光纤光学教学课件第十六讲

1、08.10.2020,第六章光纤无源及有源器件,08.10.2020,六、掺铒光纤放大器,1、引言,光纤放大器光通信技术的发展的必然,光通信的发展历程 扩大容量，增长距离 光纤通信的容量有多大？ 光纤中光信号能传多远？ 全光放大器给光纤通信领域带来的革命,08.10.2020,光纤通信的容量有多大,如何提高数据率 电复用 光复用 波分复用 (WDM) 光时分复用 (OTDM),08.10.2020,光纤中光信号能传多远,08.10.2020,普通单模光纤的损耗谱 窗口： 1.3m，0.4dB/km; 1.55 m, 0.25dB/km 全波光纤，1.31.5 m 如何加长传输距离 光-电-光中

2、继 相干光通信，提高接收灵敏度 直接光放大,08.10.2020,传统的光-电-光中继,对每一波长要分别处理，不适WDM系统； 由于电的参与，处理速度受到限制； 但能对信号再放大、再定时和再整形。,08.10.2020,光放大器的重要性,影响：光放大器最重要的意义在于促使波分复用技术 (WDM) 走向实用化、促进了光接入网的实用化,历史：以1989年诞生的掺铒光纤放大器 (Erbium Doped Fiber Amplifier, EDFA)代表的全光放大技术是光纤通 信技术上的一次革命,动机：解决电中继器设备复杂、维护难、成本高的问题,David Payne,08.10.2020,全光放大器

3、给光纤通信领域带来的革命,08.10.2020,08.10.2020,超长距离DWDM传输系统对OA要求,低噪声特性； 高增益和大输出功率； 平坦宽带增益特性； 动态特性 偏振相关增益特性 功耗体积,08.10.2020,放大器的类型,1.半导体激光放大器 (SOA) 结构大体上与激光二极管 (Laser Diode, LD) 相同 2.掺杂光纤放大器 (DFA) 利用稀土金属离子 (铒) 作为激活工作物质的一种放大器 3.喇曼光纤放大器 利用普通光纤的非线性效应,08.10.2020,2、掺杂光纤放大器及其放大特性,08.10.2020,光放大器的工作原理,光放大器与激光器的唯一区别就是光放

4、大器没有正反馈机制,(2) 受激辐射,(1) 能量注入,08.10.2020,掺铒光纤放大器,EDFA：ErbiumDoped Fiber Amplifier,08.10.2020,掺铒光纤放大器的发展历程,1964年报道了掺杂光纤放大器的研究； 此后的25年间，缺乏很好的有源光纤、泵浦光源； 1989年英国南安普顿大学研制出掺铒光纤放大器，在较短的光纤内（15m），使信号放大1000倍（30dB）。,08.10.2020,铒离子在硅基石英光纤中的能级分布,4I13/2是亚稳态能级，其他为激发态，电子一旦被泵浦到激发态，会很快无辐射弛豫到亚稳态。,08.10.2020,泵浦光波长的选择：,51

5、4nm、532nm：氩离子气体激光作为泵浦激光，体积庞大； 667nm：可由半导体激光器产生，但在掺铒光纤中多模传输，泵浦效率不高； 800nm：可由半导体激光器产生，但会产生激发态吸收，基态的粒子泵浦到激发态后，不是弛豫到亚稳态，而是在吸收泵浦光后，向更高的能级跃迁，消耗泵浦光功率。 980nm：铒离子相当于三能级系统完全的粒子数反转，噪声特性好，但泵浦效率不高； 1480nm：铒离子相当于二能级系统完全的粒子数反转，泵浦效率高，但噪声特性也变差。,08.10.2020,选择1480nm或980nm作为泵浦光波长,980nm泵浦 1480nm泵浦,完全粒子数反转 低的粒子数反转,噪声小、效率

