掺铒光纤放大器

1、 p 掺铒光纤放大器（掺铒光纤放大器（EDFAEDFA）概述）概述 p 光放大原理概述光放大原理概述 p 掺铒光纤放大器的工作特性掺铒光纤放大器的工作特性 p 掺铒光纤放大器中的关键技术掺铒光纤放大器中的关键技术 光放大器的类型 半导体光放大器半导体光放大器 （SOA） 掺铒光纤光放大器掺铒光纤光放大器 （EDFA） 掺镨光纤光放大器掺镨光纤光放大器 （PDFA） 受激拉曼光放大器受激拉曼光放大器 (SRA) 1550 EDFA 增益窗口增益窗口 30nm 60nm 光光 放放 大大 器器 增增 益益 光光 纤纤 衰衰 减减 除去除去 OHOH 峰外峰外 300nm300nm 低损耗窗口低损耗

2、窗口 波长波长 nm8501310 PDFA SOA SRA 光放大器的类型 光放大器的类型 复复 用用 器器 光光接接收收机机 1 光光接接收收机机 2 光光接接收收机机 n 光光发发送送机机 1 光光发发送送机机 2 光光发发送送机机 n 1 2 n 1 1 2 n 1 2n 解解 复复 用用 器器 解解 复复 用用 器器 复复 用用 器器 中中继继器器 中中继继器器 中中继继器器 1 2 n 1 2n 波分复用系统中的光电中继 光接光接 收机收机 光发光发 送机送机 滤波、去噪、滤波、去噪、 恢复、整形；恢复、整形； 复复 用用 器器 光光放放大大器器 光光接接收收机机1 光光接接收收机

3、机2 光光接接收收机机n 光光发发送送机机1 光光发发送送机机2 光光发发送送机机n 1 2 n 1 1 2 n 1 2n 光光纤纤 解解 复复 用用 器器 宽带宽的光放大器可以对多信道信号同时放大，而不需 要进行解复用，光放大器的问世推动了DWDM技术的 快速发展。 采用光放大器的中继方法 Optical Amplifiers EDFA给光纤通信领域带来革命 掺铒光纤放大器（EDFA：Erbium-Doped Fiber Amplifier）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的 放大。 20世纪80年代末期，波长为1.55m的EDFA研

4、制成 功并投入实用，把光纤通信技术水平推向一个新高度，成 为光纤通信发展史上一个重要的里程碑。EDFA解决了系统 容量提高的最大的限制光损耗，使长距离传输成为可 能。 1989年诞生的掺铒光纤放大器代 表的全光放大技术，是光纤通信技术 上的一次革命，它不仅解决了电中继 器设备复杂、维护难、成本高的问题， 更重要的意义在于促使波分复用技术 (WDM) 走向实用化，促进了光接入 网的实用化。 David Payne EDFA给光纤通信领域带来革命 (2) 受激辐射 (1) 能量注入 光放大器原理 任何粒子的辐射光和吸收光的过程都是原子能级之任何粒子的辐射光和吸收光的过程都是原子能级之 间的跃迁过程

5、间的跃迁过程 光与物质的相互作用有三种不同的基本过程：光与物质的相互作用有三种不同的基本过程： 自发辐射自发辐射 受激吸收受激吸收 受激辐射受激辐射 这三种过程总是同时存在，紧密联系。这三种过程总是同时存在，紧密联系。 自发辐射：自发辐射：高能级的原子自发地从高能级高能级的原子自发地从高能级E2向低能级向低能级 E1跃迁，同时放出能量为跃迁，同时放出能量为 的光子。的光子。 12 EEh 自发辐射 处于高能级的粒子都是自发地、独立的进行跃迁；处于高能级的粒子都是自发地、独立的进行跃迁； 辐射光子的频率不同辐射光子的频率不同, ,自发辐射的频率范围很宽；自发辐射的频率范围很宽； 发射方向和相位也

6、不同；发射方向和相位也不同； 非相干光发射：不同频率、相位、偏振方向。非相干光发射：不同频率、相位、偏振方向。 对于大量原子统计平均来说，从E2经自发辐射跃迁到E1具有一 定的跃迁速率： 式中n2为某时刻高能级E2上的原子数密度，dn2表示在dt时间间 隔内由E2自发跃迁到E1的原子数，“”表示E2能级的粒子数密度 减少。 A21称为爱因斯坦自发辐射系数，简称自发辐射系数，它是粒 子能级系统的特征参量。 2 21 2 1 dn A ndt 2212 ddnA nt 物理意义是：单位时间内，发生自发辐射的粒子数密度占处于 E2能级总粒子数密度的百分比。 解该方程得： 式中n20为t=0时处于能级

