掺铒光纤放大器
EDFA掺铒光纤放大器EDFA
SNR F SNR in
Байду номын сангаас
2nsp
G 1 G
2nsp
2
out
四、应用
•线路放大（In-line）：
周期性补偿各段光纤损 耗
•功率放大（Boost）：
增加入纤功率，延长传 输距离
•前置预放大（Pre-Amplifier）
提高接收灵敏度
五、光放大器特点
1、对信号格式及码率透明 2、工作波段可选 3、宽带放大 4、高增益 5、低噪声
dP gP dz
•放大器带宽：放大器增益（放大倍数）降至最大放大倍数一半处的全宽度 （FWHM）
A
g
ln 2 g0L ln
2
二、增益饱和与饱和输出功率 •起因：增益系数与功率的依从关系
•饱和输出功率：
放大器增益降至最大 小信号增益的一半时 的输出功率
Ps out
G0 ln 2 G0 2
Ps
•最大输出功率
1、多信道放大中存在的问题
•噪声大（Fn~8dB) •信道串扰（交叉增益调制XGM、四波混频FWM） •增益饱和引起信号畸变
2、其他应用
A、光波长转换：
光波长转换器（Wavelength Converter）是一种实现将光信号从某一波 长的光载波转换至另一波长光载波的器件，是波分复用光通信系统向 光网络演变的一个关键性器件。光波长转换器能使网络在不同节点处 重复使用某一个波长，这种“波长再利用”无疑能提高波长的利用效 率，有效地减少波分复用网络中所需波长的数量 机理：
二、EDFA的工作原理
•EDFA采用掺铒离子单模光纤为增益介质， 在泵浦光作用下产生粒子数反转，在信号光 诱导下实现受激辐射放大 •EDFA中的Er3+能级结构：
edfa工作原理
edfa工作原理
EDFA即掺铒光纤放大器（Erbium-Doped Fiber Amplifier），它是一种常用的光纤放大器。
EDFA的工作原理是利用掺铒光纤的特性，实现光信号的放大。
掺铒光纤是一种特殊的光纤，其中掺杂了铒离子（Er3+）。
在掺杂时，铒离子被玻璃基质吸收，当其处于激发态时，可以通过受激辐射的方式向光信号传递能量，从而实现放大效果。
EDFA主要由以下几个部分组成：
1.泵浦光源：用于提供激发光束，通常是激光器或半导体激光器。
2.光纤：作为掺铒光纤的基质，其中掺杂了铒离子。
3.耦合器：用于将泵浦光源的光束耦合到掺铒光纤中，实现能量传递。
4.滤波器：用于过滤掉非放大波长的光信号，保证放大器只作用于特定的波长范围。
EDFA的工作过程如下：
1.泵浦光源发出高能量的激发光束，通过耦合器耦合到掺铒光纤中。
2.激发光束在掺铒光纤中与铒离子发生相互作用，使铒离子从基态跃迁到激发态。
3.当已有光信号经过掺铒光纤时，激发的铒离子可以通过受激辐射的方式将能量传递给光信号，使光信号的强度得到放大。
4.放大后的光信号继续传播，并通过滤波器去除掉非放大波长的光信号。
5.经过滤波器后的放大光信号可以被接收器或其他光纤器件使用。
通过不断循环以上的步骤，EDFA可以实现对光信号的放大。
它在光通信系统中被广泛应用，用于增强信号强度，补偿传输损耗，提高传输距离等。
简述EDFA的工作原理和应用形式
简述EDFA的工作原理和应用形式1. 什么是EDFA？EDFA（掺铒光纤放大器，Erbium-Doped Fiber Amplifier）是一种光纤放大器，利用掺铒光纤的特殊性质将入射光信号放大。
EDFA是现代光通信系统中最常用的光纤放大器之一，其工作原理简单而高效。
2. EDFA的工作原理EDFA利用掺镱（Er）的锗硅光纤作为增益介质。
在EDFA中，铒离子（Er^3+）的能级结构起到了关键的作用。
当EDFA被激发时，输入的光信号与激光束相互作用，激发了铒离子中的电子，使其跃迁到高能级。
