第七章_光纤通信新技术

2.4 掺铒光纤放大器的基本特性
掺铒光纤放大器的基本特性主要包括: 掺铒光纤放大器的基本特性主要包括: ♣ 增益特性 ♣ 输出功率特性 ♣ 噪声特性
2.4.1 增益特性
增益特性表示放大器的放大能力。 增益特性表示放大器的放大能力。定义为输出信号光功率与 输入信号光功率之比，一般为15~40dB。影响增益的因素很多， 输入信号光功率之比，一般为15~40dB。影响增益的因素很多， 如掺铒浓度、输入信号大小、泵浦光功率和光纤长度等。 如掺铒浓度、输入信号大小、泵浦光功率和光纤长度等。 ♣ 当掺铒浓度超过一定值时，放大器增益反而降低。原因是 当掺铒浓度超过一定值时，放大器增益反而降低。 过量的铒离子会产生聚合，引起浓度消光现象。 过量的铒离子会产生聚合，引起浓度消光现象。 ♣ 增益与输入信号光功率成反比，即小信号输入时的增益较 增益与输入信号光功率成反比， 而大信号输入时的增益较小。如图8所示。 大，而大信号输入时的增益较小。如图8所示。 ♣ 增益随泵浦功率的增加而增加，但当泵浦功率增加很多时， 增益随泵浦功率的增加而增加，但当泵浦功率增加很多时， 增益基本保持不变，出现饱和。如图9所示。 增益基本保持不变，出现饱和。如图9所示。 ♣ 增益随光纤长度的增加而增加，但光纤超过一定长度后， 增益随光纤长度的增加而增加，但光纤超过一定长度后， 增益反而逐渐下降，故存在一个可获得最大增益的最佳长度。 增益反而逐渐下降，故存在一个可获得最大增益的最佳长度。
4I 13/2
亚稳态
4I
15/2
基态 图4 EDFA的能带结构 EDFA的能带结构
铒离子吸收和发射主要发生在下列能级之间： 铒离子吸收和发射主要发生在下列能级之间： ♣ 吸收过程：从基态4I15/2→ 4I13/2 ，对应波长1480nm； 吸收过程： 对应波长1480nm；
4I 15/2→ 4I
第二节 掺铒光纤放大器
2.1 掺铒光纤放大器的组成
掺铒光纤放大器主要由掺铒光纤（EDF）、泵浦光源、 ）、泵浦光源 掺铒光纤放大器主要由掺铒光纤（EDF）、泵浦光源、光 耦合器、光隔离器、光滤波器等组成，如图3所示。 耦合器、光隔离器、光滤波器等组成，如图3所示。
信号光输入 光隔离器 光耦合器 EDF 光隔离器 信号光输出 光滤波器
4I 11/2
激发态 无辐射跃迁
980nm
4I
13/2
亚稳态
1480nm
4I 15/2
电子吸收泵浦光辐射跃迁
1520∼ 1520∼1560 nm 基态 受激辐射跃迁
图5 EDFA的光放大原理 EDFA的光放大原理
2.3 掺铒光纤放大器的基本结构
掺铒光纤放大器根据内部构造，按泵浦方式可分为同向泵 掺铒光纤放大器根据内部构造， 浦结构、反向泵浦结构和双向泵浦结构三种基本结构。 浦结构、反向泵浦结构和双向泵浦结构三种基本结构。
泵浦光源
图3 EDFA的基本组成 EDFA的基本组成
泵浦光 掺铒光纤 输入信号 耦合器 1550nm 光隔离器
输出信号
图3 掺铒光纤放大器组成原理图
掺铒光纤放大器各部分的作用
♣ 掺铒光纤：长度为10~100米的石英光纤，掺铒浓度为 掺铒光纤：长度为10~100米的石英光纤 米的石英光纤， 25~1000ppm（ 25~1000ppm（10–6，mg/kg），芯径3~5µm。 mg/kg），芯径3~5µ ），芯径 ♣ 光耦合器：将入射光信号与泵浦光源输出的光波混合起 光耦合器： 来的无源光器件。 来的无源光器件。 ♣ 光隔离器：防止反射光影响光放大器的工作稳定性，保 光隔离器：防止反射光影响光放大器的工作稳定性， 证光信号只能正向传输的器件。 证光信号只能正向传输的器件。 ♣ 泵浦光源：一般采用大功率半导体激光二极管，输出光 泵浦光源：一般采用大功率半导体激光二极管， 功率约为10~100mW，工作波长可以是530、650、800、980、 功率约为10~100mW，工作波长可以是530、650、800、980、 1480nm，最佳波长为980nm和1480nm。 1480nm，最佳波长为980nm和1480nm。 ♣ 光滤波器：滤除光放大器的噪声，降低噪声对系统的影 光滤波器：滤除光放大器的噪声， 以提高信噪比。 响，以提高信噪比。
对应波长980nm； 11/2，对应波长980nm；
♣ 发射过程：从激发态4I13/2→ 4I15/2，对应波长1520~1560nm 发射过程： 对应波长1520~1560nm
4I
11/2
τ∼1 τ∼1µs τ∼10ms τ∼10ms
4I
980nm
13/2
1480nm
4I 15/2
1520∼ 1520∼1560 nm 图4 EDFA的能带结构和光放大原理 EDFA的能带结构和光放大原理
EDF 隔离器 同向泵浦 输入信号 耦合器 隔离器 输出信号
泵浦激光器 EDF
隔离器 反向泵浦 输入信号
耦合器
隔离器 输出信号
泵浦激光器 EDF 耦合器 耦合器
隔离器 双向泵浦 输入信号
隔离器 输出信号
