掺铒光纤放大器及其应用课件.ppt

1、Erbium Doped Fiber Amplifier(EDFA)and Its Applications for WDM Optical Networks Jessica ZhaoMFG.Dept.AOC China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泵浦源泵浦源什么是什么是EDFA（掺铒光纤放大器）？（掺铒光纤放大器）？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铒离子的增益谱与光纤传输最低损耗窗口重合。传输最低损耗窗口重合。GainAbsorption主要内容主要内容 EDFA

2、的基本理论基础的基本理论基础EDFA基本结构基本结构EDFA的特性参数的特性参数EDFA的理论模型的理论模型EDFA扩展扩展EDFA设计软件设计软件Optiwave的应用的应用I.掺铒光纤放大器理论基础掺铒光纤放大器理论基础 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三种能级跃迁方式三种能级跃迁方式E

3、1E2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）高能级高能级低能级低能级泵浦光 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铒纤吸收谱铒纤吸收谱铒离子

4、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。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01234514501500155016001650Wavelength(nm)Emission/Absorption(dB/m)EmissionAbsorption1480 nm1530-1560 nm980 n

5、m 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;简化为二能级模型能够更贴近现实。简化为二能级模型能够更贴近现实。1480 nm 泵浦泵浦:二能级二能级系统比较精确系统比较精确.EDFA 的基本结构的基本结构 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、光隔离器及光滤波泵浦光源、耦合器、光隔离器及光滤波器组成，结构如图所示。器组成，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三种泵浦方式的三种泵浦方式的EDFALD2WDM2EDFAPCAPCinoutLD1WDM1LDWDMEDFAPCAPCin ou

6、tLDWDMEDFAPCAPCin out同向泵浦同向泵浦(前向泵浦前向泵浦)型：型：好的噪声性能好的噪声性能反向泵浦反向泵浦(后向泵浦后向泵浦)型：型：输出信号功率高输出信号功率高双向泵浦型：输出信号双向泵浦型：输出信号功率比单泵浦源高功率比单泵浦源高3dB3dB，且放大特性与信号传输且放大特性与信号传输方向无关方向无关多级泵浦多级泵浦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

7、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 In line amplifier中继放大器（中继放大器（LALA）：）：在光纤线在光纤线路中每隔一段距离设置一个光路中每隔一段距离设置一个光纤放大器，以延长干线网的传纤放大器，以延长干线网的传输距离。输距离。Pre-amplifier前置放大器（前置放大器（PAPA）：）：放在光接放在光接收机之前，放大微弱的光信号收机之前，放大微弱的光信

8、号，以改善光接收灵敏度，对噪，以改善光接收灵敏度，对噪声要求苛刻。声要求苛刻。Booster amplifier后置放大器（后置放大器（BABA）：）：放在光发放在光发射机后，以提高发射光功率，射机后，以提高发射光功率，对其噪声要求不高，饱和输出对其噪声要求不高，饱和输出功率是主要参数。功率是主要参数。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 mW4020 0510L=5mL=20m增益 dB铒纤长度 m4020 025502mW4mWEDFA 输出功率输出功率 vs.增益增益111213141516

9、272931333537394143EDFA Gain dBEDFA output Power dBm.EDFA的特性参数的特性参数增益 dB506040302010102030405060708090100泵浦功率 mW204050铒纤长度 minsoutsPPdBG,10log10)(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噪声系数 dB786543102030405060708090100泵浦功率 mWDugo wkna m2306075outinSNRSNRdBNF10log10)(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

10、信噪比与输出信噪比的比值输出功率（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 mW4020 0510L=5mL=20m.EDFA理论模型理论模型-Giles模型模型 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

11、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二能级系统速率方程：二能级系统速率方程：zrnzrnhiPzrnhiPdtdnkkekkkkkakkk,2212传输方程：传输方程：zPrdrdzrnriukkakk,120 0 kkkkekkkmhzPrdrdzrnriudzdP,220 0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：zrnzrnzrnt,21 zPzrIrikkk/,AhPWpapppump/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

