摻鉺光纖放大器

1、 摻鉺光纖放大器（摻鉺光纖放大器（EDFAEDFA）概述）概述 光放大原理概述光放大原理概述 摻鉺光纖放大器的工作特性摻鉺光纖放大器的工作特性 摻鉺光纖放大器中的關(guān)鍵技術(shù)摻鉺光纖放大器中的關(guān)鍵技術(shù)光放大器的類型半導(dǎo)體光放大器半導(dǎo)體光放大器（SOA） 摻鉺光纖光放大器摻鉺光纖光放大器（EDFA） 摻鐠光纖光放大器摻鐠光纖光放大器（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纖纖衰衰減減除去除去 OHOH 峰外峰外300nm300nm低損耗窗口低損耗窗口波長波長nm8501310PDFASOASRA光放大器的類

2、型光放大器的類型 復(fù)復(fù) 用用 器器 光接收機(jī)光接收機(jī) 1 光接收機(jī)光接收機(jī) 2 光接收機(jī)光接收機(jī) n 光發(fā)送機(jī)光發(fā)送機(jī) 1 光發(fā)送機(jī)光發(fā)送機(jī) 2 光發(fā)送機(jī)光發(fā)送機(jī) n 1 2 n 1 1 2 n 1 2n 解解 復(fù)復(fù) 用用 器器 解解 復(fù)復(fù) 用用 器器 復(fù)復(fù) 用用 器器 中繼器中繼器 中繼器中繼器 中繼器中繼器 1 2 n 1 2n 波分復(fù)用系統(tǒng)中的光電中繼光接光接收機(jī)收機(jī)光發(fā)光發(fā)送機(jī)送機(jī)濾波、去噪、濾波、去噪、恢復(fù)、整形；恢復(fù)、整形； 復(fù)復(fù) 用用 器器 光光放放大大器器 光光接接收收機(jī)機(jī)1 光光接接收收機(jī)機(jī)2 光光接接收收機(jī)機(jī)n 光光發(fā)發(fā)送送機(jī)機(jī)1 光光發(fā)發(fā)送送機(jī)機(jī)2 光光發(fā)發(fā)送送機(jī)機(jī)n 1

3、 2 n 1 1 2 n 1 2n 光光纖纖 解解 復(fù)復(fù) 用用 器器 寬帶寬的光放大器可以對多信道信號(hào)同時(shí)放大，而不需要進(jìn)行解復(fù)用，光放大器的問世推動(dòng)了DWDM技術(shù)的快速發(fā)展。采用光放大器的中繼方法Optical AmplifiersEDFA給光纖通信領(lǐng)域帶來革命 摻鉺光纖放大器（EDFA：Erbium-Doped Fiber Amplifier）采用摻鉺離子單模光纖為增益介質(zhì)，在泵浦光作用下產(chǎn)生粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，在信號(hào)光誘導(dǎo)下實(shí)現(xiàn)受激輻射的放大。 20世紀(jì)80年代末期，波長為1.55m的EDFA研制成功并投入實(shí)用，把光纖通信技術(shù)水平推向一個(gè)新高度，成為光纖通信發(fā)展史上一個(gè)重要的里程碑。EDFA解決

4、了系統(tǒng)容量提高的最大的限制光損耗，使長距離傳輸成為可能。 1989年誕生的摻鉺光纖放大器代表的全光放大技術(shù)，是光纖通信技術(shù)上的一次革命，它不僅解決了電中繼器設(shè)備復(fù)雜、維護(hù)難、成本高的問題，更重要的意義在于促使波分復(fù)用技術(shù) (WDM) 走向?qū)嵱没?，促進(jìn)了光接入網(wǎng)的實(shí)用化。David PayneEDFA給光纖通信領(lǐng)域帶來革命(2) 受激輻射(1) 能量注入光放大器原理 任何粒子的輻射光和吸收光的過程都是原子能級(jí)之任何粒子的輻射光和吸收光的過程都是原子能級(jí)之間的躍遷過程間的躍遷過程光與物質(zhì)的相互作用有三種不同的基本過程：光與物質(zhì)的相互作用有三種不同的基本過程： 自發(fā)輻射自發(fā)輻射 受激吸收受激吸收 受

