第6章光放大器和光中继器汇编.ppt

第六章　光放大器和光中继器 由前叙光纤的传输特性可知，影响光纤通信距离的两大因素是光纤的损耗和色散。 光纤的损耗是指：光脉冲信号在光纤中传输，随着距离的增加，脉冲幅度逐渐变小。 光纤的色散是指：光脉冲信号在光纤中传输，随着传输距离的增加，脉冲宽度在时间上发生展宽，产生波形的畸变。 为了保证光纤长距离传输的性能指标，就需在线路的适当距离设立中继站，一种是光/电/光转换形式,另一种是直接对光进行放大的光放大器. §6-1光放大器的分类 一、半导体光放大器(SOA: Semiconductor Optical Amplifier) 它是由半导体材料制成，可看成是没有反馈的半导体行波放大器。 二、掺铒光纤放大器 1、掺铒光纤放大器（EDFA: Erbium-Doped Fiber Amplifier），Er（铒）是一种稀土元素，将它注入到纤芯中，即形成了一种特殊光纤，它在泵浦光的作用下可直接对某一波长的光信号进行放大。因此，称为掺铒光纤放大器。　 2、DEFA的优点 1）工作波长在1.53～1.56μm范围，与光纤最小损耗窗口一致。 2）对掺铒光纤进行激励的泵浦功率低，仅需几十mW。 3）增益高，噪声低，输出功耗大，它的增益可达40dB。噪声可低至3～4 dB，输出功率可达14～20 dBm。 4）连接损耗低，因为是光纤型放大器，所以与光纤连续比较容易，连接损耗可低到0.1dB。 5）可实现透明传输：所谓透明，是指可同时传输模拟和数字信号，高、低比特率信号，系统扩容时，可改动端机面不改动线路。 §6-2 EDFA的结构 一、构成 EDFA主要由掺铒光纤（EDF），泵浦光源，光耦合器，光隔离器以及光波滤波器组成（如图6.1）。 1480或980 nm 激勵光源 摻鉺光纖 WDM 光纖耦合器 光帶通 濾波器 光隔離器 輸入光 輸出光 二、作用 光耦合器：是将输入光信号和泵浦光源输出的光波混合起来，它是无源光器件，一般采用波分复用器（WDM） 光隔离器：是防止反射光影响光放大器的工作稳定性，保证光信号只能正向传输的器件。 掺铒光纤：是一段长度大约为10～100m的石英光纤，将稀土元素铒离子注入到纤芯中，浓度约为25mg/kg。 泵浦光源：为半导体激光器，输出功率约为10～100mw（几十mw），工作波长为0.98μm。 光滤波器：其作用是滤除光放大器的噪声，降低噪声对系统的影响，提高系统的信噪比。 由图6.1可见，EDFA的主体部件是泵浦光源和掺铒光纤。 三、按泵浦光源的泵浦方式不同，EDFA分三种结构 1°同向泵浦结构 输入光信号与泵浦光源输出的光波，以同一方向注入掺铒光纤（如图6.1）。 2°反向泵浦结构 输入光信号与泵浦光源输出的光波，从相反方向注入掺铒光纤（如图6.2）。 3°双向泵浦结构 同时具备1°和2°的泵浦光源（如图6.3）。 从输出功率看：单泵浦的输出功率可达14 dBm，双泵浦达17 dBm。 §6-3 EDFA的工作原理 在§3-2节，我们讨论了半导体激光器的工作原理，它是在泵浦源（能使工作物质产生粒子数反转分布的外界激励源）的作用下，使工作物质的粒子处于反转分布状态，具有了光放大作用，对于EDFA，其基本原理相同。 简言之，在泵浦源的作用下，在掺铒光纤中出现了粒子数反转分布，产生了受激辐射，从而使光信号得到放大，由于EDFA具有细长的纤形结构，使得有源区的能量密度很高，光与物质的作用区很长，这样，可以降低对泵浦源功率的要求。 由图6.4可见，铒离子有三个工作能级。(09*5) E1：最低，称为基态 E2：亚稳定 E3：最高，称为激发态 在未受任何光的情况下，处在最低能级E1上，当用泵浦光源的激光不断地激发掺铒光纤时，处于基态的离子获得了能量，就会向高能级跃迁。 基態 E1 E2 E3 e- 非輻射衰減 受 激 輻射 激勵光 受 激 吸收 激發態 能量 輸出放大光 (1530-1570 nm) 980 nm 1460 nm (?sp?1?s) 亞穩態 (?sp?10ms) 1540 nm 自發 輻 射 如果由E1跃迁E3到。由于粒子在E3这个高能级上是不稳定，它将迅速以无辐射过程落到亚稳态上E2，在该能级上，粒子相对来讲有较长的存活寿命，由于泵浦光源不断地激发，则E2能级上的粒子就不断地增加，而E1上的粒子数就少，这样，在这段掺铒光纤中，就实现了离子数反转分布，就存在了实现光放大的条件。 当输入光信号的光子能量E＝hf，