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1、第五章 光纤通信线路,主要内容,光通信线路组成点到点链路的设计多路信号复用光放大器波分复用线路误码特性,5.1 光通信线路组成,1、点到点单用户线路,光发送机,光接收机,光发送机,光接收机,光发送机,光接收机,光接收机,光发送机,光缆,光缆,光端机,光端机,2、点到点多用户线路,多路信号复用,多路信号解复用,多路信号复用,多路信号解复用,光端机,光端机,电端机,电端机,电源,公务、管理,3、远距离线路,光端机,光端机,电端机,电端机,中继站,中继站,远距离信号损耗衰减,中继站的作用：,1）光信号放大,2）光信号脉冲再生,中继方式：,1）光信号直接放大-光放大器,2）光端机,光端机,光端机,4、
2、远距离光通信链路,终端站,中继站,分路站,枢纽站,为了节约建设成本，往往是一缆多对光纤，并行传输,m对,为了防止线路故障中断，往往留有备份线路,因此线路中，应有线路质量检测和倒换设备,复用段、数字段,中继段,当发生线路故障中断时，在该复用段倒换线路-用备份线路代替工作线路,5.2 点到点链路的设计,设备主要器件参数的确定,设备选型,系统速率的确定,路由设计,中继距离的确定,损耗限制系统色散限制系统,链路中继距离设计,损耗限制系统中继距离计算公式,从光源耦合进尾纤的光功率,接收机灵敏度,连接器损耗,光纤衰减（dB/km）,L 传输距离,熔接损耗（dB/km）,功率代价-计算灵敏度时没有考虑的一些
3、因素,功率余量-老化使系统性能的下降,消光比,激光器强度噪声,模式噪声,模式分配噪声,反射噪声,频率Chirp,定时抖动,色散引起的脉冲峰下降,链路总的展宽时间 等于各个因素引起的脉冲展宽时间 的平方和的平方根,限制系统数据速率的基本因素是：发送机展宽时间；光纤群时延色散（GVD）展宽时间；光纤模间色散展宽时间；接收机展宽时间。,展宽时间预算色散限制,确定光纤链路中色散限制的常用方法是进行系统展宽时间分析。,一般情况下，一条数字链路的总展宽时间劣化不能超过NRZ（非归零）比特周期的70%，RZ（归零）比特周期的35%。,单模光纤的群时延展宽时间为,损耗限制系统,色散限制系统,5.3 多路信号复
4、用技术,1、多路信号复用方式的分类,FDMTDMCDM,多路电信号复用方式,多路光信号复用方式,WDM-DWDM(OFDM)OTDMOCDM,频分复用时分复用码分复用,密集波分复用,2、TDM,同步时分复用准同步时分复用 异步时分复用,在频域划分子信道,在时域划分子信道,正交编码，不同信道码型正交,收发同步,时钟,时钟,同步时分复用,异步时分复用,PDHSDH,ATMIP,3、PDH 速率等级,一次群,二次群,三次群,四次群,4、PDH 数字复接,正码速调整,速率调整,同步复用,定时系统时钟,帧同步发生器,分路,恢复,定时提取,低速码流,高速码流,5.4光放大器,光信号在光纤中传输时，会受到光
5、纤衰减和色散等因素的影响。,光放大器的基本原理是利用受激辐射或受激散射来实现光信号的放大。,传统的光纤通信系统在间隔一定的距离设置中继器，对由于衰减和色散引起的信号劣化进行再生，但光/电/光方式再生的中继器已经不能适应高速率长距离光纤通信系统的要求。克服光纤衰减的最有效的措施就是使用光放大器。,1、光放大器类型,2、光放大器的基本原理,光放大器的基本原理是受激辐射或受激散射效应，其基本机制和激光器的发光原理非常相似。,实际上，可以将光放大器理解为是一个没有反馈或反馈较小的激光器。对于某种特定的光学介质，当采用泵浦（电能源或光能源）方法，达到粒子数反转时就产生了光增益，即可实现光放大。,一般来说
6、，光增益不仅与入射光频率（波长）有关，也与放大器内部光强度有关。,3、光放大器的主要参数,1.泵浦和增益系数2.增益谱宽与放大器带宽3.增益饱和和饱和输出功率4.放大器噪声,4、掺铒光纤放大器EDFA,EDFA，Erbium Doped Fiber Amplifier,掺铒光纤能放大光信号的基本原理在于铒离子能吸收泵浦光的能量，实现粒子数反转，当波长为1.55m的信号光通过已被激活的掺铒光纤时，亚稳态上的粒子以受激辐射的方式跃迁到基态。对应于每一次跃迁，都将产生一个与激发该跃迁的光子完全一样的光子，从而实现了信号光在掺铒光纤的传播过程中不断放大。,（1）EDFA的工作原理,基态,亚稳态,激发态
