掺铒光纤放大器及其应用 精选PPT.ppt

掺铒光纤放大器及其应用掺铒光纤放大器及其应用 第1页，此课件共67页哦什么是光放大器？什么是光放大器？光放大器光放大器(G)弱光弱光Pin强光强光PoutASEASE泵浦源泵浦源第2页，此课件共67页哦什么是什么是EDFA（掺铒光纤放大器）？（掺铒光纤放大器）？输入信号输入信号输入信号输入信号1530nm-1570nm1530nm-1570nm放大的信号放大的信号放大的信号放大的信号激光光源激光光源激光光源激光光源 (泵浦泵浦泵浦泵浦)980nm or 980nm or 1480nm1480nm 掺铒光纤掺铒光纤掺铒光纤掺铒光纤第3页，此课件共67页哦通信窗口和铒离子通信窗口和铒离子自然界给光通信的礼物自然界给光通信的礼物:铒离子的增益谱与光纤传输铒离子的增益谱与光纤传输最低损耗窗口重合。最低损耗窗口重合。GainAbsorption第4页，此课件共67页哦主要内容主要内容 I.EDFA的基本理论基础的基本理论基础II.EDFA基本结构基本结构III.EDFA的特性参数的特性参数IV.EDFA的理论模型的理论模型V.EDFA扩展扩展VI.EDFA设计软件设计软件Optiwave的应用的应用第5页，此课件共67页哦I.掺铒光纤放大器理论基础掺铒光纤放大器理论基础第6页，此课件共67页哦光为什么会放大？光为什么会放大？电子轨道电子轨道电子能级电子能级跃迁跃迁辐射跃迁（发光）辐射跃迁（发光）非辐射跃迁（不发光）非辐射跃迁（不发光）受激吸收（光泵浦）受激吸收（光泵浦）受激辐射（光放大）受激辐射（光放大）自发辐射（产生噪声）自发辐射（产生噪声）获得光放大的基本条件：粒子数反转上能级的粒子数比下能级的多上能级的粒子数比下能级的多第7页，此课件共67页哦三种能级跃迁方式三种能级跃迁方式E1E2受激吸收后受激吸收E1E2hv自发辐射E1E2E2受激发射hvE1E2受激发射后hvhv自发辐射后E1E2hv第8页，此课件共67页哦粒子数反转粒子数反转基态基态激发态激发态外来激发光子（泵浦光）外来激发光子（泵浦光）高高能能级级低低能能级级第9页，此课件共67页哦泵浦光 980 nm 跃迁跃迁 亚稳态亚稳态信号光信号光1550 nm受激放大光受激放大光1550 nm基态基态基态基态 激发态激发态EDF原理原理第10页，此课件共67页哦简化的能级跃迁简化的能级跃迁N2N3N1E12hv泵浦E23E31受激辐射受激辐射hv信号N2N3N1E12hv泵浦E23E34受激辐射受激辐射hv信号N4E41三能级系统三能级系统四能级系统四能级系统第11页，此课件共67页哦铒纤吸收谱铒纤吸收谱第12页，此课件共67页哦铒离子能级示意图铒离子能级示意图泵浦波长可以是泵浦波长可以是514、679、800、980、1480nm波长短于波长短于980nm的泵浦效率低，因而通常采用的泵浦效率低，因而通常采用980和和1480nm泵浦泵浦。同时产生自发辐射噪声同时产生自发辐射噪声同时产生自发辐射噪声同时产生自发辐射噪声(ASE)(ASE)快速非辐射跃迁快速非辐射跃迁快速非辐射跃迁快速非辐射跃迁第13页，此课件共67页哦三能级系统三能级系统 v.s.二能级系统二能级系统 980 nm1480 nm1530-1560 nm 1 s=11 ms4I15/24I13/24I11/2非辐射跃迁非辐射跃迁1480 nm1530-1560 nm980 nm 泵浦泵浦:三能级系统能够很好的表述三能级系统能够很好的表述;简化为二简化为二能级模型能够更贴近现实。能级模型能够更贴近现实。