7、E2的原子数密度。 t时刻的单位时间内跃迁的粒子在高能级（E2）上已经停留的时 间总和，即寿命的和为： 所有在高能级（E2）上的粒子全部跃迁后，它们已经在高能级 上停留的时间总和按照粒子总数平均得到平均寿命为： 212( ) tA n t tA entn 21 202 )( 212 0 2021 11 ( )dtA n tt nA 越大，表明原子在越大，表明原子在E2上逗留时间越长，激上逗留时间越长，激 发态发态 很小，很小， 无穷大时，称无穷大时，称E2为稳态；为稳态； 较长的能态称为亚稳态。较长的能态称为亚稳态。 能级上粒子的平均寿命 受激吸收 受 激 吸 收 ： 处 于 低 能 级E 1

8、的 原 子 受 到 外 来 光 子 （ 能 量 ）的刺激作用，完全吸收光子的能量而跃迁 到高能级E2的过程： 特点：处于低能级E1的原子受到外来光子的刺激作用，完全吸收 光子的能量而跃迁到高能级E2的过程。 12 EEh 光的受激吸收过程光的受激吸收过程 受激吸收跃迁速率与受激吸收系数 从E1经受激吸收跃迁到E2具有一定的跃迁速率则有： 式中的 为外来光的光场单色能量密度，即受激吸收跃迁 速率与外来光的光场单色能量密度成正比 其他参数意义同自发辐射：n1为某时刻E1上的原子数密度（即 单位体积中的原子数），dn2表示在dt时间间隔内由E1受激吸收跃迁 到E2的原子数，“”被去除表示E2能级的粒

9、子数密度增加。 B12称为爱因斯坦受激吸收系数，简称受激吸收系数。 2121 dnBn dt 受激吸收几率 受激吸收（跃迁）几率W12定义为 ，则有： 受激吸收的跃迁几率的物理意义为：单位时间内，在外来单 色能量密度为 的光照下，E1能级上因为受激吸收跃迁到E2能 级上的粒子数密度占处于E1能级总粒子数密度的百分比。 1212 BW 2 1212 1 1 dn WB ndt 受激辐射 受激辐射：当受到外来的能量 的光照射时， 高能级E2上的原子受到外来光的激励作用向低能级E1跃迁，同时发 射一个与外来光子完全相同的光子。 光的受激辐射过程： 12 EEh 图（1-9）光的受激辐射过程 受激辐射

10、的特点 外来激励光子能量为两能级能量差 时，才 能发生受激辐射； 受激辐射的光子与外来光子的特性完全相同， 即：频率、位 相、偏振和传播方向完全一样，因此受激辐射与外来辐射是 相干的，换句话说外来辐射被 “放大” 了； 光的受激辐射过程是产生光放大与激光的基本过程（受激辐 射的光子与外来光子的特性完全相同可以在量子电动力学中 得到证明） 12 EEh 受激辐射跃迁速率与受激辐射系数 从E2经受激辐射跃迁到E1具有一定的跃迁速率则有 式中的 为外来光的光场单色能量密度，即受激辐射跃迁 速率与外来光的光场单色能量密度成正比。 其他参数意义同自发辐射：n2为某时刻高能级E2上的原子数密 度（即单位体

11、积中的原子数），dn2表示在dt时间间隔内由E2受激辐 射跃迁到E1的原子数，“”表示E2能级的粒子数密度减少。 B21称为爱因斯坦受激辐射系数，简称受激辐射系数。 2212 ddnBnt 受激辐射几率 受激辐射（跃迁）几率W21定义为 ，则有： 受激辐射的跃迁几率的物理意义为：单位时间内，在外来单 色能量密度为 的光照下，E2能级上发生受激辐射的粒子数密 度占处于E2能级总粒子数密度的百分比 注意：自发辐射跃迁几率就是自发辐射系数本身，而受激辐 射的跃迁几率决定于受激辐射系数与外来光单色能量密度的乘积。 dtn dn BW 2 2 2121 2121 BW 三种过程之间的关系 某原子自发辐射

