华为EDFA原理及特性

1、华为edfa原理及特性资料编码产品名称使用对象产品版本编写部门资料版本edfa原理及特性专题拟 制：日 期：审 核：日 期：审 核：日 期：批 准：日 期：华 为 技 术 有 限 公 司版权所有 侵权必究修 订 记 录日 期修订版本作 者描 述42005-3-14华为机密，未经许可不得扩散第4页, 共31页目录1掺铒光纤放大器的结构模型72掺铒光纤放大器的原理及特性9掺铒光纤的光谱结构9掺铒光纤放大器的数学模型9掺铒光纤放大器的特性分析13泵浦特性13增益特性14噪声特性16edfa的温度特性12 13173掺铒光纤放大器增益锁定18自动增益控制edfa(agcedfa)的结构与原理（数学模型

2、）19agcedfa特性的模拟计算与分析21讨论及改进方法30关键词：edfa 放大器 泵谱 增益 增益控制摘 要：本资料详细介绍了edfa的原理及特性。缩略语清单：无。参考资料清单无。edfa原理及特性专题本章将简要讨论掺铒光纤放大器的结构、原理、及特性。我们首先由简化二能级速率方程建立edfa的理论模型，然后讨论了edfa的泵浦特性、增益特性、噪声特性和温度特性。1 掺铒光纤放大器的结构模型这一节介绍掺铒光纤放大器的结构及其主要的组成部分。edfa的基本结构如所示：fig configurion of erbium-doped fiber amplifier(forward pumped)

3、1、掺铒光纤(edf)edf是放大器的主体，纤芯中掺有铒元素（er），er属稀土锎系元素，er逸出两个6s和一个4f电子而显示为+3价,其电子组态和惰性气体xe相同：1s22s22p63s23p63d104s24p64d105s25p6。掺有er3+的石英光纤具有激光增益特性，铒光纤的光谱性质主要由铒离子和光纤基质决定，铒离子起主导作用，掺er3+浓度及在纤芯中的分布等对edfa的特性有很大影响。基质的影响有二：其一是导致斯塔克分裂使能级出现亚结构；其二是能级展宽，展宽的机理有基质电场扰动展宽和声子展宽，基质扰动展宽属于非均匀加宽，声子展宽属于均匀加宽。为使每个铒离子受到的泵浦速率最大，同时所

4、需的泵浦功率最小，泵浦功率及铒离子必须尽可能的限制在最小的模截面内，铒光纤应具有高的数值孔径na，小芯径且只有纤芯掺杂，通常将光纤设计为双层结构，如所示7。此外阶跃折射率光纤有较大的相对折射率差，便于缩小泵浦光的模场直径，提高泵浦光功率密度，降低泵浦阈值，达到高泵浦效率。为保证泵浦光与信号光的单模传输，光纤的截止波长应适当。在edf中掺入适量的铝元素，使铒离子在edf中分布更均匀，从而获得平坦的宽带增益谱。2. 光耦合器(wdm)光耦合器有合波信号光与泵浦光的作用，也称光合波器和波分复用器。是edfa必不可少的组成部分，它将绝大多数的信号光与泵浦光合路于edf中。主要有两种形式：980nm/1

5、550nm或1480nm/1550nm，一般为光纤熔锥型。要求在上述波长附近插入损耗都小，耦合效率高，耦合频带具有一定的宽度且耦合效率平坦，对偏振不敏感。3. 光隔离器(iso)光隔离器是一种单向光传输器件，对edfa工作稳定性至关重要。通常光反射会干扰器件的正常输出，产生诸如强度涨落、频率漂移和噪声增加等不利影响。提高edfa稳定性的最有效的方法是进行光隔离。在输入端加光隔离器消除因放大的自发辐射反向传播可能引起的干扰，输出端保护器件免受来自下段可能的逆向反射。同时输入和输出端插入光隔离器也为了防止连接点上反射引起激光振荡，抑制光路中的反射光返回光源侧，从而既保护了光源又使系统工作稳定。要求

6、隔离度在40db以上，插入损耗低，与偏振无关。4. 光滤波器(optical filter)光滤波器消除被放大的自发辐射光以降低放大器的噪声，提高系统的信噪比（snr）。一般多采用多层介质膜型带通滤波器，要求通带窄，在1nm以下。目前应用的光滤波器的带宽为13nm。此外，滤波器的中心波长应与信号光波长一致，并且插入损耗要小。5. 泵浦源(pumping supply)泵浦源为信号放大提供能量，即实现粒子数反转分布。根据掺铒光纤(edf)的吸收光谱特性，可以采用不同波长的激光器作为泵源，如：ar2+激光器（514nm）、倍频yag（532 nm）、染料激光器（665nm）及半导体激光器（807n

