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WDM系统中光放大器性能介绍1光放大器概述 我们知道光纤有一定的衰耗,光信号尤其是光WDM(wavelength-division multiplex光波分复用)信号沿光纤传播将会衰减,传输距离受衰减的制约。因此,为了使光信号特别是光WDM信号传得更远,我们必须在中途对光进行放大。传统的增强光信号的方法是使用再生器。但是,这种方法存在许多缺点。随着光通信技术的发展,尤其是光WDM的进步,我们有了一种直接光放大技术—— 光放大器。 1.1 光放大器的特点 光放大器的工作不需要转换光信号到电信号,放大后再转回光信号,它是直接对光进行放大。这个特性导致光放大器比再生器有两大优势。第一,光放大器支持任何比特率和信号格式;第二,光放大器不仅支持单个信号波长放大—— 像再生器,而且支持多个波长信号(光WDM)的光信号放大。 1.2 光放大器的分类 现在主要有两种类型的光放大器:半导体光放大器(SOA)和光纤放大器(OFA)。半导体光放大器利用半导体材料固有的受激辐射放大机制,实现光放大,其原理和结构与半导体激光器相似。光纤放大器与半导体放大器不同,光纤放大器的活性介质(或称增益介质)是一段特殊的光纤或传输光纤,并且和泵浦激光器相连,当信号光通过这一段光纤时,信号光被放大。光纤放大器又可以分为掺稀土离子光纤放大器(Rare Earth Ion Doped Fiber Amplifier)和非线性光纤放大器。 1.3 光放大器的主要性能参数 光放大器是一个模拟器件,所以它的性能参数都是模拟参数。 1.3.1 增益(Gain) 增益是输出光功率与输入光功率之比,也就是: 增益＝POUT/PIN 其中POUT和PIN分别是输出光功率和输入光功率,功率的单位为瓦特,通常我们用分贝(dB)为单位来表示增益,也就是: 增益(dB)＝10lg(POUT/PIN) 1.3.2 噪声指数(NF) 光放大器的噪声指数(NF,Noise Figure)的定义式为光放大器输入输出端口的信噪比(SNR,Signal to Noise Ratio)的比值: 1.3.3 增益带宽 所谓增益带宽是指光放大器有效的频率(或波长)范围,通常指增益从最大值下降3dB时,对应的波长范围,对于WDM系统,所有光波长通道都要得到放大,因此,光放大器必须具有足够宽的增益带宽。 1.3.4 饱和输出功率 光放大器的输入光功率范围有一定的要求,当输入光功率大于某一阈值时,PT就会出现增益饱和;增益饱和是指输出功率不再随输入功率增加而增加或增加很小。根据ITU-T的建议,当增益比正常情况低3dB时的输出光功率称为饱和输出功率,Ps,其单位通常用dBm表示。 2掺铒光纤放大器 一种类型的光纤放大器是掺稀土离子光纤放大器。掺稀土离子光纤放大器是利用稀土金属离子作为工作物质,利用离子的受激辐射进行光信号放大。用在光放大器中的稀土金属离子通常有铒(Er)、钕(Nd)、镨(Pr)、铥(Tm)等。掺稀土离子光纤放大器中比较成熟的是掺铒光纤放大器(EDFA)。 2.1 掺铒光纤放大器的工作原理 2.1.1 掺铒光纤中Er3+离子受激辐射和自发辐射 掺铒光纤是光纤放大器的核心,它是一种内部掺有一定浓度Er3+的光纤,为了阐明其放大原理,需要从铒离子的能级图讲起。铒离子的外层电子具有三能级结构,其中E1是基态能级,E2是亚稳态能级,E3是高能级。 当用高能量的泵浦激光来激励掺铒光纤时,可以使铒离子的束缚电子从基态能级大量激发到高能级E3上。然而,高能级是不稳定的,因而铒离子很快会经历无辐射跃迁落入亚稳态能级E2。而E2能级是一个亚稳态的能带,在该能级上,粒子的存活寿命较长(大约10ms)。受到泵浦光激励的粒子,以非辐射跃迁的形式不断地向该能级汇集,从而实现粒子数反转分布－即亚稳态能级E2上的离子数比基态E1上的多。当具有1550nm波长的光信号通过这段掺铒光纤时,亚稳态的粒子受信号光子的激发以受激辐射的形式跃迁到基态,并产生出与入射信号光子完全相同的光子,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传输过程中的不断被放大的功能。 在EDF中绝大多数受激Er离子因受激辐射而被迫回到基态E1,但它们中有一部分是自发回落到基态的。当这些受激离子衰变时,它们也自发地辐射光子。自发辐射的光子与信号光子在相同的频率(波长)范围内,但它们是随机的。那些与信号光子同方向的自发辐射光子也在EDF中放大。这些自发辐射并被放大的光子组成放大的自发辐射(ASE)。由于它们是随机的,它们对信号没有贡献,却产生了在信号光谱范围内的噪声。 2.1.2 掺铒光纤放大器光学结