在高能级上，铒离子被激发成为亚稳态，稍后会跃迁回稳定态，释放出光子。
这些光子与输入信号的光子相互作用，在整个光纤放大器中产生放大作用。
EDFA的核心是掺铒光纤，其中铒离子被定期注入到光纤内。
掺铒光纤具有特殊的光学性质，能够吸收特定波长的光信号，并在特定波长的光信号上放大。
通过调整铒离子的掺杂浓度和光信号的波长，可以实现在不同波长范围内的放大。
3. EDFA的应用形式EDFA广泛应用于光通信系统中，为光信号提供增益。
以下是几种主要的应用形式：3.1 光纤放大器EDFA可以作为光纤放大器使用，将入射光信号放大到足够的功率水平，以便能够在光纤通信系统中传输长距离。
光纤放大器通常用于跨越海底光缆或长距离光纤的传输。
3.2 光纤通信系统中的增益均衡在光纤通信系统中，光信号传输距离过长可能会造成信号损失。
EDFA可以用于增加信号的能量，以克服光纤传输过程中的损耗，实现信号的远距离传输。
3.3 光纤光谱分析EDFA的增益特性使其成为光谱分析的理想工具。
光谱分析用于确定光信号的频率和能量分布，以及检测光纤通信系统中的故障。
EDFA可以通过放大被测光信号，以便更准确地进行光谱分析。
3.4 光传感应用EDFA在光传感领域也有广泛应用。
通过使用EDFA，可以实现对光信号的放大和改变，使其适用于各种光传感技术，如光纤光栅传感和光纤干涉仪传感。
掺饵光纤放大器
掺饵光纤放大器物电学院08电子一班侯进：200840620110概论光纤通信中采用光纤来传输光信号，一般它受到两方面的限制:损耗和色散。
就损耗而言，目前光纤损耗的典型值在1.3μm波段为0.35dB/km，在1.55μm波段为0.20dB/km。
由光纤损耗限制的光纤无中继传输距离为50-100km. 90年代初期EDFA的研制成功，打破了光纤通信传输距离受光纤损耗的限制，使全光通信距离延长至几千公里，给光纤通信带来了深刻的变化。
一般，光放大器都由增益介质、泵源、输入输出耦合结构组成。
根据增益介质的不同，目前主要有两类放大器，一类采用活性介质，如半导体材料和掺稀土元素的光纤。
掺稀土光放大器，是在光纤芯层中掺入极小浓度的稀土元素，如饵、谱或铥等离子制作出相应的掺饵、掺镨或掺铥光纤。
光纤中掺杂离子在受到泵浦光激励后跃迁到亚稳定的高激发态，在信号光诱导下，产生受激辐射，形成对信号光的相干放大。
主要有: 掺铒光纤放大器（EDFA－Erbium Doped Fiber Amplifier）、掺镨光纤放大器 (PDFA- Praseodymium Doped Fiber Amplifier) 和掺铥光纤放大器 (TDFA- Thulium Doped Fiber Amplifier) 等；另一类基于光纤的非线性效应，利用光纤的非线性实现对信号光放大的一种激光放大器。
当光纤中光功率密度达到一定阈值时，将产生受激喇曼散射(SRS- Stimulated Raman Scattering)或受激布里渊散射(SBS-Stimulated Brillouin Scattering)，形成对信号光的相干放大，如光纤喇曼放大器(FRA－Fiber Raman Amplifier)和光纤布里渊放大器(FBA- Fiber Brillouin Amplifier)。
本文仅对EDFA作相应的讨论。
一、铒离子的电子能级图----铒(E r)是一种稀土元素(属于镧系元素),原子序数是68,原子量为167.3。
掺铒光纤放大器
6.2 掺铒光纤放大器掺铒光纤放大器（EDFA）基本原理：铒离子吸收泵浦光的能量，实现粒子数反转分布，受激辐射产生与入射光子完全一样的光子。
