光纖光學(xué)有源器件EDFA

1、2光纖有源器件光纖有源器件光纖放大器光纖激光器3光放大器光放大器 復(fù)復(fù) 用用 器器 光接收機(jī)光接收機(jī) 1 光接收機(jī)光接收機(jī) 2 光接收機(jī)光接收機(jī) n 光發(fā)送機(jī)光發(fā)送機(jī) 1 光發(fā)送機(jī)光發(fā)送機(jī) 2 光發(fā)送機(jī)光發(fā)送機(jī) n 1 2 n 1 1 2 n 1 2n 解解 復(fù)復(fù) 用用 器器 解解 復(fù)復(fù) 用用 器器 復(fù)復(fù) 用用 器器 中繼器中繼器 中繼器中繼器 中繼器中繼器 1 2 n 1 2n 光接收機(jī)光發(fā)送機(jī)濾波、去噪、恢復(fù)、整形；傳統(tǒng)的光電中繼(Relay)系統(tǒng)4 復(fù)復(fù) 用用 器器 光光放放大大器器 光光接接收收機(jī)機(jī)1 光光接接收收機(jī)機(jī)2 光光接接收收機(jī)機(jī)n 光光發(fā)發(fā)送送機(jī)機(jī)1 光光發(fā)發(fā)送送機(jī)機(jī)2 光光

2、發(fā)發(fā)送送機(jī)機(jī)n 1 2 n 1 1 2 n 1 2n 光光纖纖 解解 復(fù)復(fù) 用用 器器 寬帶寬的光放大器可以對多信道信號同時(shí)放大，而不需要進(jìn)行解復(fù)用，光放大器的問世推動了DWDM技術(shù)的快速發(fā)展。Optical Amplifiers光放大器光放大器采用光放大器的通信系統(tǒng)5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）光放大器類型光放大器類型61550EDFA增益窗口增益窗口30nm 60nm光光放放大大器器增增益益光光纖纖衰衰減減除去除去 OHOH 峰外峰外300nm300nm低損耗窗口低損耗窗口

3、波長波長nm8501310PDFASOASRA光放大器類型光放大器類型7光放大器類型光放大器類型按波段來分按波段來分8(2) 受激輻射(1) 能量注入光放大器原理9摻鉺光纖放大器（摻鉺光纖放大器（EDFA）光放大理論：光與物質(zhì)的相互作用EDFA的工作原理和基本結(jié)構(gòu)EDFA的工作特性EDFA的關(guān)鍵技術(shù)10 任何粒子的輻射光和吸收光的過程都是原子能級之間的躍遷過程光與物質(zhì)的相互作用有三種不同的基本過程： 受激吸收 自發(fā)輻射 受激輻射這三種過程總是同時(shí)存在，緊密聯(lián)系。11 受 激 吸 收 ： 處 于 低 能 級E1的 原 子 受 到 外 來 光 子 （ 能量 ）的刺激作用，完全吸收光子的能量而躍遷到

4、高能級E2的過程：特點(diǎn)：處于低能級E1的原子受到外來光子的刺激作用，完全吸收光子的能量而躍遷到高能級E2的過程。12EEh光的受激吸收過程12能級上粒子的平均壽命 越大，表明原子在上能級上逗留時(shí)間越長，激發(fā)態(tài) 很小， 無窮大時(shí)，稱能級態(tài)為穩(wěn)態(tài)； 較長的能態(tài)稱為亞穩(wěn)態(tài)。粒子數(shù)反轉(zhuǎn)基態(tài)基態(tài)激發(fā)態(tài)激發(fā)態(tài)外來激發(fā)光子（泵浦光）外來激發(fā)光子（泵浦光）高能級高能級低能級低能級13 自發(fā)輻射：高能級的原子自發(fā)地從高能級E2向低能級E1躍遷，同時(shí)放出能量為 的光子。12EEh自發(fā)輻射14 處于高能級的粒子都是自發(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)射方向和相位也不同； 非相干

