摻鉺光纖放大器及其應(yīng)用

摻鉺光纖放大器及其應(yīng)用第1頁，課件共67頁，創(chuàng)作于2023年2月什么是光放大器？光放大器(G)弱光Pin強光PoutASEASE泵浦源第2頁，課件共67頁，創(chuàng)作于2023年2月什么是EDFA（摻鉺光纖放大器）？輸入信號1530nm-1570nm放大的信號激光光源

(泵浦)980nmor1480nm摻鉺光纖第3頁，課件共67頁，創(chuàng)作于2023年2月通信窗口和鉺離子自然界給光通信的禮物:鉺離子的增益譜與光纖傳輸最低損耗窗口重合。GainAbsorption第4頁，課件共67頁，創(chuàng)作于2023年2月主要內(nèi)容

EDFA的基本理論基礎(chǔ)EDFA基本結(jié)構(gòu)EDFA的特性參數(shù)EDFA的理論模型EDFA擴展EDFA設(shè)計軟件Optiwave的應(yīng)用第5頁，課件共67頁，創(chuàng)作于2023年2月I.摻鉺光纖放大器理論基礎(chǔ)

第6頁，課件共67頁，創(chuàng)作于2023年2月光為什么會放大？電子軌道電子能級躍遷 輻射躍遷（發(fā)光） 非輻射躍遷（不發(fā)光）受激吸收（光泵浦）受激輻射（光放大）自發(fā)輻射（產(chǎn)生噪聲）獲得光放大的基本條件：粒子數(shù)反轉(zhuǎn)上能級的粒子數(shù)比下能級的多第7頁，課件共67頁，創(chuàng)作于2023年2月三種能級躍遷方式E1E2受激吸收后受激吸收E1E2hv自發(fā)輻射E1E2E2受激發(fā)射hvE1E2受激發(fā)射后hvhv自發(fā)輻射后E1E2hv第8頁，課件共67頁，創(chuàng)作于2023年2月粒子數(shù)反轉(zhuǎn)

基態(tài)

激發(fā)態(tài)

外來激發(fā)光子（泵浦光）高能級低能級第9頁，課件共67頁，創(chuàng)作于2023年2月泵浦光980nm

躍遷亞穩(wěn)態(tài)信號光1550nm受激放大光1550nm基態(tài)基態(tài)激發(fā)態(tài)EDF原理第10頁，課件共67頁，創(chuàng)作于2023年2月簡化的能級躍遷N2N3N1E12hv泵浦E23E31受激輻射hv信號N2N3N1E12hv泵浦E23E34受激輻射hv信號N4E41三能級系統(tǒng)四能級系統(tǒng)第11頁，課件共67頁，創(chuàng)作于2023年2月鉺纖吸收譜第12頁，課件共67頁，創(chuàng)作于2023年2月鉺離子能級示意圖泵浦波長可以是514、679、800、980、1480nm波長短于980nm的泵浦效率低，因而通常采用980和1480nm泵浦。同時產(chǎn)生自發(fā)輻射噪聲(ASE)快速非輻射躍遷第13頁，課件共67頁，創(chuàng)作于2023年2月三能級系統(tǒng)

v.s.二能級系統(tǒng)

980nm1480nm1530-1560nm

~1s

=11ms4I15/24I13/24I11/2非輻射躍遷1480nm1530-1560nm980nm泵浦:

三能級系統(tǒng)能夠很好的表述;簡化為二能級模型能夠更貼近現(xiàn)實。1480nm泵浦:

二能級系統(tǒng)比較精確第14頁，課件共67頁，創(chuàng)作于2023年2月Ⅱ.EDFA的基本結(jié)構(gòu)

第15頁，課件共67頁，創(chuàng)作于2023年2月EDFA的基本結(jié)構(gòu)EDFA主要由摻鉺光纖(EDF)、泵浦光源、耦合器、光隔離器及光濾波器組成，結(jié)構(gòu)如圖所示。

信號光耦合器光隔離器摻鉺光纖光隔離器光濾波器輸出光泵浦光第16頁，課件共67頁，創(chuàng)作于2023年2月三種泵浦方式的EDFALD2WDM2EDFAPCAPCinoutLD1WDM1LDWDMEDFAPCAPCinoutLDWDMEDFAPCAPCinout同向泵浦(前向泵浦)型：好的噪聲性能反向泵浦(后向泵浦)型：輸出信號功率高雙向泵浦型：輸出信號功率比單泵浦源高3dB，且放大特性與信號傳輸方向無關(guān)第17頁，課件共67頁，創(chuàng)作于2023年2月多級泵浦NFtotal=NF1+NF2/G1NF