EDFA的特点工作波长与光纤最小损耗波长窗口一致；对掺铒光纤进行激励所需要的泵浦光功率较低； 增益高、噪声低、输出功率高。
连接损耗低。
长度为10m~100m左右的掺铒光纤，铒离子的掺杂浓度一般为25mg/kg左右半导体激光器，输出功率为10~100mW，工作波长为0.98μm或1.48μm。
将信号光和泵浦光耦合在一起。
保证信号单向传输滤除噪声，提高信噪比EDFA 结构及工作原理铒离子能级分布泵浦能带快速非辐射衰变亚稳态能带5EDFA泵浦方式EDFA的内部按泵浦方式分，有三种基本的结构：即同向泵浦、反向泵浦和双向泵浦。
同向泵浦信号光与泵浦光以同一方向从掺铒光纤的输入端注入的结构，也称为前向泵浦。
反向泵浦信号光与泵浦光从两个不同方向注入进掺铒光纤的结构，也称后向泵浦。
双向泵浦同向泵浦和反向泵浦同时泵浦的结构。
不同泵浦方式性能差异（1）（2）（3）8EDFA性能参数1.功率增益2.输出功率特性3.噪声特性功率增益功率增益:输出功率与输入功率之比。
12输出功率噪声EDFA的主要噪声种类：①信号光的散粒噪声；②被放大的自发辐射光的散粒噪声；③自发辐射光谱与信号光之间的差拍噪声；④自发辐射光谱间的差拍噪声。
13EDFA的应用EDFA的基本应用：（1）延长中继距离；（2）与波分复用技术结合。
（3）与光孤子技术结合。
（4）与CATV等技术结合。
14。
简述光放大器的分类
简述光放大器的分类光放大器是一种能将输入的光信号放大的器件，常用于光通信、光传感和光储存等领域。
根据工作原理和材料特性的不同，光放大器可以分为几类。
一、掺铒光纤放大器掺铒光纤放大器（Erbium-Doped Fiber Amplifier，简称EDFA）是一种广泛应用于光通信系统的光放大器。
它是利用掺铒光纤中的铒离子实现光信号的放大。
当外界光信号通过掺铒光纤时，铒离子会吸收光信号的能量并将其转化为铒离子的激发态能级。
然后，光信号经过受激辐射的过程，产生与输入信号频率相同的放大信号。
掺铒光纤放大器具有较宽的放大带宽和较高的增益，适用于长距离、高速、大容量的光通信系统。
二、掺铒光纤拉曼放大器掺铒光纤拉曼放大器（Erbium-Doped Fiber Raman Amplifier，简称EDFRA）是一种利用拉曼散射效应实现光信号放大的器件。
它通过将输入的光信号与掺铒光纤中的光子相互作用，产生拉曼散射效应，从而实现光信号的放大。
掺铒光纤拉曼放大器具有宽波长范围和较低的噪声指数，适用于光通信系统中的波分复用和波分多址技术。
三、掺铥光纤放大器掺铥光纤放大器（Thulium-Doped Fiber Amplifier，简称TDFA）是一种利用掺铥光纤中的铥离子实现光信号放大的器件。
掺铥光纤放大器工作于1.45μm至1.6μm波长范围，适用于光通信系统的长距离传输和中远距离无线信号传输。
四、掺镱光纤放大器掺镱光纤放大器（Ytterbium-Doped Fiber Amplifier，简称YDFA）是一种利用掺镱光纤中的镱离子实现光信号放大的器件。
掺镱光纤放大器工作于1μm波长范围，具有高增益、高饱和输出功率和高效率的特点，适用于光通信系统中的光纤放大和激光器的增益模式锁定。
五、半导体光放大器半导体光放大器（Semiconductor Optical Amplifier，简称SOA）是一种利用半导体材料中的激子效应实现光信号放大的器件。
掺铒光纤放大器的原理
掺铒光纤放大器的原理宝子，今天咱们来唠唠一个超酷的东西——掺铒光纤放大器。
你可别一听这名字就觉得它是那种特别高深莫测、让人望而却步的玩意儿。
其实呀，它的原理就像一场超级有趣的小魔法呢。
咱先从光纤说起哈。
光纤就像是一条超级细长的小管道，光就在这个管道里跑来跑去的。