7、,铒离子的能级,EDFA主要由 掺铒光纤（EDF）、泵浦光源、耦合器、隔离器等组成,（2）EDFA组成,输入功率（dBm）,0,-20,-10,0,10,20,输出功率,(dBm),输出饱和光功率,输入功率（dBm）,（4）EDFA特性,1.增益特性,2.增益系数,增益系数,3.噪声特性,EDFA的输出光中，除了有信号光外，还有自发辐射光，它们一起被放大，形成了影响信号光的噪声源。,EDFA的噪声主要有以下四种：,信号光的散粒噪声；被放大的自发辐射光的散粒噪声；自发辐射光谱与信号光之间的差拍噪声；自发辐射光谱间的差拍噪声。,以上四种噪声中，后两种影响最大，尤其是第三种。噪声是决定EDFA性能的
8、主要因素。衡量EDFA的噪声特性可用噪声指数F来度量。,EDFA基本配置结构,EDFA的内部按泵浦方式分，有三种基本的结构：即同向泵浦、反向泵浦和双向泵浦。,同向泵浦信号光与泵浦光以同一方向从掺铒光纤的输入端注入的结构，也称为前向泵浦。,反向泵浦信号光与泵浦光从两个不同方向注入进掺铒光纤的结构，也称后向泵浦。,双向泵浦同向泵浦和反向泵浦同时泵浦的结构。,EDFA的应用,在长距离、大容量、高速率光纤通信系统中，EDFA有多种应用形式，其基本作用是：,（1）延长中继距离，使无中继传输达数百公里。（2）与波分复用技术结合，可迅速简便地实现扩容。（3）与光孤子技术结合，可实现超大容量、超长距离光纤通信
9、。,基本应用形式,用于WDM系统中的EDFA,EDFA对光纤传输系统的影响,非线性问题光浪涌问题色散问题光纤线路的长期可靠性问题,3、光纤拉曼放大器FRA,拉曼放大具有广阔的光谱范围。拉曼放大器FRA是唯一能在1260nm到1675nm的光谱上进行放大的器件。拉曼放大器适合于任何类型的光纤，且成本较低。FRA可采用同向、反向或双向泵浦，增益带宽可达6THz。,分布式受激拉曼散射放大器能增加放大器之间的距离，因而可以在速率高达40Gbit/s的高速光网络中发挥重要作用。,受激拉曼散射原理,受激拉曼散射将光纤中一部分入射泵浦光频率下移转移到另一频率的信号光功率。频率下移量由介质的振动模式决定。入射
10、泵浦光波的一个光子被一个分子散射成为另一个低频光子，同时分子完成振动态之间的跃迁，入射光作为泵浦光产生称为斯托克斯波的频移光。,泵浦波长为1m时测得的拉曼增益谱,光纤拉曼放大器结构,光纤拉曼放大器的基本结构如图所示。在输入端和输出端各有一个隔离器，目的是使信号光单向传输。泵浦激光器用于提供能量。近年来，FRA的泵浦源共有三个方案：一是大功率半导体激光器（LD）及其组合，二是Raman光纤激光器（RFL）；三是半导体泵浦固体激光器（DPSSL）。,拉曼放大器在WDM系统中的应用,目前的波分复用系统中大都采用EDFA补偿传输中的光纤损耗，而随着WDM系统的速率和带宽的进一步提高，EDFA由于其本身
11、的局限性，已经不能完全满足光通信系统发展的要求，FRA和EDFA的特性比较见表10-1所示。,FRA与EDFA比较,拉曼放大器的噪声特性,光纤拉曼放大器中主要有三种噪声，一是放大器自发辐射（ASE）噪声，二是串话噪声，三是瑞利散射噪声。另外，拉曼放大器还会受非线性和受激布里渊散射造成的噪声影响。,5.5 波分复用技术,WDM，Wavelength Division Multiplexing,1光波分复用的基本概念2 WDM系统的特点3WDM系统的基本结构与工作原理4光波分复用系统的关键技术,光波分复用（WDM，Wavelength DivisionMultiplexing）技术是在一根光纤上能
12、同时传送多波长光信号的一项技术。,1、光波分复用的基本概念,它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，恢复出原信号送入不同的终端。因此，此项技术称为光波长分割复用，简称光波分复用（WDM）技术。,单模光纤的带宽,100nm,100nm,DWDM,把在光纤同一低损耗窗口中信道间隔较小的波分复用称为密集波分复用。,两个波长之间的间隔为0.8nm、1.6nm或更低。,密集波分复用,DWDM，DenseWavelength Division Multiplexing,1550nm波长,WDM系统的
