掺铒光纤放大器及其应用

1、 June 30, 2021 1 Erbium Doped Fiber Amplifier (EDFA) and Its Applications for WDM Optical Networks Jessica Zhao MFG.Dept. AOC China June 30, 2021 2 什么是光放大器？什么是光放大器？ 光放大器光放大器 (G) 弱光弱光 Pin 强光强光 Pout ASEASE 泵浦源泵浦源 June 30, 2021 3 什么是什么是EDFA（掺铒光纤放大器）？（掺铒光纤放大器）？ June 30, 2021 4 通信窗口和铒离子通信窗口和铒离子 自然界给光通信的礼

2、物自然界给光通信的礼物:铒离子的增益谱与光纤铒离子的增益谱与光纤 传输最低损耗窗口重合。传输最低损耗窗口重合。 Gain Absorption June 30, 2021 5 主要内容主要内容 EDFA的基本理论基础的基本理论基础 EDFA基本结构基本结构 EDFA的特性参数的特性参数 EDFA的理论模型的理论模型 EDFA扩展扩展 EDFA设计软件设计软件Optiwave的应用的应用 June 30, 2021 6 I. 掺铒光纤放大器理论基础掺铒光纤放大器理论基础 June 30, 2021 7 光为什么会放大？光为什么会放大？ 电子轨道电子轨道 电子能级电子能级 跃迁跃迁 辐射跃迁（发光

3、）辐射跃迁（发光） 非辐射跃迁（不发光）非辐射跃迁（不发光） 受激吸收（光泵浦）受激吸收（光泵浦） 受激辐射（光放大）受激辐射（光放大） 自发辐射（产生噪声）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上能级的粒子数比下能级的多 June 30, 2021 8 三种能级跃迁方式三种能级跃迁方式 E1 E2 受激吸收后 受激吸收 E1 E2 hv 自发辐射 E1 E2 E2 受激发射 hv E1 E2 受激发射后 hv hv 自发辐射后 E1 E2 hv June 30, 2021 9 粒子数反转粒子数反转 基态基态 激发态激发态 外来激发光子（泵浦光）外来

4、激发光子（泵浦光） 高能级高能级低能级低能级 June 30, 2021 10 泵浦光 980 nm 跃迁跃迁 亚稳态亚稳态 信号光信号光 1550 nm 受激放大光受激放大光 1550 nm 基态基态基态基态 激发态激发态 EDF原理原理 June 30, 2021 11 简化的能级跃迁简化的能级跃迁 N2 N3 N1 E12 hv泵浦 E23 E31 受激辐射受激辐射 hv信号 N2 N3 N1 E12 hv泵浦 E23 E34 受激辐射受激辐射 hv信号N4 E41 三能级系统三能级系统四能级系统四能级系统 June 30, 2021 12 铒纤吸收谱铒纤吸收谱 June 30, 202

5、1 13 铒离子能级示意图铒离子能级示意图 泵浦波长可以是泵浦波长可以是514、679、800、980、1480nm 波长短于波长短于980nm的泵浦效率低，因而通常采用的泵浦效率低，因而通常采用980和和1480nm泵浦泵浦。 June 30, 2021 14 三能级系统三能级系统 v.s. 二能级系统二能级系统 980 nm 1480 nm 1530-1560 nm 1 s =11 ms 4I15/2 4I13/2 4I11/2 非辐射跃迁非辐射跃迁 0 1 2 3 4 5 14501500155016001650 Wavelength (nm) Emission/Absorption (

6、dB/m) Emission Absorption 1480 nm 1530-1560 nm 980 nm 泵浦泵浦: 三能级系统能够很好的表述三能级系统能够很好的表述; 简化为二能级模型能够更贴近现实。简化为二能级模型能够更贴近现实。 1480 nm 泵浦泵浦: 二能级二能级 系统比较精确系统比较精确 June 30, 2021 15 . EDFA 的基本结构的基本结构 June 30, 2021 16 EDFA的基本结构的基本结构 EDFA 主要由掺铒光纤主要由掺铒光纤(EDF)、泵浦光源、耦合器、光隔离器及光滤波泵浦光源、耦合器、光隔离器及光滤波 器组成，结构如图所示。器组成，结构如图所

