光放大器——传输网中的加油站了解下!
2023-11-10 17:45:26 | 新闻中心          浏览量:618

光放大器——传输网中的加油站了解下!



五一去,端午来,自驾游,走起来~在自驾旅行中,最糟心的事莫过于车没油了,且附近没有加油站……加油站作为车辆能量的补给站,决定了我们可以走多远。

自驾车图 

同样,光传输网中要想光信号能够进行长距离传输,加油站也至关重要。光传输网中扮演加油站角色的就是光放大器了。光放大器的出现和发展克服了高速长距离传输的最大障碍——光功率受限,这是光通信史上的重要里程碑。


什么是光放大器

光放大器是一种不需要经过光--光变换而直接对光信号进行放大的有源器件。光放大器的作用是提升衰减的光信号、延长传输距离。相比于再生器需要光--光转换才能进行信号放大,且只能对单个波长进行放大,光放大器对光信号直接放大,实现全光传输,并且可以实现全波道光信号同时放大。

光放大器分为半导体光放大器光纤放大器。半导体光放大器,顾名思义是由半导体材料制成的放大器,由于其与光纤耦合损耗大并且噪声较大,目前已经很少使用,所以我们重点说说光纤放大器。光纤放大器又分为掺稀土元素光纤放大器非线性光学放大器。掺稀土元素光纤放大器是通过在光纤纤芯中掺入稀土元素构成的放大器,最常用的是掺铒光纤放大器。非线性光学放大器是利用光纤的非线性效应制成的放大器,最常用的是拉曼放大器。

光放大器分类图 

接下来我们就以掺铒光纤放大器和拉曼放大器为代表了解下光纤放大器的工作原理、特点和应用。


掺铒光纤放大器

EDFAErbium Doped Fiber Application Amplifier,掺铒光纤放大器)是一种在光纤纤芯中掺入铒元素构成的放大器。EDFA基本组成包括:泵浦激光器、耦合器、掺铒光纤和光隔离器

泵浦激光器:产生泵浦光,工作波长为980 nm1480 nm。耦合器:将输入光信号和泵浦光合并到一起输入到掺铒光纤中。掺铒光纤:在泵浦光的激励下,可对在其中传输的光信号进行放大。光隔离器: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。

edfa放大器原理图 

那么信号到底是怎么被放大的呢?我们来从掺铒光纤中找找答案吧。

掺铒光纤中处于N1基态(低能量状态)的铒离子受到泵浦激光器发出的泵浦光刺激后,吸收泵浦光能量从N1基态变为N3高能态。由于N3高能态不稳定,铒离子会自发地变为N2亚稳态(相对稳定)。处于N2亚稳态的铒离子受到1550 nm光信号刺激,受激辐射回到N1基态,在该过程中铒离子释放能量,能量转化为光信号的光功率,使光信号得以放大。

注意:N2亚稳态的铒离子除了通过上述讲的受激辐射方式回到N1基态外,还会自发地跃迁到N1基态,从而产生自发辐射噪声,影响系统信噪比。

掺铒光纤N1基态 

从上面的放大过程中可以看出掺铒光纤放大器有以下四个特点:

掺铒光纤放大器四个特点 

根据掺铒光纤放大器在系统中的位置和作用,可以有OBAOLAOPA三种应用方式。

掺铒光纤放大器三种应用方式 


拉曼光纤放大器

拉曼放大器由泵浦激光器和耦合器组成,泵浦激光器和耦合器的作用与掺铒光纤放大器相同。需要注意的是,拉曼放大器光信号的放大过程是在传输光纤中完成的,这点与EDFA放大器不同。按照泵浦光传输方向与光信号传输方向的关系,拉曼放大器分为前向拉曼放大器和后向拉曼放大器。

前向拉曼放大器原理图 

后向拉曼放大器 

那么拉曼放大器是怎么实现信号放大的呢?

拉曼放大器基于受激拉曼散射,以传输光纤作为增益介质,通过将强泵浦光功率转移到信号光上实现信号光的放大

拉曼放大器基于受激拉曼散射 

受激拉曼散射的基本原理为:如果一个信号光与一个泵浦光同时在一根光纤中传输,并且弱信号光的波长在强泵浦光的拉曼增益带宽内,则强泵浦光的能量通过受激拉曼散射耦合到光纤硅材料的振荡模中,然后又以较长的波长发射,该波长就是信号光的波长,从而使弱信号光得到放大,获得拉曼增益。

拉曼放大器有以下四个特点:

拉曼放大器原理图 

拉曼放大器在传输系统中是怎么应用的呢?前向拉曼放大器应用于发送端,后向拉曼放大器应用于接收端。

拉曼放大器在传输系统应用 


掺铒光纤放大器VS拉曼光纤放大器有什么区别? 

掺铒光纤放大器和拉曼放大器的区别如下表所示。

掺铒光纤放大器和拉曼放大器的区别图 

由于掺铒光纤放大器和拉曼放大器各有优缺点,一般将掺铒光纤放大器和拉曼放大器配合使用,这样即可得到较高的增益,又可以有效降低系统总噪声,提高系统信噪比,从而延长传输距离。

好了,光放大器的介绍就到这里啦~

在这个信息交互越来越频繁的时代,光放大器作为传输网中的加油站,是信息传递途中的能量补给者,保障我们的信息能够顺利地传递到目的地,无论目的地在山的那边还是海的那边……

 

来源:中兴文档

 

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