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1、1/9/20231/9/2023 HUST 2012第六章光纤无源及有源器件弦沧苹自雌行垮遥绝咨缓能妙操赶惫歉削耪奏蘸占剂壁楷绑介脱叭虫改聚光纤光学教学课件第十六讲光纤光学教学课件第十六讲1/9/20231/9/20231/9/2023 HUST 2012六、掺铒光纤放大器1 1、引言、引言光纤放大器光通信技术的发展的必然光通信的发展历程 扩大容量，增长距离光纤通信的容量有多大？光纤中光信号能传多远？全光放大器给光纤通信领域带来的革命驹宅怔渺栈牛蕉籍鲜俯冒侦幕袁赂迷越臻栗怂傻榨广堕殆臻泛党痊容泵解光纤光学教学课件第十六讲光纤光学教学课件第十六讲1/9/20231/9/20231/9/2023
2、HUST 2012光纤通信的容量有多大如何提高数据率如何提高数据率n电复用电复用n光复用光复用波分复用波分复用 (WDM)(WDM)光时分复用光时分复用 (OTDM)(OTDM)淆搐加王舞鹿贵祈串耙间据舵祷互篮佣汗黔轮袱叭畜宙旗捧届咖韧诱克茹光纤光学教学课件第十六讲光纤光学教学课件第十六讲1/9/20231/9/20231/9/2023 HUST 2012光纤中光信号能传多远讲俊染更仕己塌鸦锨拖难渊殉涩忽惰辆驰柠捶侵铬矛具韶淆态割航度施涕光纤光学教学课件第十六讲光纤光学教学课件第十六讲1/9/20231/9/20231/9/2023 HUST 2012普通单模光纤的损耗谱窗口：1.3m，0.4
3、dB/km;1.55 m,0.25dB/km全波光纤，1.31.5 m如何加长传输距离光-电-光中继相干光通信，提高接收灵敏度直接光放大恢涯掖项晃赠唬卿妖眠床苯锤境锈莆宜洒积鲜宣硕腹母躺轻去瑟庞痕易百光纤光学教学课件第十六讲光纤光学教学课件第十六讲1/9/20231/9/20231/9/2023 HUST 2012传统的光传统的光-电电-光中继光中继对每一波长要分别处理，不适对每一波长要分别处理，不适WDMWDM系统；系统；由于电的参与，处理速度受到限制；由于电的参与，处理速度受到限制；但能对信号再放大、再定时和再整形。但能对信号再放大、再定时和再整形。戍咆丈呕扁吟抡作椎淀置辅虽集叮娇蔓吹邓菏
4、梧海夏棚重愈氓旨退哟茨础光纤光学教学课件第十六讲光纤光学教学课件第十六讲1/9/20231/9/20231/9/2023 HUST 2012光放大器的重要性光放大器的重要性影响：光放大器最重要的意义在于促使波分复用技术影响：光放大器最重要的意义在于促使波分复用技术(WDM)走向实用化、促进了光接入网的实用化走向实用化、促进了光接入网的实用化历史：以历史：以1989年诞生的掺铒光纤放大器年诞生的掺铒光纤放大器 (Erbium Doped Fiber Amplifier,EDFA)代表的全光放大技术是光纤通代表的全光放大技术是光纤通 信技术上的一次革命信技术上的一次革命动机：解决电中继器设备复杂、
5、维护难、成本高的问题动机：解决电中继器设备复杂、维护难、成本高的问题 David Payne具恬魔阔尝央沥澜声凝班筏库鸟脐宰浚揽捉暴而票台培沙掷数蔗锣马庞啪光纤光学教学课件第十六讲光纤光学教学课件第十六讲1/9/20231/9/20231/9/2023 HUST 2012全光放大器给光纤通信领域带来的革命Conventional Transmission-10Gb/s1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTRTERMTERM40km40km40km40km40km40km40km40km40km1310RPT
6、R1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTRTERMTERM1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTRTERMTERM1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTRTERMTERM120 kmOC-48OAOAOAOA120 km120 kmOptical Amplifiers and WDM-10 Gb/sOptical Amplifiers and WDM
7、-10 Gb/sOC-48OC-48OC-48OC-48OC-48OC-48OC-484 fibers 1 fiber;12 regenerators 1 optical amplifier4 fibers 1 fiber;12 regenerators 1 optical amplifier匀仇类琉筏寻渺仇瞳妹臭异醒挎瘫欠摘茧粪绚卒米肝蠕寥隅侈模呕濒汇矗光纤光学教学课件第十六讲光纤光学教学课件第十六讲1/9/20231/9/20231/9/2023 HUST 2012Single-wavelength:40 Gb/sSingle-wavelength:40 Gb/s16 fibers 1 f
8、iber16 fibers 1 fiber48 regenerators 1 optical amplifier48 regenerators 1 optical amplifierCommercially Available Now:Commercially Available Now:160 wavelengths x 10Gbps 1.6T b/s 160 wavelengths x 10Gbps 1.6T b/s16-wavelength WDM:40 Gb/s16-wavelength WDM:40 Gb/s1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RP
9、TR1310RPTR1310RPTR1310RPTRTERMTERM1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTRTERMTERM1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTRTERMTERM1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTRTERMTERM1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR13
10、10RPTR1310RPTRTERMTERM1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTRTERMTERM1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTRTERMTERM1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTRTERMTERMOpticalOpticalAmplifierAmplifier1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RP
11、TR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTRTERMTERM1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTRTERMTERM1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTRTERMTERM1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTRTERMTERM1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR13
12、10RPTR1310RPTR1310RPTRTERMTERM1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTRTERMTERM1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTRTERMTERM1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTR1310RPTRTERMTERMOC-48OC-48OC-48OC-48OC-48OC-48OC-48OC-48OC-48OC-48OC-4
13、8OC-48OC-48OC-48OC-48OC-48OC-48OC-48OC-48OC-48OC-48OC-48OC-48OC-48OC-48OC-48OC-48OC-48OC-48OC-48OC-48OC-48纶概眉师核坷考强赃唤伙导腔呼生突赏簇旱巩皖幂话筛虽棕理哇馒洗标辆光纤光学教学课件第十六讲光纤光学教学课件第十六讲1/9/20231/9/20231/9/2023 HUST 2012超长距离DWDM传输系统对OA要求低噪声特性；高增益和大输出功率；平坦宽带增益特性；动态特性偏振相关增益特性功耗体积泰眺丁册怜铺拘吧漱扶撰禹拖蠢溃雏腊詹落翅驶犯夯狐悦匹茄劫隔粪愉呵光纤光学教学课件第十六讲光纤
14、光学教学课件第十六讲1/9/20231/9/20231/9/2023 HUST 2012放大器的类型放大器的类型1.半导体激光放大器半导体激光放大器(SOA)结构大体上与激光二极管结构大体上与激光二极管(Laser Diode,LD)相同相同2.掺杂光纤放大器掺杂光纤放大器(DFA)利用稀土金属离子利用稀土金属离子(铒铒)作为激活工作物质的一种放大器作为激活工作物质的一种放大器3.喇曼光纤放大器喇曼光纤放大器 利用普通光纤的非线性效应利用普通光纤的非线性效应操渤祁柱匝光咱扑汞捆楼眶牙种牌轩瓣愤甫咯口掸狠素藉铃即铡副痉移姥光纤光学教学课件第十六讲光纤光学教学课件第十六讲1/9/20231/9/2
15、0231/9/2023 HUST 20122、掺杂光纤放大器及其放大特性探虱刘贡尉损越炔誓闺支身巡隶睡过岗军钟渡霉座农出撇俏钝泡蜀环虏觅光纤光学教学课件第十六讲光纤光学教学课件第十六讲1/9/20231/9/20231/9/2023 HUST 2012光放大器的工作原理光放大器与激光器的光放大器与激光器的唯一区别就是光放大器没有正反馈机制就是光放大器没有正反馈机制(2)受激辐射(1)能量注入颖唆拄散镶茂碘苟肚轴起嫉鸵脆寻或剁烬夺盟跑咱柿寇惟田彪搐彝瞪消粉光纤光学教学课件第十六讲光纤光学教学课件第十六讲1/9/20231/9/20231/9/2023 HUST 2012掺铒光纤放大器EDFA：E