7、m、980nm、1480nm）。但由于在807 nm及小于807 nm波长处存在强烈的激发态吸收（esa），泵浦效率较低。若用665nm、514nm的染料和ar+激光器泵浦得到25db以上的增益，需要的入纤泵浦功率大于100mw，且ar+激光器体积大难以实用化。目前980 nm和1480 nm的ld已商品化，所以一般采用980nm 和1480nm的半导体激光器作泵源。（在下一节中将详细讨论）。2 掺铒光纤放大器的原理及特性2.1 掺铒光纤的光谱结构铒离子的电子能级图如所示，同时给出铒离子的主要吸收和发射能级。虽然这些吸收峰所对应的波长都可以作为edf的泵浦波长，但在波长514 nm、665 n

8、m和807 nm处存在很强的激发态吸收(esa)，即在泵浦光的作用下，激发态粒子跃迁到更高（第四）的能态。在多光子作用下，粒子由第四能级快速驰豫到激发态，虽然esa并不造成激发态粒子数的减少，但引起对泵浦光的吸收，严重地浪费了泵浦光，泵浦效率降低。波长为980 nm和1480 nm时，不存在激发态吸收，泵浦效率较高。因4i15/2是铒离子的基态能级，同时又是激光下能级，所以掺铒光纤属于三能级系统。在掺铒光纤中，铒离子能级受到周围电场的影响，能级产生斯塔克分裂，导致能级展宽，由于非均匀加宽很复杂，而均匀加宽又与实验符合的很好，因此认为常温下掺铒光纤是以均匀加宽为主的增益介质23。2.2 掺铒光纤

9、放大器的数学模型掺铒光纤能级简图如所示。e1激光基态能级，e2为亚稳态能级，e3为泵浦能级，s32为e3到e2的非辐射跃迁几率，a21为荧光寿命，wp为泵浦速率。一般1480nm(1) 吸收：(2) 发射：激发态 基态 波长 energy level diagram of er ion ion和980nm作为泵浦波长，可简化为二能级系统。由和知，1480nm的泵浦能级e3与激光上能级e2属同一能带，本身为二能级系统；对于980nm，由于铒离子上能级寿命很长（10 ms），通常s32>>a21，e3上的粒子数近似为零，因此可用二能级系统描述。 我们采用速率方程来描述上下能级间粒子的受

10、激吸收、受激辐射及自发辐射，并采用光传输方程来描述edf中光强分布。考虑带宽为，中心波长为的n束光在edf中传播，其中包括泵浦光及信号光()。设第k束光的光强为，则第k束光沿传播方向(光纤轴向)z的光功率为23：（1-1）二能级系统的速率方程为： k=1,2,3.n（1-2）（1-3）式中、和分别为铒离子掺杂浓度、下能级和上能级的粒子数密度；和分别为铒离子的受激吸收与受激发射截面；t为铒离子的荧光寿命；为第k束光的归一化光强度，定义为：（1-4）edf中光传输方程为：（1-5）式中表示第k束光的传输方向，沿z正向；反之。是由上能级粒子数引起的自发辐射对的贡献；m为模式数，因单模光纤只允许传输模

11、，允许有两个正交化偏振方向，所以m一般取2。定义光纤吸收及发射系数分别为：（1-6）（1-7）设铒离子在edf中均匀分布，则上两式简化为：（1-8）（1-9）式中为铒离子与光模之间的重叠积分因子：（1-10）当edfa用于放大连续或调制频率大于10khz以上的调制信号时，系统满足稳态条件：，下面求解方程(1-2)、(1-5)的稳态解，建立起edfa的数学模型。对方程(1-2)在掺杂区截面上积分，并除以edf有效截面积，因铒离子均匀分布，edf有效截面积等于edf纤芯截面积a，则方程(1-2)化为：（1-11）忽略自发辐射的影响，结合式(1-6)、(1-7)与(1-10)，则方程(1-5)化为：

12、（1-12）将(1-12)代入(1-11)并利用稳态条件可得上能级粒子数为： ¼（1-13）将(1-13)代入(1-12)得：（1-14）其中为固有饱和光功率： （1-15）对上式两边在edf长度l上积分得：（1-16）该式就是稳态条件下edfa光传输方程的解，即edfa的数学模型。式中与分别为第k束光的输出、输入光功率。为便于求解，采用光子流代替光功率，光子流与光功率的关系代入此式得： （1-17）其中，。将式(1-17)进一步化为：（1-18）该式是关于总光子流输出的隐函数方程，它只是输入光子流，固有饱和光功率及edf长度l的函数，首先由(1-18)式解出，然后代入(1-17)式