12、模型(1)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)rdrdzrnritkakk,20 0 rdrdzrnrigtkekk,*20 0 220 0,effiibrdrdzrnzn iikiknrdrdzrnriz20 0,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 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)2212*nhngzPhnzPdtndkkkkkkkk zPlumhnnguzPnngudzdPkkkkkktkkktkkkk22*kkkkkkkkkthgzPhz

13、Pnn*12/2teffnb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kkksatkhgP/*和饱和光强的关系：和饱和光强的关系：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)LttdznnnngG012*exp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outinSNRSNRNF10log10aseaseaseasespGhPGhGhn1010log1012log10噪声系数噪声系数：当泵浦充分当泵浦充分 ，且，且G1时，时，1sp

14、n噪声系数达到极限噪声系数达到极限 3dB.3dB.EDFA扩展扩展EDFA的主要优点有：的主要优点有：工作波长正好落在光纤通信最佳波段工作波长正好落在光纤通信最佳波段(15001600 nm)；其主体是一段光纤(EDF)，与传输光纤的耦合损耗很小，可达0.1 dB。增益高增益高，约为3040 dB;饱和输出光功率大，约为1015 dBm；增益特性与光偏振状态无关。噪声指数小噪声指数小，一般为47 dB；用于多信道传输时，隔离度大，无串扰，适用于波分复用系统。频带宽频带宽，在1550 nm窗口，频带宽度为2040 nm，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EDFA

15、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，换用左右的光波，换用不同基质的光纤时，铒离子能级也只能发生很小的变不同基质的光纤时，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；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系统中需要采用特殊系统中需要采用特殊的手段来进行增益谱补偿。的手段来进行增益谱补偿。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

16、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。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坦,如：如：薄膜滤波、紫外写入长周期光纤光栅、周期调制的薄膜滤波、紫

17、外写入长周期光纤光栅、周期调制的双芯光纤等。双芯光纤等。只能实现静态增益谱的平坦，在信道功率突变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。时增益谱仍会发生变化。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。增益钳制，是目前最为成熟的方法。泵浦控制均衡放大器（电控）泵浦控制均衡放大器（电控）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，根据其它信道的功率，改变

18、附加波长的功率，而实现增益钳制。而实现增益钳制。WDMWDM系统要求系统要求EDFAEDFA具有足够高的输出功率，以保证各信道具有足够高的输出功率，以保证各信道获得足够的光功率。获得足够的光功率。方法：多级泵浦方法：多级泵浦EDFA的大功率化的大功率化(1)EDFA的大功率化的大功率化(2)用于制作大功率用于制作大功率EDFAEDFA的的双包层光纤结构图双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

19、，的重要技术，信号光在中心的纤芯里以单模传播，信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。EDFA的宽带化的宽带化EDFA 超宽带超宽带0102030152515501575160051015Noise 6.5 dBOutput Power 24.5 dBmL-BandC-BandTotal 3dB Bandwidth=84.3 nm43.5 nm40.8 nmWavelength(nm)Gain(dB)Noise Figure(dB)Ultra-Wideband EDFAAlastair Glass Photonics Research长波

20、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，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。强泵浦，此波段其它光器件价格较高。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（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

21、或增加掺铒光纤长度不能很好地改善放因此，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大器的性能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；VII.EDFA设计软件设计软件Optiwave的应用的应用 OptiSystem 7.0和和Op

22、tiAmplifier 4.0OptiSystem 7.0铒纤参数设置图 OptiSystem 7.0OptiSystem运行界面 OptiSystem 7.0OptiSystem 7.0噪声与波长关系图OptiAmplifier 4.0 双向泵浦EDFA设计实例 OptiAmplifier 4.0参数参数值值单位单位数值孔径数值孔径0.21-截止波长截止波长960nm离子浓度离子浓度1.6e25iyon/m3半径半径1.75m背景损耗背景损耗8dB/km 1310 nm吸收损耗吸收损耗10.46dB/m 980 nm7.28dB/m 1480 nm17.70dB/m 1530 nm发射损耗发

23、射损耗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 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

24、长与噪声系数OptiAmplifier 4.0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 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

25、-EDFA的输入功率和噪声系数OptiAmplifier 4.0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 4.0L-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 4.0L-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 4.0Contact information:Email: