第二讲 光通信网络基础技术(2) 主讲： 刘毅光通信网络光通信网络2.3 光放大技术 光纤放大器不但可对光信号进行直接放大，同时光纤放大器不但可对光信号进行直接放大，同时还具有实时、高增益、宽带、在线、低噪声、低还具有实时、高增益、宽带、在线、低噪声、低损耗的全光放大功能，是新一代光纤通信系统中损耗的全光放大功能，是新一代光纤通信系统中必不可少的关键器件；这项技术不仅解决了衰减必不可少的关键器件；这项技术不仅解决了衰减对光网络传输速率与距离的限制，更重要的是开对光网络传输速率与距离的限制，更重要的是开创了创了1550nm1550nm频段的波分复用，从而将使超高速、频段的波分复用，从而将使超高速、超大容量、超长距离的波分复用（超大容量、超长距离的波分复用（WDMWDM）、密集）、密集波分复用（波分复用（DWDMDWDM）、全光传输、光孤子传输等）、全光传输、光孤子传输等成为现实，是光纤通信发展史上的一个划时代的成为现实，是光纤通信发展史上的一个划时代的里程碑。里程碑。 光放大器的作用光放大器的作用实现对光信号的直接全光放大；实现对光信号的直接全光放大；有利于解决传输过程中的有利于解决传输过程中的“电子瓶颈电子瓶颈”问题；问题； 光放大器的分类光放大器的分类掺杂（稀土类）光放大器掺杂（稀土类）光放大器 如如EDFA，PDFA，TDFA等等 非线性效应光放大器非线性效应光放大器 如光纤拉曼放大器、光纤布里渊放大器等如光纤拉曼放大器、光纤布里渊放大器等半导体光放大器半导体光放大器 SOA 1. 掺杂光纤放大器掺杂光纤放大器光纤放大器一般都由光纤放大器一般都由光纤放大器一般都由光纤放大器一般都由增益介质增益介质增益介质增益介质、泵浦光泵浦光泵浦光泵浦光和和和和输入输出耦合结输入输出耦合结输入输出耦合结输入输出耦合结构构构构组成组成组成组成 。 掺杂光纤放大器利用掺人石英光纤的稀土离子作为增益介质，在掺杂光纤放大器利用掺人石英光纤的稀土离子作为增益介质，在掺杂光纤放大器利用掺人石英光纤的稀土离子作为增益介质，在掺杂光纤放大器利用掺人石英光纤的稀土离子作为增益介质，在泵浦光的激发下实现光信号的放大，放大器的特性主要由掺杂泵浦光的激发下实现光信号的放大，放大器的特性主要由掺杂泵浦光的激发下实现光信号的放大，放大器的特性主要由掺杂泵浦光的激发下实现光信号的放大，放大器的特性主要由掺杂元素决定，而不是由起主介质作用的石英光纤决定。有许多不元素决定，而不是由起主介质作用的石英光纤决定。有许多不元素决定，而不是由起主介质作用的石英光纤决定。有许多不元素决定，而不是由起主介质作用的石英光纤决定。有许多不向的稀土元素，如饵向的稀土元素，如饵向的稀土元素，如饵向的稀土元素，如饵(Er)(Er)、钬、钬、钬、钬(Ho)(Ho)、钕、钕、钕、钕(Nd)(Nd)、钐、钐、钐、钐(Sm)(Sm)、铥、铥、铥、铥(Tm)(Tm)、镨、镨、镨、镨(Pr)(Pr)和镱和镱和镱和镱(Yb)(Yb)等，都可用于实现不向波长的光放等，都可用于实现不向波长的光放等，都可用于实现不向波长的光放等，都可用于实现不向波长的光放大器。这些波长覆盖了从可见光到红外的很宽范围，直至微米。大器。这些波长覆盖了从可见光到红外的很宽范围，直至微米。大器。这些波长覆盖了从可见光到红外的很宽范围，直至微米。大器。这些波长覆盖了从可见光到红外的很宽范围，直至微米。其中掺饵和掺镨光纤放大器分别工作于其中掺饵和掺镨光纤放大器分别工作于其中掺饵和掺镨光纤放大器分别工作于其中掺饵和掺镨光纤放大器分别工作于1550nm1550nm和和和和1300nm1300nm，具，具，具，具有高增益、高功率和宽带宽等优良持性，是迄今各类光放大器有高增益、高功率和宽带宽等优良持性，是迄今各类光放大器有高增益、高功率和宽带宽等优良持性，是迄今各类光放大器有高增益、高功率和宽带宽等优良持性，是迄今各类光放大器中最有发展前景的一种，在光纤通信系统中具有宽广的应用，中最有发展前景的一种，在光纤通信系统中具有宽广的应用，中最有发展前景的一种，在光纤通信系统中具有宽广的应用，中最有发展前景的一种，在光纤通信系统中具有宽广的应用，已导致光纤通信技术的巨大变革。