《光放大技术》PPT课件.ppt
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1、2023/7/10,6-1 概述;6-2 EDF的结构与EDFA工作原理;6-3 EDFA的特性;6-4 EDFA在光纤通信系统中的应用以及大功率 化;本章思考题。,第六章的主要内容,2023/7/10,6-1 概述,一、O/E/O中继和光放大技术 光纤通信线路的最大中继距离受光纤的损耗和色散影响,它们都是随传输距离的增加不断累积,损耗的累积导致信号幅度(脉冲幅度)减小,min影响传输质量。系统设计:损耗、色散预算。光放大器的出现,可视为光纤通信发展史上的重要里程碑。光放大器出现之前,光纤通信的中继器采用光电光(O-E-O)变换方式。装置复杂、耗能多、不能同时放大多个波长信道,在WDM系统中复
2、杂性和成本倍增,可实现1R、2R、3R中继。,2023/7/10,6-1 概述,如图所示,传统的光/电/光的放大方式必须首先解复用出单根光纤中的多个信道,然后对每一个信道进行放大,最后再复用在一起,装置复杂、成本倍增。,2023/7/10,6-1 概述,复习课件时点击右向箭头播放下一段动画!此动画是直接光放大工作原理的动画:无需转换为电信号、通过一段特种光纤直接进行光放大、可以同时放大多个信道、装置简单(只需几个无源器件和低速电子元件)。,2023/7/10,6-1 概述,光放大器(O-O):EDFA(Erbium-doped Optical Fiber Amplifer:掺铒光纤放大器)多波
3、长放大、低成本,只能实现1R中继。光纤放大器的出现,是光纤通信发展史上的重要里程碑。二、EDFA出现的时间背景 二十世纪60年代开始研究掺杂光纤放大器,把稀土金属离子在光纤制作过程中掺入光纤的纤芯中,使用泵浦光信号放大,提供光增益。但是一直没有重大的技术突破。直到1987年,EDFA取得突破性进展,英国南安普顿大学和美国AT&T Bell实验室报道了离子态的稀土元素铒在光纤中可提供1.55m通信波段的光增益,随后开始提供实际应用。,2023/7/10,6-1 概述,三、EDFA的优点工作波长在1550nm波段(15301565nm,约40nm)范围,与光纤最小损耗窗口一致;对EDF进行激励的泵
4、浦功率低,仅需几十毫瓦,而光纤拉曼放大器需0.5w以上的泵浦源进行激励;增益高、噪声低、泵浦效率高、输出功率大,增益可达40dB,噪声系数可低至37dB,输出功率可达1220dBm;EDFA的主体是一段EDF光纤,它与线路光纤的耦合损耗很小,可达0.1dB以下;,2023/7/10,增益特性与光的偏振态无关,信号放大时与光信号的传输方向也没有关系,可以实现双向放大(光纤放大器内无隔离器时);对不同传输速率的数字体系具有完全的透明度,即与准数字体系和同步数字体系的各种速率兼容,调制方案可任意选择;EDFA的工作电流比3R(O/E/O)中继放大器的小,因此可以减小远供电流,从而降低了海缆的电阻和绝
5、缘性能的要求;,6-1 概述,2023/7/10,在多信道应用中可进行无串话传输;放大器中只有低速电子装置和几个无源器件,结构简单,可靠性高。四、光放大器的类型利用稀土掺杂的光纤放大器(EDFA、PDFA);利用半导体制作的半导体光放大器(SOA);利用光纤非线性效应制作的非线性光纤放大器(FRA、FBA);光子晶体光纤放大器。,6-1 概述,2023/7/10,1.光放大器的应用现状各种光放大器中,以掺杂光纤放大器研究的居多;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的铒掺杂光纤放大器(EDF
6、A);工作波长为1300nm的镨掺杂光纤放大器(PDFA);工作波长为1400nm的铥掺杂光纤放大器(TDFA);目前,EDFA最为成熟,是光纤通信系统必备器件。,6-1 概述,2023/7/10,2.EDFA给光纤通信领域带来的革命 EDFA解决了系统容量提高的最大的限制光损耗;补偿了光纤本身的损耗,使长距离的光纤传输成为可能;大大增加了功率预算的冗余,系统中引入各种新型光器件成为可能;支持了最有效的增加光通信容量的方式-WDM;推动了全光网络的研究开发热潮。,6-1 概述,2023/7/10,一、EDF的结构 EDF在泵浦光的作用下,直接对信号光进行放大,是提供光增益的核心部件。,6-2