5、激輻射受激輻射這三種過程總是同時(shí)存在，緊密聯(lián)系。這三種過程總是同時(shí)存在，緊密聯(lián)系。 自發(fā)輻射：自發(fā)輻射：高能級(jí)的原子自發(fā)地從高能級(jí)高能級(jí)的原子自發(fā)地從高能級(jí)E2向低能級(jí)向低能級(jí)E1躍遷，同時(shí)放出能量為躍遷，同時(shí)放出能量為 的光子。的光子。12EEh自發(fā)輻射 處于高能級(jí)的粒子都是自發(fā)地、獨(dú)立的進(jìn)行躍遷；處于高能級(jí)的粒子都是自發(fā)地、獨(dú)立的進(jìn)行躍遷； 輻射光子的頻率不同輻射光子的頻率不同, ,自發(fā)輻射的頻率范圍很寬；自發(fā)輻射的頻率范圍很寬； 發(fā)射方向和相位也不同；發(fā)射方向和相位也不同； 非相干光發(fā)射：不同頻率、相位、偏振方向。非相干光發(fā)射：不同頻率、相位、偏振方向。 對于大量原子統(tǒng)計(jì)平均來說，從E2

6、經(jīng)自發(fā)輻射躍遷到E1具有一定的躍遷速率： 式中n2為某時(shí)刻高能級(jí)E2上的原子數(shù)密度，dn2表示在dt時(shí)間間隔內(nèi)由E2自發(fā)躍遷到E1的原子數(shù)，“”表示E2能級(jí)的粒子數(shù)密度減少。 A21稱為愛因斯坦自發(fā)輻射系數(shù)，簡稱自發(fā)輻射系數(shù)，它是粒子能級(jí)系統(tǒng)的特征參量。22121 dnAndt 2212ddnA nt 物理意義是：單位時(shí)間內(nèi)，發(fā)生自發(fā)輻射的粒子數(shù)密度占處于E2能級(jí)總粒子數(shù)密度的百分比。解該方程得： 式中n20為t=0時(shí)處于能級(jí)E2的原子數(shù)密度。 t時(shí)刻的單位時(shí)間內(nèi)躍遷的粒子在高能級(jí)（E2）上已經(jīng)停留的時(shí)間總和，即壽命的和為： 所有在高能級(jí)（E2）上的粒子全部躍遷后，它們已經(jīng)在高能級(jí)上停留的時(shí)間

7、總和按照粒子總數(shù)平均得到平均壽命為：212( )tA n ttAentn21202)(2120202111( )dtA n ttnA 越大，表明原子在越大，表明原子在E2上逗留時(shí)間越長，激上逗留時(shí)間越長，激發(fā)態(tài)發(fā)態(tài) 很小，很小， 無窮大時(shí)，稱無窮大時(shí)，稱E2為穩(wěn)態(tài)；為穩(wěn)態(tài)； 較長的能態(tài)稱為亞穩(wěn)態(tài)。較長的能態(tài)稱為亞穩(wěn)態(tài)。能級(jí)上粒子的平均壽命受激吸收 受 激 吸 收 ： 處 于 低 能 級(jí)E1的 原 子 受 到 外 來 光 子 （ 能量 ）的刺激作用，完全吸收光子的能量而躍遷到高能級(jí)E2的過程：特點(diǎn)：處于低能級(jí)E1的原子受到外來光子的刺激作用，完全吸收光子的能量而躍遷到高能級(jí)E2的過程。12EEh

8、光的受激吸收過程光的受激吸收過程受激吸收躍遷速率與受激吸收系數(shù) 從E1經(jīng)受激吸收躍遷到E2具有一定的躍遷速率則有： 式中的 為外來光的光場單色能量密度，即受激吸收躍遷速率與外來光的光場單色能量密度成正比 其他參數(shù)意義同自發(fā)輻射：n1為某時(shí)刻E1上的原子數(shù)密度（即單位體積中的原子數(shù)），dn2表示在dt時(shí)間間隔內(nèi)由E1受激吸收躍遷到E2的原子數(shù)，“”被去除表示E2能級(jí)的粒子數(shù)密度增加。 B12稱為愛因斯坦受激吸收系數(shù)，簡稱受激吸收系數(shù)。2121dnBn dt受激吸收幾率 受激吸收（躍遷）幾率W12定義為 ，則有： 受激吸收的躍遷幾率的物理意義為：單位時(shí)間內(nèi)，在外來單色能量密度為 的光照下，E1能級(jí)

