摻鉺光纖放大器.ppt

1、摻鉺光纖放大器,主要內(nèi)容：,摻鉺光纖放大器（EDFA）概述 光放大原理概述 摻鉺光纖放大器的工作特性 摻鉺光纖放大器中的關(guān)鍵技術(shù),摻鉺光纖放大器概述,光放大器的類型,半導(dǎo)體光放大器（SOA） 稀土摻雜光纖放大器（摻鉺 EDFA、摻鐠 PDFA、摻銩 TDFA） 基于光纖非線性效應(yīng)的光纖放大器（FRA、參量放大器等）,半導(dǎo)體光放大器 （SOA） 摻鉺光纖光放大器 （EDFA） 摻鐠光纖光放大器 （PDFA） 受激拉曼光放大器 (SRA),光放大器的類型,光放大器的類型,波分復(fù)用系統(tǒng)中的光電中繼,寬帶寬的光放大器可以對(duì)多信道信號(hào)同時(shí)放大，而不需要進(jìn)行解復(fù)用，光放大器的問(wèn)世推動(dòng)了DWDM技術(shù)的快速發(fā)

2、展。,采用光放大器的中繼方法,Optical Amplifiers,EDFA給光纖通信領(lǐng)域帶來(lái)革命,摻鉺光纖放大器（EDFA：Erbium-Doped Fiber Amplifier）采用摻鉺離子單模光纖為增益介質(zhì)，在泵浦光作用下產(chǎn)生粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，在信號(hào)光誘導(dǎo)下實(shí)現(xiàn)受激輻射的放大。 20世紀(jì)80年代末期，波長(zhǎng)為1.55m的EDFA研制成功并投入實(shí)用，把光纖通信技術(shù)水平推向一個(gè)新高度，成為光纖通信發(fā)展史上一個(gè)重要的里程碑。EDFA解決了系統(tǒng)容量提高的最大的限制光損耗，使長(zhǎng)距離傳輸成為可能。,1989年誕生的摻鉺光纖放大器代表的全光放大技術(shù)，是光纖通信技術(shù)上的一次革命，它不僅解決了電中繼器設(shè)備復(fù)雜、

3、維護(hù)難、成本高的問(wèn)題，更重要的意義在于促使波分復(fù)用技術(shù) (WDM) 走向?qū)嵱没?，促進(jìn)了光接入網(wǎng)的實(shí)用化。,David Payne,EDFA給光纖通信領(lǐng)域帶來(lái)革命,(2) 受激輻射,(1) 能量注入,光放大器原理,光與物質(zhì)的作用,任何粒子的輻射光和吸收光的過(guò)程都是原子能級(jí)之間的躍遷過(guò)程 光與物質(zhì)的相互作用有三種不同的基本過(guò)程： 自發(fā)輻射 受激吸收 受激輻射 這三種過(guò)程總是同時(shí)存在，緊密聯(lián)系。,自發(fā)輻射,自發(fā)輻射：高能級(jí)的原子自發(fā)地從高能級(jí)E2向低能級(jí)E1躍遷，同時(shí)放出能量為 的光子。,自發(fā)輻射,處于高能級(jí)的粒子都是自發(fā)地、獨(dú)立的進(jìn)行躍遷； 輻射光子的頻率不同,自發(fā)輻射的頻率范圍很寬； 發(fā)射方向和

4、相位也不同； 非相干光發(fā)射：不同頻率、相位、偏振方向。,自發(fā)輻射的特點(diǎn),自發(fā)輻射躍遷速率與自發(fā)輻射系數(shù),對(duì)于大量原子統(tǒng)計(jì)平均來(lái)說(shuō)，從E2經(jīng)自發(fā)輻射躍遷到E1具有一定的躍遷速率： 式中n2為某時(shí)刻高能級(jí)E2上的原子數(shù)密度，dn2表示在dt時(shí)間間隔內(nèi)由E2自發(fā)躍遷到E1的原子數(shù)，“”表示E2能級(jí)的粒子數(shù)密度減少。 A21稱為愛(ài)因斯坦自發(fā)輻射系數(shù)，簡(jiǎn)稱自發(fā)輻射系數(shù)，它是粒子能級(jí)系統(tǒng)的特征參量。,物理意義是：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)，發(fā)生自發(fā)輻射的粒子數(shù)密度占處于E2能級(jí)總粒子數(shù)密度的百分比。,解該方程得： 式中n20為t=0時(shí)處于能級(jí)E2的原子數(shù)密度。 t時(shí)刻的單位時(shí)間內(nèi)躍遷的粒子在高能級(jí)（E2）上已經(jīng)停留的時(shí)間