1st/2ndstage=Pin-SNRo[dB]-10Log(hc2/3)Er3+DopedFiberPumpPumpInputSignalOutputSignalOpticalIsolator第一級同向泵浦:得到低的噪聲指數(shù)第二級反向泵浦:得到高的輸出功率第18頁，課件共67頁，創(chuàng)作于2023年2月發(fā)射器接收器在線放大器EDFAEDFA光纖光纖發(fā)射器接收器功率放大器EDFA光纖發(fā)射器接收器前置放大器EDFA光纖

Inlineamplifier中繼放大器（LA）：在光纖線路中每隔一段距離設(shè)置一個光纖放大器，以延長干線網(wǎng)的傳輸距離。Pre-amplifier前置放大器（PA）：放在光接收機之前，放大微弱的光信號，以改善光接收靈敏度，對噪聲要求苛刻。Boosteramplifier后置放大器（BA）：放在光發(fā)射機后，以提高發(fā)射光功率，對其噪聲要求不高，飽和輸出功率是主要參數(shù)。摻鉺光纖放大器的三種應(yīng)用方式第19頁，課件共67頁，創(chuàng)作于2023年2月泵浦功率和光纖長度對增益的影響增益

dB泵浦功率

mW4020

0510L=5mL=20m增益

dB鉺纖長度

m4020

025502mW4mW第20頁，課件共67頁，創(chuàng)作于2023年2月EDFA輸出功率vs.增益111213141516272931333537394143EDFAGaindBEDFAoutputPowerdBm第21頁，課件共67頁，創(chuàng)作于2023年2月Ⅲ.EDFA的特性參數(shù)第22頁，課件共67頁，創(chuàng)作于2023年2月增益

dB506040302010102030405060708090100泵浦功率

mW204050鉺纖長度

m增益G（dB）輸出信號功率與輸入信號功率的比值第23頁，課件共67頁，創(chuàng)作于2023年2月噪聲系數(shù)

dB786543102030405060708090100泵浦功率

mWD?ugo??w?óknam2306075噪聲系數(shù)NF（dB）輸入信噪比與輸出信噪比的比值第24頁，課件共67頁，創(chuàng)作于2023年2月輸出功率（mW或dBm）飽和輸出功率，最大輸出功率增益帶寬（nm）工作帶寬，平坦增益帶寬Gain(dB)154015601580101520204030-5dBm-20dBm-10dBmPInput:-30dBm第25頁，課件共67頁，創(chuàng)作于2023年2月增益平坦增益系數(shù)增益飽和增益

dB泵浦功率

mW4020

0510L=5mL=20m第26頁，課件共67頁，創(chuàng)作于2023年2月Ⅴ.EDFA理論模型-Giles模型第27頁，課件共67頁，創(chuàng)作于2023年2月SimplifiedEDFAModel:Giles模型兩能級系統(tǒng)均勻展寬

ASE噪聲可忽略忽略激發(fā)態(tài)吸收沿光纖功率變化速度慢鉺離子限制得好假定單極

EDFA第28頁，課件共67頁，創(chuàng)作于2023年2月二能級系統(tǒng)速率方程：傳輸方程：其中：鉺離子濃度：規(guī)一化光強：躍遷速率：

摻鉺光纖放大器的基本理論模型(1)第29頁，課件共67頁，創(chuàng)作于2023年2月?lián)姐s光纖放大器的基本理論模型(2)引入光纖吸收系數(shù)和發(fā)射系數(shù)：定義：粒子數(shù)沿截面平均

交迭積分

第30頁，課件共67頁，創(chuàng)作于2023年2月?lián)姐s光纖放大器的基本理論模型(3)速率方程和傳輸方程變?yōu)椋涸诜€(wěn)態(tài)情況下：其中，定義飽和參數(shù)和飽和光強的關(guān)系：第31頁，課件共67頁，創(chuàng)作于2023年2月?lián)姐s光纖放大器的基本理論模型(4)增益：增益的大小和譜分布由粒子數(shù)反轉(zhuǎn)水平及摻鉺光纖長度決定噪聲系數(shù)：當(dāng)泵浦充分，且G>>1時，噪聲系數(shù)達到極限3dB.第32頁，課件共67頁，創(chuàng)作于2023年2月Ⅵ.EDFA擴展第33頁，課件共67頁，創(chuàng)作于2023年2月EDFA的主要優(yōu)點有：

