掺铒光纤放大器及其应用

1、掺铒光纤放大器及其应用 第1页，共67页，2022年，5月20日，15点16分，星期三什么是光放大器？光放大器(G)弱光Pin强光PoutASEASE泵浦源第2页，共67页，2022年，5月20日，15点16分，星期三什么是EDFA（掺铒光纤放大器）？输入信号1530nm-1570nm放大的信号激光光源 (泵浦)980nm or 1480nm 掺铒光纤第3页，共67页，2022年，5月20日，15点16分，星期三通信窗口和铒离子自然界给光通信的礼物:铒离子的增益谱与光纤传输最低损耗窗口重合。GainAbsorption第4页，共67页，2022年，5月20日，15点16分，星期三主要内容 ED

2、FA的基本理论基础EDFA基本结构EDFA的特性参数EDFA的理论模型EDFA扩展EDFA设计软件Optiwave的应用第5页，共67页，2022年，5月20日，15点16分，星期三I. 掺铒光纤放大器理论基础 第6页，共67页，2022年，5月20日，15点16分，星期三光为什么会放大？电子轨道电子能级跃迁辐射跃迁（发光）非辐射跃迁（不发光）受激吸收（光泵浦）受激辐射（光放大）自发辐射（产生噪声）获得光放大的基本条件：粒子数反转上能级的粒子数比下能级的多第7页，共67页，2022年，5月20日，15点16分，星期三三种能级跃迁方式E1E2受激吸收后受激吸收E1E2hv自发辐射E1E2E2受激

3、发射hvE1E2受激发射后hvhv自发辐射后E1E2hv第8页，共67页，2022年，5月20日，15点16分，星期三粒子数反转基态激发态外来激发光子（泵浦光）高能级低能级第9页，共67页，2022年，5月20日，15点16分，星期三泵浦光 980 nm 跃迁 亚稳态信号光1550 nm受激放大光1550 nm基态基态 激发态EDF原理第10页，共67页，2022年，5月20日，15点16分，星期三简化的能级跃迁N2N3N1E12hv泵浦E23E31受激辐射hv信号N2N3N1E12hv泵浦E23E34受激辐射hv信号N4E41三能级系统四能级系统第11页，共67页，2022年，5月20日，1

4、5点16分，星期三铒纤吸收谱第12页，共67页，2022年，5月20日，15点16分，星期三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。同时产生自发辐射噪声(ASE)快速非辐射跃迁第13页，共67页，2022年，5月20日，15点16分，星期三三能级系统 v.s. 二能级系统 980 nm1480 nm1530-1560 nm1s=11 ms4I15/24I13/24I11/2非辐射跃迁1480 nm1530-1560 nm980 nm 泵浦: 三能级系统能够很好的表述; 简化为二能级模型能够更

5、贴近现实。1480 nm 泵浦: 二能级系统比较精确第14页，共67页，2022年，5月20日，15点16分，星期三. EDFA 的基本结构 第15页，共67页，2022年，5月20日，15点16分，星期三EDFA的基本结构EDFA 主要由掺铒光纤(EDF)、泵浦光源、耦合器、光隔离器及光滤波器组成，结构如图所示。 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第16页，共67页，2022年，5月20日，15点16分，星期三三种泵浦方式的EDFALD2WDM2EDFAPCAPCinoutLD1WDM1LDWDMEDFAPCAPCin outLDWDMEDFAPCAPCin out同向

6、泵浦(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第17页，共67页，2022年，5月20日，15点16分，星期三多级泵浦NFtotal = NF1+NF2/G1NF 1st/2nd stage = Pin - SNRo dB - 10 Log (hc2 / 3)Er3+ Doped FiberPumpPumpInput SignalOutput SignalOpticalIsolator第一级同向泵浦: 得到低的噪声指数第二级反向泵浦: 得到高的输出功率第18页，共67页，2022年，5月20日，15

7、点16分，星期三发射器接收器在线放大器EDFAEDFA光纤光纤发射器接收器功率放大器EDFA光纤发射器接收器前置放大器EDFA光纤 In line amplifier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。Pre-amplifier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。Booster amplifier后置放大器（BA）：放在光发射机后，以提高发射光功率，对其噪声要求不高，饱和输出功率是主要参数。掺铒光纤放大器的三种应用方式第19页，共67页，2022年，5月20日，15点16分，星期三泵浦功

8、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第20页，共67页，2022年，5月20日，15点16分，星期三EDFA 输出功率 vs. 增益111213141516272931333537394143EDFA Gain dBEDFA output Power dBm第21页，共67页，2022年，5月20日，15点16分，星期三. EDFA的特性参数第22页，共67页，2022年，5月20日，15点16分，星期三增益 dB506040302010102030405060708090100泵浦功率 mW

