,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,电光中继器,探测器,输入光纤,接收机电路,信号再生,发射机,驱动电路,光源,输出光纤,光信号,电信号,光信号,O/E/O,O/E/O,O/E/O,l,1,l,n,l,1,l,n,l,1,l,2,l,n,WDM,WDM,第1页/共48页,电光中继器探测器输入光纤接收机电路信号再生发射机光源输出光纤,1,工作介质,泵浦源,输出信号光,输入信号光,光放大器,第2页/共48页,工作介质泵浦源输出信号光输入信号光光放大器第2页/共48页,2,第3页/共48页,第3页/共48页,3,光放大器的分类,1.,掺稀土元素光纤放大器,工作物质,掺镧系元素（铒，镨）的玻璃光纤,泵 浦 源,半导体激光器,工作原理,利用光的受激辐射,典型代表,EDFA PDFA,第4页/共48页,光放大器的分类1.掺稀土元素光纤放大器 工作物质掺,4,2.,非线性光纤放大器,工作物质,常规石英光纤,泵 浦 源,高功率连续或脉冲固体激光器,工作原理,利用光纤非线性效应,典型代表,光纤喇曼放大器，光纤布里渊放大器,3.,半导体激光放大器,工作物质,半导体材料,泵 浦 源,电源,工作原理,类似,LD,典型代表,驻波型放大器，行波型放大器,第5页/共48页,2.非线性光纤放大器 工作物质常规石英光纤 泵 浦 源高,5,EDFA,TW-LD,SRSA,工作原理,受激辐射,受激辐射,受激拉曼散射,泵浦方式,光,电,光,泵浦功率,W/m,0.0016,数百,210,5,工作长度,m,几数十米,0.310,-3,几千米,小信号增益,dB,50,25,35,50,输出光功率,dBm,可达,50,（以上）,10,20,频带宽度,GHz,10,3,10,3,10,3,噪声特性,好,差,好,与光纤耦合难易,容易,很难,容易,与光波的偏振关系,无,有（很大）,无,稳定性,好,差,较好,第6页/共48页,EDFATW-LDSRSA工作原理受激辐射受激辐射受激拉曼散,6,20,世纪,80,年代末期，波长为,1.55 m,的,掺铒,(Er),光纤放大器,(EDFA,：,ErbiumDoped Fiber Amplifier),研制成功并投入实用，把光纤通信技术水平推向一个新高度，成为光纤通信发展史上一个重要的里程碑,。,第7页/共48页,20世纪80年代末期，波长为1.55,7,掺铒光纤放大器,(EDFA,）,第8页/共48页,掺铒光纤放大器 (EDFA）第8页/共48,8,工作原理,重要指标（特性）,结构,应用,第9页/共48页,工作原理第9页/共48页,9,EDF,在石英光纤或氟化物光纤中适量掺入三价的铒（,Er,）金属元素，就形成,EDFA,的工作介质,掺铒光纤,EDF,第10页/共48页,EDF在石英光纤或氟化物光纤中适量掺入三价的铒（Er）金属元,10,铒离子的能带结构,450nm,490nm,520nm,530nm,600nm,800nm,980nm,1480nm,1530nm,激发态,亚稳态,基态,激发态,第11页/共48页,铒离子的能带结构450nm490nm520nm530nm60,11,为了详细说明,EDFA,的放大原理，下图给出了,Er,3+,离子与光放大作用有关的能级结构。,铒离子能带图,第12页/共48页,为了详细说明EDFA的放大原理，下图给出了,12,在掺铒光纤中注入足够强的泵浦光,当信号光通过掺铒光纤时,（,1,）泵浦波长、频带的选择,(1480nm,980nm),（,2,）,EDFA,的放大效应具有一定波长范围，其典型值为,15301570nm,。,铒离子能带图,第13页/共48页,在掺铒光纤中注入足够强的泵浦光铒离子能带图 第13页/共48,13,工作介质,泵浦源,输出信号光,输入信号光,？与半导体激光器进行比较,第14页/共48页,工作介质泵浦源输出信号光输入信号光？