掺铒光纤放大器EDFA学习剪辑

1、掺铒光纤放大器EDFA学习剪辑张植俊 目录n原理n种类n参数指标n工艺原理首页原理为什么要进行光放大 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传统的增强光信号的方法是使用再生器是使用再生器。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。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

2、进行转换。而不要像以前一样进行转换。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。光复用技术、光孤子通信以及全光网络的发展。原理光放大器的种类1.半导体放大器（半导体放大器（SOASOA）l谐振式l行波式2.光纤放大器光纤放大器l 掺稀土元素光纤放大器掺稀土元素光纤放大器 （如EDFA、PDFA）l非线性光学放大器：非线性光学放大器：拉曼（FRA）放大器布里渊（SBA）光纤放大器取自 豆丁网原理通信系统中的光放大器 光纤的工作波长有短波长0.85m、长波长1.31m和1.55m光纤损耗一般是随波长加长而减小，0

3、.85m的损耗2.5dB/km,1.31m的损耗为0.35dB/km，1.55m1.55m的损的损耗耗0.20dB/km0.20dB/km，这是光纤的最低损耗，这是光纤的最低损耗 （掺铒光纤放大器）的工作波长在范围，所以在光纤通信中EDFA 是现在应用最广泛的光放大器，它的出现极大地推动了波分复用技术的发展。取自计算机网络原理为什么要用掺铒光纤放大器工作频带正处于光纤损耗最低处(1525-1565nm)；频带宽，可以对多路信号同时放大-波分复用；对数据率/格式透明，系统升级成本低；增益高(40dB)、输出功率大(30dBm)、噪声低(45dB)；全光纤结构，与光纤系统兼容；增益与信号偏振态无关

4、，故稳定性好；所需的泵浦功率低(数十毫瓦)。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)信号光耦合器光隔离器掺铒光纤光隔离器光滤波器输出光泵浦光原理EDFA 结构原理掺铒光纤放大器的基本结构原理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。 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铒离子和光纤基质光纤基质决定，铒离子起主导作用，掺Er3+浓度及在

5、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。原理EDF掺铒光纤原理铒纤吸收谱原理泵浦波长泵浦波长可以是514、679、800、980、1480nm波长短于980nm的泵浦效率低，因而通常采用980和1480nm泵浦。原理通信窗口和铒离子铒离子的增益谱与光纤传输最低损耗窗口重合。GainAbsorption原理三能级系统 v.s. 二能级系统 980 nm1480 nm1530-1560 nm 1 s =11 ms4I15/24I13/24I11/2非辐

6、射跃迁非辐射跃迁01234514501500155016001650Wavelength (nm)Emission/Absorption (dB/m)EmissionAbsorption1480 nm1530-1560 nm980 nm 泵浦泵浦: 三能级系统能够很好的表述三能级系统能够很好的表述; 简化为二能级模型能够更贴近现实。简化为二能级模型能够更贴近现实。1480 nm 泵浦泵浦: 二能二能级系统比较精确级系统比较精确泵浦波长可以是520、650、800、980、1480nm波长短于980nm的泵浦效率低，因而通常采用980和1480nm泵浦。原理EDFA中的Er3+能级结构 三能级系

7、统：三能级系统：泵浦光 980 nm 跃迁跃迁 亚稳态亚稳态信号光信号光1550 nm受激放大光受激放大光1550 nm基态基态基态基态 激发态激发态原理EDF掺铒光纤原理铒离子能级示意图泵浦波长可以是514、679、800、980、1480nm波长短于980nm的泵浦效率低，因而通常采用980和1480nm泵浦。光耦合器有合波信号光与泵浦光的作用，也称光合波器和波分复用器。是EDFA必不可少的组成部分，它将绝大多数的信号光与泵浦光合路于EDF 中。主要有两种形式：980nm/1550nm 或1480nm/1550nm，一般为光纤熔锥型。要求在上述波长附近插入损耗都小，耦合效率高，耦合频带具有