5、光發(fā)射：不同頻率、相位、偏振方向。15受激輻射：當(dāng)受到外來的能量 的光照射時(shí)，高能級E2上的原子受到外來光的激勵(lì)作用向低能級E1躍遷，同時(shí)發(fā)射一個(gè)與外來光子完全相同的光子。光的受激輻射過程：12EEh16外來激勵(lì)光子能量為兩能級能量差 時(shí)，才能發(fā)生受激輻射；受激輻射的光子與外來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輻射是相干的，換句話說外來輻射被 “放大” 了；光的受激輻射過程是產(chǎn)生光放大與激光的基本過程（受激輻射的光子與外來光子的特性完全相同可以在量子電動力學(xué)中得到證明）12EEh17 某原子自發(fā)輻射產(chǎn)生的光子對于其他原子來講是外來光子，會引起受激輻

6、射與受激吸收，因此三個(gè)過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。18Amplified Spontaneous Emission ASE是一種由自發(fā)輻射誘發(fā)的受激輻射占主導(dǎo)的過程，沒有正反饋的光振蕩(無諧振腔), 屬相干輻射。其特性介于激光與熒光之間的過渡狀態(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與輸入光信號同時(shí)爭奪上能級粒子，屬于一種噪聲源，足夠強(qiáng)度的ASE造成增益飽和，導(dǎo)致增益下降。19N2N3N1E12hv泵浦E23E31受激輻射受激輻射hv信號N2N3N1E12hv泵浦E23E34

7、受激輻射受激輻射hv信號N4E41三能級系統(tǒng)三能級系統(tǒng)四能級系統(tǒng)四能級系統(tǒng)201、粒子在能級之間的躍遷2、受激吸收（非輻射躍遷），泵浦能量吸收， 粒子數(shù)反轉(zhuǎn)3、自發(fā)輻射，（引入噪聲）4、受激輻射，實(shí)現(xiàn)放大，一般分成三能級、四能級系統(tǒng)。21摻鉺光纖放大器（摻鉺光纖放大器（EDFA）光放大理論：光與物質(zhì)的相互作用EDFA的工作原理和基本結(jié)構(gòu)EDFA的工作特性EDFA的關(guān)鍵技術(shù)22EDF的吸收譜和發(fā)射譜 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)波長即信道，在WDM系統(tǒng)中，可作為放大器使用。EDFA的工作原理和基本結(jié)構(gòu)23EDFA工作原理 通

8、過受激輻射實(shí)現(xiàn)光放大實(shí)際上能級分裂成能帶，有較寬的吸收和發(fā)射帶。4I11 / 24I13 / 24I15 / 2 980 nm1480 nm1520 1560 nm N2N11s 10 ms亞穩(wěn)態(tài)鉺離子能級結(jié)構(gòu)基 態(tài)激發(fā)態(tài)信號光放大的信號光N3024EDFA的基本結(jié)構(gòu)半導(dǎo)體泵浦二極管：為信號放大提供能量，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+從低能級被激發(fā)到高能級，由于在高能級上的壽命很短，很快躍遷到亞穩(wěn)態(tài)能級，并在亞穩(wěn)態(tài)與基態(tài)能級間形成粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布。在入射光誘導(dǎo)形成受激輻射，對信號光進(jìn)行放大。光隔離器

9、：使光單向傳輸，避免發(fā)射光影響，保證穩(wěn)定工作。25EDFA的三種泵浦方式26信號放大27摻鉺光纖放大器（摻鉺光纖放大器（EDFA）光放大理論：光與物質(zhì)的相互作用EDFA的工作原理和基本結(jié)構(gòu)EDFA的工作特性EDFA的關(guān)鍵技術(shù)2829光放大器的增益增益G是描述光放大器對信號放大能力的參數(shù)。定義為：insoutsPPdBG,10log10)(影響增益的因素： 泵浦光功率 摻鉺光纖的長度及Er3+的摻雜濃度 輸入光功率等30小信號增益與飽和輸出功率Pout,sat飽和區(qū)域小信號增益輸入光功率較小時(shí)，隨輸入信號光功率的增大，增益G基本維持不變，這種增益稱為光放大器的小信號增益G0 。飽和輸出功率Pou