13、基本形式,1.双纤单向传输2.单纤双向传输3.光分路插入传输,双纤单向传输,单纤双向传输,光分路插入传输,T,T,T,R,R,波分复用器（也称合波器Multiplexer）,解复用器(也称为分波器De-multiplexer),光接收机,光接收机,光接收机,光接收机,N,1,2,3,复用器,解复用器,EDFA,波长稳定、窄线宽高速、小啁啾调制,窄带、小串话、稳定滤波,增益平坦、宽带、较高输出功率,高灵敏度宽动态范围,2、WDM系统的特点,充分利用光纤的带宽资源 可以在一根光纤同时传输多种电信业务 可实现单纤双向传输 节省大量光纤 降低器件的超高速要求 适用于多种网络形式 引入宽带业务方便 高度
14、的组网灵活性、经济性和可靠性,3、WDM系统总体结构,WDM系统的分类,根据WDM线路系统中是否设置有EDFA，可以将WDM线路系统分为,有线路光放大器WDM系统和无线路光放大器WDM系统。,有线路光放大器WDM系统的参考配置,无线路光放大器WDM系统的参考配置,光波长的分配,目前在SiO2光纤上，光信号的传输都在光纤的两个低损耗区段，即1310nm和1550nm。,但由于目前常用的EDFA的工作波长范围为15301565nm。因此，光波分复用系统的工作波长应该在15301565nm。在这有限的波长区内如何有效地进行通路分配，关系到提高带宽资源的利用率及减少相邻通路间的非线性影响等。,标称中心
15、频率和最小通路间隔,为了保证不同WDM系统之间的横向兼容性，必须对各个通路的中心频率进行规范。标称中心频率是指光波分复用系统中每个通路对应的中心波长。,目前国际上规定的通路频率是基于参考频率为193.1THz，最小间隔为100GHz的频率间隔系列。,16通路和8通路WDM系统中心频率,通路分配表,更多波长的考虑,随着各种新业务对WDM系统容量的更高要求，32波乃至更多波长数的WDM系统已经成熟，其频率间隔已经缩小到50GHz。为了满足未来通信业务的需要，已经提出间隔低至12.5GHz的系统方案。,中心频率偏差,中心频率偏差定义为 标称中心频率与实际中心频率之差。,对于16通路WDM系统，通道间
16、隔为100GHz（约0.8nm），最大中心频率偏移为20GHz（约为0.16nm）；对于8通路WDM系统，通道间隔为200GHz（约为1.6nm）。也规定对应的最大中心频率偏差为20GHz。,对于激光器的波长及其稳定性要求较高；光纤的非线性对光放大器的输出功率有很大的限制；“四波混频”效应会造成信道间的串扰；光纤的色散效应限制了信道速率的提高；如何监测线路光放大器等问题。,目前WDM还存在一些技术问题,WDM系统要解决的技术问题,1.光源的波长准确度和稳定度问题2.光信道的串扰问题3.光纤色散对传输的影响问题4.光纤的非线性效应问题5.EDFA的动态可调整增益与锁定问题6.EDFA的增益平坦问
17、题7.EDFA的光浪涌问题8.EDFA级联使用时的噪声积累问题,光波分复用系统的关键技术,1.光源技术-波长准确度和稳定度高的LD2.多复用低串扰的合波分波器3.光纤的色散补偿技术4.频带宽、增益平坦，动态可调整增益与锁定的EDFA,1.光源的波长准确度和稳定度问题,在WDM系统中，必须对光源的波长进行精确的设定和控制，否则波长的漂移必然会造成系统无法稳定、可靠地工作。所以要求在WDM系统中要有配套的波长监测与稳定技术。目前采用的主要方法有温度反馈控制法和波长反馈控制法来达到控制与稳定波长的目的。,2.光信道的串扰问题,光信道的串扰是影响接收机的灵敏度的重要因素。信道间的串扰大小主要取决于光纤
18、的非线性和解复用器的滤波特性。在信道间隔为1.6nm或0.8nm的情况下，目前使用的光解复用器在系统中可以保证光信道间的隔离度大于25dB，可以满足WDM系统的要求，但对更高速率的系统尚待研究。,3.光纤色散对传输的影响问题,在系统中采用了EDFA后，衰减问题得到了解决，传输距离大大增加，但是色散也随之增加，系统的无中继传输距离由原来的受衰减限制变为了受色散限制。因此对于高速光纤通信而言，光纤的色散效应成为一个主要的限制因素必须解决，否则无法实现长距离通信,4.光纤的非线性效应问题,对于常规的单信道光纤通信系统来说，入纤光功率较小，光纤呈线性状态传输，各种非线性效应对系统的影响较小，甚至可以忽
19、略。但在WDM系统中，随着EDFA等放大器的使用，入纤的光功率显著增大，光纤在一定条件下将呈现非线性特性，会对系统的性能，包括信道间串扰和接收机灵敏度等产生影响。,5.EDFA的动态可调整增益与锁定问题,目前，EDFA的带宽已经达到了3540nm，虽然其通带内的增益平坦度并不十分理想，但能满足普通波长密度的WDM系统的要求，然而对于密集型波分复用系统传输还不够。在WDM系统中，各光信道之间的信号传输功率有可能发生起伏变化，这就要求EDFA能够根据信号的变化，实时地动态调整自身的工作状态，从而减少信号波动的影响，保证整个信道的稳定。在WDM系统中，如果有一个或几个信道的输入光功率发生变化甚至输入