5、總和，即壽命的和為： 所有在高能級(jí)（E2）上的粒子全部躍遷后，它們已經(jīng)在高能級(jí)上停留的時(shí)間總和按照粒子總數(shù)平均得到平均壽命為：,自發(fā)輻射時(shí)E2能級(jí)上粒子的平均壽命, 越大，表明原子在E2上逗留時(shí)間越長(zhǎng)，激發(fā)態(tài) 很小， 無(wú)窮大時(shí)，稱E2為穩(wěn)態(tài)； 較長(zhǎng)的能態(tài)稱為亞穩(wěn)態(tài)。,能級(jí)上粒子的平均壽命,受激吸收,受激吸收：處于低能級(jí)E1的原子受到外來(lái)光子（能量 ）的刺激作用，完全吸收光子的能量而躍遷到高能級(jí)E2的過(guò)程： 特點(diǎn)：處于低能級(jí)E1的原子受到外來(lái)光子的刺激作用，完全吸收光子的能量而躍遷到高能級(jí)E2的過(guò)程。,光的受激吸收過(guò)程,受激吸收躍遷速率與受激吸收系數(shù),從E1經(jīng)受激吸收躍遷到E2具有一定的躍遷速率

6、則有： 式中的 為外來(lái)光的光場(chǎng)單色能量密度，即受激吸收躍遷速率與外來(lái)光的光場(chǎng)單色能量密度成正比 其他參數(shù)意義同自發(fā)輻射：n1為某時(shí)刻E1上的原子數(shù)密度（即單位體積中的原子數(shù)），dn2表示在dt時(shí)間間隔內(nèi)由E1受激吸收躍遷到E2的原子數(shù)，“”被去除表示E2能級(jí)的粒子數(shù)密度增加。 B12稱為愛(ài)因斯坦受激吸收系數(shù)，簡(jiǎn)稱受激吸收系數(shù)。,受激吸收幾率,受激吸收（躍遷）幾率W12定義為 ，則有： 受激吸收的躍遷幾率的物理意義為：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)，在外來(lái)單色能量密度為 的光照下，E1能級(jí)上因?yàn)槭芗の哲S遷到E2能級(jí)上的粒子數(shù)密度占處于E1能級(jí)總粒子數(shù)密度的百分比。,受激輻射,受激輻射：當(dāng)受到外來(lái)的能量 的光照射時(shí)

7、，高能級(jí)E2上的原子受到外來(lái)光的激勵(lì)作用向低能級(jí)E1躍遷，同時(shí)發(fā)射一個(gè)與外來(lái)光子完全相同的光子。 光的受激輻射過(guò)程：,圖（1-9）光的受激輻射過(guò)程,受激輻射的特點(diǎn),外來(lái)激勵(lì)光子能量為兩能級(jí)能量差 時(shí)，才能發(fā)生受激輻射； 受激輻射的光子與外來(lái)光子的特性完全相同， 即：頻率、位相、偏振和傳播方向完全一樣，因此受激輻射與外來(lái)輻射是相干的，換句話說(shuō)外來(lái)輻射被 “放大” 了； 光的受激輻射過(guò)程是產(chǎn)生光放大與激光的基本過(guò)程（受激輻射的光子與外來(lái)光子的特性完全相同可以在量子電動(dòng)力學(xué)中得到證明）,受激輻射躍遷速率與受激輻射系數(shù),從E2經(jīng)受激輻射躍遷到E1具有一定的躍遷速率則有 式中的 為外來(lái)光的光場(chǎng)單色能量密

8、度，即受激輻射躍遷速率與外來(lái)光的光場(chǎng)單色能量密度成正比。 其他參數(shù)意義同自發(fā)輻射：n2為某時(shí)刻高能級(jí)E2上的原子數(shù)密度（即單位體積中的原子數(shù)），dn2表示在dt時(shí)間間隔內(nèi)由E2受激輻射躍遷到E1的原子數(shù)，“”表示E2能級(jí)的粒子數(shù)密度減少。 B21稱為愛(ài)因斯坦受激輻射系數(shù)，簡(jiǎn)稱受激輻射系數(shù)。,受激輻射幾率,受激輻射（躍遷）幾率W21定義為 ，則有： 受激輻射的躍遷幾率的物理意義為：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)，在外來(lái)單色能量密度為 的光照下，E2能級(jí)上發(fā)生受激輻射的粒子數(shù)密度占處于E2能級(jí)總粒子數(shù)密度的百分比 注意：自發(fā)輻射躍遷幾率就是自發(fā)輻射系數(shù)本身，而受激輻射的躍遷幾率決定于受激輻射系數(shù)與外來(lái)光單色能量密度的

