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1、2023/8/31,第六章光纤无源及有源器件,2023/8/31,六、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,2023/8/31,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),2023/8/31,光纤中光信号能传多远,2023/8/31,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-光中继相干光通信，提高接收灵敏度直接光放大,2
2、023/8/31,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。,2023/8/31,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,2023/8/31,全光放大器给光纤通信领域带来的革命,2023/8/31,2023/8/31
3、,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,2023/8/31,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,2023/8/31,2、掺杂光纤放大器及其放大特性,2023/8/31,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大器没有正反馈机制,(2)受激辐射,(1)能量注入,2023/8/31,掺铒光纤放大器,EDFA：Erbi
4、umDoped Fiber Amplifier,2023/8/31,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）。,2023/8/31,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。,2023/8/31,泵浦光波长的选择：,514nm、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
5、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。,2023/8/31,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、效率低量子效率高、噪声大。,2023/8/31,选择1480nm或980nm作为泵浦光波长，掺铒光纤放大器的特性对比,2023/8/31,3
6、、掺铒光纤放大器的基本结构,2023/8/31,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,2023/8/31,亚稳态,NO SIGNAL PHOTON 1550 nm,基态,激发态,SpontaneousEmissionAround 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,2023/8/31,亚稳态,No Pump Photon980 or 1480 nm,基态,激发态,弛豫,AttenuatedSignal1550 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,2023
7、/8/31,2023/8/31,前向泵浦方式,后向泵浦方式,2023/8/31,双向泵浦方式,13,重要计算公式,速率方程放大器增益,2023/8/31,噪声系数：,当泵浦充分，且G1时噪声系数达到极限 3dB.,2023/8/31,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。,2023/8/31,掺铒光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
8、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；,2023/8/31,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、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。,2023/8/31,(1)掺铒光纤放大器非饱和
9、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。,2023/8/31,(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,40302010,3dB增益谱宽：小信号增益的峰值下降3dB时所对应的波长范围。,2023/8/31,拓宽增益谱宽,2023/8/31,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
10、浦光功率，会引起不同的粒子数反转，形成增益系数的不同。,2023/8/31,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,2023/8/31,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,2023/8/31,长周期光纤光栅增益平坦,2023/8/31,高含铝掺铒光纤(Al-EDF),2023/8/31,EDFA光放大器增益锁定技术,2023/8/31,4、掺铒光纤放大器的应用,合波器,分波器,功率放大器,前置放大器,线路放大器,光放大器应满足ITU-T建议G.663、G.691及其他相关建议。,2023/8/31,在线光放大：用于不需要光再生只需要简单放大的场合前置光放大：用于提高接收机的灵敏度，低噪声，高灵敏度功率放大：增加发送功率，从而增加光纤中继距离、补偿插入 损耗和功率分配损耗(如PON中),