9、上因?yàn)槭芗の哲S遷到E2能級(jí)上的粒子數(shù)密度占處于E1能級(jí)總粒子數(shù)密度的百分比。1212BW2121211 dnWBndt 受激輻射 受激輻射：當(dāng)受到外來的能量 的光照射時(shí)，高能級(jí)E2上的原子受到外來光的激勵(lì)作用向低能級(jí)E1躍遷，同時(shí)發(fā)射一個(gè)與外來光子完全相同的光子。 光的受激輻射過程：12EEh圖（1-9）光的受激輻射過程受激輻射的特點(diǎn)外來激勵(lì)光子能量為兩能級(jí)能量差 時(shí)，才能發(fā)生受激輻射；受激輻射的光子與外來光子的特性完全相同， 即：頻率、位相、偏振和傳播方向完全一樣，因此受激輻射與外來輻射是相干的，換句話說外來輻射被 “放大” 了；光的受激輻射過程是產(chǎn)生光放大與激光的基本過程（受激輻射的光子

10、與外來光子的特性完全相同可以在量子電動(dòng)力學(xué)中得到證明）12EEh受激輻射躍遷速率與受激輻射系數(shù) 從E2經(jīng)受激輻射躍遷到E1具有一定的躍遷速率則有 式中的 為外來光的光場單色能量密度，即受激輻射躍遷速率與外來光的光場單色能量密度成正比。 其他參數(shù)意義同自發(fā)輻射：n2為某時(shí)刻高能級(jí)E2上的原子數(shù)密度（即單位體積中的原子數(shù)），dn2表示在dt時(shí)間間隔內(nèi)由E2受激輻射躍遷到E1的原子數(shù)，“”表示E2能級(jí)的粒子數(shù)密度減少。 B21稱為愛因斯坦受激輻射系數(shù)，簡稱受激輻射系數(shù)。2212ddnBnt受激輻射幾率 受激輻射（躍遷）幾率W21定義為 ，則有： 受激輻射的躍遷幾率的物理意義為：單位時(shí)間內(nèi)，在外來單色

11、能量密度為 的光照下，E2能級(jí)上發(fā)生受激輻射的粒子數(shù)密度占處于E2能級(jí)總粒子數(shù)密度的百分比 注意：自發(fā)輻射躍遷幾率就是自發(fā)輻射系數(shù)本身，而受激輻射的躍遷幾率決定于受激輻射系數(shù)與外來光單色能量密度的乘積。dtndnBW2221212121BW三種過程之間的關(guān)系 某原子自發(fā)輻射產(chǎn)生的光子對于其他原子來講是外來光子，會(huì)引起受激輻射與受激吸收，因此三個(gè)過程在大量原子組成的系統(tǒng)中是同時(shí)發(fā)生的，并相互聯(lián)系。 一般地，在熱平衡條件下，受激輻射所占比率很小，主要是自發(fā)輻射。三能級(jí)、四能級(jí)系統(tǒng)Amplified Spontaneous Emission ASE是一種由自發(fā)輻射誘發(fā)的受激輻射占主導(dǎo)的過程，沒有正反

12、饋的光振蕩(無諧振腔), 屬相干輻射。其特性介于激光與熒光之間的過渡狀態(tài)。ASE與激光相比，具有非準(zhǔn)單色及譜線寬的特點(diǎn)。 在光放大器中，ASE與輸入光信號(hào)同時(shí)爭奪上能級(jí)粒子，屬于一種噪聲源，足夠強(qiáng)度的ASE造成增益飽和，導(dǎo)致增益下降。放大的自發(fā)輻射(ASE) 摻鉺光纖在摻鉺光纖在980nm980nm、1480nm1480nm有吸收峰。有吸收峰。 在在152515251565nm1565nm為較寬的發(fā)射峰。為較寬的發(fā)射峰。 可同時(shí)放大多個(gè)波長即信道，在可同時(shí)放大多個(gè)波長即信道，在WDMWDM系統(tǒng)中，可作為放大器使用。系統(tǒng)中，可作為放大器使用。摻鉺光纖的吸收譜和發(fā)射譜EDFA工作原理 通過受激輻射

13、通過受激輻射實(shí)現(xiàn)光放大，光放實(shí)現(xiàn)光放大，光放大必要條件：大必要條件： 粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，粒子數(shù)反轉(zhuǎn)， 即即N N2 2NN1 1 實(shí)際上能級(jí)分實(shí)際上能級(jí)分裂成能帶，有較寬裂成能帶，有較寬的吸收和發(fā)射帶。的吸收和發(fā)射帶。4I11 / 24I13 / 24I15 / 2 980 nm1480 nm1520 1560 nm N2N11s 10 ms亞穩(wěn)態(tài)亞穩(wěn)態(tài)鉺離子能級(jí)結(jié)構(gòu)基基 態(tài)態(tài)激發(fā)態(tài)激發(fā)態(tài)信號(hào)光信號(hào)光放大的信號(hào)光放大的信號(hào)光N30摻鉺光纖放大器的基本結(jié)構(gòu)半導(dǎo)體泵浦二極管半導(dǎo)體泵浦二極管：為信號(hào)放大提供能量，使鉺離子達(dá)到粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。：為信號(hào)放大提供能量，使鉺離子達(dá)到粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。波分復(fù)用耦合器波分復(fù)用耦

