光信号放大在光纤中如何实现的.ppt

第九章 光信号放大在光纤中如何实现的 哈尔滨工程大学理学院光子科学与技术研究中心2007年3月 第九章 光信号放大在光纤中如何实现的 光放大器有半导体光放大器和光纤放大器两种类型 半导体光放大器的优点是 小型化 容易与其他半导体器件集成 半导体光放大器的缺点是 性能与光偏振方向有关 器件与光纤的耦合损耗大 光纤放大器的性能与光偏振方向无关 器件与光纤的耦合损耗很小 因而得到广泛应用 第九章 光信号放大在光纤中如何实现的 光纤放大器 光纤放大器的实质是 把工作物质制作成光纤形状的固体激光器 所以也称为光纤激光器 20世纪80年代末期 波长为1 55 m的掺铒 Er 光纤放大器 EDFA Erbium DopedFiberAmplifier 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 第九章 光信号放大在光纤中如何实现的 第九章 光信号放大在光纤中如何实现的 9 1掺铒光纤9 2掺铒光纤放大器9 3光纤放大器的结构9 4掺铒光纤放大器的实验 9 1掺铒光纤 9 1 1稀土掺杂光纤简介9 1 2掺铒光纤特性9 1 3掺铒光纤的制作 9 1 1掺铒光纤 稀土光纤简介 稀土元素包括15种元素 在元素周期表中位于第五行 目前比较成熟的有源光纤中掺入的稀土离子有Er3 铒 Nd3 钕 Pr3 镨 Tm3 铥 Yb3 镱 掺铒 Er3 光纤在1 55 m波长具有很高的增益 正对应低损耗第三通信窗口 由于其潜在的应用价值 掺铒 Er3 光纤激光器发展十分迅速 掺镨光纤放大器工作在1 31 m波段 Yb3 具有相当宽的吸收带 800 1064nm 以及相当宽的激发带 970 1200nm 9 1 1掺铒光纤 稀土光纤简介 掺铥 Tm3 光纤激光器的激射波长为1 4 m波段 也是重要的光纤通信光源 掺钬 Ho3 光纤激光器 工作波长在2 1 m 由于水分子在2 0 m附近有很强的中红外吸收峰 对邻近组织的热损伤小 止血性好 且该波段对人眼是安全的 故在医疗和生物学研究上有广阔的应用前景 9 1 2CharacteristicofEDF 9 1 2CharacteristicofEDF 9 1 2CharacteristicofEDF ExperimentallymeasuredabsorptionspectrumofanEr3 dopedgermano alumino silicafiber Theabsorptioninthe400 600nmregionhasbeendividedbyafactorof10 Thesmalloscillatorystructurenear1100nmcorrespondstothecutoffofthesecond ordermodeofthefiber 9 1 2CharacteristicofEDF ComparisonoftheshapeofthemeasuredstimulatedemissioncrosssectionwiththatcalculatedfromtheabsorptioncrosssectionusingtheMcCumbertheory 9 1 2CharacteristicofEDF Room temperaturefluorescencelifetimemeasuredat1 55 mforErinasilicaglassfiberandabulksampleofCPG calciummetaphosphate glass 9 1 3掺铒光纤制造 铒离子比硅原子大很多 因而不太溶于硅中 难以达到高掺杂浓度 以实现在短长度光纤上获得高增益 一般掺适量Al2O3 使掺铒浓度高达1000ppm 每百万 的掺杂浓度 掺铒光纤可以改善其荧光谱特性 宽度 形状和波长范围 9 1 3EDFFabrication VAD OVD Refractiveindexprofilesofconventionalcommunicationsfiber withtherefractiveindexdifferenceshownrelativetoundopedsilica thefibertypesareindicatedonthegraphs 9 1 3EDFFabrication Vaporpressuresofreactanthalides exceptingEr thd 3 anorganiccompound whichincorporatetheindex raisingelementsGeandAlaswellastherepresentativerareearthelementsEr Nd andPr 9 1 3EDFFabrication LowvaporpressuredopantdeliverymethodsforMCVD 9 1 3EDFFabrication LowvaporpressuredopantdeliverymethodsforVAD 9 1 3EDFFabrication PostdepositionlowvaporpressuredopantincorporationforVADorOVDbyvaporimpregnationofasootboule 9 1 3EDFFabrication PostdepositionlowvaporpressuredopantincorporationforVADorOVDbysolutionimpregnationfollowedbydryingandsintering 第九章 光信号放大在光纤中如何实现的 9 1掺铒光纤9 2掺铒光纤放大器9 3光纤放大器的结构9 4掺铒光纤放大器的实验 9 2掺铒光纤放大器 9 2 1光纤放大器简介9 2 2泵浦要求9 2 3光纤放大器理论9 2 4光纤放大器增益谱9 2 5光纤放大器噪声 