光通信原理与技术第6章2.
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光通信原理与技术
光纤通信新技术
光放大器
目前有实用意义的光放大器主要有三种： 半导体激光放大器 非线性光纤放大器 掺杂光纤放大器
半导体激光放大器（SOA） 是在LD两端镀上增透膜而成的，是粒子数 反转分布的受激辐射产生的放大，材料与 LD相同（AlGaAs/InGaAsP），又分为谐振 型或称F-P式光放大器（FPA）和行波式光 放大器（TWLA） SOA的主要优点是尺寸小、功率消耗低， 便于光电集成，其主要缺点是插入损耗大、 对偏振态敏感
噪声系数 掺饵光纤放大器的噪声主要来源有： • 信号光的散弹噪声 • 信号光波与放大器自发辐射光波间的差拍 噪声 • 被放大的自发辐射的散弹噪声 • 光放大器自发辐射的不同频率光波间差拍 噪声
噪声系数F 衡量掺饵光纤放大器噪声特性可用噪声系数F来表示， 它定义为： F=（放大器的输入信噪比）/（放大器的输出信噪比） 据分析，掺饵光纤放大器噪声系数的极限为3dB，对于 0.98μm泵浦源的EDFA，掺饵光纤长度为30m时，测得的 噪声系数为3.2dB 采用1.48μm泵浦源时，在掺饵光纤长度为60m时，测得 的噪声系数为4.1dB 0.98μm泵浦的放大器的噪声系数要优于1.48μm泵浦的放 大器的噪声系数
EDFA的工作原理 饵（Er）是一种稀土元素（属于镧系元 素），原子序数是68，原子量为167.3.光放 大利用了镧系元素的4f能级 在掺饵光线中，由于石英基质的作用，4f的 每一个能级分裂成一个能带
当有1.55μm信号光通过已被激活的掺饵光纤时， 在信号光的感应下，亚稳态上的粒子以受激辐射 的方式跃迁到基态。对应于每一次的跃迁，都将 产生一个与感应光子完全一样的光子，从而实现 了信号光在掺饵光纤的传播过程中不断放大。在 放大过程中，亚稳态的粒子也会以自发辐射的方 式跃迁到基态，自发辐射产生的光子也会被放大， 这种放大的自发辐射（ASE：Amplified Spontaneous Emission）会消耗泵浦功率并引入 噪声
光中继的优势 利用已经实用的光放大器技术，可以用 光中继代替电中继。它的优点是结构简单， 价格便宜，可以使用远程光泵浦，对多信 道复用和双向复用系统实现中继也比较容 易，但目前对色散限制系统再生还难以采 用光放大器
光放大器在系统中应用的四种形式
放大器的级联应当遵循的原则 1、第一级光放大器应当有低噪声，后续级应当有高 饱和增益 2、在增益得到补偿后要特别注意色散积累效应 3、光纤的非线性效应也可能对系统性能产生较大的 影响 4、用较多的低增益的放大器近距离地级联比用较小 的高增益的放大器远距离地级联可以获得更大的 总传输距离
总的噪声系数
Feff=F1+F2/G1+F3/(G1G2)+…..+Fk/(G1G2……Gk-1)
式中，Fi，Gi，i=1，2，…，k，分别为 第i个放大器的噪声系数和增益
波分复用系统
光波分复用（WDM）的基本原理是：在发 送端将不同波长的光信号组合起来（复 用），并耦合到光缆线路上的同一根光纤 中进行传输，在接收端又将组合波长的光 信号分开（解复用），并作进一步处理， 恢复出原信号后送入不同的终端，因此将 此项技术称为光波长分割复用，简称光波 分复用技术
当用1480nm波长的光泵浦时，Er+3从基态 跃迁至该能带的上部，然后粒子迅速以非 辐射方式由泵浦态预驰至亚稳态，在亚稳 态上积累
掺饵光纤放大器的特性指标 功率增益 输出饱和功率 噪声系数
功率增益 功率增益=10lg(输出光功率/输入光功 率)dB 表示放大器的放大能力 增益的大小与泵浦功率和光纤长度等因素有 关 放大器的功率增益随泵浦功率的增加而增加 有饱和现象：当泵浦功率达到一定值时，放 大器增益出现饱和，即泵浦功率再增加，而 增益基本保持不变
EDFA光放大器结构
三种结构性能差异 前向泵浦：噪声性能好 后向泵浦：输出功率大 双向泵浦：兼有上述优点，但成本高