20、中断时，剩下的信道增益即输出功率会产生跃变，甚至会引起线路阻塞。所以EDFA必须具有增益锁定功能来避免某些信道完全断路时对其他信道的影响。,6.EDFA的增益平坦问题,WDM系统中，因各信道的波长不同而有增益偏差，经过多级放大后，增益偏差积累使各信道信号特性恶化，最终造成整个系统不能正常工作。因此，要使各信道上的增益偏差处在允许范围内，放大器的增益必须平坦。,7.EDFA的光浪涌问题,EDFA的采用可使输入光功率迅速增大，但由于EDFA的动态增益变化较慢，在输入信号跳变的瞬间将产生浪涌即输出光功率出现“尖峰”。峰值光功率可达数瓦，有可能造成光/电变换器和光连接器的损坏。,8.EDFA级联使用时
21、的噪声积累问题,信号经过EDFA传输后，信噪比会产生劣化，且信噪比的劣化与级联的EDFA的数量和放大器之间的光纤段跨距有关，跨距越大，信噪比劣化越严重。所以，放大器之间的光纤段跨距一般控制在80120km之内，以保证信号传输性能对信噪比的要求。,光源技术,对WDM系统采用的光源技术主要有：,波长可调谐激光器 波长可调谐滤波器 高精度光源 外调制技术,光波分复用/解复用器与光滤波器技术,光波分复用/解复用器（WDM/DWDM）是波分复用系统的关键器件。其功能是将多个波长不同的光信号复合后送入同一根光纤中传送解复用器将在一根光纤中传送的多个不同波长的光信号分解后送入不同的接收机（解复用器）。波分复
22、用器和解复用器也分别被称为合波器和分波器.,光波分复用器/解复用器性能的优劣对于WDM系统的传输质量有决定性的影响，其性能指标有插入损耗和串扰。WDM系统对光波分复用器/解复用器的特性要求是损耗及其偏差要小，信道间的串扰要小，通带损耗平坦等。,1.WDM/DWDM器的结构原理,WDM器件类型,熔锥光纤型WDM/DWDM 干涉滤波器型WDM/DWDM 光栅型WDM/DWDM 集成光波导型WDM/DWDM,干涉滤波器型DWDM器件原理,光栅型DWDM器件原理,平面阵列波导光栅型波分复用器,2.WDM/DWDM器件性能,插入损耗 隔离度 回波损耗 工作波长范围 通路带宽,5、光转发器（OTU）技术,
23、1.OTU的基本结构,WDM系统在发送端采用OTU，主要作用是把非标准的波长转化为ITU-T所规定的标准波长，以满足系统的波长兼容性。可以根据是否具有OTU将WDM系统分为集成式和开放式两种,OTU器件目前使用的还是光/电/光的变换形式。先由光电二极管PIN或者APD把接收到的光信号转换为电信号，经过定时再生后，产生再生的电信号和时钟信号，再用该信号对标准波长的激光器重新进行调制，从而得到新的合乎要求的标准光波长信号（G.692要求的标准波长）。至于采用全光直接变换的波长转发器目前尚未商用。,集成式WDM系统,开放式WDM系统,基于XGM原理OTU,光纤传输技术,WDM系统中的光纤传输技术与一
24、般的光纤通信系统相比，由于存在传输速率高和信道数量多等特点，因此存在着一些特殊的要求，包括光纤选型、色散补偿技术和色散均衡技术等。,1.光纤选型,从系统成本角度考虑，尤其是对原有采用G.652光纤的系统升级扩容而言，在G.652光纤线路上增加色散补偿元件以控制整个光纤链路的总色散值也是一种可行的办法。G.652具有成本低、制造和施工工艺成熟等优点，特别是对于一些较短距离的WDM系统（如省内或城域系统）而言仍是一种较好的选择，此时可以采用色散补偿光纤DCF等多种色散补偿技术。从长远来看，未来WDM系统中可能会利用整个O、S、C和L波长段，因此色散平坦光纤G.656光纤可能会得到较大的应用,色散补
25、偿技术随着现代通信网对传输容量要求的急剧提高，原有光纤线路中大量使用的G.652光纤已不能适应，如何在保留原有系统的前提下解决G.652光纤在1550nm波长下的色散受限问题，应用WDM技术开通更高速率的通信系统已是升级扩容的当务之急。采用波分复用和色散补偿技术在现有光纤系统上直接升级高速率传输系统是目前较为适宜的技术方法。关于WDM的一些技术问题已在本章中阐述，色散补偿问题将在第11章中详细介绍。,色散均衡技术在原有采用G.652光纤的系统中，采用色散补偿技术只能实现整个链路或者其中部分数字段的总色散为零，但是由于色散补偿元件是分段式的使用的，这就可能造成光纤链路的色散值呈现起伏波动的情况，
