掺铒光纤放大器及其应用

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Ⅲ. EDFA的特性参数
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增益 G（dB） 输出信号功率与输入信号功率的比值
G(dB) 10log10
60 铒纤长度 m 增益 dB 50 40 40 30 20 20 50
Ps ,out Ps ,in
10
10
20
30
增益 dB
• 增益平坦 • 增益系数 • 增益饱和
40
L=20m
20 L=5m
0 5
10 泵浦功率 mW
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Ⅴ. EDFA理论模型-Giles模型
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Simplified EDFA Model: Giles模型
假定
– 两能级系统 – 均匀展宽 – ASE 噪声可忽略 – 忽略激发态吸收 – 沿光纤功率变化速度慢 – 铒离子限制得好
光纤 接收器
•Booster amplifier
后置放大器（BA）：放在光发 射机后，以提高发射光功率， 对其噪声要求不高，饱和输出 功率是主要参数。
接收器
•Pre-amplifier
前置放大器（PA）：放在光接 收机之前，放大微弱的光信号 ，以改善光接收灵敏度，对噪 声要求苛刻。
EDFA
接收器
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Ⅵ. EDFA扩展
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掺铒光纤放大器
EDFA的主要优点有： • 工作波长正好落在光纤通信最佳波段(1500～1600 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，约为30～40 dB; 饱和输出光功率大， 约为10～15 dBm； 增益特 性与光偏振状态无关。
泵浦功率 mW
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增益带宽（nm）工作带宽，平坦增益带宽
Gain (dB)
40
P Input: -30 dBm
30
-20 dBm -10 dBm
20
10 1520
-5 dBm
1540
1560
1580
输出功率（mW 或 dBm）饱和输出功率，最大输出功率
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Absorption
Gain
自然界给光通信的礼物:铒离子的增益谱与光 纤传输最低损耗窗口重合。
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主要内容
I. II. III. IV. V. VI.
EDFA的基本理论基础 EDFA基本结构 EDFA的特性参数 EDFA的理论模型 EDFA扩展 EDFA设计软件Optiwave的应用
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掺铒光纤放大器的三种应用方式
• In line amplifier
中继放大器（LA）：在光纤线 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 输距离。
光纤 发射器 EDFA EDFA 在线放大器 光纤 发射器 EDFA 功率放大器 光纤 发射器 前置放大器
引入光纤吸收系数和发射系数：
k ak
2
i r , n r, , z rdrd
k t 0 0
g *k ek ik r , nt r , , z rdrd
0 0
2
2
定义：粒子数沿截面平均
ni z
n r, , z rdrd
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： NF 10 log10
10 log10 10 log10
SNRin SNRout
2nsp h G 1 ase hG ase Pase hG ase
当泵浦充分 nsp 1 ，且G>>1时，噪声系数达到极限 3dB.
其中，定义饱和参数
2 beff nt /
和饱和光强的关系：
Pksat k g *k / h k
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掺铒光纤放大器的基本理论模型(4)
增益：
L n2 n1 dz G exp g * n n t t 0
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I. 掺铒光纤放大器理论基础
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光为什么会放大？
• • • 电子轨道 电子能级 跃迁 辐射跃迁（发光） 非辐射跃迁（不发光） • • • • 受激吸收（光泵浦） 受激辐射（光放大） 自发辐射（产生噪声） 获得光放大的基本条件：粒子数反转
AOC China
Advanced Optical Communication
Erbium Doped Fiber Amplifier (EDFA) and Its Applications for WDM Optical Networks
Jessica Zhao MFG.Dept.
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上能级的粒子数比下能级的多
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三种能级跃迁方式
受激吸收
受激吸收后
E2
hv E1
E2
E1
受激发射
受激发射后
E2 hv
E2 hv E1 hv
自发辐射
自发辐射后
E2
E2
hv
E1
E1
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粒子数反转
高 能 级
激发态
低 能 级
基态
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i 0 0 2 beff
2
交迭积分
k ,i z
i r, n r, , z rdrd
k i 0 0
ni
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掺铒光纤放大器的基本理论模型(3)
速率方程和传输方程变为：
P z k n1 P z g *k n 2 n 2 d n2 k k dt h h k k k k
4I
0 1450
1480 nm
1500 1550
Wavelength (nm)
1600
1650
1530-1560 nm
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980 nm 泵浦: 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。
4I
15/2
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Ⅱ. EDFA 的基本结构
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四能级系统
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铒纤吸收谱
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铒离子能级示意图
• • 泵浦波长可以是514、679、800、980、1480nm 波长短于980nm的泵浦效率低，因而通常采用980和1480nm泵浦。
快速非辐射跃迁
同时产生自发辐射噪声 (ASE)
传输方程：
dP k uk ek ik r , n2 r , , z rdrd Pk z m h k k uk ak dz 0 0
2
2
i r, n r, , z rdrd P z
k 1 k 0 0
• 噪声指数小， 一般为4～7 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，在1550 nm窗口，频带宽度为20～40 nm， 可进行多信道传输， 有利于增加传输容量。
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EDFA也有固有的缺点： (1) 波长固定，只能放大1.55μm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 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WDM系统中需要采用特 殊的手段来进行增益谱补偿。
in
APC WDM
浦(后向泵浦)型： 输出信号功率高
APC
in
APC
WDM
out
LD1
EDF
LD2
in
APC
WDM1
WDM2
APC
out
双向泵浦型：输出信号 功率比单泵浦源高3dB， 且放大特性与信号传输 方向无关
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多级泵浦
Er3+ Doped Fiber
dP n2 n2 k uk k g *k Pk z uk g *k m h k k uk k lk Pk z dz nt nt
在稳态情况下：
Pk z k h k n2 k n t 1 Pk z k g *k h k k
40
50
60
70
80
90
100
泵浦功率 mW
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噪声系数NF（dB） 输入信噪比与输出信噪比的比值
SNRin NF (dB) 10log10 SNR out
8 噪声系数 dB Długość włókna m 7 6 5 4 3 2 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 30 75 60
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Er Doped Fiber Amplifier，EDFA
• 在 EDFA的应用中，需要解决两个问题。
– 增益的平坦化，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。 – 增益的自动控制，当光纤中信道数由于故障等原因突然减 少时，光放大器的增益会突然增加，形成“浪涌”，使信 号强度突然提高，接收机码元判决时会出现错误。