光纤通信课件刘增基_西安电子科技大学出版社7

时间:2025-07-10

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

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