26、这也不利于WDM系统。因此需要引入色散均衡技术，在保证整个链路色散最小的同时，中间任意数字段的色散起伏都不会很大。可行的方法有将G.652光纤和G.655光纤混合使用，或将色散值为“”、“”的G.655光纤交替使用。,WDM系统的监控技术在应用EDFA来代替现有光纤系统中中继器的WDM系统中，由于EDFA的光中继器上业务信号不能上/下，无电接口接入，只有光信号放大，而且在业务信号的开销位置上（如SDH的帧结构）也没有对EDFA进行监控的字节，因此必须增加一个电信号对EDFA的运行状态进行监控。现在通常采用的是在一个新波长上传送监控信号。另外对WDM系统的各相关部件的故障告警、故障定位、运行中的
27、质量监控、线路中断时备用线路的监控等也需要监控。所以在WDM系统中考虑设置了光监控信道（OSC，OpticalSupervisory Channel）。,主要的监控技术 带外监控技术对于使用EDFA作为线路放大器的WDM系统，需要一个额外的光监控信道。ITU-T建议采用一个特定波长作为光监控信道，传送监测管理信息。此波长位于业务信息传输带宽之外时可选用151010nm。带内监控技术选用位于EDFA 增益带宽内的波长15324.0nm作为监控信道波长。此时监控系统的速率可取为155Mbit/s。,带外波长监控,5.4 光通信线路性能指标,误码性能和抖动性能,误码率与通话质量,如何测试,SERIE
28、S G:TRANSMISSION SYSTEMS AND MEDIADigital transmission systems Digital networks Quality and availability targetsError performance of an international digital connection operating at a bit rate below the primary rate and forming part of an integrated services digital network低于基群速率的国际数字连接的误码性能ITU-T Re
29、commendation G.821,INTERNATIONAL TELECOMMUNICATION UNIONITU-TG.821 TELECOMMUNICATIONSTANDARDIZATION SECTOROF ITU(08/96),1、HRXHypothetical Reference Connection,2、Parameters,errored second(ES),It is a one-second period in which one or more bits are in error,severely errored second(SES),It is a one-sec
30、ond period which has a bit error ratio 1.10-3,errored second ratio(ESR),The ratio of ES to total seconds in available time during a fixed measurement interval,severely errored second ratio(SESR),The ratio of SES to total seconds in available time during a fixed measurement interval,Available and una
31、vailable time,A period of unavailable time begins when the bit error ratio(BER)in each second is worse than1.10-3 for a period of ten consecutive seconds.These ten seconds are considered to be unavailable time.A new period of available time begins with the first second of a period of ten consecutive