泵浦激光器
泵浦激光器
图6 三种泵浦EDFA的结构 三种泵浦EDFA的结构
2.3.3 双向泵浦掺铒光纤放大器
第七章 光纤通信新技术
第一节 第二节 第三节 光放大器 掺铒光纤放大器 光波分复用技术
第四节 光波分复用器和解复用器
第一节 光放大器
1.1 光放大器的作用
在光纤通信系统中，随着传输距离的增加， 在光纤通信系统中，随着传输距离的增加，由于损耗的存 在，使得信号幅度逐渐减小；由于色散的影响，使得信号宽度 使得信号幅度逐渐减小；由于色散的影响， 在时间上不断展宽，产生波形畸变，引起失真。 在时间上不断展宽，产生波形畸变，引起失真。 为了保证信号的可靠传输，就需要在适当的传输距离上建 为了保证信号的可靠传输， 立中继站，对传输信号进行处理。 立中继站，对传输信号进行处理。 中继站的形式主要有两种： 中继站的形式主要有两种： ★ 光–电–光转换形式的中继站； 光转换形式的中继站； ★ 光放大器：直接对光信号进行放大； 光放大器：直接对光信号进行放大；
（二）掺铒光纤放大器的工作原理
铒离子在未受任何激励的情况下，处于最低能级基态上。当 铒离子在未受任何激励的情况下，处于最低能级基态上。 用泵浦光源的激光不断地激发掺铒光纤时， 用泵浦光源的激光不断地激发掺铒光纤时，处于基态上的粒子获 得能量向高能级激发态跃迁。由于粒子在激发态上是不稳定的， 得能量向高能级激发态跃迁。由于粒子在激发态上是不稳定的， 将以无辐射过程跃迁到亚稳态上。在该能级上粒子相对有较长的 存活寿命。由于泵浦源不断地激发， 存活寿命。由于泵浦源不断地激发，使得亚稳态上的粒子数不断 增加，基态上的粒子数不断减少，形成了粒子数反转。 增加，基态上的粒子数不断减少，形成了粒子数反转。
双向泵浦是同向泵浦和反向泵浦同时泵浦的一种方式，即 双向泵浦是同向泵浦和反向泵浦同时泵浦的一种方式， 泵浦光从两个相反的方向进入掺铒光纤，如图6所示。 泵浦光从两个相反的方向进入掺铒光纤，如图6所示。 双向泵浦的特点是输出功率最大， 双向泵浦的特点是输出功率最大，且放大器性能与输入信 号方向无关，但耦合损耗较大，并增加了一个泵浦源， 号方向无关，但耦合损耗较大，并增加了一个泵浦源，使成本 上升。 上升。
2.2 掺铒光纤放大器的工作原理
（一） 掺铒光纤放大器的能级分布
铒离子有三个能级， 为最低能级，称为基态， 铒离子有三个能级，E1（4I15/2）为最低能级，称为基态， E2 （4I13/2）为亚稳态，E3 （4I11/2）为激发态。如图4所示。 为亚稳态， 为激发态。如图4所示。
4I
11/2
激发态
输出功率
输入功率
图8 EDFA输入—输出曲线 EDFA输入 输入—
小信号增益
泵浦光功率 0 20 40
图9 EDFA的增益与泵浦光功率的关系 EDFA的增益与泵浦光功率的关系
2.4.2 输出功率特性
掺铒光纤放大器的输出功率与输入功率基本不成线性关系。 掺铒光纤放大器的输出功率与输入功率基本不成线性关系。 当输入功率增加时，受激辐射加快，粒子反转数减小，使受激辐 当输入功率增加时，受激辐射加快，粒子反转数减小， 射光减弱，导致增益饱和，输出功率趋于平稳。 射光减弱，导致增益饱和，输出功率趋于平稳。 掺铒光纤放大器的饱和输出功率常用3dB饱和输出功率表示 掺铒光纤放大器的饱和输出功率常用3dB饱和输出功率表示， 饱和输出功率表示， 即当饱和增益下降3dB时所对应的输出功率 时所对应的输出功率。 即当饱和增益下降3dB时所对应的输出功率。它与泵浦功率和掺 铒光纤长度有关。泵浦功率越大，3dB饱和输出功率越大；光纤 铒光纤长度有关。泵浦功率越大，3dB饱和输出功率越大； 饱和输出功率越大 长度越长，3dB饱和输出功率也越大 饱和输出功率也越大。 长度越长，3dB饱和输出功率也越大。
光电光中继器
1.2光放大器的分类 1.2光放大器的分类
光放大器按原理不同，主要有以下两类型： 光放大器按原理不同，主要有以下两类型： ★ 半导体光放大器（SOA） 半导体光放大器（SOA） ★光纤放大器
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
（一） 半导体光放大器 1. 半导体光放大器的结构原理
半导体光放大器又称为半导体激光放大器（SLA），它可看 ），它可看 半导体光放大器又称为半导体激光放大器（SLA）， 成是没有反馈的半导体激光器，在驱动电流作用下，形成粒子数 成是没有反馈的半导体激光器，在驱动电流作用下， 产生光放大。 反转， 反转，通过受激辐射产生光放大。 半导体光放大器的基本结构如图1所示。 半导体光放大器的基本结构如图1所示。输入信号从一端输 经有源区放大后，从另一端输出。 入，经有源区放大后，从另一端输出。 在半导体激光放大 输入光纤 器中， 器中，两端面均要增透 镀膜，以降低反射系数。 镀膜，以降低反射系数。 输入信号 一般小于0.3， 一般小于0.3，有时甚至 为10–4左右。 左右。