光放大器和光中继器
EDFA掺铒光纤放大器EDFA
SNR F SNR in
Байду номын сангаас
2nsp
G 1 G
2nsp
2
out
四、应用
•线路放大（In-line）：
周期性补偿各段光纤损 耗
•功率放大（Boost）：
增加入纤功率，延长传 输距离
•前置预放大（Pre-Amplifier）
提高接收灵敏度
五、光放大器特点
1、对信号格式及码率透明 2、工作波段可选 3、宽带放大 4、高增益 5、低噪声
dP gP dz
•放大器带宽：放大器增益（放大倍数）降至最大放大倍数一半处的全宽度 （FWHM）
A
g
ln 2 g0L ln
2
二、增益饱和与饱和输出功率 •起因：增益系数与功率的依从关系
•饱和输出功率：
放大器增益降至最大 小信号增益的一半时 的输出功率
Ps out
G0 ln 2 G0 2
Ps
•最大输出功率
1、多信道放大中存在的问题
•噪声大（Fn~8dB) •信道串扰（交叉增益调制XGM、四波混频FWM） •增益饱和引起信号畸变
2、其他应用
A、光波长转换：
光波长转换器（Wavelength Converter）是一种实现将光信号从某一波 长的光载波转换至另一波长光载波的器件，是波分复用光通信系统向 光网络演变的一个关键性器件。光波长转换器能使网络在不同节点处 重复使用某一个波长，这种“波长再利用”无疑能提高波长的利用效 率，有效地减少波分复用网络中所需波长的数量 机理：
二、EDFA的工作原理
•EDFA采用掺铒离子单模光纤为增益介质， 在泵浦光作用下产生粒子数反转，在信号光 诱导下实现受激辐射放大 •EDFA中的Er3+能级结构：
光放大器和光中继器
第 6章
光放大器和光中继器
在E2上，离子除了发生受激辐射外，还有少数
离子要产生自发辐射，即在上短暂停留还没有机
会与光子相互作用，就会自发地从亚稳态跃迁到
基态并发射出1550nm波段的光子，这种光子与信
号光不同，它是随机的，它构成了EDFA的噪声，
由于这种自发辐射的光子在掺铒光纤中传输，同
样也会得到放大，因此，在EDFA的输入光功率 较低时，会产生较大的噪声。
3°双向泵浦结构 同时具备1°和2°的泵浦光源（如图6.3）。
从输出功率看：单泵浦的输出功率可达14 dBm，
双泵浦达17 dBm。
第 6章
光放大器和光中继器
§6-3 EDFA的工作原理 在§3-2节，我们讨论了半导体激光器的工作原理，
它是在泵浦源（能使工作物质产生粒子数反转分布的
外界激励源）的作用下，使工作物质的粒子处于反转 分布状态，具有了光放大作用，对于EDFA，其基本原
5. 泵浦源(P中继器
WDM 光纖耦合器 輸入光
摻鉺光纖
輸出光
1480或980 nm 激勵光源
光隔離器 光帶通 濾波器
第 6章
光放大器和光中继器
二、作用 光耦合器：是将输入光信号和泵浦光源输出的光波混合起来， 它是无源光器件，一般采用波分复用器（WDM） 光隔离器：是防止反射光影响光放大器的工作稳定性，保证 光信号只能正向传输的器件。 掺铒光纤：是一段长度大约为10～100m的石英光纤，将稀土 元素铒离子注入到纤芯中，浓度约为25mg/kg。 泵浦光源：为半导体激光器，输出功率约为10～100mw（几 十mw），工作波长为0.98μm。 光滤波器：其作用是滤除光放大器的噪声，降低噪声对系统 的影响，提高系统的信噪比。
光纤通信系统与应用(胡庆)复习总结
红色：重点、绿色：了解第1章1、光纤通信的基本概念：以光波为载频，用光纤作为传输介质的通信方式。