32、 seconds each of which has a BER better than 10-3.,It should be noted that total observation time(Stotal)is split into two parts,namely,time for which the connection is deemed to be available(Savail)and that time when it is unavailable(Sunavail).Error performance should only be evaluated whilst the
33、connection is in the available state.,3、Performance objectives,4、Allocation of the objectivesfor the three-circuit classifications,Allocation of Errored Second Ratio objective,INTERNATIONAL TELECOMMUNICATION UNION,ITU-T G.826TELECOMMUNICATIONSTANDARDIZATION SECTOROF ITU(02/99),SERIES G:TRANSMISSION
34、SYSTEMS AND MEDIA,DIGITAL SYSTEMS AND NETWORKSDigital transmission systems Digital networks Quality and availability targets,Error performance parameters and objectives for international,constant bit rate digital paths at or above the primary rate,ITU-T Recommendation G.826,基群及更高速率的国际数字通道的误码性能,1、Hyp
35、othetical Reference Path,2、Error performance parameters,Errored Block(EB):A block in which one or more bits are in error.,Errored Second(ES):A one-second period with one or more errored blocks or at least one defect.,Severely Errored Second(SES):A one-second period which contains 30%errored blocks o
36、r at least one defect.SES is a subset of ES.,Errored Second Ratio(ESR):The ratio of ES to total seconds in available time during a fixed measurement interval.,Severely Errored Second Ratio(SESR):The ratio of SES to total seconds in available time during a fixed measurement interval.,Background Block
37、 Error Ratio(BBER):The ratio of Background Block Errors(BBE)to total blocks in available time during a fixed measurement interval.The count of total blocks excludes all blocks during SESs.,3、Error performance objectives,End-to-end objectives,Allocation to the national portion of the end-to-end path,
38、Each national portion is allocated a fixed block allowance of 17.5%of the end-to-end objective,An allocation of 1%per 500km is then applied to the resulting distance.,Allocation to the international portion of the end-to-end path,The international portion is allocated a block allowance of 2%per inte
39、rmediate country plus 1%for each terminating country.,An allocation of 1%per 500km is then applied to the resulting distance.,17.5%,总指标100%,固定分配45%,距离分配55%,国际10%,终端国1%x2,中间国2%x4,国内35%=2x17.5%,1%/500/km,用户线路6%,光放大器类型,掺铒光纤放大器（EDFA）,掺镨光纤放大器（PDFA）,2、光纤放大器（FRA）,1、半导体放大器（SOA）,Erbium Doped Fiber Amplifer,5
40、.5 光放大器,传统放大技术的缺陷,放大,整形,判决再生,O/E,E/O,未来全光网络（AON）的发展趋势：光复用、光交换、光路由，所以必须在光传输上实现全光化。,光放大器：直接在光域进行放大。,缺点：1、设备复杂。2、稳定性可靠性不够。3、不利于波分复用。4、光电转换限制通信的容量。,常用光放大器的结构图,耦合器件,激活物质,耦合器件,泵浦源,光输入信号,放大光信号,半导体光放大器（SOA）,半导体光放大器（SOA）是通过受激辐射过程来实现入射光功率放大的，产生受激辐射所需的粒子数反转机制与半导体激光器中使用的完全相同。尽管光放大器再结构上与激光器很相似，但它没有反馈机制，而反馈机制对于发射
41、机是很有必要的。因此，光放大器可以放大输入信号，但不能产生相干的光输出。如图所示。其中设备吸收了外部泵浦光源提供的能量，在激活介质中，泵浦为电子提供能量，使其达到较高能级，产生粒子数反转。输入信号光子会通过受激辐射过程触发这些已经激活的电子，使其跃迁到较低的能级，从而产生一个放大的信号。,半导体光放大器（SOA）有很多吸引人的地方，因为它们工作在1300nm和1550nm的低损耗窗口，能够很容易地与其他光设备和电路（如耦合器、光隔离器及接收电路）集成在同一基片上；与DFA相比，SOA功耗低，组成器件少，结构紧凑。AOS具有1ps到0.1ns量级的快速增益响应。快速增益响应的优缺点：他的优点是，
42、当光网络同时要求交换和信号处理时，SOA能够完成这样的任务；缺点是在比特速率增加到几个Gb/s时，快速载波响应会导致特定波长上的增益随着信号速率起伏。又因为这种起伏会影响到整个增益，其他波长上的信号增益也会产生起伏，从而在必须放大波长宽谱时引起串扰。,掺杂光纤放大器（DFA）：在DFA中，用来在1550nm窗口工作的激活介质是通过在石英光纤纤芯中掺少量稀土元素铒或镒而产生的，工作在1300nm窗口的激活介质是由在氟化物光纤中掺钕或镨元素得到的。DFA的重要特性包括：在不同的波长上对器件进行泵浦的能力。与之相容的光纤传输介质间的耦合损耗低、增益对光偏振状态依存性小等。另外，由于其载流子寿命在0.
43、110ms量级，DFA表现为慢增益动态特性，因而对信号格式和比特速率具有很高的透明度。当信号调制超过几个千赫兹时，DFA的增益响应基本是不变的。通常，DFA是不受同时注入放大器的波长宽谱内不同光信道的干扰（串扰和互调制失真）影响的。,常用光放大器及其工作波段,PDFA,FRA,SOA,EDFA,波长,1550nm,1310nm,损耗,1半导体光放大器,半导体光放大器 的类型,法布里-珀罗放大器（FPA）行波放大器(TWA),法布里-珀罗放大器（FPA）：在FPA中，半导体晶体的两个理解面作为形成法布里-珀罗腔的部分反射端面镜，其自然理解反射率接近32，有时会通过在端面上形成的反射电介质薄层而提
44、高反射率。当光信号进入FPA时，在两个镜面间来回反射并得到放大，直到以较高的强度发射出去。尽管FPA很容易制作，但光信号增益对放大器温度及入射光频率变化都很敏感，因此FPA要求温度和注入电流有较强的稳定性。行波放大器(TWA)：行波放大器在结构上与FPA相同，但其端面上或者有增透膜或者有切面角度，因此不会发生内反射，入射光信号只要通过一次TWA就会得到放大。因为TWA的光带宽较宽，饱和功率高以量级，所以TWA比FPA使用得更为广泛。又因为TWA得3dB带宽比FPA大三个数量级，所以在网络应用中选择TWA作为SOA。要特别注意的是，TWA在1300nm窗口用作放大器，在1550nm窗口则用作波长