9、204050铒纤长度 m增益 G（dB） 输出信号功率与输入信号功率的比值第23页，共67页，2022年，5月20日，15点16分，星期三噪声系数 dB786543102030405060708090100泵浦功率 mWDugo wkna m2306075噪声系数NF（dB） 输入信噪比与输出信噪比的比值第24页，共67页，2022年，5月20日，15点16分，星期三输出功率（mW 或 dBm）饱和输出功率，最大输出功率增益带宽（nm）工作带宽，平坦增益带宽Gain (dB)154015601580101520204030-5 dBm-20 dBm-10 dBmP Input: -30 dBm

10、第25页，共67页，2022年，5月20日，15点16分，星期三增益平坦增益系数增益饱和增益 dB泵浦功率 mW4020 0510L=5mL=20m第26页，共67页，2022年，5月20日，15点16分，星期三. EDFA理论模型-Giles模型 第27页，共67页，2022年，5月20日，15点16分，星期三Simplified EDFA Model: 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 假定单极 EDFA第28页，共67页，2022年，5月20日，15点16分，星期三二能级系统速率方程：传输方程：其中：铒离子浓度： 规一化

11、光强： 跃迁速率： 掺铒光纤放大器的基本理论模型(1)第29页，共67页，2022年，5月20日，15点16分，星期三掺铒光纤放大器的基本理论模型(2)引入光纤吸收系数和发射系数：定义：粒子数沿截面平均 交迭积分 第30页，共67页，2022年，5月20日，15点16分，星期三掺铒光纤放大器的基本理论模型(3)速率方程和传输方程变为：在稳态情况下：其中，定义饱和参数和饱和光强的关系：第31页，共67页，2022年，5月20日，15点16分，星期三掺铒光纤放大器的基本理论模型(4)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噪声系数：当泵浦充分 ，且G1时，噪声系数达到极限 3dB

12、.第32页，共67页，2022年，5月20日，15点16分，星期三. EDFA扩展第33页，共67页，2022年，5月20日，15点16分，星期三EDFA的主要优点有： 工作波长正好落在光纤通信最佳波段(15001600 nm)； 其主体是一段光纤(EDF)，与传输光纤的耦合损耗很小， 可达0.1 dB。 增益高，约为3040 dB; 饱和输出光功率大， 约为1015 dBm； 增益特性与光偏振状态无关。 噪声指数小， 一般为47 dB； 用于多信道传输时， 隔离度大，无串扰，适用于波分复用系统。 频带宽，在1550 nm窗口，频带宽度为2040 nm， 可进行多信道传输，有利于增加传输容量。

13、掺铒光纤放大器第34页，共67页，2022年，5月20日，15点16分，星期三EDFA也有固有的缺点：(1) 波长固定，只能放大1.55m左右的光波，换用不同基质的光纤时，铒离子能级也只能发生很小的变化，可调节的波长有限，只能换用其他元素；(2) 增益带宽不平坦，在WDM系统中需要采用特殊的手段来进行增益谱补偿。第35页，共67页，2022年，5月20日，15点16分，星期三Er Doped Fiber Amplifier，EDFA在 EDFA的应用中，需要解决两个问题。 增益的平坦化，增益平坦是指放大器的增益谱要平坦，对需要放大的所有信道提供相同的增益。 增益的自动控制，当光纤中信道数由于故

14、障等原因突然减少时，光放大器的增益会突然增加，形成“浪涌”，使信号强度突然提高，接收机码元判决时会出现错误。第36页，共67页，2022年，5月20日，15点16分，星期三1. 滤波器均衡： 采用透射谱与掺杂光纤增益谱反对称的滤波器使增益平坦, 如：薄膜滤波、紫外写入长周期光纤光栅、周期调制的双芯光纤等。 只能实现静态增益谱的平坦，在信道功率突变时增益谱仍会发生变化。 EDFA + 均衡器 合成增益增益平坦/均衡技术第37页，共67页，2022年，5月20日，15点16分，星期三2. 新型宽谱带掺杂光纤： 如掺铒氟化物玻璃光纤（30nm平坦带宽）、铒/铝共掺杂光纤（20nm）等， 静态增益谱的

15、平坦，掺杂工艺复杂。3. 声光滤波调节： 根据各信道功率，反馈控制放大器输出端的多通道声光带阻滤波器，调节各信道输出功率使之均衡，动态均衡需要解复用、光电转换、结构复杂，实用性受限增益平坦/均衡技术第38页，共67页，2022年，5月20日，15点16分，星期三4.预失真技术不灵活，传输链路变换后，输入功率也要随之调整增益平坦/均衡技术第39页，共67页，2022年，5月20日，15点16分，星期三EDFA对信道的插入、分出或信道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-瞬态特性瞬态特性使得剩余信道获得过大的增益，并输出过大的功率，而产生非线性，最终导致其传输性能的恶化-需