7、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 June 30, 2021 17 三种泵浦方式的三种泵浦方式的EDFA LD2 WDM2 EDF APC APCin out LD1 WDM1 LD WDM EDF APC APC in out LD WDM EDF APC APC in out 同向泵浦同向泵浦( (前向泵浦前向泵浦) )型：型： 好的噪声性能好的噪声性能 反向泵浦反向泵浦( (后向泵浦后向泵浦) )型：型： 输出信号功率高输出信号功率高 双向泵浦型：输出信号双向泵浦型：输出信号 功率比单泵浦源高功率比单泵浦源高3dB3dB

8、， 且放大特性与信号传输且放大特性与信号传输 方向无关方向无关 June 30, 2021 18 多级泵浦多级泵浦 NFtotal = NF1+NF2/G1 NF 1st/2nd stage = Pin - SNRo dB - 10 Log (hc2 / 3) Er3+ Doped Fiber PumpPump Input SignalOutput Signal Optical Isolator 第一级同向泵浦第一级同向泵浦: : 得到低的噪声指数得到低的噪声指数 第二级反向泵浦第二级反向泵浦: : 得到高的输出功率得到高的输出功率 June 30, 2021 19 发射器接收器 在线放大器在

9、线放大器 EDFAEDFA 光纤光纤 发射器接收器 功率放大器功率放大器 EDFA 光纤 发射器接收器 前置放大器前置放大器 EDFA 光纤 In line amplifier 中继放大器（中继放大器（LALA）：）：在光纤线在光纤线 路中每隔一段距离设置一个光路中每隔一段距离设置一个光 纤放大器，以延长干线网的传纤放大器，以延长干线网的传 输距离。输距离。 Pre-amplifier 前置放大器（前置放大器（PAPA）：）：放在光接放在光接 收机之前，放大微弱的光信号收机之前，放大微弱的光信号 ，以改善光接收灵敏度，对噪，以改善光接收灵敏度，对噪 声要求苛刻。声要求苛刻。 Booster a

10、mplifier 后置放大器（后置放大器（BABA）：）：放在光发放在光发 射机后，以提高发射光功率，射机后，以提高发射光功率， 对其噪声要求不高，饱和输出对其噪声要求不高，饱和输出 功率是主要参数。功率是主要参数。 掺铒光纤放大器的三种应用方式掺铒光纤放大器的三种应用方式 June 30, 2021 20 泵浦功率和光纤长度对增益的影响泵浦功率和光纤长度对增益的影响 增益 dB 泵浦功率 mW 40 20 0 510 L=5m L=20m 增益 dB 铒纤长度 m 40 20 0 2550 2mW 4mW June 30, 2021 21 EDFA 输出功率输出功率 vs. 增益增益 11

11、12 13 14 15 16 272931333537394143 EDFA Gain dB EDFA output Power dBm June 30, 2021 22 . EDFA的特性参数的特性参数 June 30, 2021 23 增益 dB 50 60 40 30 20 10 1020304050607080 90100 泵浦功率 mW 20 40 50 铒纤长度 m ins outs P P dBG , , 10 log10)( 增益增益 G（dB） 输出信号功率与输入信号功率的比值输出信号功率与输入信号功率的比值 June 30, 2021 24 噪声系数 dB 7 8 6 5

12、4 3 1020304050607080 90100 泵浦功率 mW Dugo wkna m 2 30 60 75 out in SNR SNR dBNF 10 log10)( 噪声系数噪声系数NF（dB） 输入信噪比与输出信噪比的比值输入信噪比与输出信噪比的比值 June 30, 2021 25 输出功率（输出功率（mW 或或 dBm）饱和输出功率，最大输出功率饱和输出功率，最大输出功率 增益带宽（增益带宽（nm）工作带宽，平坦增益带宽工作带宽，平坦增益带宽 Gain (dB) 154015601580 10 1520 20 40 30 -5 dBm -20 dBm -10 dBm P In

13、put: -30 dBm June 30, 2021 26 增益平坦增益平坦 增益系数增益系数 增益饱和增益饱和 增益 dB 泵浦功率 mW 40 20 0 510 L=5m L=20m June 30, 2021 27 . EDFA理论模型理论模型-Giles模型模型 June 30, 2021 28 Simplified EDFA Model: Giles模型模型 两能级系统两能级系统 均匀展宽均匀展宽 ASE ASE 噪声可忽略噪声可忽略 忽略激发态吸收忽略激发态吸收 沿光纤功率变化速度慢沿光纤功率变化速度慢 铒离子限制得好铒离子限制得好 假定假定 单极单极 EDFA June 30,