8、一定的宽度且耦合效率平坦，对偏振不敏感稳定性好！原理光耦合器光隔离器是一种单向光传输器件，对对EDFA EDFA 工作稳定性至关重要工作稳定性至关重要。通常光反射会干扰器件的正常输出，产生诸如强度涨落、频率漂移和噪声增加等不利影响。提高EDFA 稳定性的最有效的方法是进行光隔离。在输入端在输入端加光隔离器消除因放大的自发辐射反向传播可能引起的干扰，输出端输出端保护器件免受来自下段可能的逆向反射。同时输入和输出端插入光隔离器也为了防止连接点上反射引起激光振荡，抑制光路中的反射光返回光源侧，从而既保护了光源又使系统工作稳定。要求隔离度在40dB 以上，插入损耗低，与偏振无关。详细介绍参见学习笔记0

9、4 光隔离器输出端输入端图片 EDFA 原理及特性专题原理光隔离器光滤波器消除被放大的自发辐射光以降低放大器的噪声，提高系统的信噪比（SNR）。一般多采用多层介质膜型带通滤波器，要求通带窄，在1nm 以下。目前应用的光滤波器的带宽为13nm。此外，滤波器的中心波长应与信号光波长一致，并且插入损耗要小。图片 EDFA 原理及特性专题原理光滤波器泵浦源为信号放大提供能量，即实现粒子数反转分布。根据掺铒光纤(EDF)的吸收光谱特性，可以采用不同波长的激光器作为泵源，如：Ar2+激光器（514nm）、倍频YAG（532 nm）、染料激光（665nm）及半导体激光器（807nm、980nm、1480nm

10、）。但由于在807 nm 及小于807 nm 波长处存在强烈的激发态吸收（ESA），泵浦效率较低。若用665nm、514nm 的染料和Ar+激光器泵浦得到25dB以上的增益，需要的入纤泵浦功率大于100mw，且Ar+激光器体积大难以实用化。目前980 nm 和1480 nm 的LD 已商品化，不存在激发态吸收，泵浦效率较高，所以一般采用980nm 和1480nm 的半导体激光器作泵源。图片 EDFA 原理及特性专题原理泵浦源原理三种泵浦方式的EDFALD2WDM2EDFAPCAPCinoutLD1WDM1LDWDMEDFAPCAPCin outLDWDMEDFAPCAPCin out同向泵浦(

11、前向泵浦)型：好的噪声性能反向泵浦(后向泵浦)型：输出信号功率高双向泵浦型：输出信号功率比单泵浦源高3dB，且放大特性与信号传输方向无关原理泵浦功率和光纤长度对增益的影响增益 dB泵浦功率 mW4020 0510L=5mL=20m增益 dB铒纤长度 m4020 025502mW4mW原理 EDFA 输出功率 vs. 增益111213141516272931333537394143EDFA Gain dBEDFA output Power dBm原理 Giles模型两能级系统均匀展宽 ASE 噪声可忽略 忽略激发态吸收 沿光纤功率变化速度慢 铒离子限制得好 假定假定单极单极 EDFA二能级系统速

12、率方程：zrnzrnhiPzrnhiPdtdnkkekkkkkakkk,2212传输方程：传输方程： zPrdrdzrnriukkakk,120 0 kkkkekkkmhzPrdrdzrnriudzdP,220 0其中：铒离子浓度：其中：铒离子浓度： 规一化光强：规一化光强： 跃迁速率：跃迁速率： zrnzrnzrnt,21 zPzrIrikkk/,AhPWpapppump/原理掺铒光纤放大器的基本理论模型(1)原理掺铒光纤放大器的基本理论模型(2) rdrdzrnritkakk,20 0 rdrdzrnrigtkekk,*20 0 220 0,effiibrdrdzrnzn iikiknrd