光纤通信工作波长在于近红外区：0.85～2.00μm的波长区，对应频率: 167～375THz。
对于SiO2光纤，在上述波长区内的三个低损耗窗口，是目前光纤通信的实用工作波长，即0.85μm、 1.31μm 1.55μm及 1.625μm2、光纤通信系统的基本组成：P5 图1-3目前采用比较多的系统形式是强度调制/直接检波（IM/DD）的光纤数字通信系统。
该系统主要由光发送设备（光发射机）、光纤传输线路、光接收设备（光接收机）、光中继器以及各种耦合器件组成。
各部件功能：电发射机：对来自信源的信号进行模/数转换和多路复用处理；光发送设备：实现电/光转换；光接收机：实现光/电转换；光中继器：将经过光纤长距离衰减和畸变后的微弱光信号放大、整形、再生成具有一定强度的光信号，继续送向前方，以保证良好的通信质量。
3、光纤通信的特点：（可参照P1、2）优点：（1），传输容量大。
（2）传输损耗小，中继距离长。
（3）保密性能好：光波仅在光纤芯区传输，基本无泄露。
（4）抗电磁干扰能力强：光纤由电绝缘的石英材料制成，不受电磁场干扰。
（5）体积小、重量轻。
（6）原材料来源丰富、价格低廉。
缺点：1）弯曲半径不宜过小；2）不能远距离传输；3）传输过程易发生色散。
4、适用光纤：P11G.652 和G.654：常规单模光纤，色散最小值在1310nm处，衰减最小值在1550nm 处。
常见的结构有阶跃型和下凹型单模光纤。
G.653：色散位移光纤，色散最小值在1550nm处，衰减最小值在1550nm处。
难以克服FWM混频等非线性效应带来的影响。
G.655：非零色散光纤，色散在1310nm处较小，不为0；衰减最小值在1550nm处。
可以尽量克服FWM混频等非线性效应带来的影响。
补充：1、1966年7月，英籍华人（高锟）博士从理论上分析证明了用光纤作为传输介质以实现光通信的可能性。
光纤通信技术第六章光通信中的光放大器 (1)
6.1.1 光放大器的概念
光纤的损耗和色散限制了光纤的传输距离, 延长通信距离的方法是采用中继器, 中继器的 放大过程较为复杂, 它是将输入的光信号转换 为电信号, 在电信号上进行放大、再生、再定 时等处理后, 再将经处理后的电信号转换为光 信号经光纤传送出去, 这种中继方式称为光/电/ 光中继方式。
（2）有源光纤或掺杂光纤放大（DFA）
有源光纤放大器的有源媒体是稀土族元 素（如Er、Pr、Tm、Nd 等）, 它掺杂在光纤 的玻璃基体中, 所以也称作掺杂光纤放大器 （DFA）。DFA是利用光纤中掺杂稀土元素引 起的增益机制实现光放大的。
光纤通信系统最适合的掺杂光纤放大器是 工作波长为1550nm掺铒光纤放大器（EDFA） 和工作波长为1310nm的掺镨光纤放大器 （PDFA）。用于1310nm窗口的PDFA, 因受 氟化物光纤制作困难和氟化物光纤特性的限制, 机械强度较差, 与常规光纤的熔接较为困难, 究 进展比较缓慢, 尚未获得广泛应用。
光增益不仅与入射光频率（或波长）有关, 也与放大器内部光束强度有关。光增益与频率 和强度的具体关系取决于放大器增益介质的特 性。
由激光原理可知, 对于均匀展宽二能级系 统模型, 其增益系数为
g(
) 1(
g0 0)2T 22P /P s
（6.1）
当放大器的输出功率远远小于饱和功率时, 即放大 器工作在小信号状态时, 式（6.1）中的 P /项Ps可忽 略, 增益系数简化为
Fn
(SNR)in (SNR)out
（6.9）
即使是理想的放大器, 输入信号的 (SNR)也in
被降低一倍（3db）, 实际放大器的
