《光纤光学教学课件》第十六讲.ppt

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1、2/12/20232/12/2023 HUST 2012第六章光纤无源及有源器件2/12/20232/12/20232/12/2023 HUST 2012六、掺铒光纤放大器1 1、引言、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2/12/20232/12/20232/12/2023 HUST 2012光纤通信的容量有多大如何提高数据率如何提高数据率n电复用电复用n光复用光复用波分复用波分复用 (WDM)(WDM)光时分复用光时分复用 (OTDM)(OTDM)2/12/20232/12/2

2、0232/12/2023 HUST 2012光纤中光信号能传多远2/12/20232/12/20232/12/2023 HUST 2012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2/12/20232/12/20232/12/2023 HUST 2012传统的光传统的光-电电-光中继光中继对每一波长要分别处理，不适对每一波长要分别处理，不适WDMWDM系统；系统；由于电的参与，处理速度受到限制；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。

3、但能对信号再放大、再定时和再整形。2/12/20232/12/20232/12/2023 HUST 2012光放大器的重要性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走向实用化、促进了光接入网的实用化历史：以历史：以1989年诞生的掺铒光纤放大器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代表的全光放大技术是光纤通 信技术上的一次革命信技术上的一次革命动机：解决电中继器设备复杂、维护难、成本高的问题动机：解决电

4、中继器设备复杂、维护难、成本高的问题 David Payne2/12/20232/12/20232/12/2023 HUST 2012全光放大器给光纤通信领域带来的革命Conventional Transmission-10Gb/s1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTRTERMTERM40km40km40km40km40km40km40km40km40km1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTRTERMTERM1310

5、RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTRTERMTERM1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTRTERMTERM120 kmOC-48OAOAOAOA120 km120 kmOptical Amplifiers and WDM-10 Gb/sOptical Amplifiers and WDM-10 Gb/sOC-48OC-48OC-48OC-48OC-48OC-48OC-484 fibers 1 fiber;12 regene

6、rators 1 optical amplifier4 fibers 1 fiber;12 regenerators 1 optical amplifier2/12/20232/12/20232/12/2023 HUST 2012Single-wavelength:40 Gb/sSingle-wavelength:40 Gb/s16 fibers 1 fiber16 fibers 1 fiber48 regenerators 1 optical amplifier48 regenerators 1 optical amplifierCommercially Available Now:Comm

7、ercially Available Now:160 wavelengths x 10Gbps 1.6T b/s 160 wavelengths x 10Gbps 1.6T b/s16-wavelength WDM:40 Gb/s16-wavelength WDM:40 Gb/s1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTRTERMTERM1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTRTERMTERM1310RPTR1310RPTR

8、1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTRTERMTERM1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTRTERMTERM1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTRTERMTERM1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTRTERMTERM1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310

9、RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTRTERMTERM1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTRTERMTERMOpticalOpticalAmplifierAmplifier1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTRTERMTERM1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTRTERMTERM1310RPTR

10、1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTRTERMTERM1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTRTERMTERM1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTRTERMTERM1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTRTERMTERM1310RPTR1310RPTR1310

11、RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTRTERMTERM1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTRTERMTERMOC-48OC-48OC-48OC-48OC-48OC-48OC-48OC-48OC-48OC-48OC-48OC-48OC-48OC-48OC-48OC-48OC-48OC-48OC-48OC-48OC-48OC-48OC-48OC-48OC-48OC-48OC-48OC-48OC-48OC-48OC-48OC-482/12/20232/12/20

12、232/12/2023 HUST 2012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2/12/20232/12/20232/12/2023 HUST 2012放大器的类型放大器的类型1.半导体激光放大器半导体激光放大器(SOA)结构大体上与激光二极管结构大体上与激光二极管(Laser Diode,LD)相同相同2.掺杂光纤放大器掺杂光纤放大器(DFA)利用稀土金属离子利用稀土金属离子(铒铒)作为激活工作物质的一种放大器作为激活工作物质的一种放大器3.喇曼光纤放大器喇曼光纤放大器 利用普通光纤的非线性效应利用普通光纤的非线

13、性效应2/12/20232/12/20232/12/2023 HUST 20122、掺杂光纤放大器及其放大特性2/12/20232/12/20232/12/2023 HUST 2012光放大器的工作原理光放大器与激光器的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就是光放大器没有正反馈机制(2)受激辐射(1)能量注入2/12/20232/12/20232/12/2023 HUST 2012掺铒光纤放大器EDFA：ErbiumDoped Fiber Amplifier2/12/20232/12/20232/12/2023 HUST 2012掺铒光纤放大器的发展历程1964年报道了掺杂光纤

