掺铒光纤放大器EDFA学习剪辑

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1、掺铒光纤放大器EDFA学习剪辑张植俊 目录n原理n种类n参数指标n工艺原理首页原理为什么要进行光放大 光纤有一定的衰耗，光信号沿光纤传播将会衰减，传输距离受衰减的制约。因此，为了使信号传得更远，我们必须增强光信号。传统的增强光信号的方法传统的增强光信号的方法是使用再生器是使用再生器。但是，这种方法存在许多缺点，首先，再生器只能工作在确定的信号比特率和信号格式下，不同的比特率和信号格式需要不同的再生器；其次，每一个信道需要一个再生器，网络的成本很高。 随着光通信技术的发展，现在人们已经有了一种不采用再生器也可以增强光信号的方法，即光放大技术。有了光放大器后就可直接实现光信号放大，而不要像以前一样

2、进行转换。而不要像以前一样进行转换。光放大器的开发成功及其产业化是光纤通信技术中的光放大器一个非常重要的成果，它大大地促进了光复用技术、光孤子通信以及全光网络的发展。光复用技术、光孤子通信以及全光网络的发展。原理光放大器的种类1.半导体放大器（半导体放大器（SOASOA）l谐振式l行波式2.光纤放大器光纤放大器l 掺稀土元素光纤放大器掺稀土元素光纤放大器 （如EDFA、PDFA）l非线性光学放大器：非线性光学放大器：拉曼（FRA）放大器布里渊（SBA）光纤放大器取自 豆丁网原理通信系统中的光放大器 光纤的工作波长有短波长0.85m、长波长1.31m和1.55m光纤损耗一般是随波长加长而减小，0

3、.85m的损耗2.5dB/km,1.31m的损耗为0.35dB/km，1.55m1.55m的损的损耗耗0.20dB/km0.20dB/km，这是光纤的最低损耗，这是光纤的最低损耗 （掺铒光纤放大器）的工作波长在范围，所以在光纤通信中EDFA 是现在应用最广泛的光放大器，它的出现极大地推动了波分复用技术的发展。取自计算机网络原理为什么要用掺铒光纤放大器工作频带正处于光纤损耗最低处(1525-1565nm)；频带宽，可以对多路信号同时放大-波分复用；对数据率/格式透明，系统升级成本低；增益高(40dB)、输出功率大(30dBm)、噪声低(45dB)；全光纤结构，与光纤系统兼容；增益与信号偏振态无关

4、，故稳定性好；所需的泵浦功率低(数十毫瓦)。1、掺铒光纤(EDF)2. 光耦合器(WDM)3. 光隔离器(ISO)4. 光滤波器(Optical Filter)5. 泵浦源(PumPing Supply)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原理EDFA 结构原理掺铒光纤放大器的基本结构原理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。 EDF 是放大器的主体，纤芯中掺有铒元素（Er）。掺有Er3+的石英光 纤具有激光增益特性，铒光纤的光谱性质主要由铒离子铒离子和光纤基质光纤基质决定，铒离子起主导作用，掺Er3+浓度及在

5、纤芯中的分布等对EDFA 的特性有很大影响。 为了在放大带宽内的增益平坦为了在放大带宽内的增益平坦，在EDF 中掺入适量的铝元素，使铒离子在EDF 中分布更均匀，从而获得平坦的宽带增益谱。原理EDF掺铒光纤原理铒纤吸收谱原理泵浦波长泵浦波长可以是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。原理通信窗口和铒离子铒离子的增益谱与光纤传输最低损耗窗口重合。GainAbsorption原理三能级系统 v.s. 二能级系统 980 nm1480 nm1530-1560 nm 1 s =11 ms4I15/24I13/24I11/2非辐

6、射跃迁非辐射跃迁01234514501500155016001650Wavelength (nm)Emission/Absorption (dB/m)EmissionAbsorption1480 nm1530-1560 nm980 nm 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: 二能二能级系统比较精确级系统比较精确泵浦波长可以是520、650、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。原理EDFA中的Er3+能级结构 三能级系

7、统：三能级系统：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 激发态激发态原理EDF掺铒光纤原理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。光耦合器有合波信号光与泵浦光的作用，也称光合波器和波分复用器。是EDFA必不可少的组成部分，它将绝大多数的信号光与泵浦光合路于EDF 中。主要有两种形式：980nm/1550nm 或1480nm/1550nm，一般为光纤熔锥型。要求在上述波长附近插入损耗都小，耦合效率高，耦合频带具有

8、一定的宽度且耦合效率平坦，对偏振不敏感稳定性好！原理光耦合器光隔离器是一种单向光传输器件，对对EDFA EDFA 工作稳定性至关重要工作稳定性至关重要。通常光反射会干扰器件的正常输出，产生诸如强度涨落、频率漂移和噪声增加等不利影响。提高EDFA 稳定性的最有效的方法是进行光隔离。在输入端在输入端加光隔离器消除因放大的自发辐射反向传播可能引起的干扰，输出端输出端保护器件免受来自下段可能的逆向反射。同时输入和输出端插入光隔离器也为了防止连接点上反射引起激光振荡，抑制光路中的反射光返回光源侧，从而既保护了光源又使系统工作稳定。要求隔离度在40dB 以上，插入损耗低，与偏振无关。详细介绍参见学习笔记0

9、4 光隔离器输出端输入端图片 EDFA 原理及特性专题原理光隔离器光滤波器消除被放大的自发辐射光以降低放大器的噪声，提高系统的信噪比（SNR）。一般多采用多层介质膜型带通滤波器，要求通带窄，在1nm 以下。目前应用的光滤波器的带宽为13nm。此外，滤波器的中心波长应与信号光波长一致，并且插入损耗要小。图片 EDFA 原理及特性专题原理光滤波器泵浦源为信号放大提供能量，即实现粒子数反转分布。根据掺铒光纤(EDF)的吸收光谱特性，可以采用不同波长的激光器作为泵源，如：Ar2+激光器（514nm）、倍频YAG（532 nm）、染料激光（665nm）及半导体激光器（807nm、980nm、1480nm

10、）。但由于在807 nm 及小于807 nm 波长处存在强烈的激发态吸收（ESA），泵浦效率较低。若用665nm、514nm 的染料和Ar+激光器泵浦得到25dB以上的增益，需要的入纤泵浦功率大于100mw，且Ar+激光器体积大难以实用化。目前980 nm 和1480 nm 的LD 已商品化，不存在激发态吸收，泵浦效率较高，所以一般采用980nm 和1480nm 的半导体激光器作泵源。图片 EDFA 原理及特性专题原理泵浦源原理三种泵浦方式的EDFALD2WDM2EDFAPCAPCinoutLD1WDM1LDWDMEDFAPCAPCin outLDWDMEDFAPCAPCin out同向泵浦(

11、前向泵浦)型：好的噪声性能反向泵浦(后向泵浦)型：输出信号功率高双向泵浦型：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原理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 025502mW4mW原理 EDFA 输出功率 vs. 增益111213141516272931333537394143EDFA Gain dBEDFA output Power dBm原理 Giles模型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 假定假定单极单极 EDFA二能级系统速