已导致光纤通信技术的巨大变革。已导致光纤通信技术的巨大变革。已导致光纤通信技术的巨大变革。掺铒光纤放大器掺铒光纤放大器(EDFA)Erbium-Doped Fiber AmplifierErbium-Doped Fiber Amplifier 掺铒光纤放大器的掺铒光纤放大器的Er3+能级图能级图980980nmnm1480nm1480nm1530nm1530nm4 4I I11/211/24 4I I13/213/24 4I I15/215/2平均寿命：平均寿命：平均寿命：平均寿命：1010msms平均寿命：平均寿命：平均寿命：平均寿命：11s s掺铒光纤放大器的放大机理掺铒光纤放大器的放大机理 泵浦态泵浦态泵浦态泵浦态亚稳态亚稳态亚稳态亚稳态基态基态基态基态EDFA光纤放大器的结构光纤放大器的结构输入信号输入信号输入信号输入信号光耦光耦光耦光耦合器合器合器合器光隔光隔光隔光隔离器离器离器离器光滤光滤光滤光滤波器波器波器波器泵浦光泵浦光泵浦光泵浦光LDLD输出信号输出信号输出信号输出信号EDFAEDFA前向（正向）泵浦结构前向（正向）泵浦结构前向（正向）泵浦结构前向（正向）泵浦结构优点：可获得较好的噪声性能优点：可获得较好的噪声性能优点：可获得较好的噪声性能优点：可获得较好的噪声性能EDFA光纤放大器的结构光纤放大器的结构输入信号输入信号输入信号输入信号光耦光耦光耦光耦合器合器合器合器光隔光隔光隔光隔离器离器离器离器泵浦光泵浦光泵浦光泵浦光LDLD输出信号输出信号输出信号输出信号EDFAEDFA后向（反向）泵浦结构后向（反向）泵浦结构后向（反向）泵浦结构后向（反向）泵浦结构优点：可获得较高的输出功率优点：可获得较高的输出功率优点：可获得较高的输出功率优点：可获得较高的输出功率EDFA光纤放大器的结构光纤放大器的结构输入信号输入信号输入信号输入信号光耦光耦光耦光耦合器合器合器合器光隔光隔光隔光隔离器离器离器离器泵浦光泵浦光泵浦光泵浦光LDLD输出信号输出信号输出信号输出信号EDFAEDFA双向泵浦结构双向泵浦结构双向泵浦结构双向泵浦结构光耦光耦光耦光耦合器合器合器合器泵浦光泵浦光泵浦光泵浦光LDLD优点：增益和噪声性能都优于单向泵浦优点：增益和噪声性能都优于单向泵浦优点：增益和噪声性能都优于单向泵浦优点：增益和噪声性能都优于单向泵浦光放大器在光纤通信中应用的四种形式光放大器在光纤通信中应用的四种形式EDFA的特点的特点高增益、宽带、高功率、低噪声、低插损、低高增益、宽带、高功率、低噪声、低插损、低串音、对偏振不敏感等优点，能放大不同速串音、对偏振不敏感等优点，能放大不同速率和调制方式的信号，并具有几十纳米的放率和调制方式的信号，并具有几十纳米的放大带宽。大带宽。第一代第一代EDFA 带宽带宽 12nm第二代第二代EDFA 带宽带宽 35nm （铝增益均衡技术）铝增益均衡技术）铝增益均衡技术）铝增益均衡技术） 第三代第三代EDFA 带宽带宽 80nm （碲增益均衡技术）碲增益均衡技术）碲增益均衡技术）碲增益均衡技术） 非常适合放大高速超短脉冲和非常适合放大高速超短脉冲和WDM多信道信多信道信号号2. 非线性效应光放大器非线性效应光放大器 在高强度电磁场中任何电介质对光的响应都会变成在高强度电磁场中任何电介质对光的响应都会变成在高强度电磁场中任何电介质对光的响应都会变成在高强度电磁场中任何电介质对光的响应都会变成非线性，光纤也不例外。从其基能级看，介质非线非线性，光纤也不例外。从其基能级看，介质非线非线性，光纤也不例外。从其基能级看，介质非线非线性，光纤也不例外。