7、EDF的结构与EDFA工作原理,2023/7/10,对于EDF,为了实现有效放大所要求的足够多的铒离子数反转,应该增加掺铒区泵浦光的功率密度,为此,需要减小纤芯横截面积Aeff,从而使EDF的结构最佳化;定义有效纤芯面积Aeff为同时,适当减小b/a值也是必要的,把掺铒区局限在光纤纤芯的中心,但较小的值减小了对泵浦光的吸收效率,并要求较长的EDF,或较高的铒离子浓度;掺铝是为了展宽频带宽度(带宽由掺杂剂决定)。,6-2 EDF的结构与EDFA工作原理,2023/7/10,二、EDFA的工作原理 铒的自由离子具有不连续的能级,当Er3+被结合到硅光纤时,它们的每个能级被分裂为许多紧密相关的能级-
8、能带。能级分裂为能带以后会有什么影响?在EDFA中能级分裂为能带是有利的:第一:使EDFA对光信号的放大不只是单个波长而是一组波长的能力,即在一段波长范围内的光波长都可以得到放大;第二:避免了细调泵浦激光波长。,6-2 EDF的结构与EDFA工作原理,2023/7/10,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,信号光诱导实现受激辐射放大。信号光与波长较其为短的光波(泵浦光)同沿光纤传输,泵浦光的能量被光纤中的稀土元素离子吸收而使其跃迁至更高能级,并可通过能级间的受激发射转移为信号光的能量。信号光沿光纤长度得到放大,泵浦光沿光纤长度不断衰减。,6-2 EDF的结构与
9、EDFA工作原理,2023/7/10,吸收带可以是520、650、800、980、1480nm;波长短于980nm的泵浦效率低,因而通常采用980和1480nm泵浦。Er3+有三个工作能级:,6-2 EDF的结构与EDFA工作原理,2023/7/10,实现粒子数反转的过程:-电子吸收泵浦光跃迁 Er3+在未任何光激励的情况下,处于最低能级基态上。在980nm泵浦光的作用下,电子不断从基态能级吸收泵浦光的能量跃迁到激发态,但是电子在激发态的生存期很短,对于,平均寿命为1us,电子迅速以“非辐射方式跃迁至亚稳态,在亚稳态上电子有较长的寿命,在源源不断的泵浦下,亚稳态上的粒子数积累,从而实现粒子数反
10、转分布;电子被1480nm的泵浦光不断地泵浦到亚稳态上,此时电子在亚稳态上生存期较长(10ms),不断地积累实现粒子数反转分布。,6-2 EDF的结构与EDFA工作原理,2023/7/10,此动画为实现粒子数反转分布的动画:基态的电子在泵浦光的作用下被源源不断的抽运到泵浦态,泵浦态的电子以无辐射的形式跃迁到亚稳态。,6-2 EDF的结构与EDFA工作原理,2023/7/10,实现光放大的过程:当WDM的信号光通过这段粒子数反转分布的EDF时,电子在WDM信号光作为感应光场的情况下,从亚稳态受激辐射到基态上,并产生与输入光子完全一样(具有相同波长、相同方向和相同相位)的光子,从而实现信号光在ED
11、F的传播过程中被放大。因此,简单地说,EDFA放大就是把泵浦能量转换为信号光的能量,而且它的效率很高。泵浦效率等因素的影响,980nm、1480nm半导体激光器更适合于EDFA的泵浦光源,而且这两种半导体激光器已经得到很好的商用化。另外,980nm相对于1480nm而言,增益高、噪声小,是目前EDFA的首选泵浦光源。,6-2 EDF的结构与EDFA工作原理,2023/7/10,此动画为实现光放大过程的动画:亚稳态上的反转分布粒子在信号光的感应下跃迁到基态上,释放出一模一样的大量光子,从而实现光放大。,6-2 EDF的结构与EDFA工作原理,2023/7/10,三、EDFA的基本光路结构和泵浦方