16、进行自动增益控制对于级联EDFA系统，瞬态响应时间可短至几十s，要求增益控制系统的响应时间相应为几几十s增益钳制第40页，共67页，2022年，5月20日，15点16分，星期三增益钳制技术(1)电控：监测EDFA的输入光功率，根据其大小调整泵浦功率，从而实现增益钳制，是目前最为成熟的方法。LDPumpInOut泵浦控制均衡放大器（电控）EDFA第41页，共67页，2022年，5月20日，15点16分，星期三增益钳制技术(2)在系统中附加一波长信道，根据其它信道的功率，改变附加波长的功率，而实现增益钳制。注入激光第42页，共67页，2022年，5月20日，15点16分，星期三WDM系统要求EDF

17、A具有足够高的输出功率，以保证各信道获得足够的光功率。方法：多级泵浦EDFA的大功率化(1)221916波长（nm）15401570输出功率（dBm）第43页，共67页，2022年，5月20日，15点16分，星期三EDFA的大功率化(2)=0.7%=1.3%纤芯内包层外包层用于制作大功率EDFA的双包层光纤结构图芯层：5m内包层： 50m芯层(掺铒)，传播信号层(SM)内包层，传播泵浦光(MM)双包层光纤是实现EDFA的重要技术，信号光在中心的纤芯里以单模传播，而泵浦光则在内包层中以多模传输。第44页，共67页，2022年，5月20日，15点16分，星期三EDFA的宽带化第45页，共67页，2

18、022年，5月20日，15点16分，星期三EDFA 超宽带Alastair Glass Photonics Research第46页，共67页，2022年，5月20日，15点16分，星期三长波段（L-band）掺铒光纤放大器L波段的造价甚高的原因：低反转水平，需长掺铒光纤，强泵浦，此波段其它光器件价格较高。第47页，共67页，2022年，5月20日，15点16分，星期三高性能掺铒光纤放大器问题的提出单段放大器的限制自发辐射光沿正、反方向传输，同时被放大，形成放大的自发辐射（ASE）;ASE消耗上能级粒子数，降低泵浦效率，影响增益；构成放大器的噪声源；因此，单纯的增加泵浦功率或增加掺铒光纤长度不

19、能很好地改善放大器的性能第48页，共67页，2022年，5月20日，15点16分，星期三高性能掺铒光纤放大器提高放大器性能的技术关键基本思路：结构变化，抑制ASE;基本技术：两段级连，内插隔离器;技术特点可针对不同要求进行优化；增益、噪声和功率特性同时升级；高增益下实现近量子噪声极限；第49页，共67页，2022年，5月20日，15点16分，星期三VII. EDFA设计软件Optiwave的应用 OptiSystem 7.0和OptiAmplifier 4.0第50页，共67页，2022年，5月20日，15点16分，星期三OptiSystem 7.0铒纤参数设置图 第51页，共67页，2022

20、年，5月20日，15点16分，星期三OptiSystem 7.0OptiSystem运行界面 第52页，共67页，2022年，5月20日，15点16分，星期三OptiSystem 7.0第53页，共67页，2022年，5月20日，15点16分，星期三OptiSystem 7.0噪声与波长关系图第54页，共67页，2022年，5月20日，15点16分，星期三OptiAmplifier 4.0第55页，共67页，2022年，5月20日，15点16分，星期三 双向泵浦EDFA设计实例 OptiAmplifier 4.0第56页，共67页，2022年，5月20日，15点16分，星期三参数值单位数值孔径

21、0.21-截止波长960nm离子浓度1.6e25iyon/m3半径1.75m背景损耗8dB/km 1310 nm吸收损耗10.46dB/m 980 nm7.28dB/m 1480 nm17.70dB/m 1530 nm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 OptiAmplifier 4.0第57页，共67页，2022年，5月20日，15点16分，星期三仿真结果 泵浦功率为230mW时，双

22、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L EDFA在1570nm- 1600nm约30nm带宽OptiAmplifier 4.0第58页，共67页，2022年，5月20日，15点16分，星期三 双向泵浦L-EDFA的波长与增益双向泵浦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OptiAmplifier 4.0第59页，共67页，2022年，5月20日，15点16分，星期三双向泵浦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OptiAmplifier 4.0第60页，共67页，2022年，5月20日，15点16分，星期三双向泵浦L-EDFA的