6、低 量子效率高、噪声大。,08.10.2020,选择1480nm或980nm作为泵浦光波长，掺铒光纤放大器的特性对比,08.10.2020,3、掺铒光纤放大器的基本结构,08.10.2020,亚稳态,基态,激发态,基态,铒离子在外界泵浦光的作用下,外界信号光引起受激辐射,信号光放大,08.10.2020,亚稳态,NO SIGNAL PHOTON 1550 nm,基态,激发态,Spontaneous Emission Around 1550 nm,基态,铒离子在外界泵浦光的作用下,粒子数反转产生自发辐射,产生噪声,08.10.2020,亚稳态,No Pump Photon 980 or 1480

7、 nm,基态,激发态,弛豫,Attenuated Signal 1550 nm,基态,铒离子在外界信号光的作用下,引起铒离子受激吸收跃迁,信号光吸收,08.10.2020,08.10.2020,前向泵浦方式,后向泵浦方式,08.10.2020,双向泵浦方式,13,重要计算公式,速率方程 放大器增益,08.10.2020,噪声系数：,当泵浦充分 ，且G1时噪声系数达到极限 3dB.,08.10.2020,掺铒光纤放大器增益与泵浦光功率、掺铒光纤长度的关系,光放大器的增益随着泵浦光功率的增大，呈现增益饱和； 在给定的泵浦光功率下，有一最佳掺铒光纤长度，实现最大的增益。,08.10.2020,掺铒光

8、纤放大器噪声指数与光纤参数的关系,（1）泵浦程度越高，增益越大，噪声指数越小； （2）沿光纤长度方向，光功率不断变化，噪声指数也在不断变化，精确计算只能采用分段模型； （3）一般很难同时得到高增益、小噪声、高泵浦效率，背向ASE噪声会消耗泵浦光； （4）980nm泵浦11mW30m可得到3.2dB噪声指数，1480nm泵浦24mW60m得到4.2dB噪声指数；1480nm和1530nm都处于激发态，很难实现完全的粒子数反转；,08.10.2020,EDFA的主要技术参数： 工作波长范围、输入功率范围、输出功率范围、饱和输出功率、噪声系数、偏振相关增益、小信号增益、增益平坦度、增益变化、增益斜度

9、、输入光回损、输出光回损等。 对EDFA模块的其它要求： - 具有泵浦源自动关闭功能；寿命不小于30万小时；具有放大器自动增益均衡（控制）功能。,08.10.2020,(1) 掺铒光纤放大器非饱和增益与输出饱和功率,非饱和增益： 注入小信号时，放大器产生的增益，此时放大器为线性放大器。 输出饱和光功率：光放大器的增益下降3dB所对应的输出光功率。,08.10.2020,(2) 掺铒光纤放大器的增益谱,增益谱：增益与注入信号光波长之间的关系,掺铒光纤在室温下，属于均匀加宽的增益介质，其增益系数可由下式来描述：,4,000GHz,1500 1520 1540 1560 1580 1600 波长,4

10、0 30 20 10,3dB增益谱宽：小信号增益的峰值下降3dB时所对应的波长范围。,08.10.2020,拓宽增益谱宽,08.10.2020,掺铒光纤放大器的增益平坦技术,非晶态石英和铒离子的共掺杂,泵浦光波长与泵浦光功率，会引起不同的粒子数反转，形成增益系数的不同。,08.10.2020,EDFA通带增益不平坦的影响 例：3210Gbit/s传输5100km,输入谱 SNR=27-28dB,P=0.5dB,输出谱 SNR=20-22.5dB, P=8dB,导致信号功率和SNR漂移： 由非线性效应引起的信号漂移：严重影响功率极限,08.10.2020,掺铒光纤放大器增益平坦技术,采用宽带滤波器：长周期光纤光栅 共掺杂技术：铝或氟化物的掺铒光纤 采用不同光波长混合泵浦技术 采用增益锁定技术,08.10.2020,长周期光纤光栅增益平坦,08.10.2020,高含铝掺铒光纤(Al-EDF),08.10.2020,EDFA光放大器增益锁定技术,08.10.2020,4、掺铒光纤放大器的应用,合 波 器,分