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光纤通信系统中对光放大器的要求

2020-06-28 11:14:38 山东万硕光电设备有限公司 阅读

要了解光纤通信系统对光放大器的要求,就必须首先掌握一些重要的参数指标。光放大器的主要参数有增益、带宽和噪声系数等。

 

1. 光放大器的增益

 

光放大器既然能够进行光放大,那么人们最关心的是它到底能放大多少倍。描述光放大器放大倍数的参数叫光放大器的增益G.

 

   放大器的增益G定义为

 

                     G(dB)=10lgPout(m W)/PinmW)     (3-1)

 

式中,PoutPin 分别为放大器输出端与输入端的连续信号功率。

 

在光纤通信系统测试中,光功率单位习惯上用d Bm 表示,则光放大器的增益又可以表法为:

 

                GdB= Pout(dBm)-Pin(d Bm)       (3-2)

 

2. 放大器的工作带宽

 

光放大器在波分复用系统中能够实现多波长的同时放大,那么光放大器到底能够放大那些波长呢?如果放大器在所有波长都能放大,而且增益系数一样,那么在波分复用系统中就可以使用光纤低衰耗区的所有波长,增加WDM系统的信道数目。但是,实际光放大器的放大作用总是一定频率范围,或者说放大器能够商业化应用的工作波长是有一定范围。

 

光放大器的工作带宽定义为小信号增益低于峰值小信号增益N(dB)的频率间隔。通常取N=3dD,此时G降为G0的一半,因而也叫半高全宽带宽。

 

3.增益饱和与饱和输出功率

 

前面在工作带宽定义中提到了“小信号增益”,小信号增益到底和大信号增益有什么区别?这与光放大器的原理有关,首先光放大器放大光信号是需要能量的,这个能量来自于泵浦源激光器。光放大过程就是通过采用某种机理将泵浦光的能量转化为信号光的能量来实现的。泵浦源激光器是有一定功率范围的,所以放大后的信号光功率肯定存在一定的功率范围。假设泵浦源光功率为100mW,光放大器的增益为20dB, 则光放大器输入信号光功率为-20dBm时,光放大器输出光功率为0 dBm;但是当光放大器输入信号光功率为10 dBm,光放大器输出不能达到30 dBm。因为30 dBm相当于1000mW的光功率,而信号光和泵浦光加起来才110mW,所以最大输出功率不可能大于110mW, 即使最大输出功率为110mW,与输入光功率相才增益了10.4 dB,而不是原来小信号增益的20 dB。由于大信号放大过程消耗了大量高能极上的粒子,使得增益系数随着信号输入功率的增大逐渐减小,这种现象称为光放大器的增益饱和。当信号功率增加而使放大器增益减小为峰值增益(小信号增益)的一半(增益系数下降3 dB)时,所对应的输出功率叫做光放大器的饱和输出功率。光放大器的饱和输出功率是光放大器的重要参数,用Pouts表示。

 

4.放大器噪声系数

 

放大器放大的过程会产生噪声,光放大器的噪声主要源自它的放大自发辐射(amplified spontaneous emission, ASE)。在激光器中,自发辐射是产生激光振荡必不可少的,而在放大器中它却是噪声的主要来源,它与信号光在光纤中一起传输、放大,降低了信号光的信噪比。当然信号光身噪声、泵浦源噪声等也会影响光放大器的噪声性能,由于其影响比较小,此处不进行深层讨论。

 

由于放大器存在噪声,放大器在放大信号时必然会增加噪声,劣化信噪比(signal-to-noise ratio,SNR),限制系统的电再生中继距离。信噪比的劣化用噪声系数Fn 表示,是光放大器的另一重要指示,它定义为信号光的输入信噪比与输出信与输出信噪比之差:

 

Fn(dB)=SNRin(dB)-SNRout(dB)     (3-3)

 

式中,(SNRin 和(SNRout 分别代表信号的输入信噪比与输出信噪比。它们都是通过在接收机端将光信号转换成光电流后的功率来计算的。

 

光纤通信系统对光放大器的要求如下:

 

1)  增益高;

 

2)  工作范围宽且增益平坦;

 

3)  饱和输出光功率大;

 

4)  插入衰耗低;

 

5)  噪声系数低;

 

6)  工作特性稳定,最好与温度、偏振态无关;

 

7)  体积小,重量轻,功耗低,工作寿命长。

 

实际光放大器并不是上面所有的指标都很优异,不同性能的光放大器被放置在波分复用系统中的不同位置,饱和输出功率大的激光器用于光纤通信系统的光发送端,称为功率放大器(BA);对噪声系数低的光放大器放在光纤通信系统的光接收端,称为前置放大器(PA)。


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