13、rdzrnriz20 0,引入光纤吸收系数和发射系数：引入光纤吸收系数和发射系数：定义：粒子数沿截面平均定义：粒子数沿截面平均 交迭积分交迭积分 原理掺铒光纤放大器的基本理论模型(3) 2212*nhngzPhnzPdtndkkkkkkkk zPlumhnnguzPnngudzdPkkkkkktkkktkkkk22* kkkkkkkkkthgzPhzPnn*12/ 2teffnb速率方程和传输方程变为：速率方程和传输方程变为：在稳态情况下：在稳态情况下：其中，定义饱和参数其中，定义饱和参数kkksatkhgP/*和饱和光强的关系：和饱和光强的关系：原理掺铒光纤放大器的基本理论模型(4) Ltt

14、dznnnngG012*exp增益增益：增益的大小和谱分布由粒子数反转水平及掺铒光纤长度决定增益的大小和谱分布由粒子数反转水平及掺铒光纤长度决定outinSNRSNRNF10log10aseaseaseasespGhPGhGhn1010log1012log10噪声系数噪声系数：当泵浦充分当泵浦充分 ，且，且G1时，时，1spn噪声系数达到极限噪声系数达到极限 3dB.3dB. 掺铒光纤放大器的主要优点 工作波长工作波长与单模光纤的最小衰减窗口一致与单模光纤的最小衰减窗口一致。 耦合效率高耦合效率高。由于是光纤放大器，易与传输光纤耦合连接。 能量能量转换效率高转换效率高。掺铒光纤EDF的纤芯比传

15、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。 增益高、噪声指数较低、输出功率大，信道间串扰很低增益高、噪声指数较低、输出功率大，信道间串扰很低。 增益特性稳定增益特性稳定：EDFA对温度不敏感，增益与偏振相关性小。 增益增益特性与系统比特率和数据格式无关特性与系统比特率和数据格式无关。 原理优点 掺铒光纤放大器的主要优点 增益增益波长范围固定波长范围固定：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

16、例如，掺镨光纤放大器只能工作在1310nm窗口。 增益带宽不平坦增益带宽不平坦：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。 光光浪涌问题浪涌问题：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 原理缺点中继放大器（LA）：在光纤线路中每隔一段距离设置一个光纤放大器，以延长干线网的传输距离。后置放大器（BA）：放在光发射机后，以提高发射光功

17、率，对其噪声要求不高，饱和输出功率是主要参数。前置放大器（PA）：放在光接收机之前，放大微弱的光信号，以改善光接收灵敏度，对噪声要求苛刻。发射器接收器在线放大器在线放大器EDFAEDFA光纤光纤发射器接收器功率放大器功率放大器EDFA光纤发射器接收器前置放大器前置放大器EDFA光纤原理应用方式原理 OptiSystem 7.0铒纤参数设置图 原理 OptiSystem 7.0OptiSystem运行界面 原理 OptiSystem 7.0原理 OptiSystem 7.0噪声与波长关系图原理OptiAmplifier 4.0 双向泵浦EDFA设计实例 原理OptiAmplifier 4.0参数

18、参数值值单位单位数值孔径数值孔径0.21-截止波长截止波长960nm离子浓度离子浓度1.6e25iyon/m3半径半径1.75m背景损耗背景损耗8dB/km 1310 nm吸收损耗吸收损耗10.46dB/m 980 nm7.28dB/m 1480 nm17.70dB/m 1530 nm发射损耗发射损耗2.01dB/m 1480 nm16.59dB/m 1530 nmMetro12 EDF实验参数 Metro-12 EDF 的吸收和发射谱 a) 980 nm 泵浦带吸收谱 b) 1480 nm泵浦和1550 nm 信号频段的吸收和发射谱 原理OptiAmplifier 4.0原理OptiAmpl

19、ifier 4.0仿真结果 泵浦功率为230mW时，双向泵浦L-EDFA增益和噪声系数与信号波长的变化这项研究可以用来设计的这项研究可以用来设计的L EDFA在在1570nm- 1600nm约约30nm带宽带宽 双向泵浦L-EDFA的波长与增益原理OptiAmplifier 4.0双向泵浦L-EDFA实验值和理论值比较-1双向泵浦L-EDFA的波长与噪声系数原理OptiAmplifier 4.0双向泵浦L-EDFA实验值和理论值比较-2双向泵浦L-EDFA的输入功率和增益双向泵浦L-EDFA的输入功率和噪声系数双向泵浦L-EDFA的泵浦功率和增益原理OptiAmplifier 4.0双向泵浦L