9、乘積。,三種過(guò)程之間的關(guān)系,某原子自發(fā)輻射產(chǎn)生的光子對(duì)于其他原子來(lái)講是外來(lái)光子，會(huì)引起受激輻射與受激吸收，因此三個(gè)過(guò)程在大量原子組成的系統(tǒng)中是同時(shí)發(fā)生的，并相互聯(lián)系。 一般地，在熱平衡條件下，受激輻射所占比率很小，主要是自發(fā)輻射。,三能級(jí)、四能級(jí)系統(tǒng),Amplified Spontaneous Emission,ASE是一種由自發(fā)輻射誘發(fā)的受激輻射占主導(dǎo)的過(guò)程，沒(méi)有正反饋的光振蕩(無(wú)諧振腔), 屬相干輻射。其特性介于激光與熒光之間的過(guò)渡狀態(tài)。ASE與激光相比，具有非準(zhǔn)單色及譜線寬的特點(diǎn)。 在光放大器中，ASE與輸入光信號(hào)同時(shí)爭(zhēng)奪上能級(jí)粒子，屬于一種噪聲源，足夠強(qiáng)度的ASE造成增益飽和，導(dǎo)致增益

10、下降。,放大的自發(fā)輻射(ASE),摻鉺光纖在980nm、1480nm有吸收峰。 在15251565nm為較寬的發(fā)射峰。 可同時(shí)放大多個(gè)波長(zhǎng)即信道，在WDM系統(tǒng)中，可作為放大器使用。,摻鉺光纖的吸收譜和發(fā)射譜,EDFA工作原理,通過(guò)受激輻射實(shí)現(xiàn)光放大，光放大必要條件： 粒子數(shù)反轉(zhuǎn)， 即N2N1 實(shí)際上能級(jí)分裂成能帶，有較寬的吸收和發(fā)射帶。,摻鉺光纖放大器的基本結(jié)構(gòu),半導(dǎo)體泵浦二極管：為信號(hào)放大提供能量，使鉺離子達(dá)到粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。 波分復(fù)用耦合器：將信號(hào)光和泵浦光合路進(jìn)入摻鉺光纖中。 摻鉺光纖：當(dāng)一定的泵浦光注入到摻鉺光纖中時(shí)，Er3+從低能級(jí)被激發(fā)到高能級(jí)，由于在高能級(jí)上的壽命很短，很快躍遷到亞穩(wěn)

11、態(tài)能級(jí)，并在亞穩(wěn)態(tài)與基態(tài)能級(jí)間形成粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布。在入射光誘導(dǎo)形成受激輻射，對(duì)信號(hào)光進(jìn)行放大。 光隔離器：使光單向傳輸，避免發(fā)射光影響，保證穩(wěn)定工作。,EDFA的三種泵浦方式,同向泵浦(前向泵浦) 好的噪聲性能,反向泵浦(后向泵浦) 輸出信號(hào)功率高,雙向泵浦型：輸出信號(hào)功率比單泵浦源高3dB，且放大特性與信號(hào)傳輸方向無(wú)關(guān),摻鉺光纖放大器結(jié)構(gòu)圖,雙向泵浦的摻鉺光纖放大器,信號(hào)放大,摻鉺光纖放大器的工作特性,增益及增益譜特性 飽和輸出/輸入功率 噪聲系數(shù)及噪聲譜特性 增益帶寬,光放大器的增益,增益G是描述光放大器對(duì)信號(hào)放大能力的參數(shù)。定義為：,輸出信號(hào)光功率,輸入信號(hào)光功率,影響增益的因素： 泵浦

12、光功率 摻鉺光纖的長(zhǎng)度及Er3+的摻雜濃度 輸入光功率等,增益與輸入光功率的關(guān)系,小信號(hào)增益與飽和輸出功率,輸入光功率較小時(shí)，隨輸入信號(hào)光功率的增大，增益G基本維持不變，這種增益稱為光放大器的小信號(hào)增益G0 。,飽和輸出功率Pout,sat ：放大器增益降至小信號(hào)增益一半時(shí)的輸出功率。,當(dāng)輸入光功率繼續(xù)增大，受激輻射加快，粒子反轉(zhuǎn)數(shù)減小，增益G隨輸入功率的增加而減小，出現(xiàn)增益飽和現(xiàn)象。,深度飽和區(qū),信號(hào)在放大過(guò)程中不可避免地疊加了各種噪聲，從而導(dǎo)致信噪比(SNR signal-to-noise ratio)的惡化。衡量EDFA噪聲特性的參數(shù)為噪聲系數(shù)NF（noise figure）：,噪聲系數(shù)