EDFA的主要优点有 工作波长正好落在光纤通信最佳波段 1500 1600nm 其主体是一段光纤 EDF 与传输光纤的耦合损耗很小 可达0 1dB 增益高 约为30 40dB 饱和输出光功率大 约为10 15dBm 增益特性与光偏振状态无关 噪声指数小 一般为4 7dB 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1550nm窗口 频带宽度为20 40nm 可进行多信道传输 有利于增加传输容量 9 2掺铒光纤放大器 如果加上1310nm掺镨光纤放大器 PDFA 频带可以增加一倍 所以 波分复用 光纤放大器 被认为是充分利用光纤带宽增加传输容量最有效的方法 1550nmEDFA在各种光纤通信系统中得到广泛应用 并取得了良好效果 已经介绍过的副载波CATV系统 WDM或OFDM系统 相干光系统以及光孤子通信系统 都应用了EDFA 并大幅度增加了传输距离 9 2掺铒光纤放大器 中继放大器 LA LineAmplifier 在光纤线路上每隔一定的距离设置一个光纤放大器 以延长干线网的传输距离 前置放大器 PA Preamplifier 置于光接收机的前面 放大非常微弱的光信号 以改善接收灵敏度 作为前置放大器 对噪声要求非常苛刻 后置放大器 BA BoosterAmplifier 置于光接收机的后面 以提高发射机功率 对后置放大器噪声要求不高 而饱和输出光功率是主要参数 9 2掺铒光纤放大器 TypicalOperatingWavelengthRegionConventionalBand Cband 1530nm 1560nmLongBand IRorLband 1575nm 1605nmOAneedoneormorepumplaser manypumpwavelengthsareavailable 980nmand1480nmmostcommonlyused Erbiumisthekeyofopticalamplificationduetoitsuniquecharacteristics EDFA ErbiumDopedFiberAmplifier AmplifiedSpontaneousEmission ASE isbroadbandnoise 9 2 1IntroductionofEDFA 9 2 1IntroductionofEDFA EnergyoftheEr 3 ion intheglassfiber E 1 0 1 54eV 1 27eV 0 80eV E 2 E 3 E 3 1550nm 1550nm In Out 980nm Non radiativedecay Pump EnergydiagramfortheEr3 ionintheglassfibermediumandlightamplificationbystimulatedemissionfromE2toE1 Dashedarrowsindicateradiationlesstransitions energyemissionbylatticevibrations 当泵浦 Pump 抽运 光的光子能量等于能级3和能级1的能量差时 铒离子吸收泵浦光从基态跃迁到激发态 1 3 但是激发态是不稳定的 Er3 很快返回到能级2 如果输入的信号光的光子能量等于能级2和能级1的能量差 则处于能级2的Er3 将跃迁到基态 2 1 产生受激辐射光 因而信号光得到放大 但是激发态是不稳定的 Er3 很快返回到能级2 如果输入的信号光的光子能量等于能级2和能级1的能量差 则处于能级2的Er3 将跃迁到基态 2 1 产生受激辐射光 因而信号光得到放大 由此可见 这种放大是由于泵浦光的能量转换为信号光的结果 9 2 1光纤放大器简介 9 2 1IntroductionofEDFA TheamorphousnatureofsilicabroadenstheenergylevelsofEr intobands EfficientEDFApumpingispossibleusingsemiconductorlasersoperatingnear0 98 and1 48 mmwavelengths Efficienciesashighas11dB mWwereachievedby1990with0 98 mmpumping MostEDFAsuse980 nmpumplasersassuchlasersarecommerciallyavailableandcanprovidemorethan100mWofpumppower Pumpingat1480nmrequireslongerfibersandhigherpowersbecauseitusesthetailoftheabsorptionband 9 2 2PumpingRequirement Inthesaturationregime thepower conversionefficiencyisgenerallybetterinthebackward pumpingconfiguration mainlybecauseoftheimportantroleplayedbytheamplifiedspontaneousemission ASE Bidirectionalpumpinghastheadvantagethatthepopulationinversion andhencethesmall signalgain isrelativelyuniformalongtheentireamplifierlength 9 2 2PumpingRequirement 9 2 2PumpingRequirement Athree levelrate equationmodelcommonlyusedforlaserscanbeadaptedforEDFAs Asimpletwo