大量的光无源器件，例如光纤连接器、光纤耦合器、波分复用解复用器、隔离器、滤波器、调制器、光开关等。,2、作用 光无源器件的性能优劣，直接影响着通信系统的质量和可靠性，它们同样也是光纤通信系统中的基本组成部件。,二、光纤连接器,光纤的连接分：永久性连接、活动连接,光纤接头作用是把两个光纤端面结合在一起，实现光纤与光纤之间的永久性固定连接，以形成长距离光纤光缆线路。 接头-在现场具体操作工作,1）接头操作内容：,连接准备：表面打磨、清洁、对中、连接、检测。 连接要求： 连接损耗小，要有足够的机械强度，长期的可靠性和稳定性，价格便宜等。,连接方法：热熔连接、机械夹持连接、毛细管黏结,1、永久性连接-接头,2）热熔连接操作,把端面切割良好的两根光纤端放在V形槽内，用微调器使纤芯精确对中对齐，再用高压电弧加热，把两个光纤端面熔合在一起，然后用热缩套管和钢丝加固。 特点：连接牢靠，损耗小。,3）接头盒的处理,2、活动连接-可拆卸的连接器,1)用途： 光发、光收、光放大器、设备连接 2)结构：光纤、插针、对中,3)活动连接器的形式,FC：平面型 PC：球面型 APC：斜面性,4)连接器的损耗损耗,(1)固有损耗：光纤制造公差，即光纤芯尺寸的失配、数值孔径的失配、纤芯/包层不同心度以及折射率分布失配等因素产生的,4)连接器的损耗损耗,(1)固有损耗：光纤制造公差，即光纤芯尺寸的失配、数值孔径的失配、纤芯/包层不同心度以及折射率分布失配等因素产生的。,(2)外部损耗： 连接器加工装配公差引起： 端面间隙、轴线倾角、横向偏移和菲涅尔)反射及端面加工粗糙等因素产生的。

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