光纤通信 第五章 光纤线路技术及器件 光放大器解析

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）； 无输出信号（严重故障告警）； EDFA 输出功率超出规定范围（一般故障）； 温度超出范围或失去控制---泵浦激光器故障 （严重故障告警） 泵浦激光器电流超出规定范围（一般故障）； 告警处理单元的微处理器故障（一般故障）； 光保护的插入/清除（告警显示）； 通过监控信道传输FERF（告警显示）；
基于泵浦源调制的监控技术


EDFA增益调制法： （低速时）利用监 控信号对泵浦光进行调制，通过调制光 放大器的增益将监控信号叠加在主信号 上传输至接收端 泵浦源调制+WDM法： （高速时）利用 100kHz以上的调制光放大器的增益不敏 感性，即泵浦光的调制对主信号传输不 产生明显影响的特点，在泵浦源调制后。 利用WDM技术使加有小信号调制的泵浦光 和信号光同时在光纤中传输。
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
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
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
EDFA的原理
EDFA的结构
前向泵浦
后向泵浦
双向泵浦
三种泵浦方式的放大器的比较
EDFA的泵浦波长



1.48m、0.98m、0.807m、0.655m及 0.514m 选择依据：泵浦效率和光源是否容易获取 泵浦效率是指放大器增益与泵浦功率之比， 泵浦效率高说明泵浦光功率的转换效率高。 0.98m泵浦效率最高，其次是1.48m。 1.48m的大功率泵浦源最先研制成功，早期 的EDFA普遍使用，目前0.98m泵浦源正在 新EDFA产品中逐步取代1.48m泵浦源。
掺铒光纤放大器的监控技术


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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）。
告警项目




EDFA的NF较小，已接近量子极限3dB

光放大器的增益G、饱和输出功率Psat以 及噪声指数NF还与泵浦情况有关，泵浦 强度增大，它们也增大，泵浦强度减小， 它们也减小; 还和EDF的长度有关
光放大器的应用


EDFA作为线路中继器 EDFA作为接收机前置放大器 EDFA作为光发射机的后置放大 EDFA作为光无源器件的补偿放大器
ASE光源



一种高稳定、高功率输出的宽带光源。广泛 应用于光纤耦合器、隔离器、环形器、光纤 光栅、DWDM薄膜滤波器、CWDM薄膜滤 波器、AWG等光无源器件的生产与测试。 根据光谱覆盖范围可分为C和C+L波段两种。 特点：宽光谱输出，覆盖C波段或C+L波段； 高输出功率；超高稳定性 应用：光纤光栅、DWDM滤波器、AWG、 光纤耦合器和其它光纤无源器件产品的生产 与测试；光纤传感、光纤陀螺等需要超稳定 性光源的场合
EDFA的增益谱

有效放大的光信号的频谱范围。ndB谱宽为增 益Gsmax-ndB对应的两个光波长之差Dl或(Dn)。 商用EDFA的Dl为2~40nm，
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
( S / N ) in NF 10 lg ( S / N ) out
光纤拉曼放大器

受激拉曼散射（SRS）是光纤中的一种非线 性现象，它将一小部分入射光功率转移到频 率比其低的斯托克斯波上；如果一个弱信号 与一强泵浦光波同时在光纤中传输，并使弱 信号波长置于泵浦光的拉曼增益带宽内，弱 信号光即可以得到放大，这种基于受激拉曼 散射机制的光放大器即称为光纤拉曼放大器 （FRA）。
光放大器的性能参数

增益G：输出信号光功率Pout与输入信号光 功率Pin之比的分贝数G =10lg(Pout/Pin)
EDFA的增益饱和特性曲线


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)，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(Gs-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Psat来表示。定义为3dB饱和增 益所对应的输出信号光功率。
EDFA的特点





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
EDFA的噪声

自发辐射噪声ASE Amplified Spontaneous Emission
光放大器
l1
l1 …ln W l2 D … M ln
O/E/O
O/E/O O/E/O
W l1 …ln D M
输入信号光
工作介质
输出信号光
泵浦源
光放大器分类



掺稀土元素光纤放大器 工作介质主要是掺镧系元素（如铒、钕、 镨）的玻璃光纤，泵浦源为一般半导体激 光器。利用光的受激放大原理对信号光进 行放大，如EDFA、PDFA等 非线性光学光纤放大器 工作介质是常规石英光纤，泵浦源为固体 激光器。利用光的受激喇曼放大、受激布 里渊放大等，如RA 半导体光放大器（SOA） 工作介质为半导体材料，泵浦源为电源
增益谱
RA的结构
光纤拉曼放大器的优点



（1）增益介质为普通传输光纤，与光纤系统具 有良好的兼容性； （2）增益波长由泵浦光波长决定，不受其它因 素的限制，理论上只要泵浦源的波长适当，就 可以放大任意波长的信号光； （3）增益高、串扰小、噪声指数低、频谱范围 宽、温度稳定性好。 可放大EDFA不能放大的波段，可在1292~ 1660nm范围内进行光放大，获得比EDFA宽 得多的增益带宽；是EDFA的补充，而不是代替， 两者结合起来可获得大于100nm增益平坦宽带