1480 nm 泵浦泵浦:二能级系统二能级系统比较精确比较精确第14页，此课件共67页哦.EDFA 的基本结构的基本结构 第15页，此课件共67页哦EDFA的基本结构的基本结构EDFA 主要由掺铒光纤主要由掺铒光纤(EDF)、泵浦光源、耦合器、光隔离器及光滤波器组成，泵浦光源、耦合器、光隔离器及光滤波器组成，结构如图所示。结构如图所示。信号光耦合器光隔离器掺铒光纤光隔离器光滤波器输出光泵浦光第16页，此课件共67页哦三种泵浦方式的三种泵浦方式的EDFALD2WDM2EDFAPCAPCinoutLD1WDM1LDWDMEDFAPCAPCinoutLDWDMEDFAPCAPCinout同向泵浦同向泵浦(前向泵浦前向泵浦)型：好的型：好的噪声性能噪声性能反向泵浦反向泵浦(后向泵浦后向泵浦)型：输型：输出信号功率高出信号功率高双向泵浦型：输出信号功率比双向泵浦型：输出信号功率比单泵浦源高单泵浦源高3dB3dB，且放大特性，且放大特性与信号传输方向无关与信号传输方向无关第17页，此课件共67页哦多级泵浦多级泵浦NFtotal=NF1+NF2/G1NF 1st/2nd stage =Pin-SNRo dB-10 Log(hc2/3)Er3+Doped FiberPumpPumpInput SignalOutput SignalOpticalIsolator第一级同向泵浦第一级同向泵浦:得到低的噪声指数得到低的噪声指数第二级反向泵浦第二级反向泵浦:得到高的输出功率得到高的输出功率第18页，此课件共67页哦发射器接收器在线放大器在线放大器EDFAEDFA光纤光纤发射器接收器功率放大器功率放大器EDFA光纤发射器接收器前置放大器前置放大器EDFA光纤Inlineamplifier中继放大器（中继放大器（LALA）：）：在光纤线路中每在光纤线路中每隔一段距离设置一个光纤放大器，隔一段距离设置一个光纤放大器，以延长干线网的传输距离。以延长干线网的传输距离。Pre-amplifier前置放大器（前置放大器（PAPA）：）：放在光接收机之放在光接收机之前，放大微弱的光信号，以改善前，放大微弱的光信号，以改善光接收灵敏度，对噪声要求苛刻。光接收灵敏度，对噪声要求苛刻。Boosteramplifier后置放大器（后置放大器（BABA）：）：放在光发射机放在光发射机后，以提高发射光功率，对其噪声后，以提高发射光功率，对其噪声要求不高，饱和输出功率是主要参要求不高，饱和输出功率是主要参数。数。掺铒光纤放大器的三种应用方式掺铒光纤放大器的三种应用方式第19页，此课件共67页哦泵浦功率和光纤长度对增益的影响泵浦功率和光纤长度对增益的影响增益dB泵浦功率mW40200510L=5mL=20m增益dB铒纤长度m4020025502mW4mW第20页，此课件共67页哦EDFA 输出功率输出功率 vs.增益增益111213141516272931333537394143EDFA Gain dBEDFA output Power dBm第21页，此课件共67页哦.EDFA的特性参数的特性参数第22页，此课件共67页哦增益dB506040302010102030405060708090100泵浦功率mW204050铒纤长度m增益增益 G（dB）输出信号功率与输入信号功率的比值输出信号功率与输入信号功率的比值第23页，此课件共67页哦噪声系数dB786543102030405060708090100泵浦功率mWDugowknam2306075噪声系数噪声系数NF（dB）输入信噪比与输出信噪比的比值输入信噪比与输出信噪比的比值第24页，此课件共67页哦输出功率（输出功率（mW 或或 dBm）饱和输出功率，最大输出功率饱和输出功率，最大输出功率增益带宽（增益带宽（nm）工作带宽，平坦增益带宽工作带宽，平坦增益带宽Gain(dB)154015601580101520204030-5 