14、合器：將信號(hào)光和泵浦光合路進(jìn)入摻鉺光纖中。將信號(hào)光和泵浦光合路進(jìn)入摻鉺光纖中。摻鉺光纖：摻鉺光纖：當(dāng)一定的泵浦光注入到摻鉺光纖中時(shí)，當(dāng)一定的泵浦光注入到摻鉺光纖中時(shí)，Er3+從低能級(jí)被激發(fā)到從低能級(jí)被激發(fā)到高能級(jí)，由于在高能級(jí)上的壽命很短，很快躍遷到亞穩(wěn)態(tài)能級(jí)，并在亞穩(wěn)高能級(jí)，由于在高能級(jí)上的壽命很短，很快躍遷到亞穩(wěn)態(tài)能級(jí)，并在亞穩(wěn)態(tài)與基態(tài)能級(jí)間形成粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布。在入射光誘導(dǎo)形成受激輻射，對信態(tài)與基態(tài)能級(jí)間形成粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布。在入射光誘導(dǎo)形成受激輻射，對信號(hào)光進(jìn)行放大。號(hào)光進(jìn)行放大。光隔離器光隔離器：使光單向傳輸，避免發(fā)射光影響，保證穩(wěn)定工作。使光單向傳輸，避免發(fā)射光影響，保證穩(wěn)定工作。ED

15、FA的三種泵浦方式摻鉺光纖放大器結(jié)構(gòu)圖摻鉺光纖放大器結(jié)構(gòu)圖雙向泵浦的摻鉺光纖放大器信號(hào)放大光放大器的增益增益G是描述光放大器對信號(hào)放大能力的參數(shù)。定義為：insoutsPPdBG,10log10)(影響增益的因素：影響增益的因素： 泵浦光功率泵浦光功率 摻鉺光纖的長度及摻鉺光纖的長度及ErEr3+3+的摻雜濃度的摻雜濃度 輸入光功率等輸入光功率等小信號(hào)增益與飽和輸出功率Pout,sat飽和區(qū)域小信號(hào)增益小信號(hào)增益輸入光功率較小時(shí)，隨輸入信號(hào)光功率的增大，增益G基本維持不變，這種增益稱為光放大器的小信號(hào)增益G0 。飽和輸出功率Pout,sat 放大器增益降至小信號(hào)增益一半時(shí)的輸出功率。當(dāng)輸入光功

16、率繼續(xù)增大，受激輻射加快，粒子反轉(zhuǎn)數(shù)減小，增益G隨輸入功率的增加而減小，出現(xiàn)增益飽和現(xiàn)象。深度飽和區(qū) 信號(hào)在放大過程中不可避免地疊加了各種噪聲，從而導(dǎo)致信噪比(SNR signal-to-noise ratio)的惡化。衡量EDFA噪聲特性的參數(shù)為噪聲系數(shù)NF（noise figure）：10log10log2110log10log 2inASEoutspspOSNRPNFOSNRhGnGnGPASE帶寬內(nèi)ASE光功率 自發(fā)輻射噪聲帶寬spnh等效的輸入散粒噪聲 噪聲因子噪聲系數(shù) NF（noise figure） NF=3dB噪聲系數(shù)的量子極限（nsp=1時(shí)）增益、噪聲指數(shù)和輸出光功率與輸入光

17、功率的關(guān)系曲線（例）10.0405.00.05.010.015.020.025.030.035.035302520151050IIIIIII噪聲指數(shù)噪聲指數(shù) / dB輸出光功率輸出光功率 / dBm增益增益 / dB輸入光功率輸入光功率 / dBm增益增益 / dB增益帶寬增益譜G()：增益G與信號(hào)光波長的關(guān)系增益帶寬： 信號(hào)增益在最高增益下降3dB增益差之內(nèi)的信號(hào)波長范圍。小信號(hào)增益與泵浦功率的關(guān)系曲線小信號(hào)增益與摻鉺光纖長度的關(guān)系曲線增益G與輸入光波長的關(guān)系增益曲線不平坦，會(huì)造成不同信道放大的差別較大增益曲線不平坦，會(huì)造成不同信道放大的差別較大EDFA增益平坦技術(shù)濾波型：濾波型：在在EDF

