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光放大技术论文


光放大技术
光放大技术是波分复用技术中三大关键技术之一。 光放大技术主要靠光放大 器来实现,光放大器的作用是对复用后的光信号进行直接光放大,以解决 WDM 系统的超长距离传输问题。 一般来讲, 合/分波器的插入损耗较大, 大大减小了 WDM 系统的传输距离(仅 为三四十公里左右),满足不了实际需求。使用光放大器后,不仅可使 WDM 系统 的传输距离达到常规要求, 而且还可以实现超长距离传输,达到 640km 无电中继 传输。因此,对光放大器的要求是:很高的增益、很宽的带宽和较低的噪声系数 等。目前,在 1550nm 波长范围皆采用掺饵光纤放大器(EDFA),但在 1310nm 波长 范围尚无实用化的光放大器, 所以 WDM 技术仍主要用于 1550nm 波长范围。最近, 半导体光放大器(SOA)技术已经成熟,这种放大器具有高增益、低噪声等特点, 并能够对 1310nm 窗口的光信号进行放大,有望在近期得到商用。 目前光放大器的分类有①掺稀土类光放大器②非线性效应光放大器③半导 体光放大器 (SOA) , 非线性光放大器中作为典型的是 Roman 光放大器而掺稀土类 光放大器又可分类, 在此,我将主要介绍以下三种放大器: 1.半导体激光放大器 (1)半导体激光放大器的增益 由 F—P 腔理论,FFA 的增益是:

式中,G 为 o 单程增益;Rl、及 R2 分别为两端面的反射率;Vm 为 F—P 腔的 谐振频率;△vL 为 F—P 腔的自由谱宽(纵模间隔)。 当入射的 v=Vm 时,GFY(V)出现峰值,使 4G(RlR2)1/2 接近于 1,可获得较 大的增益。但典型的带宽小于 10GHz,在光纤通信中用途不大,只适合于信号处 理。 对 TWLA,可令 Rl=R2=0,得到:

式中,L 为腔长,

而 g0 为峰值增益;w0 为跃迁频率;T2 为横向弛豫时间;Ps 为饱和功率。 实际的两端面的反射率 Rl=R2<10-4,4G(RlR2)1/2 ≈0.04 可获得 20dB 以上 的增益,带宽 70nm。 ,

由于半导体激光放大器的附加凋瞅与 lD 的凋瞅正好相反可用于补偿 LD 的咽 瞅,同时也进行了脉冲放大。 (2)半导体激光放大器的分类:①谐振式(SOA)②行波式 (3)半导体激光放大器的特点 ①增益带宽大 ③体积小,成本低 ⑤噪声系数大,损耗大 2. EDFA (1)EDFA 的结构和原理 EDFA 的结构有单向泵浦方式结构,反向泵浦,双向泵浦方式结构。典型的 EDFA 结构主要由掺铒光纤(EDF)、泵浦光源、耦合器、隔离器等组成。 掺铒光纤是 EDFA 的核心部件。它以石英光纤作为基质,在纤芯中掺人固体 激光工作物质铒离子, 在几米至几十米的掺铒光纤内,光与物质相互作用而被放 大、增强。光隔离器的作用是抑制光反射,以确保放大器工作稳定,它必须是插 入损耗低,与偏振无关,隔离度优于 40 dB。 在掺铒光纤中注入足够强的泵浦光,就可以将大部分处于基态的 Er3+离子 抽运到激发态,处于激发态的 Er3+ 离子又迅速无辐射地转移到亚稳态。由于 Er3+离子在亚稳态能级上寿命较长, 因此很容易在亚稳态与基态之间形成粒子数 反转。当信号光子通过掺铒光纤时,与处于亚稳态的 Er3+离子相互作用发生受 激辐射效应, 产生大量与自身完全相同的光子,这时通过掺铒光纤传输的信号光 子迅速增多,产生信号放大作用。Er3+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(ASE),它造成 EDFA 的噪声。 (3)影响 EDFA 增益的因素 ②动态变换波长 ④就有增益饱和性 ⑥适合短距离的传输

①掺铒光纤的长度,随着掺铒光纤长度的增加,增益经历了从增加到减少 的过程 ②掺铒光纤本身的损耗,造成信号光中被吸收掉的光子多于受激辐射产生 的光子,引起增益下降 ③ EDFA 的增益还跟输入光的程度、 泵浦光功率及光纤中铒离子 Er3+的浓

度都有关系 (4)EDFA 的特点 ①增益高,输出功率高 ②噪声系数低 ③通常工作在 1.530—1.566 微米波长的光线的损耗量最低 3.拉曼光纤放大器 (1)拉曼光纤放大器原理 光纤拉曼放大器的工作原理是基于石英光纤中的受激拉曼散射效应, 在形式 上表现为处于泵浦光的拉曼增益带宽内的弱信号与强泵浦光波同时在光纤中传 输,从而使弱信号光即得到放大。 RFA 中一个入射泵浦光子通过光纤非线性散射转移部分能量, 产生低频斯托 克斯光子,而剩余能量被介质以分子振动(光学声子) 的形式吸收,完成振动 态之间的跃迁。 斯托克斯频移 Vr=Vp-Vs 由分子振动能级决定, 其值决定了 SRS 的 频率范围,其中 Vp 是泵浦光的频率,Vs 是信号光的频率。对非晶态石英光纤来 说,其分子振动能级融合在一起,形成了一条能带,因而可在较宽频差 Vp-Vs 范围(40THz)内通过 SRS 实现信号光的放大。

(2)拉曼光纤放大器的分类: ①集中式 FRA ②分布式 FRA

(3)拉曼光纤放大器的特点 ① 其增益波长由泵浦光决定,只要泵浦光的波长适当,理论上是可

以得到任意波长的信号放大。 ② ③ EDFA 的增益介质为传输光纤本身。 噪声系数低。



适合长距离和海底的传输。

随着科学技术的不断发展和更新,以及波分复用技术的不断成熟,光放大技 术也不断趋于完善。 目前, 光放大技术的主要发展方向和瓶颈在于增益均衡技术 和光纤技术, 相信在这科学不断发展的纪元里, 光放大技术必是有望踏出瓶颈的。

参考文献: 1)李强,代志勇,刘永智; 《光线放大工作原理》 ; 《现代电子技术》 2009-10-14 2)高雪松, 邹恩; 《光纤拉曼放大器性能分析与进展》 ; 光线新闻网; 2005-6-9 3)龚倩,徐荣,叶晓华等; 《高速超长距离传输技术》 ;2005-5 第一版;

光 纤 通 信 光 放 大 技 术
专业班级:通信 1104 姓 名: 张 宇 飞 辅导老师: 许 焱 平 日 期: 2014 12 18


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