12、产生的光子对于其他原子来 讲是外来光子，会引起受激辐射与受激吸收，因 此三个过程在大量原子组成的系统中是同时发生 的，并相互联系。 一般地，在热平衡条件下，受激辐射所占比 率很小，主要是自发辐射。 三能级、四能级系统 Amplified Spontaneous Emission ASE是一种由自发辐射诱发的受激辐射占主导的过 程，没有正反馈的光振荡(无谐振腔), 属相干辐射。 其特性介于激光与荧光之间的过渡状态。ASE与激光 相比，具有非准单色及谱线宽的特点。 在光放大器中，ASE与输入光信号同时争夺上能级 粒子，属于一种噪声源，足够强度的ASE造成增益饱 和，导致增益下降。 放大的自发辐射(

13、ASE) 掺铒光纤在掺铒光纤在980nm980nm、1480nm1480nm有吸收峰。有吸收峰。 在在152515251565nm1565nm为较宽的发射峰。为较宽的发射峰。 可同时放大多个波长即信道，在可同时放大多个波长即信道，在WDMWDM系统中，可作为放大器使用。系统中，可作为放大器使用。 掺铒光纤的吸收谱和发射谱 EDFA工作原理 通过受激辐射实通过受激辐射实 现光放大，光放大现光放大，光放大 必要条件：必要条件： 粒子数反转，粒子数反转， 即即N N2 2NN1 1 实际上能级分裂实际上能级分裂 成能带，有较宽的成能带，有较宽的 吸收和发射带。吸收和发射带。 4I 11 / 2 4I

14、 13 / 2 4I 15 / 2 980 nm 1480 nm 1520 1560 nm N2 N1 1s 10 ms 亚稳态亚稳态 铒离子能级结构 基基 态态 激发态激发态 信号光信号光 放大的信号光放大的信号光 N30 掺铒光纤放大器的基本结构 半导体泵浦二极管半导体泵浦二极管：为信号放大提供能量，使铒离子达到粒子数反转。：为信号放大提供能量，使铒离子达到粒子数反转。 波分复用耦合器波分复用耦合器：将信号光和泵浦光合路进入掺铒光纤中。将信号光和泵浦光合路进入掺铒光纤中。 掺铒光纤：掺铒光纤：当一定的泵浦光注入到掺铒光纤中时，当一定的泵浦光注入到掺铒光纤中时，Er3+从低能级被激发到从低能

15、级被激发到 高能级，由于在高能级上的寿命很短，很快跃迁到亚稳态能级，并在亚稳高能级，由于在高能级上的寿命很短，很快跃迁到亚稳态能级，并在亚稳 态与基态能级间形成粒子数反转分布。在入射光诱导形成受激辐射，对信态与基态能级间形成粒子数反转分布。在入射光诱导形成受激辐射，对信 号光进行放大。号光进行放大。 光隔离器光隔离器：使光单向传输，避免发射光影响，保证稳定工作。使光单向传输，避免发射光影响，保证稳定工作。 EDFA的三种泵浦方式 掺铒光纤放大器结构图掺铒光纤放大器结构图 双向泵浦的掺铒光纤放大器 信号放大 光放大器的增益 增益G是描述光放大器对信号放大能力的参数。定义为： ins outs P

16、 P dBG , , 10 log10)( 影响增益的因素：影响增益的因素： 泵浦光功率泵浦光功率 掺铒光纤的长度及掺铒光纤的长度及ErEr3+ 3+的掺杂浓度 的掺杂浓度 输入光功率等输入光功率等 小信号增益与饱和输出功率 Pout,sat 饱和区域 小信号增益小信号增益 输入光功率较小时，随输入信号光功率的增大， 增益G基本维持不变，这种增益称为光放大器的 小信号增益G0 。 饱和输出功率Pout,sat 放大 器增益降至小信号增益一 半时的输出功率。 当输入光功率继续增大，受激辐 射加快，粒子反转数减小，增益 G随输入功率的增加而减小，出 现增益饱和现象。 深度饱和区 信号在放大过程中不

17、可避免地叠加了各种噪声，从而导致信 噪比(SNR signal-to-noise ratio)的恶化。衡量EDFA噪声特性的参数 为噪声系数NF（noise figure）： 10log10log 21 10log10log 2 inASE out sp sp OSNR P NF OSNRhG nG n G PASE带宽内ASE光功率 自发辐射噪声带宽 sp n h等效的输入散粒噪声 噪声因子 噪声系数 NF（noise figure） NF=3dB噪声系数的量子极限（nsp=1时） 增益、噪声指数和输出光功率与输入光 功率的关系曲线（例） 10.0 40 5.0 0.0 5.0 10.0 1