dBm-20 dBm-10 dBmP Input:-30 dBm第25页，此课件共67页哦增益平坦增益平坦增益系数增益系数增益饱和增益饱和增益dB泵浦功率mW40200510L=5mL=20m第26页，此课件共67页哦.EDFA理论模型理论模型-Giles模型模型 第27页，此课件共67页哦Simplified EDFA Model:Giles模型模型两能级系统两能级系统均匀展宽均匀展宽 ASE ASE 噪声可忽略噪声可忽略忽略激发态吸收忽略激发态吸收沿光纤功率变化速度慢沿光纤功率变化速度慢铒离子限制得好铒离子限制得好 假定假定单极单极 EDFA第28页，此课件共67页哦二能级系统速率方程：二能级系统速率方程：传输方程：传输方程：其中：铒离子浓度：其中：铒离子浓度：规一化光强：规一化光强：跃迁速率：跃迁速率：掺铒光纤放大器的基本理论模型掺铒光纤放大器的基本理论模型(1)第29页，此课件共67页哦掺铒光纤放大器的基本理论模型掺铒光纤放大器的基本理论模型(2)(2)引入光纤吸收系数和发射系数：引入光纤吸收系数和发射系数：定义：粒子数沿截面平均定义：粒子数沿截面平均交迭积分交迭积分第30页，此课件共67页哦掺铒光纤放大器的基本理论模型掺铒光纤放大器的基本理论模型(3)(3)速率方程和传输方程变为：速率方程和传输方程变为：在稳态情况下：在稳态情况下：其中，定义饱和参数其中，定义饱和参数和饱和光强的关系：和饱和光强的关系：第31页，此课件共67页哦掺铒光纤放大器的基本理论模型掺铒光纤放大器的基本理论模型(4)(4)增益增益：增益的大小和谱分布由粒子数反转水平及掺铒光纤长度决定增益的大小和谱分布由粒子数反转水平及掺铒光纤长度决定噪声系数噪声系数：当泵浦充分当泵浦充分 ，且，且G1时，时，噪声系数达到极限噪声系数达到极限 3dB.3dB.第32页，此课件共67页哦.EDFA扩展扩展第33页，此课件共67页哦EDFA的主要优点有：的主要优点有：工工作作波波长长正正好好落落在在光光纤纤通通信信最最佳佳波波段段(15001600nm)；其主体是一段光纤(EDF)，与传输光纤的耦合损耗很小，可达0.1dB。增增益益高高，约为3040dB;饱和输出光功率大，约为1015dBm；增益特性与光偏振状态无关。噪噪声声指指数数小小，一般为47dB；用于多信道传输时，隔离度大，无串扰，适用于波分复用系统。频频带带宽宽，在1550nm窗口，频带宽度为2040nm，可进行多信道传输，有利于增加传输容量。掺铒光纤放大器掺铒光纤放大器第34页，此课件共67页哦EDFA也有固有的缺点：也有固有的缺点：(1)波长固定，只能放大波长固定，只能放大1.55m左右的光波，换左右的光波，换用不同基质的光纤时，铒离子能级也只能发生很小的用不同基质的光纤时，铒离子能级也只能发生很小的变化，可调节的波长有限，只能换用其他元素；变化，可调节的波长有限，只能换用其他元素；(2)增益带宽不平坦，在增益带宽不平坦，在WDM系统中需要采用特系统中需要采用特殊的手段来进行增益谱补偿。殊的手段来进行增益谱补偿。第35页，此课件共67页哦Er Doped Fiber Amplifier，EDFA在在 EDFA的应用中，需要解决两个问题。的应用中，需要解决两个问题。增益的平坦化增益的平坦化，增益平坦是指放大器的增益谱要平坦，对需，增益平坦是指放大器的增益谱要平坦，对需要放大的所有信道提供相同的增益。要放大的所有信道提供相同的增益。增益的自动控制增益的自动控制，当光纤中信道数由于故障等原因突然减少，当光纤中信道数由于故障等原因突然减少时，光放大器的增益会突然增加，形成时，光放大器的增益会突然增加，形成“浪涌浪涌”，使信号强，使信号强度突然提高，接收机码元判决时会出现错误。