?工作波長正好落在光纖通信最佳波段(1500～1600nm)；其主體是一段光纖(EDF)，與傳輸光纖的耦合損耗很小，可達0.1dB。?增益高，約為30～40dB;飽和輸出光功率大，約為10～15dBm；增益特性與光偏振狀態(tài)無關(guān)。?噪聲指數(shù)小，一般為4～7dB；用于多信道傳輸時，隔離度大，無串?dāng)_，適用于波分復(fù)用系統(tǒng)。?頻帶寬，在1550nm窗口，頻帶寬度為20～40nm，可進行多信道傳輸，有利于增加傳輸容量。摻鉺光纖放大器第34頁，課件共67頁，創(chuàng)作于2023年2月EDFA也有固有的缺點：(1)波長固定，只能放大1.55μm左右的光波，換用不同基質(zhì)的光纖時，鉺離子能級也只能發(fā)生很小的變化，可調(diào)節(jié)的波長有限，只能換用其他元素；(2)增益帶寬不平坦，在WDM系統(tǒng)中需要采用特殊的手段來進行增益譜補償。第35頁，課件共67頁，創(chuàng)作于2023年2月ErDopedFiberAmplifier，EDFA在EDFA的應(yīng)用中，需要解決兩個問題。增益的平坦化，增益平坦是指放大器的增益譜要平坦，對需要放大的所有信道提供相同的增益。增益的自動控制，當(dāng)光纖中信道數(shù)由于故障等原因突然減少時，光放大器的增益會突然增加，形成“浪涌”，使信號強度突然提高，接收機碼元判決時會出現(xiàn)錯誤。第36頁，課件共67頁，創(chuàng)作于2023年2月1.

濾波器均衡：采用透射譜與摻雜光纖增益譜反對稱的濾波器使增益平坦,如：薄膜濾波、紫外寫入長周期光纖光柵、周期調(diào)制的雙芯光纖等。

只能實現(xiàn)靜態(tài)增益譜的平坦，在信道功率突變時增益譜仍會發(fā)生變化。

EDFA+均衡器→合成增益增益平坦/均衡技術(shù)第37頁，課件共67頁，創(chuàng)作于2023年2月2.

新型寬譜帶摻雜光纖：如摻鉺氟化物玻璃光纖（30nm平坦帶寬）、鉺/鋁共摻雜光纖（20nm）等，靜態(tài)增益譜的平坦，摻雜工藝復(fù)雜。3.聲光濾波調(diào)節(jié)：根據(jù)各信道功率，反饋控制放大器輸出端的多通道聲光帶阻濾波器，調(diào)節(jié)各信道輸出功率使之均衡，動態(tài)均衡需要解復(fù)用、光電轉(zhuǎn)換、結(jié)構(gòu)復(fù)雜，實用性受限增益平坦/均衡技術(shù)第38頁，課件共67頁，創(chuàng)作于2023年2月4.預(yù)失真技術(shù)不靈活，傳輸鏈路變換后，輸入功率也要隨之調(diào)整增益平坦/均衡技術(shù)第39頁，課件共67頁，創(chuàng)作于2023年2月EDFA對信道的插入、分出或信道無光故障等因素引起的輸入光功率的變化（較低速變化）能產(chǎn)生響應(yīng)--瞬態(tài)特性瞬態(tài)特性使得剩余信道獲得過大的增益，并輸出過大的功率，而產(chǎn)生非線性，最終導(dǎo)致其傳輸性能的惡化--需進行自動增益控制對于級聯(lián)EDFA系統(tǒng)，瞬態(tài)響應(yīng)時間可短至幾十

s，要求增益控制系統(tǒng)的響應(yīng)時間相應(yīng)為幾～幾十s增益鉗制第40頁，課件共67頁，創(chuàng)作于2023年2月增益鉗制技術(shù)(1)電控：監(jiān)測EDFA的輸入光功率，根據(jù)其大小調(diào)整泵浦功率，從而實現(xiàn)增益鉗制，是目前最為成熟的方法。LDPumpInOut泵浦控制均衡放大器（電控）EDFA第41頁，課件共67頁，創(chuàng)作于2023年2月增益鉗制技術(shù)(2)在系統(tǒng)中附加一波長信道，根據(jù)其它信道的功率，改變附加波長的功率，而實現(xiàn)增益鉗制。注入激光第42頁，課件共67頁，創(chuàng)作于2023年2月WDM系統(tǒng)要求EDFA具有足夠高的輸出功率，以保證各信道獲得足夠的光功率。方法：多級泵浦EDFA的大功率化(1)