20、-EDFA实验值和理论值比较-3双向泵浦L-EDFA的泵浦功率和噪声系数 双向泵浦和单向泵浦L- EDFA的波长与增益双向泵浦和单向L-EDFA的波长与噪声系数原理OptiAmplifier 4.0单双向泵浦和 L-EDFA的性能比较1单双向泵浦 L-EDFA的输入功率和增益原理OptiAmplifier 4.0单双向泵浦和 L-EDFA的性能比较2单双向泵浦 L-EDFA的输入功率和噪声系数原理OptiAmplifier 4.0单双向泵浦和 L-EDFA的性能比较3 单和双向泵浦L-EDFA 增益和泵浦功率单向和双向泵浦的噪声系数和泵浦功率(输入信号功率= -30dBm) 原理OptiAmp

21、lifier 4.0L-EDFA双向泵浦的ASE增益谱泵浦功率为127mW时，单向泵浦的ASE噪声（当没有输入信号） 泵浦功率为127mW时，双向泵浦的ASE噪声（当没有输入信号） 原理OptiAmplifier 4.0L-EDFA双向泵浦的ASE增益谱双向泵浦的总功率为230mW时，输入功率为30dBm的ASE谱种类首页种类光放大器的类型利用稀土掺杂的光纤放大器（EDFA、PDFA）利用半导体制作的半导体光放大器（SOA）利用光纤非线性效应制作的非线性光纤放大器（FRA、FBA）种类半导体光放大器SOA种类半导体光放大器SOAFP半导体光放大器种类行波半导体光放大器TWSOA与FPSOA的区

22、别在于端面的反射率大小， TWSOA具有极低的端面反射率，通常在0.1%以下。降低端面反射方法：倾斜有源区法、窗面结构。TWSOA的增益、增益带宽和噪声特性都可以满足光纤通信的要求，但如下两个缺点限制着它在光纤通信中的实际应用：对光信号偏振态的敏感性；对光信号增益的饱和性。种类SOA增益偏振相关性种类SOA的主要特性(1) 它们与偏振有关， 因此需要保偏光纤。 (2) 它们具有可靠的高增益(20 dB)。 (3) 它们的输出饱和功率范围是510 dBm。 (4) 它们具有大的带宽。 (5) 它们工作在0.85 m， 1.30 m和1.55 m波长范围。 (6) 它们是小型化的半导体器件， 易于

23、和其他器件集成。(7) 几个SOA可以集成为一个阵列。 但是， 由于非线性现象(四波混频)， SOA的噪声指数高， 串扰电平高。 种类SOA的性能与应用SOA的应用主要集中在以下几个方面。 1. 光信号放大器 因为在世界范围内已铺设了大量的常规单模光纤， 还有很多系统工作在1.31 m波段， 并需要周期性的在线放大器， 而工作波长为1.31m的EDFA目前尚未达到实用化的水平， 所以仍然需要SOA。 2. 光电集成器件 半导体放大器可与光纤放大器相抗衡的优点是体积小、 成本低以及可集成性, 即可以集成在含有很多其它光电子器件(例如激光器和检测器)的基片上。 3. 光开关 除了能提供增益外， 半

24、导体放大器在光交换系统中可以作为高速开关元件使用种类SOA的性能与应用因为半导体在有泵浦时可以产生放大， 而在没有泵浦时产生吸收。 其运转很简单， 当提供电流泵浦时信号通过， 而需要信号阻断时将泵浦源断开。 通过的信号因半导体中载流子数反转而得到放大， 而受阻的信号则因半导体没有达到载流子反转数而被吸收。 值得注意的是， 只有半导体放大器才能够完成高速交换， 在光纤放大器中由于载流子寿命太长而难以做到这一点。种类SOA的性能与应用4. 全光波长变换器AOWC SOA的一个主要应用是利用SOA中发生的交叉增益调制、 交叉相位调制和四波混频效应来实现波长转换。探 测 光s泵 浦 光pSOA偏 流变

