掺铒光纤放大器及其应用课件.ppt
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- 关 键 词:
- 光纤 放大器 及其 应用 课件
- 资源描述:
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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
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