光纤通信课件刘增基_西安电子科技大学出版社7

第7章

光纤通信新技术

7.1 光放大器

7.2 光波分复用技术7.3 光交换技术

7.4 光孤子通信7.5 相干光通信技术

7.6 光时分复用技术7.7 波长变换技术返回主目录

光放大器概述 掺铒光纤放大器EDFA 半导体光放大器SOA 光纤拉曼放大器FRA

光放大器概述 光放大器的出现，可视为光纤通信发展史上的重 再放大(re-amplifying)、再整形(re-shaping)和 要里程碑。 再定时(re-timing) 光放大器出现之前，光纤通信的中继器采用光- 电-光(O-E-O)变换方式。– 装置复杂、耗能多、不能同时放大多个波长信道，在 WDM系统中复杂性和成本倍增，可实现1R、2R、3R中 继

光放大器(O-O)– 多波长放大、低成本，只能实现1R中继

光放大器的原理 光放大器的功能：提供光信号增益，以补偿光 信号在通路中的传输衰减，增大系统的无中继 传输距离。 在泵浦能量(电或光)的作用下，实现粒子数 反转(非线性光纤放大器除外),然后通过受 激辐射实现对入射光的放大。 光放大器是基于受激辐射或受激散射原理实现 入射光信号放大的一种器件。其机制与激光器 完全相同。实际上，光放大器在结构上是一个 没有反馈或反馈较小的激光器。

光放大器的类型 利用稀土掺杂的光纤放大器(EDFA、 PDFA) 利用半导体制作的半导体光放大器(SOA) 利用光纤非线性效应制作的非线性光纤放大 器(FRA、FBA)

几种光放大器的比较放大器 类型 原理 激励 工作长 方式 度光 电 光 数米到 数十米 100 m~ 1mm 数千米

噪声 特性好 差 好

与光 纤耦 合容易 很难 容易

与光 偏振 关系无 大 大

稳 定 性好 差 好

掺稀土光 粒子数反 纤放大器 转 半导体光 粒子数反 放大器 转 光纤(喇 曼)放大 器 光学非线 性(喇曼) 效应

光放大器的应用线路放大(In-line):周 期性补偿各段光纤损耗 功率放大(Boost):增加 入纤功率,延长传输距离

前置预放大(Pre-Amplify): 提高接收灵敏度

局域网的功率放大器：补偿 分配损耗，增大网络节点数

研究新热点 展宽带宽：C-band 40nm, L-band 再加40nm; 均衡功能：针对点对点系统的增益均衡，针对全 光网的功率均衡； 监控管理功能：在线放大器，全光网路由改变； 动态响应特性； 其它波段的光纤放大器，如Raman放大器。

光放大器概述 掺铒光纤放大器EDFA 半导体光放大器SOA 光纤拉曼放大器FRA

掺铒光纤放大器EDFA 掺杂光纤放大器利用掺入石英光纤的稀土离子作

为增益介质，在泵浦光的激发下实现光信号的放大，放大器的特性主要由掺杂元素决定。 工作波长为1550nm的铒(Er)掺杂光纤放大器(EDFA)

工作波长为1300nm的镨(Pr)掺杂光纤放大器(PDFA) 工作波长为1400nm的铥(Tm)掺杂光纤放大器(TDFA) 目前，EDFA最为成熟，是光纤通信系统必备器件。

掺铒光纤放大器给光纤通信领域带来的革命 EDFA解决了系统容量提高的最大的限制——光 损耗 补偿了光纤本身的损耗，使长距离传输成为可能

大大增加了功率预算的冗余，系统中引入各种新 型光器件成为可能 支持了最有效的增加光通信容量的方式-WDM 推动了全光网络的研究开发热潮

为什么要用掺铒光纤放大器 工作频带正处于光纤损耗最低处(1525-1565nm); 频带宽，可以对多路信号同时放大-波分复用； 对数据率/格式透明，系统升级成本低； 增益高(>40dB)、输出功率大(~30dBm)、噪声低 (4~5dB); 全光纤结构，与光纤系统兼容； 增益与信号偏振态无关，故稳定性好； 所需的泵浦功率低(数十毫瓦)。

EDFA的工作原理 EDFA采用掺铒离子单模光纤为增益介质，在泵浦光作用 下产生粒子数反转，在信号光诱导下实现受激辐射放大。Input signal 1530nm-1570nm 980nm or 1480nm Power laser (Pump) Amplified output signal

Fiber containing erbium dopant

信号光与波长较其为短的光波(泵浦光)同沿光纤传输，泵浦 光的能量被光纤中的稀土元素离子吸收而使其跃迁至更高能 级，并可通过能级间的受激发射转移为信号光的能量。信号 光沿光纤长度得到放大，泵浦光沿光纤长度不断衰减。

EDFA中的Er3+能级结构 泵浦波长可以是520、650、800、980、1480nm 波长短于980nm的泵浦效率低，因而通常采用980和 1480nm泵浦。泵浦 能带 快速非辐 射跃迁 亚稳态能带 吸收泵浦光 产生噪声 自发辐射 980nm 基态 能带 1480nm 受激吸收 光放大 受激辐射 1550nm

铒离子简化 能级示意图

掺铒光纤放大器的基本结构

掺铒光纤：当一定的泵浦光注入到掺铒光纤中时，Er3+从低能级被激发到 高能级上，由于在高能级上的寿命很短，很快以非辐射跃迁形式到较低能 级上，并在该能级和低能级间形成粒子数反转分布。 半导体泵浦二极管：为信号放大提供足够的能量，使物质达到粒子数反转。 波分复用耦合器：将信号光和泵浦光合路进入掺铒光纤中。 光隔离器：使光传输具有单向性，放大器不受发射光影响，保证稳定工作。

三种泵浦方式的EDFALD in APC WDM EDF in APC LD1 in APC WDM1 WDM2 EDF WDM APC LD2 out APC LD out EDF out APC

同向泵浦(前向泵浦) 型：好的噪声性能

反向泵浦(后向泵浦) 型：输出信号功率高

双向泵浦型：输出信 号功率比单泵浦源高 3dB,且放大特性与 信号传输方向无关