电中继存在的问题 采用电中继的办法，即在中继时进行光 电变换（接收）后，对电信号放大整形 （再生），然后再进行电光变换（发射）， 继续传输。电中继装置复杂、体积大、耗 能多，对多信道复用和双向复用系统实现 起来特别困难，但它不仅可以对损耗限制 系统，而且可以对色散限制系统进行再生
Hale Waihona Puke Baidu
功率增益与光纤长度之间的关系 开始时功率增益随掺饵光纤长度的增加而上升， 当光纤长度达到一定值后，增益反而逐渐下降 当光纤为某一长度时，可获得最佳增益，这 个光纤长度称为最大增益的光纤长度 在给定的掺饵光纤的情况下，应选择合适的 泵浦功率和光纤长度，以达到最大增益
输出饱和功率 输出饱和功率是一个描述输入信号功率与输 出信号功率之间关系的参量，从图中可以看出， 在掺饵光纤放大器中，输入信号功率和输出信号 功率并不完全呈正比关系，而是存在着饱和的趋 势 掺饵光纤放大器的最大输出功率常用3dB饱和 输出功率来表示。当饱和增益下降3dB时所对应 的输出功率值为3dB饱和输出功率。它代表了掺 饵光纤放大器的最大输出能力
掺杂光纤放大器（EDFA）
EDFA的特点 高增益、低噪声、偏振不敏感，能放大 不同速率和调制方式的信号，具有几十纳米 的放大带宽
光放大器的特性指标 1、功率增益=10lg（输出光功率/输入光功率）（dB） 放大器的放大能力与泵浦功率和光纤长度的 参数有关 2、饱和输出：最大增益下降3dB时对应的输出功率。 表示最大输出能力 3、噪声系数：F=（SNR）in/（SNR）out 表示噪声的大小 SNR指的是将输入光信号转变为输出电信号 时的信噪比
非线性光纤放大器 • 受激拉曼散射光纤放大器（SRA） • 利用石英光纤的非线性效应制成 • 在合适波长的强光作用下，石英光纤会出现受激 拉曼散射（SRS）效应，当信号光和泵光沿着光 纤一起传输时，光功率将由泵光转移到信号光， 从而把信号光放大。SRA具有频带宽、增益高、 输出功率大、响应快等优点。其缺点是泵浦效率 低、阈值高，因而需要的泵浦功率很高 受激布里渊散射光纤放大器（SBA）
光纤通信新技术
光放大器
目前有实用意义的光放大器主要有三种： 半导体激光放大器 非线性光纤放大器 掺杂光纤放大器
半导体激光放大器（SOA） 是在LD两端镀上增透膜而成的，是粒子数 反转分布的受激辐射产生的放大，材料与 LD相同（AlGaAs/InGaAsP），又分为谐振 型或称F-P式光放大器（FPA）和行波式光 放大器（TWLA） SOA的主要优点是尺寸小、功率消耗低， 便于光电集成，其主要缺点是插入损耗大、 对偏振态敏感
噪声系数 掺饵光纤放大器的噪声主要来源有： • 信号光的散弹噪声 • 信号光波与放大器自发辐射光波间的差拍 噪声 • 被放大的自发辐射的散弹噪声 • 光放大器自发辐射的不同频率光波间差拍 噪声
噪声系数F 衡量掺饵光纤放大器噪声特性可用噪声系数F来表示， 它定义为： F=（放大器的输入信噪比）/（放大器的输出信噪比） 据分析，掺饵光纤放大器噪声系数的极限为3dB，对于 0.98μm泵浦源的EDFA，掺饵光纤长度为30m时，测得的 噪声系数为3.2dB 采用1.48μm泵浦源时，在掺饵光纤长度为60m时，测得 的噪声系数为4.1dB 0.98μm泵浦的放大器的噪声系数要优于1.48μm泵浦的放 大器的噪声系数
EDFA的工作原理 饵（Er）是一种稀土元素（属于镧系元 素），原子序数是68，原子量为167.3.光放 大利用了镧系元素的4f能级 在掺饵光线中，由于石英基质的作用，4f的 每一个能级分裂成一个能带
当有1.55μm信号光通过已被激活的掺饵光纤时， 在信号光的感应下，亚稳态上的粒子以受激辐射 的方式跃迁到基态。对应于每一次的跃迁，都将 产生一个与感应光子完全一样的光子，从而实现 了信号光在掺饵光纤的传播过程中不断放大。在 放大过程中，亚稳态的粒子也会以自发辐射的方 式跃迁到基态，自发辐射产生的光子也会被放大， 这种放大的自发辐射（ASE：Amplified Spontaneous Emission）会消耗泵浦功率并引入 噪声
