掺铒光纤放大器

1、 掺铒光纤放大器（掺铒光纤放大器（EDFAEDFA）概述）概述 光放大原理概述光放大原理概述 掺铒光纤放大器的工作特性掺铒光纤放大器的工作特性 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)1550EDFA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低损耗窗口低损耗窗口波长波长nm8501310PDFASOASRA光放大器的类

2、型光放大器的类型 复复 用用 器器 光接收机光接收机 1 光接收机光接收机 2 光接收机光接收机 n 光发送机光发送机 1 光发送机光发送机 2 光发送机光发送机 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 中继器中继器 中继器中继器 中继器中继器 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

3、 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 AmplifiersEDFA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

4、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 PayneEDFA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

5、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。12EEh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

6、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。22121 dnAndt 2212ddnA 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

7、总和按照粒子总数平均得到平均寿命为：212( )tA n ttAentn21202)(2120202111( )dtA n ttnA 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E1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。12EEh

8、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。2121dnBn 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

9、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。1212BW2121211 dnWBndt 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：12EEh图（1-9）光的受激辐射过程受激辐射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

10、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）12EEh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。2212ddnBnt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

11、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。dtndnBW2221212121BW三种过程之间的关系 某原子自发辐射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

12、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(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

13、通过受激辐射实现光放大，光放实现光放大，光放大必要条件：大必要条件： 粒子数反转，粒子数反转， 即即N N2 2NN1 1 实际上能级分实际上能级分裂成能带，有较宽裂成能带，有较宽的吸收和发射带。的吸收和发射带。4I11 / 24I13 / 24I15 / 2 980 nm1480 nm1520 1560 nm N2N11s 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

14、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。ED

15、FA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：insoutsPPdBG,10log10)(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

16、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）：10log10log2110log10log 2inASEoutspspOSNRPNFOSNRhGnGnGPASE带宽内ASE光功率 自发辐射噪声带宽spnh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

17、功率的关系曲线（例）10.0405.00.05.010.015.020.025.030.035.035302520151050IIIIIII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EDF

18、AEDFA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）1525152

19、5 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EDFAEDFA中引入自动增益控制和均衡功能。中

20、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 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

21、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。