光纤通信(朱宗玖)第六章.ppt

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1、第六章光中继器和光放大器6.1光中继器6.2光放大器概述6.3掺铒光纤放大器6.4其他光放大器6.1光中继器光中继器的功能是补偿光的衰减，对失真的脉冲信号进行整形。光中继器有多种，其中一种称为3R中继器，它由光检测器与前置放大器、主放大器、判决再生电路、光源与驱动电路等组成，其基本功能是均衡放大、识别再生和再定时。经再生后的输出脉冲，完全消除了附加的噪声和畸变，即使在由多个中继站组成的系统中，噪声和畸变也不会积累，这就是数字通信作长距离通信时最突出的优点。图6.1是数字光中继器的方框图。6.2光放大器概述6.2.1光放大器的分类

2、根据放大机制不同，光纤放大器可分为掺稀土光纤放大器和非线性光纤放大器两大类。掺稀土光纤放大器是在制作光纤时，采用特殊工艺，在光纤芯层沉积中掺入极小浓度的稀土元素，如铒、镨或铷等离子，可制作出相应的掺铒、掺镨或掺铷光纤。这种光纤放大器实质上是一种特殊的激光器，它的工作腔是一段掺稀土粒子光纤，泵浦光源一般采用半导体激光器。当前光纤通信系统工作在两个低损耗窗口：1.55μm波段和1.31μm波段。选择不同的掺杂元素，可使放大器工作在不同窗口。1.掺铒光纤放大器掺铒光纤放大器(EDFA)工作在1.55μm窗口的损耗系数较1.31μm窗

3、口的低，仅0.2dB/km。已商用的EDFA噪声低、增益曲线好、放大器带宽大，与波分复用(WDM)系统兼容，泵浦效率高，工作性能稳定，技术成熟，在现代长途高速光通信系统中备受青睐。2.掺镨光纤放大器掺镨光纤放大器(PDFA)工作在1.31μm波段，已敷设的光纤90%都工作在这一窗口。PDFA对现有通信线路的升级和扩容有重要的意义。目前已经研制出低噪声、高增益的PDFA，但是，它的泵浦效率不高，工作性能不稳定，增益对温度敏感，离实用还有一段距离。3.非线性OFA非线性OFA是利用光纤的非线性实现对信号光放大的一种激光放大器。当

4、光纤中光功率密度达到一定阈值时，将产生受激拉曼散射(SRS)或受激布里渊散射(SBS)，形成对信号光的相干放大。非线性OFA可相应分为拉曼光纤放大器(RFA)和布里渊光纤放大器(BFA)。4.半导体激光放大器其结构大体上与激光二极管相同。如果在法布里－珀罗腔两个端面镀反射率合适的介质膜就形成了F-P型LD光放大，又叫驻波型光放大；如果在两端面根本不镀介质膜或者增透膜则形成行波型光放大。半导体激光器指的是前者，而半导体光放大器指的是后者。6.2.2光纤放大器的重要指标1.光放大器的增益(1)增益G与增益系数g放大器的增益定义

5、为式中：Pout，Pin分别为放大器输出端与输入端的连续信号功率。(2)放大器的带宽人们希望放大器的增益在很宽的频带内与波长无关。这样在应用这些放大器的系统中，便可放宽单信道传输波长的容限，也可在不降低系统性能的情况下，极大地增加WDM系统的信道数目。(3)增益饱和与饱和输出功率由于信号放大过程消耗了高能级上粒子，因而使增益系数减小，当放大器增益减小为峰值的一半时，所对应的输出功率就叫饱和输出功率，这是放大器的一个重要的参数，饱和功率用Pouts表示。2.放大器噪声放大器本身产生噪声，放大器噪声使信号的信噪比(Signa

6、l-to-NoiseRatio，SNR)下降，造成对传输距离的限制，是光放大器的另一重要指标。(1)光纤放大器的噪声来源光纤放大器的噪声主要来自它的放大自发辐射(AmplifiedSpontaneousEmission，ASE)。(2)噪声系数由于放大器中产生自发辐射噪声，使得放大后的信噪比下降。它定义为输入信噪比与输出信噪比之比。(SNR)in和(SNR)out分别代表输入与输出的信噪比。它们都是在接收机端将光信号转换成光电流后的功率来计算的。6.3掺铒光纤放大器6.3.1工作原理图6.2示出掺铒光纤放大器(EDFA

7、)的工作原理，说明了光信号为什么会放大的原因。从图6.2(a)可以看到，在掺铒光纤(EDF)中，铒离子(Er3+)有三个能级：其中能级1代表基态，能量最低；能级2是亚稳态，处于中间能级；能级3代表激发态，能量最高。当泵浦光的光子能量等于能级3和能级1的能量差时，铒离子吸收泵浦光从基态跃迁到激发态(1-3)，但是激发态是不稳定的，Er3+很快返回到能级2。如果输入的信号光的光子能量等于能级2和能级1的能量差，则处于能级2的Er3+将跃迁到基态，产生受激辐射光，因而信号光得到放大。由此可见，这种放大是由于泵浦光的能量转换为信号光的结

8、果。为提高放大器增益，应提高对泵浦光的吸收，使基态Er3+尽可能跃迁到激发态，图6.2(b)示出EDFA增益和吸收频谱。6.3.2掺铒光钎放大器的构成和特性图6.4为光纤放大器构成原理图。1.掺铒光纤放大器的泵浦方式泵浦激光器为光放大器源源不断地提供能量，在放