F
都超过
n
3db, 有些放大器的 F n 达到6-8db。从光纤应用
光纤通信-重要知识点总结
光纤通信重要知识点总结第一章1.任何通信系统追求的最终技术目标都是要可靠地实现最大可能的信息传输容量和传输距离。
通信系统的传输容量取决于对载波调制的频带宽度，载波频率越高，频带宽度越宽。
2.光纤：由绝缘的石英（2）材料制成的，通过提高材料纯度和改进制造工艺，可以在宽波长范围内获得很小的损耗。
3.光纤通信系统的基本组成:以光纤为传输媒介、光波为载波的通信系统，主要由光发送机、光纤光缆、中继器和光接收机组成。
光纤通信系统既可传输数字信号也可传输模拟信号。
输入到光发射机的带有信息的电信号，通过调制转换为光信号。
光载波经过光纤线路传输到接收端，再由光接收机把光信号转换为电信号。
系统中光发送机的作用是将电信号转换为光信号，并将生成的光信号注入光纤。
光发送机一般由驱动电路、光源和调制器构成，如果是直接强度调制，可以省去调制器。
光接收机的作用是将光纤送来的光信号还原成原始的电信号。
它一般由光电检测器和解调器组成。
光纤的作用是为光信号的传送提供传送媒介，将光信号由一处送到另一处。
中继器分为电中继器和光中继器（光放大器）两种，其主要作用就是延长光信号的传输距离。
为提高传输质量，通常把模拟基带信号转换为频率调制、脉冲频率调制或脉冲宽度调制信号，最后把这种已调信号输入光发射机。
还可以采用频分复用技术，用来自不同信息源的视频模拟基带信号（或数字基带信号）分别调制指定的不同频率的射频电波，然后把多个这种带有信息的信号组合成多路宽带信号，最后输入光发射机，由光载波进行传输。
在这个过程中，受调制的电波称为副载波，这种采用频分复用的多路电视传输技术，称为副载波复用技术。
目前大都采用强度调制与直接检波方式。
又因为目前的光源器件与光接收器件的非线性比较严重，所以对光器件的线性度要求比较低的数字光纤通信在光纤通信中占据主要位置。
数字光纤通信系统基本上由光发送机、光纤与光接收机组成。
发送端的电端机把信息进行模数转换，用转换后的数字信号去调制发送机中的光源器件，则就会发出携带信息的光波，即当数字信号为“1”时，光源器件发送一个“传号”光脉冲；当数字信号为“0”时，光源器件发送一个“空号”。
数字光纤通信系统基本组成
数字光纤通讯系统基本构成20 世纪 70 年月末，光纤通讯开始进入适用阶段，各样光纤通讯系统先后成立起来，但当前强度调制－直接检测 (IM-DD) 系统是最常用、最主要的方式，下边就我所理解的光纤系统做一下简要介绍。
数字光纤通讯系统的基本框图以下列图所示。
光发射端机光接收端机光缆光中继器光缆输入接口输出接口备用系统电发射机电接收机协助系统用户用户一、电发射机通讯中传输的很多信号都是模拟信号，如语音信号、图像信号等，电发射机的任务就是把模拟信号变换为数字信号（ A/D 变换），并用时分复用的方式把多路信号复接、合群，进而输出高比特率的数字信号。
PCM 包含抽样、量化、编码、传输、解码、低通等过程。
二、光发射机电发射机的输出电信号经输入接口进入光发射机。
输入接口的作用是保证电、光端机间信号的幅度、阻抗般配，还要进行合适的码型变换，以合适光发射机的要求。
如 PDH 的一、二、三次群 PCM 复接设施的输出码型是 HDB3 码，四次群是 CMI 码，在光发射机中，需要先变换成 NRZ 码。
光发射端机的构成以下列图所示。
数字信号线路编码调制电路光源光信号控制电路1、线路编码线路编码的作用是将传递码流变换成便于在光纤中传输接收及监测的线路码型。