13、便可解出第k束光的输出光功率，从而计算出edfa的各种特性曲线。信号光增益表示edfa的放大能力，定义为：（1-19）2.3 掺铒光纤放大器的特性分析下面通过对edfa数学模型进行计算机模拟求解，分析edfa的各种特性。2.3.1 泵浦特性是不同泵浦波长时，edfa增益及增益系数与泵浦光功率的关系。增益系数又名泵浦效率，定义为放大器的增益与泵浦光功率之比；反映了泵浦光功率的转换能力。由图知，在相同的信号和泵浦光功率输入时，不同的泵浦波(泵浦带)长对应不同的增益及增益系数，980nm增益和泵浦效率最高，其次是1480nm，而807nm泵浦效率最低。因此980 nm和1480 nm是理想泵浦波长。

14、实验证明，980nm作为泵浦波长，具有更小的噪声指数（3db)和更高的泵浦效率（611db/mw）。而1480nm泵浦可获得更高的输出功率。是不同泵浦功率时，信号增益与光纤长度的关系。由图看出，对应一定的泵浦功率，edf有一最大增益长度，此长度处泵浦光能量低于泵浦阈值，反转粒子数为零，如再增加长度，信号光能量将被铒离子吸收，导致增益下降。随泵浦功率提高，增益增大，最大增益长度向后移。这是因泵浦功率增大使得粒子能在更长的光纤范围内形成反转；如果edf较短，对泵浦光吸收较少，粒子反转数也少，信号光得不到足够的增益。虽然最大增益长度随泵浦功率增大而增长，但两者不存在线性关系。2.3.2 增益特性增益

15、的大小表示放大器的放大能力，它与edf的掺铒浓度，掺杂半径，光纤长度，泵浦波长及功率，信号波长及功率等因素有关。edfa的波长带宽是指最小小信号增益与最大小信号增益之差小于3db的波长间隔，波长带宽主要取决于纤芯中添加剂的选择。是相同泵浦光功率下，不同信号波长与增益的关系。由图看出edfa光谱范围宽，增益谱对波长具有依赖性，在1531nm处存在一增益峰，在1550 nm为中心的波段增益较平坦，经过合理设计edfa的参数，3db带宽可达35nm（1530nm1565nm）。给出了泵浦功率相同而信号输入功率不同时，光纤长度与信号增益的关系。由图看出，小信号增益大，而大信号增益小，这是因大信号使ed

16、fa增益饱和。随着信号增大，光纤最佳长度变小，因大信号对泵浦光消耗大，所以最佳长度减小。相同掺杂半径及泵浦功率下，掺杂浓度越大，edf最佳增益长度越短，掺杂浓度较低时，掺铒浓度与最大增益长度成反比，如所示。如果铒离子浓度过大，将发生浓度消光现象7。相同掺杂浓度及泵浦功率下，掺杂半径越大，增益越小，edf的最佳增益长度越短，并且最大增益越小，如所示，这是由于泵浦光在光纤截面的分布是不均匀的，正如第一节所述，纤芯中心处最大，向芯子边缘逐渐减小，泵浦光能量随半径增大而小于泵浦阈值时，泵浦光不能使铒离子的反转分布，浪费了泵浦光，因此减小掺杂半径使得泵浦光在整个掺杂区域内都大于阈值，有利于提高泵浦效率。

17、饱和输出功率是表征edfa饱和特性的一个重要参数，定义为增益相对于小信号g降低3db时的输出信号功率。一般来讲，饱和输出功率越大越好。理想的光放大器，信号总是被线性放大。实际的光放大器输入功率小，增益大，输入光功率大，增益反而减小，这是因edfa的增益饱和。如所示，输出较小时，edfa工作于线性放大区；随输入增大edfa进入饱和区工作区，增益迅速下降，输出基本不随输入变化。泵浦光功率越高，饱和输出功率越大，但泵浦光增大到一定程度，edfa也会饱和，此时下能级粒子数完全反转，继续增加泵浦功率对粒子反转数贡献不大。如fig,所示，未饱和时泵浦光与信号光输出成正比，饱和后信号光输出基本不随泵浦光而变

18、。 2.3.3 噪声特性光放大器的噪声用噪声指数nf衡量，nf值越大，噪声越大。噪声指数定义为： （1-20）式中snrin和snrout分别是光放大器的输入和输出信噪比。对于光纤放大器，nf永远大于1，即光纤放大器不能提高光信号的信噪比。为便于计算，将(1-20)式改写为34： （1-21）其中，为滤波器带宽，为自发辐射噪声功率，由下式决定： （1-22）式中为光纤在波长处的基底损耗。对于edfa，放大的自发辐射是噪声的主要来源。噪声有四种7：(1) 信号光散粒噪声；(2) ase散粒噪声；(3)ase光谱与信号光差拍噪声；(4)ase光谱间的差拍噪声。(1)、(2)两种噪声在增益极高的情况

