第十章 光放大技术.ppt

光纤通信与数字传输 南京邮电大学 通信与信息工程学院 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。 10.1 光纤放大器 光信号在光纤中传输时，会收到光纤衰减和色散等因素的影响。传统的光纤通信系统依赖间隔一定的距离设置中继器，对由于衰减和色散引起的信号劣化进行再生，但光/电/光方式再生的中继器已经不能适应高速率长距离光纤通信系统的要求。克服光纤衰减的最有效的措施就是使用光放大器。 光放大器的基本原理是利用受激辐射或受激散射来实现光信号的放大。 图10-1 光放大器类型 10.1.1 光放大器的基本原理 光放大器的基本原理是受激辐射或受激散射效应，其基本机制和激光器的发光原理非常相似。实际上，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。一般来说，光增益不仅与入射光频率（波长）有关，也与放大器内部光束强度有关。光增益与频率和强度的关系取决于放大器增益介质的特性。 10.1.2 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 1. 泵浦和增益系数 光放大器的能源是由外界泵浦提供的。根据掺杂物能级结构的不同，泵浦可以分为三能级系统和四能级系统。图10-2给出了两种泵浦原理的示意图。在两种系统中，掺杂物都是通过吸收泵浦光子而被激发到较高能态，再快速驰豫到能量较低的激发态，使储存的能量通过受激辐射被释放出来放大光信号。 图10-2 两种泵浦原理示意图 2. 增益谱宽与放大器带宽 增益谱宽定义为增益谱g(ω)降至最大值一半处的全宽（FWHM）。 放大器的带宽定义为G(ω)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。 3. 增益饱和和饱和输出功率 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。 图10-3 放大器增益随输出功率的变化 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 （10-10） 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。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6～8dB。 10.2 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1.55μm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。 10.2.1 EDFA的工作原理 掺铒光纤放大器（EDFA，Erbium Doped Fiber Amplifier是目前最成熟的光放大器。EDFA主要由掺铒光纤（EDF）、泵浦光源、耦合器、隔离器等组成，如图10-4所示。 补充：铒原子的三能级结构 图10-4 EDFA的基本组成 10.2.2 EDFA特性 增益特性 输出功率特性 噪声特性 1. 增益特性 增益特性表示了放大器的放大能力，其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15～40dB。 图10-6 增益（G）与掺铒光纤长度的关系 2. 输出功率特性 理想的光放大器，不管输入功率多高，光信号都能按同一比例被放大，但实际的EDFA却并非如此。当输入功率增加时，受激辐射加快，以至于减少了粒子反转数，使受激辐射光减弱，输出功率趋于平稳。EDFA的输入/输出关系如图所示。 3. 噪声特性 EDFA的输出光中，除了有信号光外，还有自发辐射光，它们一起被放大，形成了影响信号光的噪声源，EDFA的噪声主要有以下四种：①信号光的散粒噪声；②被放大的自发辐射光的散粒噪声；③自发辐射光谱与信号光之间的差拍