光中继的优势 利用已经实用的光放大器技术，可以用 光中继代替电中继。它的优点是结构简单， 价格便宜，可以使用远程光泵浦，对多信 道复用和双向复用系统实现中继也比较容 易，但目前对色散限制系统再生还难以采 用光放大器
光放大器在系统中应用的四种形式
放大器的级联应当遵循的原则 1、第一级光放大器应当有低噪声，后续级应当有高 饱和增益 2、在增益得到补偿后要特别注意色散积累效应 3、光纤的非线性效应也可能对系统性能产生较大的 影响 4、用较多的低增益的放大器近距离地级联比用较小 的高增益的放大器远距离地级联可以获得更大的 总传输距离
总的噪声系数
Feff=F1+F2/G1+F3/(G1G2)+…..+Fk/(G1G2……Gk-1)
式中，Fi，Gi，i=1，2，…，k，分别为 第i个放大器的噪声系数和增益
波分复用系统
光波分复用（WDM）的基本原理是：在发 送端将不同波长的光信号组合起来（复 用），并耦合到光缆线路上的同一根光纤 中进行传输，在接收端又将组合波长的光 信号分开（解复用），并作进一步处理， 恢复出原信号后送入不同的终端，因此将 此项技术称为光波长分割复用，简称光波 分复用技术
当用1480nm波长的光泵浦时，Er+3从基态 跃迁至该能带的上部，然后粒子迅速以非 辐射方式由泵浦态预驰至亚稳态，在亚稳 态上积累
掺饵光纤放大器的特性指标 功率增益 输出饱和功率 噪声系数
功率增益 功率增益=10lg(输出光功率/输入光功 率)dB 表示放大器的放大能力 增益的大小与泵浦功率和光纤长度等因素有 关 放大器的功率增益随泵浦功率的增加而增加 有饱和现象：当泵浦功率达到一定值时，放 大器增益出现饱和，即泵浦功率再增加，而 增益基本保持不变
EDFA光放大器结构
三种结构性能差异 前向泵浦：噪声性能好 后向泵浦：输出功率大 双向泵浦：兼有上述优点，但成本高
电中继存在的问题 采用电中继的办法，即在中继时进行光 电变换（接收）后，对电信号放大整形 （再生），然后再进行电光变换（发射）， 继续传输。电中继装置复杂、体积大、耗 能多，对多信道复用和双向复用系统实现 起来特别困难，但它不仅可以对损耗限制 系统，而且可以对色散限制系统进行再生
Hale Waihona Puke Baidu
功率增益与光纤长度之间的关系 开始时功率增益随掺饵光纤长度的增加而上升， 当光纤长度达到一定值后，增益反而逐渐下降 当光纤为某一长度时，可获得最佳增益，这 个光纤长度称为最大增益的光纤长度 在给定的掺饵光纤的情况下，应选择合适的 泵浦功率和光纤长度，以达到最大增益
输出饱和功率 输出饱和功率是一个描述输入信号功率与输 出信号功率之间关系的参量，从图中可以看出， 在掺饵光纤放大器中，输入信号功率和输出信号 功率并不完全呈正比关系，而是存在着饱和的趋 势 掺饵光纤放大器的最大输出功率常用3dB饱和 输出功率来表示。当饱和增益下降3dB时所对应 的输出功率值为3dB饱和输出功率。它代表了掺 饵光纤放大器的最大输出能力
掺杂光纤放大器（EDFA）
EDFA的特点 高增益、低噪声、偏振不敏感，能放大 不同速率和调制方式的信号，具有几十纳米 的放大带宽
光放大器的特性指标 1、功率增益=10lg（输出光功率/输入光功率）（dB） 放大器的放大能力与泵浦功率和光纤长度的 参数有关 2、饱和输出：最大增益下降3dB时对应的输出功率。 表示最大输出能力 3、噪声系数：F=（SNR）in/（SNR）out 表示噪声的大小 SNR指的是将输入光信号转变为输出电信号 时的信噪比
非线性光纤放大器 • 受激拉曼散射光纤放大器（SRA） • 利用石英光纤的非线性效应制成 • 在合适波长的强光作用下，石英光纤会出现受激 拉曼散射（SRS）效应，当信号光和泵光沿着光 纤一起传输时，光功率将由泵光转移到信号光， 从而把信号光放大。SRA具有频带宽、增益高、 输出功率大、响应快等优点。其缺点是泵浦效率 低、阈值高，因而需要的泵浦功率很高 受激布里渊散射光纤放大器（SBA）