19、下可忽略；(3)是决定放大器性能的重要因素。(4)频谱很宽，可用窄带滤波器消除绝大部分。nf与泵浦光功率和edf长度有关，泵浦功率增加，反转粒子数增加，nf降低；当泵浦光使edfa饱和，粒子反转数达到最大值，nf趋于一定值。如所示，泵浦波长为1480nm，在强泵浦条件下，高增益的edfa可达到接近4db的噪声指数。并且edf越长，nf越大。泵浦波长980nm强泵浦条件下，粒子数反转可接近完全反转，nf接近于3db的量子极限。1480nm的nf稍大，是因为1480nm属于带内泵浦，其发射截面不为零，粒子数难以接近完全反转。2.3.4 edfa的温度特性12 13要使edfa实用化，在恶劣环境下都

20、能可靠地工作，必须考虑edfa的温度特性。1、掺铒光纤(edf)的荧光谱吸收谱及荧光寿命与温度的关系由于环境温度的改变，掺铒光纤的荧光谱、吸收谱及荧光寿命将发生变化，如和所示，谱线与温度的关系：(1) 随着温度的降低，吸收谱线向短波方向移动，吸收系数增加，而长波长处吸收系数显著减小。(2) 随着温度的降低，在mm处短波长荧光曲线“尾巴”逐渐消失，mm处荧光峰值增加，而mm处荧光峰值却减小。由荧光谱知，随着温度的下降，带宽减小，但不是很显著，一般认为在-40+70内，温度对带宽无影响12，这一结论对edfa在波分复用系统中的应用有重要的意义。 absorption spectrum of edf

21、12 fluorescence sprctrum of edf12温度引起吸收谱和荧光谱的变化，必然导致edfa增益特性的变化。研究表明，从+85-20，在1480nm处泵浦，增益温度系数达，即增益在此温度变化范围内有7db的变化；而对于980nm泵浦，增益温度系数为，即增益在此温度变化范围内只有的变化，这是优先选用98nm作泵浦源的一个重要原因。一般认为在0+50范围内，edfa可稳定工作。2、掺铒光纤放大器高温实验(72小时)和高低温循环实验(48小时)、分别是掺铒光纤放大器高温实验(72h)和高低温循环实验(48h)的温度曲线。实验表明，当致冷器电流随温度升降平稳地变化，激光器管壳温度控

22、制在，激光器驱动电流控制在设定数值的%，激光器出光功率可控制到%的稳定度，只要光隔离器(iso)和波分复用器(wdm)能在0+50范围内稳定工作，就可保证edfa在0+50范围内稳定工作，且输出光功率变化小于。实验证明26，经滤波器均衡后，edfa不论工作于小信号或饱和状态，除饱和时信号增益稍有压缩外，两种情况的增益谱轮廓基本相同，说明两种情况都得到较好的均衡，这对wdm是非常必要的。3 掺铒光纤放大器增益锁定edfa应用于波分复用光纤通信网（wdm networks），不同的信道可能沿不同的路径传播，不同节点处信道的随机插分（added or drop），这些变化引起网络的重构，使网络中ed

23、fa的信道数发生变化，edfa信号输入功率将缓慢变化，饱和edfa的增益随信号光功率上升而下降，因此，edfa随输入信号功率变化而工作在不同的饱和深度，稳态增益和输出功率随之而变。如在含不同格式信号的混合wdm传输系统中，较低输入功率的数字信号与大功率的视频信号可能在不同的信道上共线传播，一旦视频信号中断，数字信道就会从深度饱和状态跳变到小信号状态，由于edfa的增益瞬态饱和效应，引起信道间交叉饱和串扰，使信号失真。再者随着edfa工作环境温度的变化及泵浦源的老化效应，ld的输出功率发生变化，也能引起edfa增益变化。增益波动在edfa级联放大应用中表现更加突出。因此稳定edfa的增益是wdm

24、+edfa走向工程化的重要技术。目前采用的解决方案主要有两种，（1）动态增益控制，即利用光电反馈环实现增益控制。该方案包括两种方法，一是适当地对edfa输出进行取样并反馈17，相应调整作用于泵浦源ld上的偏置电流，使edfa的输入在很大范围内变化时维持增益或输出功率恒定；二是用一补偿信号实现光电反馈14。即改变通过放大器的饱和补偿量（补偿信号波长与信号波长不同）的功率电平，以控制放大器的增益。方案一不但需要许多附加器件，结构复杂，而且有较大的电延迟。（2）自动增益控制18-20，即包含同时进行放大的激射的全光自动增益控制。可采用简单的无源光学元件如光纤光栅形成直线形激光器，或用光纤反馈环形成环

25、行激光器，并利用edf的均匀加宽机制，在edfa中特定波长上建立稳定的激射，有效地控制增益的变化，激光器的激射完成上述饱和补偿信号的同样功能，但空腔中的激光条件使通量电平自动进行调整。方案二结构简单，易于实现。下面系统讨论环形激光器法构成的自动增益控制edfa的原理及性能。3.1 自动增益控制edfa(agcedfa)的结构与原理（数学模型） agcedfa的结构如所示，c1、c2、c3为耦合器，c2的耦合比k从01连续可调，用于调节edfa输出，改变环行腔的损耗。可调谐光纤滤波器的带宽为1nm，选择用于环路激射的放大自发辐射（ase）波长，位于滤波器前后的光隔离器iso2、iso3可防止由于