与半导体激光器进行比较第,14,自发辐射光子的噪声,Er,3+,离子处于亚稳态时，除了发生受激辐射和受激吸收以外，还要产生自发辐射，即,Er,3+,离子在亚稳态上短暂停留还没有机会与光子相互作用，就会自发地从亚稳态跃迁到基态并发射出,1550nm,波段的光子，这种光子与信号光不同，它构成,EDFA,的噪声。,由于自发辐射光子在掺铒光纤中传输时也会得到放大，因此在,EDFA,的输入光功率较低时，会产生较大的噪声。,第15页/共48页,自发辐射光子的噪声Er3+离子处于亚稳态时，除了发,15,掺铒光纤放大器的特性,增益特性,带宽（增益谱）,噪声特性,第16页/共48页,掺铒光纤放大器的特性增益特性第16页/共48页,16,增益,G,G,=10lg(,P,out,/,P,in,),第17页/共48页,增益GG=10lg(Pout/Pin)第17页/共48页,17,EDFA,的增益饱和特性曲线,第18页/共48页,EDFA的增益饱和特性曲线第18页/共48页,18,输入功率小时，光放大器的增益为一常数,G,s,(,G,s,称为小信号增益,),，随着输入光功率的增加光放大器的增益反而减小，称为光放大器的增益饱和现象。,增益,(,G,s,-,3dB),称为,3dB,饱和增益。,光放大器的最大输出功率常用,3dB,饱和输出功率,P,sat,来表示。定义为,3dB,饱和增益所对应的输出信号光功率。,第19页/共48页,输入功率小时，光放大器的增益为一常数Gs(Gs称为小信号增益,19,最佳光纤长度,G(dB),L,(m),0,10,20,30,40,P,p,=1mw,2mw,3mw,4mw,光放大器的增益,G,与泵浦情况及,EDF,的长度有关：,第20页/共48页,最佳光纤长度G(dB)L(m)010203040Pp=1mw,20,EDFA,的带宽,有效放大的光信号的频谱范围。,D,l,或,(Dn),商用,EDFA,的,D,l,为,240nm,第21页/共48页,EDFA的带宽 有效放大的光信号的频谱范围。Dl或(Dn),21,噪声指数,光放大器的噪声指数,NF,定义为输入信噪比,(,S,/,N,),in,和输出信噪比,(,S/N,),out,的商的分贝数,EDFA,噪声的来源？（,ASE,噪声）,EDFA,的,NF,较小，已接近量子极限,3dB,第22页/共48页,噪声指数 光放大器的噪声指数NF定义为输入信噪比(S/N)i,22,EDFA,的结构,前向泵浦,后向泵浦,第23页/共48页,EDFA的结构前向泵浦后向泵浦第23页/共48页,23,双向泵浦,第24页/共48页,双向泵浦 第24页/共48页,24,三种泵浦方式的放大器的比较,第25页/共48页,三种泵浦方式的放大器的比较 第25页/共48页,25,怎 样 使 用,E D F A,EDFA,在功能应用上可以分为作远距离传输的线路放大器、用作光反射机输出的功率放大器和用作光接收机前端的前置放大器。如图所示。,第26页/共48页,怎 样 使 用 E D F A第26页/共48页,26,（,1,）,线 路 放 大 器,掺铒光纤放大器作为线路放大器有许多特殊功,能是电子线路放大器不可比拟的：,1,、中继距离长。采用,“,光,-,电,-,光,”,的中继方式一般只能传输,70-80,公里就要加一级中继。而光放大器作中继可超过,150,公里，这种特性为在条件恶劣不宜加中继的地带的通讯带来极大的方便。,2,、它可用作数字、模拟以及相干光通信的线路放大器，即如果采用,EDFA,作为线路放大器，不管传输数字信号还是模拟信号，都不必改变,EDFA,设备。,第27页/共48页,（1）线 路 放 大 器 掺铒光纤放大器作为线路,27,3,、,EDFA,作为线路放大器，可在不改变原有噪声特性和误码率的前提下直接放大数字、模拟或二者混合的数据格式。特别适合光纤传输网络升级，实现语言、图象、数据同网传输时，不必改变,EDFA,线路设备。,4,、一个,EDFA,可同时传输若干个波长的光信号，即用光波复用扩容时，不必改变,EDFA,的线路设备。