13、 NF（noise figure）, NF=3dB噪聲系數(shù)的量子極限（nsp=1時(shí)）,增益、噪聲指數(shù)和輸出光功率與輸入光功率的關(guān)系曲線（例）,增益帶寬,增益譜G()：增益G與信號(hào)光波長(zhǎng)的關(guān)系。,增益帶寬： 信號(hào)增益在最高增益下降3dB增益差之內(nèi)的信號(hào)波長(zhǎng)范圍。,對(duì)于給定的放大器長(zhǎng)度（EDF長(zhǎng)度），增益隨泵浦功率在開(kāi)始時(shí)按指數(shù)增加，當(dāng)泵浦功率超過(guò)一定值時(shí)，增益增加變緩，并趨于一恒定值。,小信號(hào)增益與泵浦功率的關(guān)系曲線,當(dāng)泵浦功率一定時(shí)，放大器在某一最佳長(zhǎng)度時(shí)獲得最大增益，如果放大器長(zhǎng)度超過(guò)此值，由于泵浦的消耗，最佳點(diǎn)后的摻鉺光纖不能受到足夠泵浦，而且要吸收已放大的信號(hào)能量，導(dǎo)致增益很快下降。,因

14、此，在EDFA設(shè)計(jì)中，需要在摻鉺光纖結(jié)構(gòu)參數(shù)的基礎(chǔ)上，選擇合適的泵浦功率和光纖長(zhǎng)度，使放大器工作于最佳狀態(tài)。,小信號(hào)增益與摻鉺光纖長(zhǎng)度的關(guān)系曲線,摻鉺光纖放大器中的關(guān)鍵技術(shù),EDFA增益平坦技術(shù) EDFA動(dòng)態(tài)增益控制和均衡技術(shù) EDFA超寬帶放大技術(shù),增益G與輸入光波長(zhǎng)的關(guān)系,增益譜G()：增益G與信號(hào)光波長(zhǎng)的關(guān)系。EDFA的增益譜不平坦。,增益曲線不平坦，會(huì)造成不同信道放大的差別較大,EDFA增益平坦技術(shù),濾波型：,在EDFA中內(nèi)插無(wú)源濾波器將1530nm的增益峰降低，或?qū)ｉT(mén)設(shè)計(jì)其透射譜與摻鉺光纖增益譜相反的光濾波器將增益譜削平。,采用新型寬譜帶摻雜光纖，如摻鉺氟化物光纖或高鋁含量的鉺/鋁共

15、摻光纖、鉺/鋁磷共摻光纖等。其優(yōu)點(diǎn)是無(wú)需制作和引入附加元件，但工藝復(fù)雜。,本征型：,EDFA增益平坦技術(shù),EDFA的增益鎖定技術(shù),WDM+摻鉺光纖放大器 實(shí)現(xiàn)高速、大容量和長(zhǎng)距離光纖通信的主要手段之一。,在多點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)的WDM傳輸系統(tǒng)中，通常需要上下載信號(hào)，這樣隨時(shí)可能導(dǎo)致各通道的光功率瞬態(tài)波動(dòng)等問(wèn)題。解決方法是在EDFA中引入自動(dòng)增益控制和均衡功能。 電路自動(dòng)增益控制 全光自動(dòng)增益控制,EDFA的增益平坦及增益鎖定,EDFA寬帶放大技術(shù),級(jí)聯(lián)型或并聯(lián)：,C波段級(jí)聯(lián)或并聯(lián)L波段EDFA，達(dá)到寬帶增益的目的。 （ASE二次泵浦；1550nm輔助泵浦）,采用鉍基摻雜光纖取代硅基摻鉺光纖，可實(shí)現(xiàn)C+L

16、波段寬帶放大。,本征型：,C波段 C+L 波段,工作波段正好落在光纖通信最佳窗口；且與傳輸光纖的耦合損耗小，可小至0.1dB 增益高（3040dB），飽和輸出光功率大（1020 dBm) 噪聲指數(shù)小（47dB) 頻帶寬（15251565nm)，可進(jìn)行多信道傳輸，有利于提高傳輸容量 增益與信號(hào)偏振態(tài)無(wú)關(guān)，穩(wěn)定性好,摻鉺光纖放大器的優(yōu)點(diǎn),WDM+光纖放大器 充分利用光纖帶寬，提高單纖容量的最有效方法。,EDFA在通信系統(tǒng)中的應(yīng)用,線路放大器（LA：Line Amplifier）補(bǔ)償光纖線路損耗，延長(zhǎng)干線傳輸距離。 前置放大器（PA：Preamplifier) 置于光接收機(jī)前，放大微弱的光信號(hào)，以改善接收靈敏度。作為前置放大器，工作在小信號(hào)增益狀態(tài)，噪聲系數(shù)小。 功率放大器（BA：Booster Amplifier) 置于光發(fā)射機(jī)后，提高發(fā)射機(jī)功率。作為功率放大器，工作在增益飽和狀態(tài)，飽和輸出功率是主要參數(shù)，對(duì)噪聲系數(shù)要求不高。,摻鉺光纖放大器,實(shí)驗(yàn)室應(yīng)用？,簡(jiǎn)化的EDFA理論模型Gile