levelmodelisvalidwhenASEandexcited stateabsorptionarenegligible Thepumpandsignalpowersvaryalongtheamplifierlengthbecauseofabsorption stimulatedemission andspontaneousemission IfthecontributionofASEisneglected 9 2 3SimpleTheoryofEDFAs A35 dBgaincanberealizedatapumppowerof5mWforL 30mand1 48 mmpumpingTheoutputsaturationpowerisabout10 mW Assingle pulseenergyaretypicallymuchbelowthesaturationenergy 10mJ EDFAsrespondtotheaveragepower Gainsaturationisgovernedbytheaveragesignalpower andtheamplifiergaindoesnotvaryfrompulsetopulseevenforaWDMsignal ThetotalamplifiergainGforanEDFAoflengthL 9 2 3SimpleTheoryofEDFAs 一 光纤放大系统的传输方程信号光通过光放大系统是光强的变化 9 2 3EDFA的基础理论 考虑光纤波导对光波限制作用 信号光在光纤中的模场包络 归一化模场包络 考虑N1 N2的空间效应后 9 2 3EDFA的基础理论 定义模斑直径 利用光纤的角对称性 对信号光 对泵浦光 9 2 3EDFA的基础理论 以上均匀增益 稳态描述 没有考虑ASE 考虑ASE 单个自发辐射光子引起的噪声功率 无信号 仍有放大的自发辐射噪声 9 2 3EDFA的基础理论 根据激光物理粒子数密度方程 再考虑到ASE噪声的两种传播方向 泵浦光可以在正向 反向双向泵浦 9 2 3EDFA的基础理论 功率传播方程 将该方程进一步简化 9 2 3EDFA的基础理论 9 2 3SimpleTheoryofEDFAs Signalgain indB at1550nmasafunctionofpumppowerat980nmforatypicalerbium dopedfiber 15mlength fromnumericalintegrationofthepumpandsignalpropagationequations 9 2 3SimpleTheoryofEDFAs Optimalfiberlength inm forgainat1530nmasafunctionofpumppower forsignalinputsof 40and 15dBm fromnumericalsimulationsofanerbium dopedfiberpumpedat980nm 9 2 4GainSpectrum Thegainspectrumoferbiumionsaloneishomogeneouslybroadened ThegainspectrumofEDFAdopedwithGeisquitebroadandhasadouble peakstructure TheadditionofAltothefibercorebroadensthegainspectrumevenmore Thegainspectrumofalumino silicateglasseshasroughlyequalcontributionsfromhomogeneousandinhomogeneousbroadeningmechanisms contributingupto35nm ThegainspectrumofEDFAdependsontheamplifierlengthbecauseboththeabsorptionandemissioncrosssectionshavingdifferentspectralcharacteristics Thelocalinversionorlocalgainvariesalongthefiberlengthbecauseofpumppowervariations Thetotalgainisobtainedbyintegratingovertheamplifierlength 9 2 4GainSpectrum 9 2 4GainSpectrum 9 2 5AmplifierNoiseofEDFAs ForalumpedEDFA theimpactofASEisquantifiedthroughthenoisefigureFngivenbyFn 2nsp 3dBForthree levelpumping N1 0 sonsp N2 N2 N1 1Anoisefigureof3 2dBwasmeasuredina30 m longEDFApumpedat0 98umwith11mWofpower Itisdifficulttoachievehighgain lownoise andhighpumpingefficiencysimultaneously ThemainlimitationisimposedbytheASEtravelingbackwardtowardthepumpanddepletingthepumppower Aninternalisolatorcanreducethisproblem ThemeasuredvaluesofFnaregenerallylargerforEDFAspumpedat1 48 mm Thereasonisthatthepumplevelandtheexcitedlevelliewithinthesamebandfor1 