45、变换器。对于大多数情况来说，在有关光纤系统得近期著作中都不加限定地用“SOA”表示行波半导体光放大器。,增益对输入光功率得典型依存关系,增益对输入光功率得依存关系如图,利用光泵浦源对光纤进行激发，使光纤中产 生非线性效应（拉曼散射），将泵浦光的能量向信号光转移，从而实现光的放大。,2、拉曼放大器,一、工作原理：,拉曼散射：介质在强光功率下产生对入射光 的非弹性散射，使得短波长光的 的能量向长波长转移。,三、优点,1、输出光功率 大，工作稳定,2、噪声特性好，耦合容易,四、缺点,光纤长度过大，于偏振态有关,1270nm-1670nm,五、结构图与能带图,光波长耦合器,泵浦光,1,信号光,2,1,
46、2,+,滤波器,放大信号光,2,h1,h 2,泵浦光,信号光,振动态,光声子,什么是掺铒光纤放大器,工作波长：nmnm,3、掺铒光纤放大器,是在石英光纤中掺入Er元素，在泵浦光的激励下，对特定波长的信号光进行放大。,优点,（1）工作波长与光纤的最小窗口和目前的波分窗口相对应。,（2）耦合效率高。,（3）增益与偏振态无关。,（5）增益高、输出功率大。,（4）所需的泵浦功率小。,（6）噪声小 Nf=47dB,(7)对信号和传输速率透明，兼容各种制式,（8）频带宽,（9）WDM无串话,1）、工作原理,在泵浦光源的激励下，掺铒光纤基级上的电子产生受激吸收被激发到到高的激发能级上，继而马上下降到稍低的亚
47、稳态级，与基级形成粒子数反转分布，当信号光满足h=Eg时，将产生受激辐射激发同频同偏振方向的光子，从而对光产生放大。,基态,亚稳态,激发态,一般使用发射980nm光子的泵浦激光器去激励电子，使之从基态跃迁到泵浦能级。这些受激离子从泵浦带到亚稳带衰变得非常快。在衰变过程中，多余的能量以声子得形式释放，或者等价地认为在光纤内产生了机械振动。在亚稳态能带中，激发态离子的电子将移至能带的底端，在这里，人们使用荧光时间来表征这个过程，这个时间长达10ns左右。,另一种可能的泵浦波长是1480nm，这些泵浦光子的能量很接近信号光子能量，只是要稍高一些，吸收个这样的泵浦光子，会直接吧一个电子从基态激发到很少
48、被粒子占据的亚稳态能级的顶部，然后这些电子又将移向粒子数较多的亚稳态较低端。位于亚稳态的电子，在没有外部激励光子流时，一部分会衰变回到基态，这种现象就是所谓的自发辐射，自发辐射会导致放大器的噪声。,2）、的基本结构及功能,合波器,光滤波器,泵浦光源,（掺铒光纤）,信号光,光隔离器,光隔离器,放大的信号光,光纤放大器由掺杂光纤、一个或多个泵浦激光器、无源波长耦合器、光隔离器组成。双色性的耦合器能够运用980/1550nm或1480/1550nm的波长组合，将泵浦光功率与信号光功率一起有效的耦合进光纤放大器。抽头耦合器不受波长影响，典型分光比是从到95:5。通常应用于放大器的两侧，将输入信号与放大
49、的输出信号进行比较。光隔离器是用来防止放大的光信号反射回原器件，这称为同向泵浦;也可以沿相反方向进行。,同向泵浦,反向泵浦,双向泵浦,EDFA三种配置结构,（1）、功率增益,G=10Lg(Pout/Pin)(dB),增益与泵浦源功率曲线,增益与的长度曲线,3）、主要参数,粒子数反转趋于饱和,放大的光被损耗抵消,要得到最大的增益必须选择合适的泵浦光功率和掺铒光纤长度,（）输出饱和功率和最大输出功率,输入功率（dBm）,0,-20,-10,0,10,20,输出功率,(dBm),当输出光功率达到一定值时，增加 输入信号功率，输出光功率不变，这个输出光功率叫做输出饱和光 功率。,输出饱和光功率,定义3
50、dB的饱和光功率为最大输出光功率，表明EDFA正常工作的最大输出功率。,最大输出光功率,（）、噪声系数,放大器的噪声主要来源于自发辐射。,噪声系数：,4）、工作带宽,最大增益下降3dB 处 对应的光谱宽度定义为工作带宽。,波长,1560nm,1530nm,4）EDFA的功率转换效率及增益,EDFA的输入输出功率可以使用能量守恒原理表示为,（16）,等式中，是输入泵浦功率，和 分别是泵浦波长和信号波长。上式的基本物理意义是从EDFA输出的信号能量总和不能超过注入的泵浦能量。,为使泵浦系统能够工作，必须有，为了得到适当的增益，又必须满足。因此功率转换效率（PCE）可以定义为,（17）,虽然，PCE