221916波長（nm）15401570輸出功率（dBm）第43頁，課件共67頁，創(chuàng)作于2023年2月EDFA的大功率化(2)

=0.7%

=1.3%纖芯內(nèi)包層外包層用于制作大功率EDFA的雙包層光纖結(jié)構(gòu)圖芯層：5m內(nèi)包層：50m芯層(摻鉺)，傳播信號層(SM)內(nèi)包層，傳播泵浦光(MM)雙包層光纖是實現(xiàn)EDFA的重要技術(shù)，信號光在中心的纖芯里以單模傳播，而泵浦光則在內(nèi)包層中以多模傳輸。第44頁，課件共67頁，創(chuàng)作于2023年2月EDFA的寬帶化第45頁，課件共67頁，創(chuàng)作于2023年2月EDFA–超寬帶AlastairGlassPhotonicsResearch第46頁，課件共67頁，創(chuàng)作于2023年2月長波段（L-band）摻鉺光纖放大器L波段的造價甚高的原因：低反轉(zhuǎn)水平，需長摻鉺光纖，強泵浦，此波段其它光器件價格較高。第47頁，課件共67頁，創(chuàng)作于2023年2月高性能摻鉺光纖放大器問題的提出－單段放大器的限制自發(fā)輻射光沿正、反方向傳輸，同時被放大，形成放大的自發(fā)輻射（ASE）;ASE消耗上能級粒子數(shù)，降低泵浦效率，影響增益；構(gòu)成放大器的噪聲源；因此，單純的增加泵浦功率或增加摻鉺光纖長度不能很好地改善放大器的性能第48頁，課件共67頁，創(chuàng)作于2023年2月高性能摻鉺光纖放大器提高放大器性能的技術(shù)關(guān)鍵基本思路：結(jié)構(gòu)變化，抑制ASE;基本技術(shù)：兩段級連，內(nèi)插隔離器;技術(shù)特點可針對不同要求進行優(yōu)化；增益、噪聲和功率特性同時升級；高增益下實現(xiàn)近量子噪聲極限；第49頁，課件共67頁，創(chuàng)作于2023年2月VII.EDFA設(shè)計軟件Optiwave的應(yīng)用

OptiSystem7.0和OptiAmplifier

4.0第50頁，課件共67頁，創(chuàng)作于2023年2月OptiSystem7.0鉺纖參數(shù)設(shè)置圖第51頁，課件共67頁，創(chuàng)作于2023年2月OptiSystem7.0OptiSystem運行界面第52頁，課件共67頁，創(chuàng)作于2023年2月OptiSystem7.0第53頁，課件共67頁，創(chuàng)作于2023年2月OptiSystem7.0噪聲與波長關(guān)系圖第54頁，課件共67頁，創(chuàng)作于2023年2月OptiAmplifier4.0第55頁，課件共67頁，創(chuàng)作于2023年2月

雙向泵浦EDFA設(shè)計實例

OptiAmplifier4.0第56頁，課件共67頁，創(chuàng)作于2023年2月參數(shù)值單位數(shù)值孔徑0.21-截止波長960nm離子濃度1.6e25iyon/m3半徑1.75μm背景損耗8dB/km@1310nm吸收損耗10.46dB/m@980nm7.28dB/m@1480nm17.70dB/m@1530nm發(fā)射損耗2.01dB/m@1480nm16.59dB/m@1530nmMetro–12EDF實驗參數(shù)

Metro-12EDF的吸收和發(fā)射譜

a)980nm泵浦帶吸收譜b)1480nm泵浦和1550nm信號頻段的吸收和發(fā)射譜

OptiAmplifier4.0第57頁，課件共67頁，創(chuàng)作于2023年2月仿真結(jié)果

泵浦功率為230mW時，雙向泵浦L-EDFA增益和噪聲系數(shù)與信號波長的變化這項研究可以用來設(shè)計的L–EDFA在1570nm-1600nm約30nm帶寬OptiAmplifier4.0第58頁，課件共67頁，創(chuàng)作于2023年2月

雙向泵浦L-EDFA的波長與增益雙向泵浦L-EDFA實驗值和理論值比較-1雙向泵浦L-EDFA的波長與噪聲系數(shù)OptiAmplifier4.0第59頁，課件共67頁，創(chuàng)作于2023年2月雙向泵浦L-EDFA實驗值和理論值比較-2雙向泵浦L-EDFA的輸入功率和增益雙向泵浦L-EDFA的輸入功率和噪聲系數(shù)OptiAmplifier4.0第60頁，課件共67頁，創(chuàng)作于2023年2月雙