那你想啊，光在里面跑着跑着，可能就会变弱啦，就像人跑着跑着没力气了一样。
这时候呢，掺铒光纤放大器就闪亮登场啦。
这个掺铒光纤放大器里有个很关键的东西，就是铒元素。
铒元素就像是一群活力满满的小助手，被掺到光纤里面。
当光通过这个含有铒元素的光纤段的时候，就像是一群小蚂蚁遇到了一大堆美食。
铒元素呢，它们有特殊的本事，能够和光产生相互作用。
光其实是一种能量，有不同的频率和波长啥的。
铒元素就对特定频率的光特别感兴趣。
当这个特定频率的光过来的时候，铒元素就像个热情的接待员，它会吸收这个光的能量。
不过呢，铒元素可不是那种把能量吞了就不吐出来的小气鬼。
它吸收了能量之后呀，就像是给自己充满了电一样，然后又把能量以光的形式再释放出去，而且释放出来的光比原来进去的光还要强呢。
这就像是一个小魔法，把光变得更有力量啦。
你可以想象一下，光就像一群小绵羊，本来有点没精打采的，经过铒元素这个魔法草地，吃了魔法草，一下子就变得精神抖擞，而且数量还变多了呢。
这个过程其实是非常复杂又很奇妙的原子层面的反应哦。
铒原子内部的电子状态会发生改变，就像小绵羊从一个懒洋洋的状态变成了活力四射的状态。
而且呀，这个掺铒光纤放大器还有个很棒的特点。
它可以在比较长的距离上对光进行放大。
就好比一条长长的高速公路，沿途有很多这样的小魔法站，光在传输的过程中不断地被加强，这样就可以让光信号传输得更远更稳定啦。
这对于咱们现代的通信啥的可太重要了呢。
要是没有这个小宝贝，咱们的网络信号可能就传不了那么远，咱们就不能畅快地刷视频、聊微信啦。
再往深一点想哈，这个掺铒光纤放大器就像是光的一个超级贴心的小管家。
它知道光什么时候需要能量补充，然后就恰到好处地给光注入新的活力。
掺铒光纤放大器原理
掺铒光纤放大器原理
掺铒光纤放大器是一种利用掺铒光纤的放大效应来实现信号放大的器件。
其原理基于掺杂了铒元素的光纤，在外加激励光的作用下，铒离
子会被激发到高能级态，当它们回到基态时会发射出一定波长的光子，这些发射出来的光子与输入信号同频率，相位和方向一致，从而实现
了信号放大。
具体来说，当输入信号经过掺铒光纤时，其能量会被传递到铒离子上，并将其激发到高能级态。
在这个过程中，输入信号会被耗散掉一部分
能量。
然后，在高能级态上的铒离子会通过自发辐射或受外界光源激
励而返回到基态，并释放出与输入信号同频率、相位和方向一致的光子。
这些发射出来的光子将与输入信号叠加在一起，并在输出端产生
一个强化后的信号。
为了实现更好的放大效果，通常使用多段掺铒光纤来构成一个放大器。
每个段都有自己的泵浦激光器和光纤，以确保铒离子始终处于高能级态。
此外，掺铒光纤放大器还可以通过调节泵浦激光器的功率和波长
来控制放大器的增益和带宽。
总之，掺铒光纤放大器利用了掺杂了铒元素的光纤在外界激励下释放
出同频率、相位和方向一致的光子，从而实现了输入信号的放大。
它
具有高增益、低噪声、宽带宽等优点，在通信、传感、医疗等领域得到广泛应用。
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增益不平坦的成因
掺铒光纤的增益谱不平坦是造成EDFA增益不平坦的根本 原因。纤长L的掺铒光纤放大器增益为： G=exp{[g*n2-a(1-n2)]L} 其中n2是离子反转度，g是铒纤的增益系数，a是铒纤的 吸收系数。由于增益系数和吸收系数是波长的函数，因此 对不同波长的输入光，信号增益是不同的。
Timeline of milestones in optical amplifier development – 2