从其基能级看，介质非线性响应的起因与施加到它上面的场的影响下束缚电性响应的起因与施加到它上面的场的影响下束缚电性响应的起因与施加到它上面的场的影响下束缚电性响应的起因与施加到它上面的场的影响下束缚电子的非谐振运动有关，结果导致电偶极子的极化强子的非谐振运动有关，结果导致电偶极子的极化强子的非谐振运动有关，结果导致电偶极子的极化强子的非谐振运动有关，结果导致电偶极子的极化强度度度度P P对于电场对于电场对于电场对于电场E E是非线性的，但满足通常的关系式是非线性的，但满足通常的关系式是非线性的，但满足通常的关系式是非线性的，但满足通常的关系式j j 阶电极化率阶电极化率阶电极化率阶电极化率非线性效应非线性效应非线性折射率非线性折射率折射率对光强的依赖关系导致了大量有趣的非折射率对光强的依赖关系导致了大量有趣的非线性效应：线性效应：自相位调制（自相位调制（SPM）指的是光场在光纤内指的是光场在光纤内传输时光场本身引起的相移传输时光场本身引起的相移交叉相位调制（交叉相位调制（XPM）指的是由不同波长、指的是由不同波长、传输方向或偏振态的脉冲共同传输时，一种传输方向或偏振态的脉冲共同传输时，一种光场引起的另一种光场的非线性相移。光场引起的另一种光场的非线性相移。非线性效应非线性效应受激非弹性散射受激非弹性散射一个入射场的光子一个入射场的光子(通常称为泵浦通常称为泵浦)的湮灭，产的湮灭，产生了一个下移斯托克斯频率的光子和保持能生了一个下移斯托克斯频率的光子和保持能量与动量守恒的另一个具有恰当能量与动量量与动量守恒的另一个具有恰当能量与动量的声子。的声子。受激拉曼散射（受激拉曼散射（SRSStimulated Raman Scattering）受激布里渊散射（受激布里渊散射（SBS）受激拉曼散射（受激拉曼散射（SRS）光纤拉曼放大器光纤拉曼放大器如果信号与一个强泵浦波同时传输，并且其频如果信号与一个强泵浦波同时传输，并且其频率差位于泵浦波的拉受增益镨带宽之内，则率差位于泵浦波的拉受增益镨带宽之内，则此弱信号可被该光纤放大。由于这种放大的此弱信号可被该光纤放大。由于这种放大的物理机制是物理机制是SRS，所以称之为光纤拉曼放大，所以称之为光纤拉曼放大器。器。光纤拉曼放大器主要由增益介质光纤和泵浦源光纤拉曼放大器主要由增益介质光纤和泵浦源等构成。等构成。视光纤类型、泵浦类型和方式、放大方式不同视光纤类型、泵浦类型和方式、放大方式不同而有多种类型结构。而有多种类型结构。光纤喇曼放大器光纤喇曼放大器(FRA)利用石英光纤的非线性利用石英光纤的非线性效应而制成。在合适波长的强光作用下，石效应而制成。在合适波长的强光作用下，石英光纤会出现受激拉曼散射英光纤会出现受激拉曼散射(SRS)效应，当效应，当信号光和泵光沿着光纤一起传输时，光功率信号光和泵光沿着光纤一起传输时，光功率持由泵光转移到信号光，从而把信号光放大。持由泵光转移到信号光，从而把信号光放大。FRA 具有频带宽、增益高、输出功率大、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、阂值响应快等优点。其缺点是泵浦效率低、阂值高，因而需要的泵浦功率很高。高，因而需要的泵浦功率很高。3.半导体光放大器半导体光放大器(SOA) 半导体光放大器半导体光放大器(SOA，Semiconductor Optical Amplifier)是由半导体激光器工是由半导体激光器工作在阈值之下时构成，包括作在阈值之下时构成，包括FP腔型腔型(FPA)和行波型和行波型(TWA)两种。两种。SOA的主要优的主要优点是尺寸小、功率消耗低、便于光电集成。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。其主要缺点是插入损耗大、对偏振态敏感。2.4 光调制技术2.5 光编码技术2.6 光信道复用和光网络多址技术2.7 光交换技术