线路编码的种类有：①扰码；②mBnB 码；③插入码。
我国 3 次群和 4 次群光纤通讯系统最常用的线路编码是5B6B 码。
2、调制电路光源的调制方式分直接调制和间接调制。
直接调制仅合用于半导体光源（ LD 和 LED ），它是把要传递的信息转变成电流信号注入 LD 和 LED ，进而获取相应的光信号，是一种电源调制方式。
直接调制分模拟调制和数字调制，模拟调制一般只好使用 LED ，数字调制可使用 LED 也可使用 LD 。
间接调制是利用晶体的电光效应、磁光效应、声光效应等性质来实现对激光辐射的调制，它既合用于半导体激光器，也适于其余种类激光器。
间接调制最常用的是外调制，即在激光形成此后加载调制信号，详细方法是在激光器谐振腔外的光路上搁置调制器。
光纤通信技术
光的全反射与光纤的导光原理
光的全反射
当光线从一种介质射入另一种介质时，如果入射角大于某一临界角，光波将在第二种介质表面发生全 反射，即所有的光线都将被反射回第一种介质，而不会进入第二种介质。全反射是光纤导光的物理基 础。
光纤的导光原理
光线在光纤中传播时，由于光的全反射作用，光波被限制在光纤的纤芯中传播，从而实现光的定向传 输。光纤的导光原理是光纤通信中的核心技术之一。
光子集成电路与光子晶体光纤
总结词
光子集成电路和光子晶体光纤是光纤通信技术的两个重 要发展方向。
详细描述
光子集成电路是一种集成了多种光器件的光子回路，具 有高度集成、低能耗、高速传输等优点。而光子晶体光 纤则是一种新型的光纤结构，具有高非线性、高色散等 特性，为光通信带来了新的可能性。
光纤网络的可靠性、稳定性与安全性
光检测器与光接收机
光检测器
光检测器是光纤通信系统的接收端，用于将光信号转换为电信号。常用的光检 测器有光电二极管和雪崩光电二极管。
光接收机
光接收机是将光信号转换为电信号的设备，它包括光检测器、信号处理电路和 放大器等。
光纤与光缆
光纤
光纤是光纤通信系统的传输介质，用于传输光信号。光纤由纤芯和包层组成，纤 芯负责传输光信号，包层则起到保护和折射的作用。
物联网与智能交通
实时数据传输
光纤通信技术能够为智能 交通系统提供实时、可靠 的数据传输服务，支持交 通流量的监控和调度。
车辆安全与控制
光纤通信技术可以用于实 现车辆之间的信息交互， 提高车辆行驶的安全性和 控制精度。
智能停车系统
光纤通信技术可以支持智 能停车系统的建设，实现 车位信息的实时更新和车 辆快速定位。
光纤通信技术的发展历程
36 光中继器(Optical Repeater
直Hale Waihona Puke 光放大型中继器的示意图掺铒光纤放大器 的波长为1.55μm ，实际使用 时，将掺铒光纤放大器安放在光纤线路中，两端 与传输光纤直接对接，就能对1.55μm波长的光 信号进行放大，实现光信号的中继。由于这种光 放大器只对光信号幅度直接进行放大，因此称为 直接光放大型中继器。
两种光中继器特性比较
3.6.1 光电转换型中继器 光电转换型中继器是指采用光 - 电 - 光转换方 式的传统的光中继器。它将接收到的光信 号经过光 /电转换、放大和再生，恢复出原 来的数字电信号，然后再对光源进行调制 （即电 / 光转换），产生出光信号输入光纤 继续传输。此外，还要完成区间通信和公 务、监控、倒换等辅助信息的上下路功能 。目前实用的光纤通信系统中，绝大多数 是采用这种中继器。