• 1970 Mass production of quality optical fiber perfected by Corning • 1987 Erbium-doped fibers simultaneously developed at University of Southampton and AT&T • 1989 First EDFA product introduced by Oki Electric • 1989 First SOA product introduced by BT&D Technologies (now Agilent) • 1999 First EDWAs products introduced by MOEC and Teem Photonics • 2001 Raman amplifiers begin wider application
EDFA-BA系列 EDFA-LA系列 EDFA-PA系列 EDFA-TV系列 EDFA-MW系列
通道数 EDFA 控制 形式 波长范围
EDFA-MD系列
EDFA-GW系列 EDFA-GC系列 EDFA-MC系列
客户类型
• 系统设备制造商
纯光模块、光电模块和整机
• 系统集成商
整机
• 系统运营商
整机
信 号 增 益 （ ）
dB 1525 1535 1545 1555 1565 输入信号波长（nm）
EDFA的主要特性－－2
输 出 （ 信 号 功 ） 率
15 10 5 -30 -20 -10 0 输入信号功率Pin（dBm）
dBm
Pout
EDFA的主要特性－－3
信 号 增 益 （ dB ） -30 -20 -10 0 输入信号功率Pin（dBm）
EDFA特点
• • • • • • • 工作在1550nm波长窗口，有效带宽>30nm 与光纤耦合非常容易； 高增益（小信号增益>40dB）； 高饱和输出功率（最大输出功率>27dBm）； 低噪声指数（噪声指数<4.0dB）； 与偏振不敏感； 与待放大光信号的速率无关、与信号数据格式无关。
EDFA的主要特性－－1
掺铒光纤放大器
目录
• • • • • 绪论 EDFA的基本原理和结构 EDFA的应用 市场和产品线 应用实例
绪论
• 世界光放大器的发展历史 • 光迅光放大器的发展历史 • 光放大器的种类和各自的特点
Timeline of milestones in optical amplifier development - 1
掺铒纤
泵浦激光器
耦合器 隔离器
PIN管
连接器
安全防护事项
激光辐射：由于从EDFA出来的是不可见光（1550波段）， 而且输出功率最大可到27dBm,切记不要肉眼直视或人体接 触EDFA的输出口，以免造成人体伤害。
ESD（静电防护）：EDFA内部集成了很多静电敏感器件， 如泵浦激光器，PIN管，电子元器件。在生产，运输和生 产时要注意ESD的防护。
铒离子的能级图
4F 9/2 4I 9/2 4I 11/2
800nm 980nm
4I 13/2
1.48mm Gain
N2
4I 15/2
N1
EDFA的基本结构
光输入端 Coupler ISO2 光输出端 FC/PC
FC/PC
ISO1
WDM
EDF
Coupler
PIN
PUMP-LD 控制单元
PIN
监控接口
EDFA系统应用
• • • • 单波长数字传输系统 模拟CATV系统 密集波分复用（DWDM）系统 接入网、城域网等其他1550nm窗口的通信系统
EDFA的基本应用
端站
TM
中继站
REG O－E－O中继
端站
TM
端站
端站
TM
EDFA
O－O中继
TM
单波长数字通信系统
Tx
BA
Rx
Tx
BA
LA
Rx
Tx
BA
谢谢大家!!!