26、fc接头等反射可能造成的非选择性自激振荡，因edfa中ase是双向传输的，所以光隔离器也决定了激光振荡的方向与信号光、泵浦光的传输方向一致，这样设置保证了增益光纤的输入端保持较高的粒子数反转水平，使环路很快达到阈值并建立起稳定激射，保证放大器的低噪声运行。光隔离器iso1与iso4阻止逆向反射，同时iso1可保护信号源。edfa的输出经c2耦合出一部分，由光纤滤波器选出ase的其中一个波长后，经光纤反馈回edfa输入端，形成一个环形激光器，满足一定激射条件时，可在被选波长上建立起稳定的激光谐振。常温下edf是均匀加宽为主的增益介质23 ，edfa 的粒子数反转程度受谐振光的牵制，若泵浦功率不变

27、，粒子数反转程度将处于某一稳定状态，决定了整个edfa增益带宽内所有光波长的增益。通过调节耦合器c2的k或在环路插入衰减器改变环行腔的损耗，使edfa工作在不同的反馈深度（不同的工作点）。k越大（损耗越小），被耦合到环路中的ase功率越大，环路谐振越强。在波分复用网络系统中，信道随机插分，复用波长数目变化，即edfa输入功率变化，只要环形腔的稳定激射不被破坏，所有信道复用波长的增益保持不变。下面建立agcedfa的数学模型。设系统有n个复用波长，在稳态条件下，忽略ase引起的增益饱和，当泵浦光在1480nm波段时，根据式(1-16)并利用，为信号光或泵浦光频率，则(1-16)式简化为15： （

28、2-7）式中、分别为第k个信道或泵浦光输入、输出光功率，、分别为第k个信道的吸收系数和饱和光功率。设表示被选ase波长，b为环形腔损耗中从b到a)，包括耦合器损耗、输出损耗和衰减器损耗等。该波长存在如下关系： （2-8）当edfa在该波长上的增益时，形成环形激光谐振，将(2-8)式代入(2-7)式得： （2-9）则信号增益为： （2-10）式中、分别为谐振波长的固有饱和光功率及吸收系数。除b外都为常数，即所有信道的增益只是b的函数，与信号光输入无关，增益恒定与否完全取决于所选谐振波长lf以及环形腔在该波长上的损耗b的稳定性，对于不同的谐振波长lf，环形腔有不同的损耗b，决定了不同的edfa增益

29、g；对于给定谐振波长lf，通过调节耦合器输出或在反馈回路中插入衰减器可改变损耗b，也可得到不同的增益g。很显然不论谐振波长lf和损耗b如何选取，b对g的控制作用是以环形腔形成稳定激射为前提的，并且对于给定的损耗b，存在一个最大信号输入功率，一旦超过此值，稳定激射熄灭，恒定增益不能获得。3.2 agcedfa特性的模拟计算与分析下面根据式(2-7)、(2-8)、(2-9)、(2-10)及噪声指数(1-21)、噪声功率(1-22)式计算与分析不同谐振波长和不同损耗时agcedfa的各种特性。(2-10)式中不包含信号光输入，因此直接根据此式求解不能反应出在不同b下信号光增益随信号输入的变化关系。由

30、式(2-7)知，给出所有信道的初始信号光功率，要解出第k个，必须先求出其它k-1个，为求解式(2-7)将它变为： （2-11）其中，。先由(2-11)式解出，然后代入(2-7)可根据初始信号解出任何一个信道的，这是无反馈的情况。闭环时，假设某信道k=f，即开环时解出的其中一个，由式(2-8)解得，将其作为反馈到输入端的初始激射信号与输入信号光一起代入(2-11)式，解得后由(2-9)式解得各信道在闭环时的，这样根据(2-10)式便得到信号增益g。由(1-21)可得噪声指数nf。table absorption and emission cross-sections of different w

31、avelengthwavelength (nm)1480153715451550sa (10-25m2)se (10-25m2)计算所用信号光波长为ls=，泵浦光功率为50mw，泵浦波长1480nm，edf最佳长度，其它参数如table 所示。1不同谐振波长及损耗下增益、噪声指数与输入信号功率的关系是edfa开环中d点断开)增益和噪声指数，输入信号较小时，在一个很小的范围内，增益和噪声指数基本不随输入信号变化而变化，但随输入信号的增加，edfa很快饱和(3db饱和输入功率为-42dbm)，增益迅速减小，噪声指数迅速增大。是将滤波器调谐在1537nm形成闭环，在该波长损耗b分别为20db和25d

