光放大器2概念.ppt

§6.3 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。 为什么要用掺铒光纤放大器? 6.3.1 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。 掺铒光纤结构 输出信号功率与泵浦功率的关系 右图表示输出信号功率与泵浦功率的关系。 由图可见，能量从泵浦光转换成信号光的效率很高，因此EDFA很适合作功率放大器。 泵浦光功率转换为输出信号光功率的效率为 92.6 %，60 mW功率泵浦时，吸收效率为 88 %。[(信号输出功率 ? 信号输入功率) / 泵浦功率] EDFA各部分作用和要求: (1) 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。 是光纤放大器的关键部件，因而使掺铒光纤的设计最佳化是主要的技术关键。EDFA的增益与许多参数有关，如铒离子浓度、放大器长度、芯径以及泵浦光功率等。 (2) 泵浦源 为信号放大提供足够的能量，使增益介质达到粒子数反转 对泵浦源的基本要求是高功率和长寿命。它是保证光纤放大器性能的基本因素。 几个波长可有效激励掺铒光纤。 最先使用1480nm的InGaAs多量子阱(MQW)激光器，其输出功率可达 100mW，泵浦增益系数较高（6dB/mW以上 ）。 随后采用980nm波长泵浦，效率高（达10dB/mW）, 噪声低，现已广泛使用。 (3) 波分复用器 将信号光和泵浦光合路进入掺铒光纤中 对它的要求是插入损耗低，因而适用的WDM器件主要有熔融拉锥形光纤耦合器和干涉滤波器。 (4) 光隔离器 在输入、输出端插入光隔离器是为了抑制光路中的反射，从而使系统工作稳定可靠、降低噪声。 对隔离器的基本要求是插入损耗低、反向隔离度大。 小信号增益和泵浦功率的关系 对于给定的放大器长度L，放大器增益最初随泵浦功率按指数函数增加，但是当泵浦功率超过一定值后，增益的增加就减小，并趋于一恒定值。 小信号增益和光纤长度的关系 一个有用的关系式： 如不计ASE功率，可将增益表示为 例：用EDFA做功率放大器，设其增益为20dB，泵浦波长为980nm，输入光信号的功率为0dBm，波长为1550nm，求所用的泵浦功率为多少？解：入射功率 0dBm，即为1mW。由放大器增益表达式，可求出EDFA的输出信号光功率为100mW。由 增益钳制技术(1) 电控：监测EDFA的输入光功率，根据其大小调整泵浦功率，从而实现增益钳制，是目前最为成熟的方法。 增益钳制技术(2) 在系统中附加一波长信道，根据其它信道的功率，改变附加波长的功率，而实现增益钳制。 EDFA的大功率化(2) 掺铒光纤放大器研究的热点 动态增益均衡光纤放大器的技术要求 例 1 EDFA增益 例2 光放大器噪声指数 级联放大器系统的噪声特性分析 第1级 第2级 第N级 G1 G2 GN PASE1 G2PASE1+PASE2 级联放大器结构示意图 对于每一级放大器而言，都会对其前级输入的信号及信号噪声同时产生附加噪声，即ASE和噪声都是逐级累加。第N级输出的ASE功率为： 利用“黑箱”思想，将整个级联放大器系统等效为一个放大器，则第N级放大器的ASE输出功率就是此等效放大器的ASE输出功率，第N级放大器的输出增益就是此等效放大器的总增益。 等效放大器的噪声指数可以表述为： ? 即 在级联结构的光放大器系统中，当第一级的增益足够大时，整个系统的噪声指数主要取决于第一级光放大器的噪声指数。 级联结构放大器可以获得单级放大器不可能同时具有的低噪声、高增益（高功率）输出特性。 EDFA的应用， 归纳起来可以分为三种形式， 如下图所示。 ?中继放大器 （LA：Line Amplifier）在光纤线路上每隔一定的距离设置一个光纤放大器，以延长干线网的传输距离。 ?前置放大器 （PA：Preamplifier) 置于光接收机的前面，放大非常微弱的光信号，以改善接收灵敏度。作为前置放大器，对噪声要求非常苛刻。 ?后置放大器 （BA： Booster Amplifier) 置于光接收机的后面，以提高发射机功率。对后置放大器噪声要求不高，而饱和输出光功率