度突然提高，接收机码元判决时会出现错误。第36页，此课件共67页哦1.1.滤波器均衡：滤波器均衡：采用透射谱与掺杂光纤增益谱反对称的滤波器使增益平坦采用透射谱与掺杂光纤增益谱反对称的滤波器使增益平坦,如：如：薄膜滤波、紫外写入长周期光纤光栅、周期调制的双芯光薄膜滤波、紫外写入长周期光纤光栅、周期调制的双芯光纤等。纤等。只能实现静态增益谱的平坦，在信道功率突变时增益谱只能实现静态增益谱的平坦，在信道功率突变时增益谱仍会发生变化。仍会发生变化。EDFA +均衡器均衡器均衡器均衡器 合成增益合成增益增益平坦增益平坦/均衡技术均衡技术第37页，此课件共67页哦2.2.2.2.新型宽谱带掺杂光纤：新型宽谱带掺杂光纤：新型宽谱带掺杂光纤：新型宽谱带掺杂光纤：如掺铒氟化物玻璃光纤（如掺铒氟化物玻璃光纤（如掺铒氟化物玻璃光纤（如掺铒氟化物玻璃光纤（30nm30nm30nm30nm平坦带宽）、铒平坦带宽）、铒平坦带宽）、铒平坦带宽）、铒/铝共掺杂光铝共掺杂光铝共掺杂光铝共掺杂光纤（纤（纤（纤（20nm20nm20nm20nm）等，）等，）等，）等，静态增益谱的平坦静态增益谱的平坦静态增益谱的平坦静态增益谱的平坦，掺杂工艺复杂。，掺杂工艺复杂。，掺杂工艺复杂。，掺杂工艺复杂。3.3.3.3.声光滤波调节：声光滤波调节：声光滤波调节：声光滤波调节：根据各信道功率，反馈控制放大器输出端的多通道声光带根据各信道功率，反馈控制放大器输出端的多通道声光带根据各信道功率，反馈控制放大器输出端的多通道声光带根据各信道功率，反馈控制放大器输出端的多通道声光带阻滤波器，调节各信道输出功率使之均衡，阻滤波器，调节各信道输出功率使之均衡，阻滤波器，调节各信道输出功率使之均衡，阻滤波器，调节各信道输出功率使之均衡，动态均衡动态均衡动态均衡动态均衡需要解复用、需要解复用、需要解复用、需要解复用、光电转换、结构复杂，实用性受限光电转换、结构复杂，实用性受限光电转换、结构复杂，实用性受限光电转换、结构复杂，实用性受限增益平坦增益平坦/均衡技术均衡技术第38页，此课件共67页哦4.4.4.4.预失真技术预失真技术预失真技术预失真技术不灵活，传输链路变换后，输入功率也要随之调整不灵活，传输链路变换后，输入功率也要随之调整不灵活，传输链路变换后，输入功率也要随之调整不灵活，传输链路变换后，输入功率也要随之调整增益平坦增益平坦增益平坦增益平坦/均衡技术均衡技术第39页，此课件共67页哦 EDFAEDFAEDFAEDFA对信道的插入、分出或信道无光故障等因素引起的输入光功率的对信道的插入、分出或信道无光故障等因素引起的输入光功率的对信道的插入、分出或信道无光故障等因素引起的输入光功率的对信道的插入、分出或信道无光故障等因素引起的输入光功率的变化（较低速变化）能产生响应变化（较低速变化）能产生响应变化（较低速变化）能产生响应变化（较低速变化）能产生响应-瞬态特性瞬态特性瞬态特性瞬态特性 瞬态特性使得剩余信道获得过大的增益，并输出过大的功率，而产生非线性，瞬态特性使得剩余信道获得过大的增益，并输出过大的功率，而产生非线性，瞬态特性使得剩余信道获得过大的增益，并输出过大的功率，而产生非线性，瞬态特性使得剩余信道获得过大的增益，并输出过大的功率，而产生非线性，最终导致其传输性能的恶化最终导致其传输性能的恶化最终导致其传输性能的恶化最终导致其传输性能的恶化-需进行自动增益控制需进行自动增益控制需进行自动增益控制需进行自动增益控制 对于级联对于级联对于级联对于级联EDFAEDFAEDFAEDFA系统，瞬态响应时间可短系统，瞬态响应时间可短系统，瞬态响应时间可短系统，瞬态响应时间可短至几十至几十至几十至几十 