32、b时，agcedfa增益和噪声指数随输入信号光变化的曲线。为对开环与闭环进行比较，图中保留了开环特性曲线，上面三条是增益曲线，下面三条为噪声指数曲线。由图看到，在增益受控范围内，g和nf曲线平坦，g的变化小于，即g、nf与输入信号无关。与开环相比，3db饱和输入功率有很大提高，但edfa的小信号增益有较大的压缩，因为一旦形成激光谐振，谐振光占有绝对优势，消耗了绝大多数粒子数，激光功率使edfa的增益谱在整个辐射谱范围内达到饱和而降低，各波长增益下降的大小取决于激射的阈值条件，即激射波长下的增益等于环行腔损耗，这一点将在下面的分析中得到证明。谐振光功率随输入信号功率的增加而减小，以补偿edfa输

33、入的变化，使edfa保持在一定的饱和深度。当信号光功率增大到破坏激光振荡，b对g失去控制作用，输入信号立即饱和edfa，信号光增益迅速下降，此时的agcedfa与开环时的edfa特性完全相同，因此，闭环曲线的后半段与开环时曲线重合。不同损耗b决定不同的增益g，并且b对g的控制范围也不同，b越小，g越小，可控范围越大，这与(2-10)式相符，这是由于激光振荡建立，谐振光使edfa处于深度饱和状态，当环路损耗b增大，反馈回edfa输入端的谐振光减弱，edfa饱和程度减弱，edfa增益提高，所以信号光增益压缩程度减小即增益增大，同时，信号光输入有较大的增加后，反馈光进一步减弱以至不能形成激光振荡，可

34、控范围减小。edfa在开环情况下，反转粒子数的竞争发生在信号光与ase之间，小信号输入时，增益较大，且保持了高粒子反转水平，nf较小；随信号光增加，消耗大量的反转粒子数，使edfa饱和，增益g下降，nf增大。闭环时，在增益受控范围内，信号放大过程伴随着放大过程和激射过程之间的反转粒子数竞争，结果粒子数反转程度受谐振光控制而保持不变，激射波长外ase谱不随信号光的变化而变化，pase与g恒定，但信号光增益有较大的压缩，由(1-21)式可知，nf在小信号时比开环的稍大且保持恒定。和是将滤波器分别调谐在lf=1545nm及lf=1556nm时agcedfa的特性曲线，各曲线的基本趋势与相同，但在相同

35、的损耗b下，谐振波长不同，信号光的增益压缩不同，受控范围也不同，所选谐振波长越长，信号光增益压缩将越大，同时可控范围越大，如、所示，当b=20db时，可控范围逐渐增大，最大输入信号功率分别为-23dbm、-16dbm、-7dbm。因在edfa增益带宽内，对同样的b，随着谐振波长增加，与该波长对应的铒离子受激辐射截面减小(如或所示)，要克服相同的损耗建立稳定激射，需消耗更多的粒子数，因而g压缩较大；由(2-10)式分析可得同样结果，随谐振波长变长，edfa对该波长的吸收系数逐渐减小，其固有饱和功率逐渐增大，信号光增益逐渐减小，如所示；根据上面分析，谐振波长越长，信号光增益压缩越大，使edfa饱和

36、的信号光输入功率增大，可控范围增大。另外我们看到，在三种谐振波长上，增益受控期间nf基本相同，这是因为谐振光使edfa深度饱和，ase谱受到谐振光控制的缘故。、和是理论计算曲线，没有考虑耦合器c2对信号光的衰减，因此开环与闭环曲线后半段重合，实际上，两者因损耗存在不会重合，闭环较开环稍小，并且闭环损耗b不同，曲线也不重合，b越小，曲线越下移。是edfa在闭环时信号光、谐振光增益及谐振光损耗随输入信号光功率的变化关系，此图描述了整个激射的建立过程。在稳定激射形成前，谐振光增益大于损耗，当稳定激射形成后，谐振光增益等于损耗，随着信号光增大，谐振光的增益减小，当g<b时，激光振荡不能维持，这和

37、激光形成过程相符。图中在稳定激射形成前后，信号光与谐振光有相同程度的压缩，说明er3+均匀加宽。2信号光、谐振光及agcedfa的输出功率随信号光输入的变化关系给出了agcedfa谐振光、信号光输出功率随输入信号光功率的变化关系。由图可知，稳定激射建立后，信号光输入增大或减小时，反馈光信号自动减小或增大以补偿edfa输入的变化，这样维持信号增益恒定，图中信号光输入与输出呈线性关系充分说明这一点。在增益受控范围内，谐振光功率远大于信号光输入，信号光对谐振光的影响就好比在谐振光上加上一个微扰信号。只要损耗b不变且总输入信号功率不超过破坏谐振阈值功率，edfa增益恒定，否则信号光迅速饱和edfa，信