14、2021 29 二能级系统速率方程：二能级系统速率方程： zrn zrn h iP zrn h iP dt dn k k ekkk k k akkk , , 2 21 2 传输方程：传输方程： zPrdrdzrnriu kkakk , 1 2 0 0 kkkkekk k mhzPrdrdzrnriu dz dP , 2 2 0 0 其中：铒离子浓度：其中：铒离子浓度： 规一化光强：规一化光强： 跃迁速率：跃迁速率： zrnzrnzrnt, 21 zPzrIri kkk /, AhPW papppump / 掺铒光纤放大器的基本理论模型掺铒光纤放大器的基本理论模型(1) June 30, 202

15、1 30 掺铒光纤放大器的基本理论模型掺铒光纤放大器的基本理论模型(2)(2) rdrdzrnri tkakk , 2 0 0 rdrdzrnrig tkekk ,* 2 0 0 2 2 0 0 , eff i i b rdrdzrn zn i ik ik n rdrdzrnri z 2 0 0 , , 引入光纤吸收系数和发射系数：引入光纤吸收系数和发射系数： 定义：粒子数沿截面平均定义：粒子数沿截面平均 交迭积分交迭积分 June 30, 2021 31 掺铒光纤放大器的基本理论模型掺铒光纤放大器的基本理论模型(3)(3) 2212*n h ngzP h nzP dt nd k k kk k

16、 k kk zPlumh n n guzP n n gu dz dP kkkkkk t kkk t kkk k 22 * k k kkk k k kk t h gzP h zP n n * 1 2 / 2 t eff nb 速率方程和传输方程变为：速率方程和传输方程变为： 在稳态情况下：在稳态情况下：其中，定义饱和参数其中，定义饱和参数 kkk sat k hgP/* 和饱和光强的关系：和饱和光强的关系： June 30, 2021 32 掺铒光纤放大器的基本理论模型掺铒光纤放大器的基本理论模型(4)(4) L tt dz n n n n gG 0 12 *exp 增益增益： 增益的大小和谱分

17、布由粒子数反转水平及掺铒光纤长度决定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 out in SNR SNR NF 10 log10 ase ase ase asesp Gh P Gh Ghn 10 10 log10 12 log10 噪声系数噪声系数： 当泵浦充分当泵浦充分 ，且，且G1时，时，1 sp n噪声系数达到极限噪声系数达到极限 3dB.3dB. June 30, 2021 33 . EDFA扩展扩展 June 30, 2021 34 EDFA的主要优点有：的主要优点有： 工作波长正好落在光纤通信最佳波段工作波长正好落在光纤通信最佳波段(15001600 nm)； 其主体

18、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。 掺铒光纤放大器掺铒光纤放大器 June 30, 2021 35 EDFA也有固有的缺点：也有固有的缺点： (1) 波长固定，只能放大波长固定，只能放大1.55m左右的光波，换用左右的光波，换用 不同基质的光

19、纤时，铒离子能级也只能发生很小的变不同基质的光纤时，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；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，在增益带宽不平坦，在WDM系统中需要采用特殊系统中需要采用特殊 的手段来进行增益谱补偿。的手段来进行增益谱补偿。 June 30, 2021 36 Er Doped Fiber Amplifier，EDFA 在在 EDFA的应用中，需要解决两个问题。的应用中，需要解决两个问题。 增益的平坦化增益的平坦化，增益平坦是指放大器的增益谱要平坦，对需，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

20、增益。要放大的所有信道提供相同的增益。 增益的自动控制增益的自动控制，当光纤中信道数由于故障等原因突然减少，当光纤中信道数由于故障等原因突然减少 时，光放大器的增益会突然增加，形成时，光放大器的增益会突然增加，形成“浪涌浪涌”，使信号强，使信号强 度突然提高，接收机码元判决时会出现错误。度突然提高，接收机码元判决时会出现错误。 June 30, 2021 37 1.1. 滤波器均衡：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 坦坦, , 如：如：薄膜滤波、紫外写入长周期光纤光栅、周期调制的薄膜滤波、紫外写入长周期光纤光栅、周期