s s s s，要求增益控制系统的响，要求增益控制系统的响，要求增益控制系统的响，要求增益控制系统的响应时间相应为几几十应时间相应为几几十应时间相应为几几十应时间相应为几几十 s s s s增益钳制增益钳制增益钳制增益钳制第40页，此课件共67页哦增益钳制技术增益钳制技术(1)(1)电控：电控：监测监测EDFA的输入光功率，根据其大小调整泵浦功率，从而实现增益钳制，是的输入光功率，根据其大小调整泵浦功率，从而实现增益钳制，是目前最为成熟的方法。目前最为成熟的方法。LDLDPumpPumpInInOutOut泵浦控制均衡放大器（电控）泵浦控制均衡放大器（电控）EDFAEDFA第41页，此课件共67页哦增益钳制技术增益钳制技术(2)(2)在系统中附加一波长信道，在系统中附加一波长信道，根据其它信道的功率，改变附加波长的功率，而实现增益根据其它信道的功率，改变附加波长的功率，而实现增益钳制。钳制。注入激光注入激光注入激光注入激光第42页，此课件共67页哦WDMWDM系统要求系统要求EDFAEDFA具有足够高的输出功率，以保证各信道获得足够具有足够高的输出功率，以保证各信道获得足够的光功率。的光功率。方法：多级泵浦方法：多级泵浦EDFA的大功率化的大功率化(1)222219191616波长（波长（波长（波长（nmnm）1540154015701570输出功率（输出功率（输出功率（输出功率（dBmdBm）第43页，此课件共67页哦EDFA的大功率化的大功率化(2)=0.7%=0.7%=1.3%=1.3%纤纤纤纤芯芯芯芯内内内内包包包包层层层层外外外外包包包包层层层层用于制作大功率用于制作大功率EDFAEDFA的双的双包层光纤结构图包层光纤结构图芯层：芯层：5 5 m m内包层：内包层：5050 m m芯层芯层(掺铒掺铒)，传播信号层，传播信号层(SM)(SM)内包层，传播泵浦光内包层，传播泵浦光(MM)(MM)双包层光纤是实现双包层光纤是实现EDFAEDFA的重要技术，信的重要技术，信号光在中心的纤芯里以单模传播，号光在中心的纤芯里以单模传播，而泵浦光则在内包层中以多模传输。而泵浦光则在内包层中以多模传输。第44页，此课件共67页哦EDFA的宽带化的宽带化第45页，此课件共67页哦EDFA 超宽带超宽带Alastair Glass PhotonicsResearch第46页，此课件共67页哦长波段（长波段（L-band）掺铒光纤放大器掺铒光纤放大器L L波段的造价甚高的原因波段的造价甚高的原因：低反转水平，需长掺铒光纤，强泵浦，低反转水平，需长掺铒光纤，强泵浦，此波段其它光器件价格较高。此波段其它光器件价格较高。第47页，此课件共67页哦高性能掺铒光纤放大器高性能掺铒光纤放大器问题的提出单段放大器的限制问题的提出单段放大器的限制自发辐射光沿正、反方向传输，同时被放大，形成放大的自发辐射（自发辐射光沿正、反方向传输，同时被放大，形成放大的自发辐射（ASE）;ASE消耗上能级粒子数，降低泵浦效率，影响增益；消耗上能级粒子数，降低泵浦效率，影响增益；构成放大器的噪声源；构成放大器的噪声源；因此，单纯的增加泵浦功率或增加掺铒光纤长度不能很好地改善放大器的因此，单纯的增加泵浦功率或增加掺铒光纤长度不能很好地改善放大器的性能性能第48页，此课件共67页哦高性能掺铒光纤放大器高性能掺铒光纤放大器提高放大器性能的技术关键提高放大器性能的技术关键基本思路：结构变化，抑制基本思路：结构变化，抑制ASE;基本技术：两段级连，内插隔离器基本技术：两段级连，内插隔离器;技术特点技术特点可针对不同要求进行优化；可针对不同要求进行优化；增益、噪声和功率特性同时升级；增益、噪声和功率特性同时升级；高增益下实现近量子噪声极限；高增益下实现近量子噪声极限；第49页，此课件共67页哦VII.EDFA设计软件设计软件Optiwave的应用的应用 