18、AEDFA中內(nèi)插無源濾波器將中內(nèi)插無源濾波器將1530nm1530nm的增益峰降低，或的增益峰降低，或?qū)ｉT設(shè)計(jì)其透射譜與摻鉺光纖增益譜相反的光濾波器專門設(shè)計(jì)其透射譜與摻鉺光纖增益譜相反的光濾波器將增益譜削平。將增益譜削平。 采用新型寬譜帶摻雜光纖，如摻鉺氟化物光纖或高鋁采用新型寬譜帶摻雜光纖，如摻鉺氟化物光纖或高鋁含量的鉺含量的鉺/ /鋁共摻光纖、鉺鋁共摻光纖、鉺/ /鋁磷共摻光纖等。其優(yōu)鋁磷共摻光纖等。其優(yōu)點(diǎn)是無需制作和引入附加元件，但工藝復(fù)雜。點(diǎn)是無需制作和引入附加元件，但工藝復(fù)雜。 本征型：本征型：波長波長增增益益不摻鋁不摻鋁摻鉺光纖放大器摻鉺光纖放大器（EDFAEDFA）1525152

19、5 1565nm1565nm摻鉺光纖放大器摻鉺光纖放大器（EDFAEDFA）15251525 1565nm1565nm摻鋁摻鋁波長波長增增益益EDFA增益平坦技術(shù)EDFA的增益鎖定技術(shù)的增益鎖定技術(shù)WDM+摻鉺光纖放大器摻鉺光纖放大器實(shí)現(xiàn)高速、大容量和長距離光纖通信的主要手段之一。實(shí)現(xiàn)高速、大容量和長距離光纖通信的主要手段之一。 在多點(diǎn)對多點(diǎn)的在多點(diǎn)對多點(diǎn)的WDMWDM傳輸系統(tǒng)中，通常需要上下載信號(hào)，這樣傳輸系統(tǒng)中，通常需要上下載信號(hào)，這樣隨時(shí)可能導(dǎo)致各通道的光功率瞬態(tài)波動(dòng)等問題。解決方法是在隨時(shí)可能導(dǎo)致各通道的光功率瞬態(tài)波動(dòng)等問題。解決方法是在EDFAEDFA中引入自動(dòng)增益控制和均衡功能。中

20、引入自動(dòng)增益控制和均衡功能。 電路自動(dòng)增益控制電路自動(dòng)增益控制 全光自動(dòng)增益控制全光自動(dòng)增益控制EDFA的增益平坦及增益鎖定的增益平坦及增益鎖定EDFA寬帶放大技術(shù)級(jí)聯(lián)型或并聯(lián)：級(jí)聯(lián)型或并聯(lián)：C C波段級(jí)聯(lián)或并聯(lián)波段級(jí)聯(lián)或并聯(lián)L L波段波段EDFAEDFA，達(dá)到，達(dá)到寬帶增益的目的。寬帶增益的目的。 （ASEASE二次泵浦；二次泵浦；1550nm1550nm輔助泵浦）輔助泵浦）采用鉍基摻雜光纖取代硅基摻鉺光纖，可實(shí)采用鉍基摻雜光纖取代硅基摻鉺光纖，可實(shí)現(xiàn)現(xiàn)C+LC+L波段寬帶放大。波段寬帶放大。 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纖通信最佳窗口；且與傳

21、輸光纖的耦合損工作波段正好落在光纖通信最佳窗口；且與傳輸光纖的耦合損耗小，可小至耗小，可小至0.1dB增益高（增益高（3040dB），飽和輸出光功率大（），飽和輸出光功率大（1020 dBm)噪聲指數(shù)?。ㄔ肼曋笖?shù)小（47dB)頻帶寬（頻帶寬（15251565nm)，可進(jìn)行多信道傳輸，有利于提高傳，可進(jìn)行多信道傳輸，有利于提高傳輸容量輸容量 摻鉺光纖放大器的優(yōu)點(diǎn)WDM+光纖放大器光纖放大器充分利用光纖帶寬，提高單纖容量的最有效方法。充分利用光纖帶寬，提高單纖容量的最有效方法。 EDFA在通信系統(tǒng)中的應(yīng)用 （LA：Line Amplifier）補(bǔ)償光纖線路損耗，延長干線傳輸距離。 （PA：Preamplifier) 置于光接收機(jī)前，放大微弱的光信號(hào)，以改善接收靈敏度。作為前置放大器，工作在小信號(hào)增益狀態(tài)，噪聲系數(shù)小。