光电转换型中继器由光接收、光发送和电分插复用（ EADM：Electrical Add Drop Multiplex）等单元 组成。 电分插复用单元的任务：从光接收单元输送来的码流 中分离取出本站所需要的公务、监控、倒换等辅助信 息、以及需要在本站下路的区间通信码，送往相应的 接口；同时将本站需要向下游站传送的新的辅助信息 插入到码流中的相应时隙，输送给光发送单元。
3.6.2 全光型中继器
利用光放大器（ OA ： Optical Amplifier）直接在光域 对衰减和畸变了的光信号进行处理的光中继器。 光放大器分为两类：①非光纤结构型的光放大器；② 光纤结构型的光放大器。 非光纤结构型光放大器主要有半导体激光放大器，其 机理与半导体激光二极管LD相同。 光纤结构型光放大器则包括非线性光纤放大器、掺杂 光纤放大器等。其中，非线性光纤放大器是利用光纤 中的非线性效应而制成，有光纤拉曼放大器、光纤布 里渊放大器等。掺杂光纤放大器是利用光纤掺杂离子 在泵浦光作用下形成粒子数反转分布，实现对入射光 信号的放大作用。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
光纤的损耗是指：光脉冲信号在光纤中传输，随着距离 的增加，脉冲幅度逐渐变小。
光纤的色散是指：光脉冲信号在光纤中传输，随着传输 距离的增加，脉冲宽度在时间上发生展宽，产生波形的畸 变。
为了保证光纤长距离传输的性能指标，就需在线路的适 当距离设立中继站，一种是光/电/光转换形式,另一种是直接 对光进行放大的光放大ห้องสมุดไป่ตู้.摘自图片第6章 光放大器和光中继器
輸入光
WDM 光纖耦合器
摻鉺光纖
1480或980 nm 激勵光源
輸出光
光隔離器 光帶通 濾波器
第6章 光放大器和光中继器
二、作用 光耦合器：是将输入光信号和泵浦光源输出的光波混合起来，
它是无源光器件，一般采用波分复用器（WDM） 光隔离器：是防止反射光影响光放大器的工作稳定性，保证
3、ＥＤＦＡ的缺点
1) 增益波长范围固定：Er离子的能级之间的能级差决定了EDFA的工作波 长范围是固定的，只能在1550nm窗口。这也是掺稀土离子光纤放大器 的局限性，又例如，掺镨光纤放大器只能工作在1310nm窗口。
2) 2) 增益带宽不平坦：EDFA的增益带宽很宽，但EFDA本身的增益谱不 平坦。在WDM系统中应用时必须采取特殊的技术使其增益平坦。
第6章 光放大器和光中继器
掺铒光纤(EDF)（一）
EDF 是放大器的主体，纤芯中掺有铒元素（Er）。掺 有Er3+的石英光纤具有激光增益特性，铒光纤的光谱性 质主要由铒离子和光纤基质决定，铒离子起主导作用， 掺Er3+浓度及在纤芯中的分布等对EDFA 的特性有很大影 响。
为了在放大带宽内的增益平坦，在EDF 中掺入适量 的铝元素，使铒离子在EDF 中分布更均匀，从而获得平 坦的宽带增益谱。
3) 光浪涌问题：采用EDFA可使输入光功率迅速增大，但由于EDFA的动态 增益变化较慢，在输入信号能量跳变的瞬间，将产生光浪涌，即输出 光功率出现尖峰，尤其是当EDFA级联时，光浪涌现象更为明显。峰值 光功率可以达到几瓦，有可能造成O/E变换器和光连接器端面的损坏
第6章 光放大器和光中继器
§6-2 EDFA的结构 一、构成
EDFA主要由掺铒光纤（EDF），泵浦光源，光 耦合器，光隔离器以及光波滤波器组成（如图6.1）。
第6章 光放大器和光中继器
EDFA结构图
1、掺铒光纤(EDF) 2. 光耦合器(WDM) 3. 光隔离器(ISO) 4. 光滤波器(Optical Filter) 5. 泵浦源(PumPing Supply)
第6章 光放大器和光中继器
