光纤通信_第5章 光放大器.pptVIP

第5章 光放大器 5.1 引言 5.2 掺铒光纤放大器EDFA 5.3 受激拉曼光纤放大器SRA 5.4 其他光纤放大器 5.5 半导体光放大器SOA 5.6光放大器的应用 5.1 引 言 在光放大器研制成功之前， 主要采用光电混合中继器（或称再生器）放大光信号。 首先将光纤中送来的光信号转换为电信号， 然后对电信号进行放大， 最后再将放大了的电信号转换为光信号送到光纤中去， 如图5.1所示。 根据不同的要求， 可将再生器分为三种类型: 只有放大和均衡功能的1R再生器， 用于模拟信号的传输; 2R再生器， 即在1R的基础上加上数字信号处理(如整形(Reshaping))的再生器； 3R再生器， 即在2R的基础上再增加重新定时与判决功能（Retiming）的再生器。 尽管这种方式对于单个波长且数据速率不太高的通信很适用， 但对于高速率的多个波长系统显然是相当复杂的， 每一波长就需一个再生器， 如有N个波长就需要N个这样的再生器，造价是相当高的。另一方面， 对于很高的数据速率，电放大器的实现难度很大。 因此， 人们试图对光信号直接放大， 如果这种放大的带宽较宽， 则可以同时对多个波长进行放大，因而只需一个放大器即可。 人们经过很大的努力， 终于研制成功了全光放大器， 它可同时对多个波长进行放大。 5.2 掺铒光纤放大器EDFA 光纤放大器是提升衰减的光信号， 延长光纤的传输距离的关键器件。 光纤放大器的主要特性如下： (1) 增益: 输出光功率与输入光功率的比值（以dB为单位）。 (2) 增益效率: 增益对输入光功率的函数。 (3) 增益带宽: 放大器放大信号的有效频率范围。 (4) 增益饱和: 输入信号足够大， 引起放大器的饱和增益。 饱和时的增益随信号功率增加而减小。 (5) 增益波动: 是增益带宽内的增益变化范围（以 dB为单位）。 5.2.1 EDFA的放大原理 铒(Er)是一种稀土元素， 在制造光纤过程中， 设法向其掺入一定量的三价铒离子， 便形成了掺铒光纤（EDF）。 除了所掺的铒以外， 这种光纤的构造与通信中单模光纤的构造一样， 如图5.3所示。 铒离子位于EDF的纤芯中央地带， 将铒离子放在这里有利于其最大地吸收泵浦和信号能量， 从而产生好的放大效果。 铒离子的发光原理可用三能级系统来解释， 在泵浦光的激励下，　高能级上的粒子数不断增加， 又由于其上的粒子不稳定， 很快跃迁到亚稳态能级， 从而实现了粒子数反转。 当具有1550 nm波长的光信号通过这段掺铒光纤时， 亚稳态的粒子以受激辐射的形式跃迁到基态， 并产生出和入射光信号中的光子一模一样的光子， 从而大大增加了信号光中的光子数量， 即实现了信号光在掺铒光纤的传输过程中不断被放大的功能， 掺铒光纤放大器也由此得名。 在铒粒子受激辐射的过程中， 有少部分粒子以自发辐射形式自己跃迁到基态， 产生带宽极宽且杂乱无章的光子， 并在传播中不断地得到放大， 从而形成了自发辐射放大ASE(Amplified Spontaneous Emission)噪声， 并消耗了部分泵浦功率， 因此， 需增设光滤波器以降低ASE噪声对系统的影响。 目前， 由于980 nm和1480 nm的泵浦效率高于其他波长的泵浦效率， 因此它们得到了广泛的应用， 并已完全商用化。 5.2.2 EDFA的组成结构 ?图5.5显示了EDFA的基本组成， 包括： 泵浦激光、 波分复用(WDM)耦合器、 光隔离器和掺铒光纤（EDF）。 这些基本组件可以组成许多不同拓扑结构的放大器。 为了获得增益， 光能必须注入掺铒光纤中， 我们把这种能量称为泵浦， 它以980 nm或1480 nm的波长传送光能。 泵浦的功率典型范围是10～400 mW。 WDM合波/分波器能有效地将信号光和泵浦光耦合进/出掺铒光纤。 光隔离器将系统所产生的任何反射回放大器的光减小到一个可接受的水平。 如果没有光隔离器， 光反射将降低放大器的增益并附加噪声， 如图5.5所示。 EDFA常用的结构有三种， 即同向泵浦、 反向泵浦和双向泵浦。 (1) 同向泵浦是一种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，噪声性能较好。