光纤通信系统 第3版 教学课件 ppt 作者 沈建华 第六章 光放大技术
44页1、光纤通信系统,2,本章要点,本章主要介绍光放大器原理、类型和主要实现技术。光放大器是实现高速率大容量光纤通信系统重要的系统元件,可以部分地代替光中继器,节约系统成本。 本章教学课时为4学时。,3,6.1 光放大器原理,光放大器是一种能在保持光信号特征不变的条件下,增加光信号功率的有源设备。 光放大器的基本工作原理是受激辐射或受激散射效应,其工作机制和激光器的发光原理非常相似。实际上,也可以将光放大器理解为是一个没有反馈或反馈较小的激光器。对于某种特定的光学介质,当采用泵浦(电能源或光能源)方法,达到粒子数反转时就产生了光增益,即可实现光放大。,4,6.1.1 光放大器的基本原理,半导体光放大器 法布里珀罗谐振腔式光放大器(FPSOA) 注入锁定式光放大器(ILSOA) 行波式光放大器(TWSOA)。 掺杂稀土元素光放大器 EDFA和PDFA 光纤布里渊放大器 光纤拉曼放大器,5,6.1.2 光放大器的主要参数,泵浦和增益系数 增益谱宽与放大器带宽 增益饱和和饱和输出功率 放大器噪声,6,1. 泵浦和增益系数,光学泵浦提供了所必须的能级间的粒子数反转,因而也就提供了光学增益,考虑一个均匀
2、加宽的增益介质,其增益系数可以表示为 (6-2) 由上式可以确定光放大器的增益谱宽、放大因子和饱和输出功率等参数。,7,图6-1 两种泵浦原理示意图,泵浦,泵浦,E3,E1,E2,激光发射,(a)三能级泵浦结构,(b)四能级泵浦结构,E3,E1,E2,E0,8,2. 增益谱宽与放大器带宽,小信号或非饱和状态时,增益系数可以表示为 可以看出,当0时增益最大。定义增益谱宽为增益谱g()降至最大值一半处的全宽(FWHM)。 而放大器的带宽定义为G()降至最大放大倍数一半(3dB)处的全宽度FWHM。 放大器的带宽比介质增益谱宽窄的多。,9,3. 增益饱和和饱和输出功率,增益可以表示为 增益饱和是放大器能力的一种限制因素,通常将放大器增益降至最大小信号增益一半(3dB)时的输出功率定义为饱和输出功率。,10,图6-2 放大器增益随输出功率的变化,11,4. 放大器噪声,所有光放大器在放大过程中都会把自发辐射(或散射)叠加到信号光上,导致被放大信号的信噪比(SNR)降低,其降低程度通常用噪声指数Fn来表示,其定义为 (6-12) 式中的SNR是由光接收机测得的,因此所得Fn值也和接收机参数有关。
3、理论分析表明,对于理想放大器而言被放大信号的SNR也降低了2倍(3dB),对大多数实际的放大器Fn均超过3dB,并可能达到68dB。,12,6.1.3 光放大器分类,13,6.2 掺铒光纤放大器EDFA,掺铒光纤能放大光信号的基本原理在于铒离子能吸收泵浦光的能量,实现粒子数反转。 当波长为1.55m附近的信号光通过已被激活的掺铒光纤时,亚稳态上的粒子以受激辐射的方式跃迁到基态。对应于每一次跃迁,都将产生一个与激发该跃迁的光子完全一样的光子,从而实现了信号光在掺铒光纤的传播过程中不断放大。,6.2.1 EDFA的特点,工作波长处于1.531.56m范围,与光纤最小损耗波长窗口一致; 对掺铒光纤进行激励所需要的泵浦光功率较低,仅需数十mW; 增益高、噪声低、输出功率高。EDFA的典型小信号增益可达40dB,噪声系数可低至34dB,输出功率可达1420dBm; 连接损耗低。EDFA是光纤型放大器,其与光纤线路间的连接较为容易,连接损耗可低至0.1dB。,14,15,6.2.2 EDFA结构及工作原理,掺铒光纤放大器(EDFA,Erbium Doped Fiber Amplifier是目前最成
4、熟的光放大器。EDFA主要由掺铒光纤(EDF)、泵浦光源、耦合器、隔离器等组成。,16,图6-4 EDFA的基本组成,长度为10m100m左右的掺铒光纤,铒离子的掺杂浓度一般为25mg/kg左右。,半导体激光器,输出功率为10100mW,工作波长为0.98m或1.48m。,将信号光和泵浦光耦合在一起。,保证信号单向传输,滤除噪声,提高信噪比。,17,铒离子能级分布,图6-6 铒离子吸收谱,18,19,EDFA泵浦方式,EDFA的内部按泵浦方式分,有三种基本的结构:即同向泵浦、反向泵浦和双向泵浦。 同向泵浦 信号光与泵浦光以同一方向从掺铒光纤的输入端注入的结构,也称为前向泵浦。 反向泵浦 信号光与泵浦光从两个不同方向注入进掺铒光纤的结构,也称后向泵浦。 双向泵浦 同向泵浦和反向泵浦同时泵浦的结构。,20,三种不同泵浦方式EDFA结构,不同泵浦方式性能差异,21,22,6.2.3 EDFA性能参数,功率增益 输出功率特性 噪声特性,23,1. 功率增益,定义为输出功率与输入功率之比。 EDFA的增益大小与多种因素有关,通常为1540dB。,24,图6-14 增益(G)与掺铒光纤长度的关系,
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