25、 换 后输 出s滤 波 器SOA的 增 益变 换 输 出输 入 光 功 率(b)(a) SOA-XGM的基本结构和原理图 (a) 基本结构； (b) 原理图种类SOA的性能与应用优点：可以对40 Gb/s的信号进行波长转换，对信号的偏振不敏感缺点：转换后的信号消光比不高， 转换后的 ，信号与转换前的信号反相，由于载流子的自发辐射造成S/N的恶化，转换后信号的相位信息由于频率的啁啾而丢失种类SOA的性能与应用CW探 测 波 (c)滤 波 器变 换 后 的 光 波 (c)泵 浦 光 源 (s) MZI型SOA-XPM型AOWC 优点：可以对80 Gb/s的信号进行波长转变换，对信号的偏振不敏感缺点

26、：只能对单一波长进行波长转换种类SOA的性能与应用psfj 2ps半 导 体 放 大 (SOA)(四 波 混 频 ） SOA-FWM型AOWC优点：真正的全光波长转换缺点：随着转换波长范围的扩大，转换 效率迅速降低种类对比 种类掺铒光纤放大器(EDFA Erbium-Doped Fiber Amplifier)掺杂光纤放大器利用掺入石英光纤的稀土离子作为增益介质，在泵浦光的激发下实现光信号的放大，放大器的特性主要由掺杂元素决定。工作波长为1550nm的铒(Er)掺杂光纤放大器(EDFA)工作波长为1300nm的镨(Pr)掺杂光纤放大器(PDFA)工作波长为1400nm的铥(Tm)掺杂光纤放大器

27、(TDFA)目前，EDFA最为成熟，是光纤通信系统必备器件。参数指标首页参数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：G与光放大器的泵浦功率、掺杂光纤的参数和输入光信号有很复杂的关系。insoutsPPdBG,10log10)(参数光放大器的增益参数光放大器的增益参数光放大器的增益inSinPSPinSoutSEPPPPG,1 参数光放大器的增益增益随输入光功率的变化inSinPSPinSoutSEPPPPG,1 假设没有自发辐射，根据能量守恒：当输入功率非常大时，增益为1，无放大参数光放大器的增益增益随掺铒光纤长度的变化在通过铒纤的一定长度后，泵浦没有足够的能量在其后产

28、生足够的粒子数反转，增益开始下降。在非泵浦区，吸收大于增益。增益 dB506040302010102030405060708090100泵浦功率 mW204050铒纤长度 m参数光放大器的增益增益随泵浦功率的变化参数放大器的噪声所有光放大器在放大过程中都会把自发辐射（或散射）叠加到信号光上，导致被放大信号的信噪比（SNR）下降，其降低程度通常用噪声指数Fn来表示，其定义为：主要噪声源：放大的自发辐射噪声（ASE），它源于放大器介质中电子空穴对的自发复合。自发复合导致了与光信号一起放大的光子的宽谱背景。outinnSNRSNRF)()(噪声系数 dB78654310203040506070809

29、0100泵浦功率 mW2306075outinSNRSNRdBNF10log10)(参数噪声系数NF（dB）参数放大器的噪声ASE噪声ASE噪声近似为白噪声，噪声功率谱密度为：hnGSspsp1)(122NNNnspspspnnGGnF212参数放大器的噪声ASE噪声参数EDFA的多信道放大特性EDFA的增益恢复时间g10ms(SOA的g=0.11ns),其增益不能响应调制信号的快速变化，不存在增益调制，四波混频效应也很小，所以在多信道放大中不引入信道间串扰(SOA则不然)，是其能够用于多信道放大的关键所在。EDFA对信道的插入、分出或无光故障等因素引起的输入光功率的变化（较低速变化）能产生响应-瞬态特性。在系统应用中应予以控制-增益钳制。参数例子10G EDFA 产品产品参数参数工作波长：1550.12nm增益：20/25db参数例子2.5G EDFA 工作波长：1550.12nm光增益：15/17