38、号输出将基本不随输入变化。给出了谐振光与信号在edfa总输出中所占的比例关系。增益受控时，谐振光在agcedfa总输出中占90%以上，远远大于信号光所占比例，并且谐振光波长越长所占比例越大，我们认为这是在谐振光波长上形成稳定激射的必要条件。给出了edfa在开环和闭环情况下总输出随信号光输入的变化关系。edfa开环时，总输出随输入信号增加而增加；增益受控时，edfa的总输出不随信号光而变，当信号光增大到破坏激射时，输出与普通edfa相同，因此图中曲线后半段重合。 3多波长信号输入时增益与信号光输入功率的变化关系是两个不同波长信号光输入开环和闭环edfa的情况。目的在于模拟wdm系统中一个信道的开

39、关对其它信道增益的影响（开关频率小于1khz时），所用信号波长为ls1=1550nm和ls2=1556nm，反馈光信号波长为lf=1545nm，b=20db。图中最上边的三条曲线是开环情况，第一条只有ls1输入，其初始输入功率为-60dbm；第二、第三条为ls1与ls2同时输入，但ls2的功率不同，分别为-30dbm和-20 dbm且保持不变，这两条曲线都有一段平坦即ls1增益不变的部分，但ls2变化，ls1的增益也随之变化，并且ls2越大，ls1增益压缩越大。这是由于信道间的交叉饱和效应引起信道间的串扰，即某信道增益饱和不仅与其自身功率有关，而且受相邻信道输入功率影响。图中ls2使本信道增益

40、饱和，同时也使相邻信道ls1增益饱和，即edfa工作在ls2决定的饱和状态，或ls2决定了edfa的饱和增益谱，ls2功率不同，edfa饱和程度不同，将决定不同的饱和增益谱，因此当某一较强信道使edfa工作于一定饱和深度，只要该信道输入功率不变，其它信道小信号增益不变，而该信道功率变化使edfa从一种饱和态跳变到另一饱和态或引起小信号信道之间的增益竞争，导致信道间的交叉饱和串扰；闭环时，谐振光决定了edfa增益谱，只要ls2输入后不致破坏激射，ls2输入变化与否不影响ls1的增益；图中最下边的两条曲线是闭环时，没有ls2输入和ls2= -30dbm时ls1的增益，这两条曲线在平坦部分重合说明只

41、要稳定激射存在，信道间的交叉饱和串扰可消除。 4在相同的损耗b下，不同初始信号输入对环路谐振建立的影响在实际wdm系统应用中，某一信道的插分是随机的，如果按照一部分信道打开(edfa的输入较小)，设置edfa闭环参数，就有可能不满足更多的信道打开的情况，即初始信号输入功率不同，b的选择是不同的。因此，我们应在所有信道全部打开时，即edfa输入信号功率最大时，调节环路损耗b使环路刚好能形成稳定激光振荡，这样在任何信道开关都不至于破坏谐振，同时能获得较大的增益和最大的增益控制范围。给出了不同初始信号输入，谐振波长和损耗b分别为1545nm和20db时环路激射的建立情况。图中三条曲线从左到右分别对应

42、输入功率为-60dbm、-35dbm和-25dbm，第三条曲线说明在相同损耗下，由于信号输入较大，环路激射已不能建立，因此输出与普通edfa相同，此时，必须适当减小b，才能建立起稳定的环路激射。5泵浦光功率变化对信号光增益的影响在上面的讨论中，我们假定泵浦功率不变，但实际应用中，由于环境温度的影响或ld自身的老化效应，泵浦功率将发生波动，因而影响edfa的增益。是不同泵浦功率(pp)对开环和闭环edfa增益的影响情况，图中最上面的两条曲线分别对应开环时pp=50mw，48mw，可看出pp不同信号光的增益不同。下面五条曲线是edfa闭环，pp=60 mw、51 mw、50mw、48mw、45mw

43、时信号的增益，这些曲线在平坦部分重合，说明相同的b下，形成稳定激射时，铒离子反转程度受激射光控制。由于所用edf长度为pp =50mw时的最佳长度，pp =50mw已使edf中的铒离子全部反转，加大泵浦功率(pp>50mw)对粒子反转数几乎没有贡献，只能造成泵浦光浪费；当pp稍小于50mw且b较小时，仍然能提供足够的增益建立稳定激射，图中b=20db，pp有5mw的衰减仍能形成稳定激射。因此在一定的损耗b下，泵浦功率在一定范围变化，只要能形成稳定激射，edfa粒子数反转程度将相同（被牵制在由b和g决定的阈值水平），信号光增益恒定。当然对于一定的b和信号光输入，要形成稳定激射，泵浦功率有一