5) 增益特性稳定：EDFA对温度不敏感，增益与偏振相关 性小。
6)可实现透明传输：所谓透明，是指可同时传输模拟和数 字信号，高、低比特率信号，系统扩容时，可改动端 机面不改动线路。
7）连接损耗低，因为是光纤型放大器，所以与光纤连续 比较容易，连接损耗可低到0.1dB。
第6章 光放大器和光中继器
二、掺铒光纤放大器
1、掺铒光纤放大器（EDFA: Erbium-Doped Fiber
Amplifier），Er（铒）是一种稀土元素，将它注入到 纤芯中，即形成了一种特殊光纤，它在泵浦光的作用 下可直接对某一波长的光信号进行放大。因此，称为 掺铒光纤放大器。
第6章 光放大器和光中继器
2、ＥＤＦＡ的优点
第6章 光放大器和光中继器
有了光放大器后就可直接实现光信号放大 ，而不要像以前一样进行Ｏ/Ｅ/Ｏ转换。光放大 器的开发成功及其产业化是光纤通信技术中 的 光放大器一个非常重要的成果，它大大地促 进了光复用技术、光孤子通信以及全光网络的 发展。
第6章 光放大器和光中继器
§6-1光放大器的分类
光放大器主要有2种：
1.半导体放大器（SOA）
谐振式 行波式
2.光纤放大器
掺稀土元素光纤放大器 （如EDFA、PDFA）
非线性光学放大器
布里渊（SBA）光纤放大器
取自 豆丁网
第6章 光放大器和光中继器
一、半导体光放大器(SOA: Semiconductor Optical Amplifier) 它是由半导体材料制成，可看成是没有反馈的半导体 行波放大器。
光信号只能正向传输的器件。 掺铒光纤：是一段长度大约为10～100m的石英光纤，将稀土
元素铒离子注入到纤芯中，浓度约为25mg/kg。 泵浦光源：为半导体激光器，输出功率约为10～100mw（几
十mw），工作波长为0.98μm。 光滤波器：其作用是滤除光放大器的噪声，降低噪声对系统
的影响，提高系统的信噪比。 由图6.1可见，EDFA的主体部件是泵浦光源和掺铒光纤。
第6章 光放大器和光中继器
全光通信网
第六章 光放大器和光中继器
第6章 光放大器和光中继器
EDFA（掺铒光纤放大器）
EDFA是英文“Erbium-doped Optical Fiber Amplifier”的缩写,意即掺铒光纤放大器,是一种对 信号光放大的一种有源光器件。EDFA实物图摘自图片第6章 光放大器和光中继器
1) 工作波长与单模光纤的最小衰减窗口一致，工作波长在1.53～1.56μm 范围，与光纤最小损耗窗口一致。
2) 耦合效率高。由于是光纤放大器，易与传输光纤耦合连接。 3) 能量转换效率高。掺铒光纤EDF的纤芯比传输光纤小，信号光和泵浦光
同时在掺铒光纤EDF 中传播，光能量非常集中。这使得光与增益介质 Er离子的作用非常充分，加之适当长度的掺铒光纤，因而光能量的转 换效率高。激励的泵浦功率低，仅需几十mW。 4) 增益高、噪声指数较低、输出功率大，信道间串扰很低。 它的增益可达40dB。噪声可低至3～4 dB，输出功率可达14～20 dBm。
第6章 光放大器和光中继器
光放大器意义
我们知道光纤有一定的衰耗，光信号沿光纤传播将会 衰减，传输距离受衰减的制约。因此，为了使信号传得更 远，我们必须增强光信号。传统的增强光信号的方法是使 用再生器。但是，这种方法存在许多缺点，首先，再生器 只能工作在确定的信号比特率和信号格式下，不同的比特 率和信号格式需要不同的再生器；其次，每一个信道需要 一个再生器，网络的成本很高。 随着光通信技术的发展， 现在人们已经有了一种不采用再生器也可以增强光信号的 方法，即光放大技术。