18、5.0 20.0 25.0 30.0 35.0 35302520151050 I I I I III 噪声指数噪声指数 / dB 输出光功率输出光功率 / dBm 增益增益 / dB 输入光功率输入光功率 / dBm 增益增益 / dB 增益带宽 增益谱G()：增益G与信号光波长的关系 增益带宽： 信号增益在最高增益下降3dB增益差之 内的信号波长范围。 小信号增益与泵浦功率的关系 曲线 小信号增益与掺铒光纤长度的关系曲线 增益G与输入光波长的关系 增益曲线不平坦，会造成不同信道放大的差别较大增益曲线不平坦，会造成不同信道放大的差别较大 EDFA增益平坦技术 滤波型：滤波型： 在在EDFAED

19、FA中内插无源滤波器将中内插无源滤波器将1530nm1530nm的增益峰降低，或的增益峰降低，或 专门设计其透射谱与掺铒光纤增益谱相反的光滤波器专门设计其透射谱与掺铒光纤增益谱相反的光滤波器 将增益谱削平。将增益谱削平。 采用新型宽谱带掺杂光纤，如掺铒氟化物光纤或高铝采用新型宽谱带掺杂光纤，如掺铒氟化物光纤或高铝 含量的铒含量的铒/ /铝共掺光纤、铒铝共掺光纤、铒/ /铝磷共掺光纤等。其优铝磷共掺光纤等。其优 点是无需制作和引入附加元件，但工艺复杂。点是无需制作和引入附加元件，但工艺复杂。 本征型：本征型： 波长波长 增增 益益 不掺铝不掺铝 掺铒光纤放大器掺铒光纤放大器 （EDFAEDFA）

20、 15251525 1565nm1565nm 掺铒光纤放大器掺铒光纤放大器 （EDFAEDFA） 15251525 1565nm1565nm 掺铝掺铝 波长波长 增增 益益 EDFA增益平坦技术 EDFA的增益锁定技术的增益锁定技术 WDM+掺铒光纤放大器掺铒光纤放大器 实现高速、大容量和长距离光纤通信的主要手段之一。实现高速、大容量和长距离光纤通信的主要手段之一。 在多点对多点的在多点对多点的WDMWDM传输系统中，通常需要上下载信号，这样传输系统中，通常需要上下载信号，这样 随时可能导致各通道的光功率瞬态波动等问题。解决方法是在随时可能导致各通道的光功率瞬态波动等问题。解决方法是在 EDF

21、AEDFA中引入自动增益控制和均衡功能。中引入自动增益控制和均衡功能。 电路自动增益控制电路自动增益控制 全光自动增益控制全光自动增益控制 EDFA的增益平坦及增益锁定的增益平坦及增益锁定 EDFA宽带放大技术 级联型或并联：级联型或并联： C C波段级联或并联波段级联或并联L L波段波段EDFAEDFA，达到，达到 宽带增益的目的。宽带增益的目的。 （ASEASE二次泵浦；二次泵浦； 1550nm1550nm辅助泵浦）辅助泵浦） 采用铋基掺杂光纤取代硅基掺铒光纤，可实采用铋基掺杂光纤取代硅基掺铒光纤，可实 现现C+LC+L波段宽带放大。波段宽带放大。 本征型：本征型： C C波段波段 C+L

22、 C+L 波段波段 工作波段正好落在光纤通信最佳窗口；且与传输光纤的耦合损工作波段正好落在光纤通信最佳窗口；且与传输光纤的耦合损 耗小，可小至耗小，可小至0.1dB 增益高（增益高（3040dB），饱和输出光功率大（），饱和输出光功率大（1020 dBm) 噪声指数小（噪声指数小（47dB) 频带宽（频带宽（15251565nm)，可进行多信道传输，有利于提高传，可进行多信道传输，有利于提高传 输容量输容量 掺铒光纤放大器的优点 WDM+光纤放大器光纤放大器 充分利用光纤带宽，提高单纤容量的最有效方法。充分利用光纤带宽，提高单纤容量的最有效方法。 EDFA在通信系统中的应用 （LA：Line Amplifier）补偿光纤线路损耗，延长干线传输距离。 （PA：Preamplifier) 置于光接收机前，放大微弱的光信号，以改 善接收灵敏度。作为前置放大器，工作在小信号增益状态，噪声系数小。 （BA：Booster Amplifier) 置于光发射机后，提高发射机功率。 作为功率放大器，工作在增益饱和状态，饱和输出功率是主要参数，对噪声 系数要