DWDM系统波长范围划分
C-band Blue-band Red-band
L-band
1530
1540
1550
1560
1570
1580
1590
1600
增益平坦度
Gain (dB)
Gmax Delta G Gmin
Wavelength (nm)
Gain Flatness = Gmax - Gmin
40
EDFA的主要特性－－4
噪 声 指 数 （ dB ）
7.0
6.0
5.0
4.0 -40 -30 -20 -10 0 输入信号功率Pin（dBm）
EDFA性能参数
输入功率范围（output power range） 输出功率范围（input power range） 功率波长带宽（power wavelength band） 噪声指数（Noise Figure (NF)） 偏振相关增益（Polarization-Dependent Gain (PDG)） 反向ASE功率（reverse Amplified Spontaneous Emission(ASE) power level） 光回损（ Optical Return Loss(ORL)） 输入端泵浦泄漏（pump leakage input） 输出端泵浦泄漏（pump leakage output） 输入端最大允许回损（maximum ORL tolerable at input） 输出端最大允许回损（maximum ORL tolerable at output） 最大输出功率（maximum total output power） 小信号增益（small-signal gain）
EDFA的主要光学器件
• • • • • • • 掺铒光纤（EDF）：能量转换的介质。 泵浦激光器（Pump）：提供能量。 光电探测器（PIN）：把光信号转换成电信号。 波分复用器（WDM）：用于不同波长的信号合波或分波。 耦合器（Coupler）：用于分光做输入输出的功率监控。 隔离器（ISO）：抑制反向的ASE， 光纤连接器
• 1923 Spontaneous Raman scattering predicted by A. Smekal • 1928 Spontaneous Raman effect observed by C.V.Raman at University of Calcutta • 1953 First reference to optical amplification using semiconductor by Von Neumann • 1962 Stimulated Raman effect observed • 1962 Proposal for optical amplifier first published • 1964 Fiber amplifier first demonstrated by American Optical Company • 1970 First continuous operation of diode laser at room temperature, simultaneously published – AT&T and loffe institute, USSR
RX
EDFA
EDFA
ห้องสมุดไป่ตู้
EDFA
Power Amp
Line Amp
PreAmp
EDFA在DWDM系统中的应用
• EDFA的发展大大促进了DWDM系统的实用化 • ITU－T G.692规定的41个标准波长对应于EDFA的放大波长 区域 • DWDM系统对EDFA有新的要求：增益平坦和增益锁定 • EDFA在DWDM系统中的级联 • 最新试验表明EDFA可以同时放大100多个波长的信号
增益曲线和自泵浦效应
信号光在掺铒光纤中传播，短波长的增益会向长波 长转移。 对某一EDFA，输入光功率越大，自泵浦效应越明显； 泵浦功率越大，自泵浦效应越弱。
C-BAND L-BAND
Gain
Wavelength
增益不平坦的危害
• 在DWDM系统中，各信道增益的差别造成增益的不平坦性。 当EDFA在系统级联使用时，由于此不平坦性的积累，会使 增益较低信道的光信噪比迅速恶化，从而影响系统性能。 • 增益不平坦性造成接受端各信道功率差异，有可能超出接 收机工作范围。 • 增益不平坦性造成高增益信道发生非线形效应机会增加。
1565
增益平坦滤波器
薄膜滤波器 马赫—策恩德滤波器 声光可调滤波器（ATOF） 长周期光纤光栅（LPG） Chirped Fiber Grating Dynamic Gain Equalizer
GFF带来的问题
• 增益平坦滤波器是衰耗掉高增益波长区的一部分功率来求 得增益均衡，这样就降低了输出功率和增益。 • 额外的功率要用更大的泵浦激光器来产生，消耗更多的功 率。 • 使噪声指数受到影响。 • GFF的位置要兼顾增益和噪声指数，使EDFA的光学结构变 得更复杂。