14、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）。2/12/20232/12/20232/12/2023 HUST 2012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。2/12/20232/12/20232/12/2023 HUST 2012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，泵浦效率不高；800nm

15、：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。2/12/20232/12/20232/12/2023 HUST 2012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。2/12/20232/12/20232/12/2023 HUST 2012选择1480

16、nm或980nm作为泵浦光波长，掺铒光纤放大器的特性对比2/12/20232/12/20232/12/2023 HUST 20123、掺铒光纤放大器的基本结构2/12/20232/12/20232/12/2023 HUST 2012亚稳态亚稳态Pump Photon980 or 1480 nm SIGNAL PHOTON SIGNAL PHOTON 1550 nm 1550 nm基态基态激发态激发态弛豫弛豫AmplifiedAmplifiedSignalSignal1550 nm1550 nm基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2/12/20232/12/2023

17、2/12/2023 HUST 2012亚稳态亚稳态Pump Photon980 or 1480 nm NO NO SIGNAL PHOTONSIGNAL PHOTON 1550 nm 1550 nm基态基态激发态激发态弛豫弛豫SpontaneousSpontaneousEmissionEmissionAround Around 1550 nm1550 nm基态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2/12/20232/12/20232/12/2023 HUST 2012亚稳态亚稳态No Pump Photon980 or 1480 nm基态基态激发态激发态弛豫弛豫Atte

18、nuatAttenuatededSignalSignal1550 nm1550 nm SIGNAL PHOTON SIGNAL PHOTON 1550 nm 1550 nm基态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2/12/20232/12/20232/12/2023 HUST 20122/12/20232/12/20232/12/2023 HUST 2012隔离器隔离器WDMEDF 隔离器隔离器泵浦激光器泵浦激光器输入信号输入信号输入信号输入信号前向泵浦方式后向泵浦方式隔离器隔离器WDMEDF隔离器隔离器输入信号输入信号输入信号输入信号泵浦激光器泵浦激光器2/12/2

19、0232/12/20232/12/2023 HUST 2012双向泵浦方式隔离器隔离器WDMEDF隔离器隔离器输入信号输入信号输入信号输入信号泵浦激光器泵浦激光器泵浦激光器泵浦激光器2/12/20232/12/20232/12/2023 HUST 201213重要计算公式重要计算公式 速率方程速率方程放大器增益放大器增益2/12/20232/12/2023 HUST 2012噪声系数：当泵浦充分 ，且G1时噪声系数达到极限 3dB.2/12/20232/12/20232/12/2023 HUST 2012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

20、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。2/12/20232/12/20232/12/2023 HUST 2012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；2/12/20232/12/2

21、0232/12/2023 HUST 2012EDFA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。2/12/20232/12/20232/12/2023 HUST 2012(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。2/12/20232/12

22、/20232/12/2023 HUST 2012(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：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：小信号增益系数极化弛豫时间1ps饱和光功率4,000GHz1500 1520 1540 1560 1580 1600波长波长403020103dB增益谱宽：小信号增益的峰值下降3dB时所对应的波长范围。2/12/20232/12/20232/12/2023 HUST 2012拓宽增益谱宽2/12/20232/12/20232/12/2023 HUS

23、T 2012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。2/12/20232/12/20232/12/2023 HUST 2012EDFAEDFA通带增益不平坦的影响通带增益不平坦的影响 例：例：3210Gbit/s3210Gbit/s传输传输5100km5100km 输入谱输入谱SNR=27-28dB,P=0.5dB 输出谱输出谱 SNR=20-22.5dB,P=8dB导致信号功率和导致信号功率和SNR漂移：漂移：由非线性效应引起的信号漂移：严重影响功率极限由非线性效应引起的信号漂移：严重影响功率极限2/12/20

24、232/12/20232/12/2023 HUST 2012掺铒光纤放大器增益平坦技术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2/12/20232/12/20232/12/2023 HUST 2012长周期光纤光栅增益平坦2/12/20232/12/20232/12/2023 HUST 2012高含铝掺铒光纤高含铝掺铒光纤(Al-EDF)(Al-EDF)2/12/20232/12/20232/12/2023 HUST 2012EDFA光放大器增益锁定技术泵浦源功率控制泵浦源功率控制光功率光功率检测控制检测

25、控制输入光功率输入光功率检测检测输出光功率输出光功率检测检测PinPout泵浦激光器泵浦激光器EDF2/12/20232/12/20232/12/2023 HUST 20124、掺铒光纤放大器的应用合合波波器器分分波波器器功率放大器功率放大器前置放大器前置放大器线路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。2/12/20232/12/20232/12/2023 HUST 2012在线光放大：用于不需要光再生只需要简单放大的场合在线光放大：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损耗和功率分配损耗(如如PON中中)2/12/2023