10、t,sat 放大器增益降至小信號增益一半時(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)31增益 dB泵浦功率 mW4020 0510L=5mL=20m增益 dB鉺纖長度 m4020 025502mW4mW小信號增益與泵浦功率、以及摻鉺光纖長度的關(guān)系曲線長度一定時(shí)，先速增，后趨穩(wěn)泵浦功率一定時(shí)，先增后減，需優(yōu)化長度32噪聲系數(shù) NF（Noise figure） 信號在放大過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（

11、noise figure）：10log10log2110log10log 2inASEoutspspOSNRPNFOSNRhGnGnGPASE帶寬內(nèi)ASE光功率 自發(fā)輻射噪聲帶寬spnh等效的輸入散粒噪聲 噪聲因子 NF=3dB噪聲系數(shù)的量子極限（nsp=1時(shí)）33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）10.0405.00.05.010.015.020.025.030.035.035302520151050IIIIIII噪聲指數(shù) / dB輸出光功率 / dBm增益 / dB輸入光功率 / dBm增益 / dB34EDFA的三種泵浦方式35增益帶寬增益譜G()：增益G與信號光波長

12、的關(guān)系增益帶寬： 信號增益在最高增益下降3dB增益差之內(nèi)的信號波長范圍。36摻鉺光纖放大器（摻鉺光纖放大器（EDFA）光放大理論：光與物質(zhì)的相互作用EDFA的工作原理和基本結(jié)構(gòu)EDFA的工作特性EDFA的關(guān)鍵技術(shù)3738增益曲線不平坦，會造成不同信道放大的差別較大39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/鋁共摻光纖、鉺/鋁磷共摻光纖等。其優(yōu)點(diǎn)是無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)濾波型：在EDFA中內(nèi)插無源濾波器將1530nm的增益峰降低，或?qū)ｉT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。 40波長增益不摻鋁摻鉺光纖放大器（EDFA）

13、15251565nm摻鉺光纖放大器（EDFA）15251565nm摻鋁波長增益本征型：利用摻雜41濾波型：42EDFA的增益鎖定技術(shù)WDM+摻鉺光纖放大器實(shí)現(xiàn)高速、大容量和長距離光纖通信的主要手段之一。 在多點(diǎn)對多點(diǎn)的WDM傳輸系統(tǒng)中，通常需要上下載信號，這樣隨時(shí)可能導(dǎo)致各通道的光功率瞬態(tài)波動等問題。 解決方法是在EDFA中引入自動增益控制和均衡功能。電路自動增益控制全光自動增益控制43監(jiān)測EDFA的輸入光功率，根據(jù)其大小調(diào)整泵浦功率，從而實(shí)現(xiàn)增益鉗制，是目前最為成熟的方法。泵浦控制均衡放大器（電控）泵浦控制均衡放大器（電控）EDFA的增益鎖定-電控在系統(tǒng)中附加一波長信道，根據(jù)其它信道的功率，

14、改變附加波長的功率，而實(shí)現(xiàn)增益鉗制。EDFA的增益鎖定-光控環(huán)形腔ASE反饋實(shí)現(xiàn)增益鎖定4445EDFA寬帶放大技術(shù)級聯(lián)型或并聯(lián)：C波段級聯(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波段寬帶放大。 本征型：C波段 C+L 波段 （擴(kuò)譜） 46EDFA在通信系統(tǒng)中的應(yīng)用 （LA：Line Amplifier）補(bǔ)償光纖線路損耗，延長干線傳輸距離。 （PA：Preamplifier) 置于光接收機(jī)前，放大微弱的光信號，以改善接收靈敏度。作為前置放大器，工作在小信號增益狀態(tài)，噪聲系數(shù)小。 （BA：Booster Ampl