44、下限ppmin，如前面所述，在信道全部打开即输入信号最强时调节b使环路建立激射，一般b不会太大，泵浦功率有<=2mw的变化将不影响agcedfa的增益，这一特性在实际应用中很有意义，并将为edfa远程监控方案之一：泵浦源调制法提供极为有利条件。图中pp减小使得增益可控范围减小，这是由于泵浦功率减小，粒子反转数减少的缘故。 6开环与闭环edfa对低频调制信号放大特性比较给出了输入信号低频调制时，开环与闭环edfa的输入与输出信号的波形变化。输入信号(ls=1550nm)调制频率为55hz，图中的曲线1、2、3分别为输入信号、闭环输出信号、开环输出信号。edfa开环输出信号脉冲存在尖峰，因为

45、当输入信号幅度为“0”时，edf中信号光强度很弱，形成上能级粒子反转数的积累，当输入信号幅度由“0”变“1”时，edf中信号光强度突然增加使上能级粒子反转数急剧下降而增益饱和，形成尖峰脉冲。这是由于edfa增益瞬态饱和效应，瞬态增益从饱和状态恢复时间大约为1ms52，低速调制信号一个脉冲周期内足以使edfa瞬态增益恢复，所以出现尖峰。对于高速调制信号，变化周期远远小于瞬态增益恢复时间，所以信号由“0”到“1”变化时，edfa增益“反应”不过来，因此edfa对高速信号放大不会失真。闭环时输出与输入信号波形基本相同，说明edfa增益恒定，信号被线性放大。同时edfa开环增益比闭环增益大，因闭环时信

46、号增益有较大程度的压缩。是两个信号输入开环与闭环edfa的波形。其中ls1=1550nm，ls2=1556nm，并且ls1是低频调制信号(55hz)，ls2没有调制的连续信号，功率恒定，图中曲线1和2分别是edfa开环与闭环时信号ls2的输出波形，由图知，开环时信号ls2的增益随信号ls1的变化而变化，信道间存在交叉饱和串扰；而闭环时信号ls2的增益不随信号ls1变化，说明闭环时交叉串扰被消除。在开环时，某一信道的输出功率随其它信道的插分而变，且变化幅度较大，而闭环时某信道的输出功率将不随其它信道而变，这是理想情况，即只考虑edf均匀加宽的情况，但实际应用中，由于非均匀加宽的存在，增益瞬态效应

47、引起的交叉调制仍然存在，但与开环相比要小的多，实验表明所选谐振波长lf越接近于信号波长，越有利于抑制增益变化。当然有效的抑制这一效应是以牺牲信号增益为代价的，因必须降低环路的损耗b，这使的环路激射更强消耗更多的粒子数，信号增益压缩更大。3.3 讨论及改进方法1结论采用环形激光器法实现对edfa的增益自动控制，只要环路损耗不变，输入信号不超过谐振破坏阈值，增益、噪声指数和输出功率与信号光输入无关，对增益的控制是以牺牲信号增益为代价的。信号输入超过谐振阈值后，激射熄灭，其特性与普通edfa相同。不同的谐振波长对应不同的环路损耗b，决定不同的增益和受控范围，对于一定的谐振波长，可调节耦合器输出或插入

48、衰减器获得不同损耗，得到不同增益，但噪声指数基本相同。实际应用时，可根据具体情况选择合适的谐振波长及环路损耗。闭环edfa增益的稳定性取决与谐振波长lf与环行腔损耗b的稳定性，谐振波长的漂移将引起增益g的变化，这要求所用滤波器带宽要窄，随温度漂移要小；同时其他器件(如wdm)随温度变化也必须小，要尽量稳定可靠，这样才能使一定的谐振波长lf对应一定的环行腔损耗b，保证增益恒定。自动增益控制的edfa扩展了edfa增益的恒定范围，容许有更大的信号输入而增益不变，基本消除了尖峰脉冲和信道串扰，并且泵浦光功率变化小于2mw时，信号光增益不受影响。该方法结构简单，易于实现，由于全部采用光学元件，抗电磁干

49、扰能力强，工作稳定，g的变化小于，误码率小于10-919。2改进方法在上面的分析中，我们看到，闭环使得edfa噪声特性恶化，主要由于edfa信号输入端耦合器的加入，增加了信号的损耗，并且由于增益锁定的edfa伴随强激光的产生而消耗大量的反转粒子数，致使锁定的增益水平低，粒子反转数处于阈值水平，反转程度较低，自发辐射系数较大，因此噪声特性恶化。由激射光引起信号的增益压缩，从而导致的内部噪声恶化可忽略。适当降低环路其他元器件的插入损耗可改善闭环edfa的噪声特性。对于长距离传输和网络系统应用的中继放大器，应有高的增益、饱和输出功率及低的噪声，而由上面所述，edfa的增益及噪声特性取决于泵浦掺铒光纤中粒子数反转程度，对于使用单段增益锁定且动态范围较大的edfa，因其始终工作于低反转的深度饱和状态，很难同时获得高增益、大功率和低噪声特性，必须设法实现高增益、高功率和低噪声条件下平坦增益谱的锁定。采用两级放大结构的edfa来提高增益锁定edfa的放大