21、调制的 双芯光纤等。双芯光纤等。 只能实现静态增益谱的平坦，在信道功率突变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。时增益谱仍会发生变化。 June 30, 2021 38 June 30, 2021 39 June 30, 2021 40 June 30, 2021 41 增益钳制技术增益钳制技术(1)(1) 电控：电控：监测监测EDFA的输入光功率，根据其大小调整泵浦功率，从而实现的输入光功率，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。增益钳制，是目前最为成熟的方法。 泵浦控制均衡放大器（电控）泵浦控制均衡放大器（电控） June 30, 20

22、21 42 增益钳制技术增益钳制技术(2)(2) 在系统中附加一波长信道，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，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。而实现增益钳制。 June 30, 2021 43 WDMWDM系统要求系统要求EDFAEDFA具有足够高的输出功率，以保证各信道具有足够高的输出功率，以保证各信道 获得足够的光功率。获得足够的光功率。 方法：多级泵浦方法：多级泵浦 EDFA的大功率化的大功率化(1) June 30, 2021 44 EDFA的大功率化的大功率化(2) 用于制作大功率用于制作大功率EDFAEDFA的的 双包层光纤结构

23、图双包层光纤结构图 芯层：芯层：5 5 m m 内包层：内包层： 5050 m m 芯层芯层( (掺铒掺铒) )，传播信号层，传播信号层(SM)(SM) 内包层，传播泵浦光内包层，传播泵浦光(MM)(MM) 双包层光纤是实现双包层光纤是实现EDFAEDFA的重要技术，的重要技术， 信号光在中心的纤芯里以单模传播，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。而泵浦光则在内包层中以多模传输。 June 30, 2021 45 EDFA的宽带化的宽带化 June 30, 2021 46 EDFA 超宽带超宽带 0 10 20 30 1525155015751600 5 10 1

24、5 Noise 6.5 dB Output Power 24.5 dBm L-Band C-Band Total 3dB Bandwidth = 84.3 nm 43.5 nm40.8 nm Wavelength (nm) Gain (dB) Noise Figure (dB) Ultra-Wideband EDFA Alastair Glass Photonics Research June 30, 2021 47 长波段（长波段（L-band）掺铒光纤放大器掺铒光纤放大器 L L波段的造价甚高的原因波段的造价甚高的原因：低反转水平，需长掺铒光纤，低反转水平，需长掺铒光纤， 强泵浦，此波段其

25、它光器件价格较高。强泵浦，此波段其它光器件价格较高。 June 30, 2021 48 高性能掺铒光纤放大器高性能掺铒光纤放大器 问题的提出单段放大器的限制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（射（ASE）; ASE消耗上能级粒子数，降低泵浦效率，影响增益；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；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能很好地改善放因此，单纯的增加泵浦功率或增加掺铒光纤长度不能很好地改善放 大器的性能大器的性能 June

26、 30, 2021 49 高性能掺铒光纤放大器高性能掺铒光纤放大器 提高放大器性能的技术关键提高放大器性能的技术关键 基本思路：结构变化，抑制基本思路：结构变化，抑制ASE; 基本技术：两段级连，内插隔离器基本技术：两段级连，内插隔离器; 技术特点技术特点 可针对不同要求进行优化；可针对不同要求进行优化； 增益、噪声和功率特性同时升级；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；高增益下实现近量子噪声极限； June 30, 2021 50 VII. EDFA设计软件设计软件Optiwave的应用的应用 OptiSystem 7.0和和OptiAmplifier 4.0 Jun

27、e 30, 2021 51 OptiSystem 7.0 铒纤参数设置图 June 30, 2021 52 OptiSystem 7.0 OptiSystem运行界面 June 30, 2021 53 OptiSystem 7.0 June 30, 2021 54 OptiSystem 7.0 噪声与波长关系图 June 30, 2021 55 OptiAmplifier 4.0 June 30, 2021 56 双向泵浦EDFA设计实例 OptiAmplifier 4.0 June 30, 2021 57 参数参数值值单位单位 数值孔径数值孔径0.21- 截止波长截止波长960nm 离子浓度

28、离子浓度1.6e25iyon/m3 半径半径1.75m 背景损耗背景损耗8dB/km 1310 nm 吸收损耗吸收损耗 10.46dB/m 980 nm 7.28dB/m 1480 nm 17.70dB/m 1530 nm 发射损耗发射损耗 2.01dB/m 1480 nm 16.59dB/m 1530 nm Metro12 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 June 30, 2021 58 仿真结果 泵浦功率为230mW时，双向泵浦L-EDFA增益