12、式1.基本光路结构2.泵浦方式 EDFA的光路结构按照所采用的泵浦方式可以分为三种形式:,6-2 EDF的结构与EDFA工作原理,2023/7/10,6-2 EDF的结构与EDFA工作原理,反向泵浦(后向泵浦)型:输出信号功率高。,输出信号功率比单泵浦源大约高3dB,且放大特性与信号传输方向无关,正向泵浦(同向泵浦)型:好的噪声性能。,2023/7/10,由于光纤对1480nm的光损耗较小,所以1480nm泵浦光常用于遥泵方式。光路结构中的器件说明:光纤耦合器:波长敏感型光纤耦合器(WDM),将泵浦光和信号光复用耦合进EDF;光隔离器:保证光信号正向传输的器件、防止反射光影响EDFA的工作稳定
13、性;,6-2 EDF的结构与EDFA工作原理,Remote Pumping,2023/7/10,EDF:长度10100m的掺铒光纤,铒离子的浓度约100 2000ppm(part per million);泵浦光源:半导体激光器,980/1480nm,泵浦功率为10200mW;光滤波器:滤除放大器的噪声,降低噪声对系统的影响,提高系统的信噪比。其中,主体部件是泵浦光源和EDF。一方面,EDFA的引入使系统的中继距离加大,节省设备成本,另一方面,新的问题也将产生,如非线性、噪声(前向、后向传输)积累以及增益均衡等。,6-2 EDF的结构与EDFA工作原理,2023/7/10,一、增益(光的放大性
14、质)增益是评价一个光放大器时的第一特性。1.定义 增益G是输出光功率与输入光功率之比,即 G=Pout/Pin以分贝表示:实际上,计算增益时往往需考虑噪声功率:,6-3 EDFA的特性,2023/7/10,6-3 EDFA的特性,例:EDF的输入光功率是300W,输出功率是60mW,EDFA的增益是多少?假如放大自发辐射噪声功率是30W,EDFA的增益又是多少?解:EDFA增益是或当考虑放大自发辐射噪声功率时,EDFA增益为!!以上结果是单个波长光的增益,不是整个EDFA带宽内的增益。,2023/7/10,2.增益饱和(饱和输出功率)输入信号的功率越大增益G越大!一个高功率的输入信号,意味着每
15、单位时间内大量的光子进入EDF,然后这些光子在单位时间内激发高能级到低能级的大量迁移,这意味着高能级会很快耗尽光子,即:输入光功率越大,高能级将会有很少的粒子数。高能级上的粒子数耗尽意味着增益的减少,这种现象称为增益饱和。饱和输出功率:增益相对小信号增益减少3dB时的输出信号的光功率称为饱和输出功率。,6-3 EDFA的特性,2023/7/10,小信号增益:EDFA工作在线性范围区域时的增益,此时在给定的信号波长和泵浦功率下,增益G基本上与输入信号光功率无关,即:输入光功率较小(小信号)时,增益是一个常数,用G0表示,输出光功率Pout与输入光功率Pin成正比例。增益比小信号增益降低3dB时的
16、波长间隔,称为小信号增益波长带宽,可以达到35nm以上。,6-3 EDFA的特性,2023/7/10,6-3 EDFA的特性,G0,2023/7/10,3.增益G是激励光纤长度的函数 EDF有一最佳长度。EDF中泵浦租用是沿激励光纤长度提供的,对于一定的泵浦光功率,如果EDF的长度超过了一定的范围,泵浦光功率沿光纤衰减,然后消耗到阈值功率以下,信号光将会受到越来越小的增益,并且最终经受损耗,即:低能级上有比高能级上更多的电子,其能量不足以使EDF中的粒子数翻转,而且要吸收已放大的信号能量,此时,EDF对信号光开始产生吸收损耗。因此,EDF有一最佳长度,它与光纤的特性有关,如:掺杂浓度、增益带宽
17、等。,6-3 EDFA的特性,2023/7/10,6-3 EDFA的特性,小信号增益随放大器长度而变的曲线,增益的大小考虑了EDF的长度以后,还有什么因素需要考虑?,2023/7/10,4.小信号增益随泵浦功率而变 泵浦功率越大,激发到高能级上的电子数量就越多,EDFA的增益就越大,但是,并不是说高的泵浦功率会从低能级上扫除所有的电子!光放大是一个动态过程,在低能级不断堆积信号光激发从激发态能级上落下的电子。对于给定的放大器长度(EDF长度),增益随泵浦功率在开始时按指数增加,当泵浦功率超过一定值时,增益增加变缓,并趋于一恒定值。,6-3 EDFA的特性,2023/7/10,EDFA放大多信道
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