,5,、,EDFA,用作线路放大器，不必经过光电转换可以直接对光信号放大，结构简单可靠。,第28页/共48页,3、EDFA作为线路放大器，可在不改变原有噪声特性和误码率的,28,（,2,）,前 置 放 大 器,把,EDFA,置于光接收机,PIN,管光检测器的前面，来自光纤的信号经,EDFA,放大后再由,PIN,管检测。,强大的光信号使电子放大器的噪声可以忽略，最根本的原因是由于,EDFA,的信噪比优于电子放大器。所以，用,EDFA,作预放的光接收机具有较好的灵敏度。,第29页/共48页,（2）前 置 放 大 器把EDFA置于光接收机PIN管光检,29,（,3,）,功率放大器,把,EDFA,置于光发射机半导体激光器之后，光信号经,EDFA,放大后进入光纤线路，从而使光纤传输的无中继距离增大，可达,200,公里以上。,在,CATV,网络应用中，它能更有效地保证点对多点对的所谓星形结构的光功率分配。,在高速,Gbit/s,系统中，半导体激光器直接调制会发出“啁啁”声，如果采用,EDFA,对输出功率进行放大后再输入到光纤线路则能获得良好的效果。,EDFA,的应用领域非常的广泛，它不仅在现在的通讯、,CATV,、数据传输方面得到广泛的应用。而且在未来的各种通信制式中如相光通信、光孤子通信、全光通信等当中都将有突出的作用。,第30页/共48页,（3）功率放大器 把EDFA置于光发射机半导体激光器之后，,30,EDFA,的优点,可用做数字和模拟系统的中继器,可传输不同的码速，在系统增容时，,EDFA,线路设备可不必改变,增益频谱宽，可同时放大多信道中的光信号，适用于波分复用通信,（,波长透明、速率透明和调制方式透明,）,结构紧凑，可靠性高，价格低廉,第31页/共48页,EDFA的优点 可用做数字和模拟系统的中继器第31页/共48,31,EDFA,的缺点,波长固定,增益带宽不平坦,第32页/共48页,EDFA的缺点波长固定第32页/共48页,32,用于,WDM,的光纤放大器,WDM,系统中使用的光纤放大器应具有,:,低噪声系数,高输出功率,足够的带宽,平坦的增益,动态特性：不同波长信道的增益随输入信号光功率变化而产生的动态变化,第33页/共48页,用于WDM的光纤放大器 WDM系统中使用的光纤放大器应具有:,33,第34页/共48页,第34页/共48页,34,第35页/共48页,第35页/共48页,35,由于掺铒光纤的增益谱形所限，其不同的波长的增益亦不相同。在,DWDM,系统中，各信道增益的差别造成增益的不平坦性。当,EDFA,在系统级联使用时，由于此不平坦性的积累，会使增益较低信道的光信噪比迅速恶化，从而影响系统性能。,增益锁定是指,EDFA,在一定的输入光变化范围内提供恒定的增益，这样当一个信道的光功率发生变化时，其他信道的光功率不会受其影响。,在,DWDM,系统中的,EDFA,还要考虑,增益平坦,和,增益锁定,的问题。,第36页/共48页,由于掺铒光纤的增益谱形所限，其不同的波长的增益亦不相同。在D,36,用于,WDM,的光纤放大器的改进,选用,EDFA,的平坦区域,采用增益均衡和增益斜率补偿技术：连接一段掺钐光纤,利用光滤波器抑制,EDFA,增益不平坦：采用与增益谱相反的滤波谱特性的光滤波器来抑制增益不平坦,采用掺铝,EDFA,采用,掺铒氟化物玻璃光纤,第37页/共48页,用于WDM的光纤放大器的改进 选用EDFA的平坦区域第37页,37,掺铒光纤放大器的监控技术,监控系统必须具备监测和控制两大功能。,监测主要完成与系统性能有关的参量，包括输入输出信号光功率，泵浦电流、,EDFA,环境温度等的测量,控制功能主要是完成备用器件的切换（如：备用,EDFA,模块的切换及其他备用电设备的切换等）。,第38页/共48页,掺铒光纤放大器的监控技术 监控系统必须具备监测和控制两大功能,38,告警项目,分严重故障告警、一般故障告警和告警显示：,无输入信号（严重故障告警）