OptiSystem 7.0和和OptiAmplifier 4.0第50页，此课件共67页哦OptiSystem 7.0铒纤参数设置图 第51页，此课件共67页哦OptiSystem 7.0OptiSystem运行界面 第52页，此课件共67页哦OptiSystem 7.0第53页，此课件共67页哦OptiSystem 7.0噪声与波长关系图第54页，此课件共67页哦OptiAmplifier 4.0第55页，此课件共67页哦 双向泵浦EDFA设计实例 OptiAmplifier 4.0第56页，此课件共67页哦参数参数值值单单位位数数值值孔径孔径0.21-截止波截止波长长960nm离子离子浓浓度度1.6e25iyon/m3半径半径1.75m背景背景损损耗耗8dB/km 1310 nm吸收吸收损损耗耗10.46dB/m 980 nm7.28dB/m 1480 nm17.70dB/m 1530 nm发发射射损损耗耗2.01dB/m 1480 nm16.59dB/m 1530 nmMetro12 EDF实验参数 Metro-12 EDF 的吸收和发射谱 a)980 nm 泵浦带吸收谱 b)1480 nm泵浦和1550 nm 信号频段的吸收和发射谱 OptiAmplifier 4.0第57页，此课件共67页哦仿真结果 泵浦功率为230mW时，双向泵浦L-EDFA增益和噪声系数与信号波长的变化这项研究可以用来设计的这项研究可以用来设计的L EDFA在在1570nm-1600nm约约30nm带宽带宽OptiAmplifier 4.0第58页，此课件共67页哦 双向泵浦L-EDFA的波长与增益双向泵浦L-EDFA实验值和理论值比较-1双向泵浦L-EDFA的波长与噪声系数OptiAmplifier 4.0第59页，此课件共67页哦双向泵浦L-EDFA实验值和理论值比较-2双向泵浦L-EDFA的输入功率和增益双向泵浦L-EDFA的输入功率和噪声系数OptiAmplifier 4.0第60页，此课件共67页哦双向泵浦L-EDFA的泵浦功率和增益双向泵浦L-EDFA实验值和理论值比较-3双向泵浦L-EDFA的泵浦功率和噪声系数OptiAmplifier 4.0第61页，此课件共67页哦 双向泵浦和单向泵浦L-EDFA的波长与增益双向泵浦和单向L-EDFA的波长与噪声系数单双向泵浦和 L-EDFA的性能比较1OptiAmplifier 4.0第62页，此课件共67页哦单双向泵浦 L-EDFA的输入功率和增益单双向泵浦和 L-EDFA的性能比较2单双向泵浦 L-EDFA的输入功率和噪声系数OptiAmplifier 4.0第63页，此课件共67页哦单双向泵浦和 L-EDFA的性能比较3 单和双向泵浦L-EDFA 增益和泵浦功率单向和双向泵浦的噪声系数和泵浦功率(输入信号功率=-30dBm)OptiAmplifier 4.0第64页，此课件共67页哦L-EDFA双向泵浦的ASE增益谱泵浦功率为127mW时，单向泵浦的ASE噪声（当没有输入信号）泵浦功率为127mW时，双向泵浦的ASE噪声（当没有输入信号）OptiAmplifier 4.0第65页，此课件共67页哦L-EDFA双向泵浦的ASE增益谱双向泵浦的总功率为230mW时，输入功率为30dBm的ASE谱Optiamplifier 4.0第66页，此课件共67页哦Contact information:Email:J 第67页，此课件共67页哦