48 mmpumping EDFA的噪声系数 其中 当G 1时 EDFA的噪声系数等于2nsp 定义 作适当的替换后变为 分母中的第三项代表泵浦不充分对噪声的贡献 在强泵浦时可以忽略不计 第九章 光信号放大在光纤中如何实现的 9 1掺铒光纤9 2掺铒光纤放大器9 3光纤放大器的结构9 4掺铒光纤放大器的实验 掺铒光纤放大器 EDFA 的主要构成部分 1 掺铒光纤 EDF 2 泵浦激光器 LD 3 波长选择耦合器 WSC或WDM 4 光滤波器和光隔离器 ISO 9 3光纤放大器的结构 掺铒光纤 EDF 和高功率泵浦光源是关键器件 把泵浦光与信号光耦合在一起的波分复用器和置于两端防止光反射的光隔离器也是不可缺少的 设计高增益掺铒光纤 EDF 是实现光纤放大器的技术关键 EDF的增益取决于Er3 的浓度 光纤长度和直径以及泵浦光功率等多种因素 通常由实验获得最佳增益 对泵浦光源的基本要求是大功率和长寿命 波长为1480 m的InGaAsP多量子阱 MQW 激光器 输出光功率高达100mW 泵浦光转换为信号光效率在6dB mW以上 9 3光纤放大器的结构 波长为980nm的泵浦光转换效率更高 达10dB mW 而且噪声较低 是未来发展的方向 对波分复用器的基本要求是 插入损耗小 熔拉双锥光纤耦合器型和干涉滤波型波分复用器最适用 光隔离器的作用是 防止光反射 保证系统稳定工作和减小噪声 对光隔离器的的基本要求是 插入损耗小 反射损耗大 9 3光纤放大器的结构 一 掺铒光纤的参数1 掺杂浓度200ppm 1000ppm2 芯径 4 m或8 m3 长度5m 20m二 泵浦激光器1 980nmLD 带有单模尾纤 2 1480nmLD 带有单模尾纤 3 800nmLD 带有单模尾纤 9 3光纤放大器的结构 三 波长选择耦合器 WSC或WPM 将泵浦光与信号光复合后一起通过EDF时实现光放大或将放大后的信号光与泵浦光分离的元件 分立型 光反射镜 光滤波器 微透镜 损耗 0 5dB光纤型 1 熔融拉锥形 光纤WDM耦合器损耗 0 1dB 成本低 偏振依赖性约0 5dB 2 干涉滤波型WDM 损耗 0 4dB 偏振依赖性和温度不敏感 成本高 9 3光纤放大器的结构 四 光隔离器和光滤波器EDFA中 有很大一部分光能量转换成ASE 而ASE功率过高会导致增益饱和和噪声子数增大 EDFA的光纤端面 熔接点以及其它光器件形成的内部不连续点将会引起光反射 如果反射系数过大 将导致ASE光的自激振荡 引起增益饱和 噪声子数增大 EDFA不能正常工作 ISO的作用将EDFA输入端的反向ASE光遏制 保证EDFA正常工作 插入损耗小于1dB 隔离度大于40dB 9 3光纤放大器的结构 当EDFA作为系统的前置方大器时 为降低ASE光对光检测过程的影响 提高信噪比 在EDFA后接一光滤波器 以减少ASE功率 当EDFA作为级联中继放大器时 为减少系统中ASE在链路中的积累和防止前级EDFA输出的ASE光功率 使后级EDFA增益饱和 在EDFA输出端加一光滤波器 9 3光纤放大器的结构 1 闪耀光纤光栅 利用闪耀光纤光栅 把光纤芯中传播的1532nm部分能量耦合到后向传播的包层模或辐射逸出光纤 2 吸收光纤 利用一段吸收谱形状和EDFA1532nm附近反转的增益谱形状相似吸收光纤的吸收特性来对EDFA进行增益平坦化 3 利用长周期光纤光栅 把光纤中传播的基模耦合到前向传播的包层膜中去 这种耦合是根据光栅周期对波长选择性的 97年PaulF Wysocki等人利用长周期级联光栅使其在1532nm处的吸收峰几乎接近放大器1532nm处反转的增益峰 使EDFA输出功率接近15dBm 在40nm带宽内 增益变化小于1dB 9 3光纤放大器的结构 9 3光纤放大器的结构 单级 9 3光纤放大器的结构 单级 9 3光纤放大器的结构 单级 AmplifierpairarchitectureofAT T 9 3光纤放大器的结构 多级 9 3光纤放大器的结构 多级 9 3光纤放大器的结构 多级 Configurationofatwo stageamplifiersetup withaninterstageisolatorandbandpassfilter 9 3光纤放大器的结构 双向 Basicamplifierconfigurationsforabidirectionaltransmissionsystemusingasinglefiberlink Inthepurebidirectionalconfiguration left thesameerbiumdopedfiberisusedforsignalstravelinginbothdirections whereasintheseparateamplifierbidirectionalconfiguration right thesignalsareseparatedbeforebeingtraversingdifferenterbium dopedfiberseachoperatinginunidirectionalconfiguration 9 3光纤放大器的结构 双向 Repeaterconfigurationforabidirectionaltransmissionsystemusingacommonerbium dopedfiberamplifierforbothupstreamanddownstreamsignals withreflectionssuppressedbyamid pointarrangementofisolatorsandbandpassfilters Experimentaldemonstrationsoferbium dopedfiberpoweramplifiers 9 3光纤放大器的结构 Experimentalpumptosignalpowerconversionefficiencies