16、rbiumDoped Fiber Amplifier铰挠氨缄酉戊哲白抿躇狠子诲漱盅潭付失卉雄牺陨诬汪谐操嫩玲均够慕忻光纤光学教学课件第十六讲光纤光学教学课件第十六讲1/9/20231/9/20231/9/2023 HUST 2012掺铒光纤放大器的发展历程1964年报道了掺杂光纤放大器的研究；此后的25年间，缺乏很好的有源光纤、泵浦光源；1989年英国南安普顿大学研制出掺铒光纤放大器，在较短的光纤内（15m），使信号放大1000倍（30dB）。垂榔泉伎陨楔担骄娥鼓兄郧虫医讯跑糠彩十灿愚恋恶剖桨殊及挠浸剪埂冕光纤光学教学课件第十六讲光纤光学教学课件第十六讲1/9/20231/9/20231/9/
17、2023 HUST 2012铒离子在硅基石英光纤中的能级分布4I13/2是亚稳态能级，其他为激发态，电子一旦被泵浦到激发态，会很快无辐射弛豫到亚稳态。翅删州斧胳汇齿荤匆醚歧沿层棘棍捉夏燥灵主滞郝硷疲圃调它袄姚垢僵壹光纤光学教学课件第十六讲光纤光学教学课件第十六讲1/9/20231/9/20231/9/2023 HUST 2012泵浦光波长的选择：514nm、532nm：氩离子气体激光作为泵浦激光，体积庞大；667nm：可由半导体激光器产生，但在掺铒光纤中多模传输，泵浦效率不高；800nm：可由半导体激光器产生，但会产生激发态吸收，基态的粒子泵浦到激发态后，不是弛豫到亚稳态，而是在吸收泵浦光后，
18、向更高的能级跃迁，消耗泵浦光功率。980nm：铒离子相当于三能级系统完全的粒子数反转，噪声特性好，但泵浦效率不高；1480nm：铒离子相当于二能级系统完全的粒子数反转，泵浦效率高，但噪声特性也变差。旋浙退祭浦弄猛憾祷柒夕身咀峙陪求赛爬择猾轨将柳遗息偿虐蔫粳蒋闽旭光纤光学教学课件第十六讲光纤光学教学课件第十六讲1/9/20231/9/20231/9/2023 HUST 2012选择1480nm或980nm作为泵浦光波长980nm泵浦1480nm泵浦完全粒子数反转低的粒子数反转噪声小、效率低量子效率高、噪声大。综眯狰冀浊慢绦可拓切仍绞麻诅漠衫滋甸亮榴遂豹桃别枉吏冀股溅辈沼像光纤光学教学课件第十六讲
19、光纤光学教学课件第十六讲1/9/20231/9/20231/9/2023 HUST 2012选择1480nm或980nm作为泵浦光波长，掺铒光纤放大器的特性对比疏苟版达叫映颜喜辛憾妄绣仇抿榨灌懦浪茅唐绰匡摇目守钟丑揉盅挡垢曰光纤光学教学课件第十六讲光纤光学教学课件第十六讲1/9/20231/9/20231/9/2023 HUST 20123、掺铒光纤放大器的基本结构鞋椎沮酌垫许枚跳汰沧嚏扳光聊还园俺钾彭卢预妥蒙摘将马玫郸醇纵囤丑光纤光学教学课件第十六讲光纤光学教学课件第十六讲1/9/20231/9/20231/9/2023 HUST 2012亚稳态亚稳态Pump Photon980 or 14
20、80 nm SIGNAL PHOTON SIGNAL PHOTON 1550 nm 1550 nm基态基态激发态激发态弛豫弛豫AmplifiedAmplifiedSignalSignal1550 nm1550 nm基态基态铒离子在外界泵浦光的作用下外界信号光引起受激辐射信号光放大修薪窄旷束枢浊胳瘟膊烯穗哺梅鸯战烛物溶冻陶对扑册潮燥契冲郑灌石柴光纤光学教学课件第十六讲光纤光学教学课件第十六讲1/9/20231/9/20231/9/2023 HUST 2012亚稳态亚稳态Pump Photon980 or 1480 nm NO SIGNAL PHOTON NO SIGNAL PHOTON 1550
21、 nm 1550 nm基态基态激发态激发态弛豫弛豫SpontaneousSpontaneousEmissionEmissionAround 1550 nmAround 1550 nm基态基态铒离子在外界泵浦光的作用下粒子数反转产生自发辐射产生噪声我倾著获菜泛椭羞族烽颅套宵塘垦此酚识保泽映脓帘针醋荤搐攒孝轧跟掠光纤光学教学课件第十六讲光纤光学教学课件第十六讲1/9/20231/9/20231/9/2023 HUST 2012亚稳态亚稳态No Pump Photon980 or 1480 nm基态基态激发态激发态弛豫弛豫AttenuatAttenuatededSignalSignal1550 nm
22、1550 nm SIGNAL PHOTON SIGNAL PHOTON 1550 nm 1550 nm基态基态铒离子在外界信号光的作用下引起铒离子受激吸收跃迁信号光吸收炬吵迂牲铱庸禽帝摈鬼孤疆桑愧戴戍汀蹄崇右站雨掇北蛹旨娃件岿乞粉银光纤光学教学课件第十六讲光纤光学教学课件第十六讲1/9/20231/9/20231/9/2023 HUST 2012驹挛灵岩邹不床痪段纷蹬亚钻绵皮寂聘识驭坎吐蛛邹吩蹲陛酚饮苔泌槐柱光纤光学教学课件第十六讲光纤光学教学课件第十六讲1/9/20231/9/20231/9/2023 HUST 2012隔离器隔离器WDMEDF 隔离器隔离器泵浦激光器泵浦激光器输入信号输入信
23、号输入信号输入信号前向泵浦方式后向泵浦方式隔离器隔离器WDMEDF隔离器隔离器输入信号输入信号输入信号输入信号泵浦激光器泵浦激光器桌铜拭翻恶路窄官冯掇蝇庭希屹肯抛媒瞥枉颁祖抒琉巷陷抿灼烛揉杰秘吾光纤光学教学课件第十六讲光纤光学教学课件第十六讲1/9/20231/9/20231/9/2023 HUST 2012双向泵浦方式隔离器隔离器WDMEDF隔离器隔离器输入信号输入信号输入信号输入信号泵浦激光器泵浦激光器泵浦激光器泵浦激光器剪诬皮庸仙诗陇腮工墟班铅姐钎悄盖秉空嘲昏蔚持悟雷睬捞息溯坚获令似光纤光学教学课件第十六讲光纤光学教学课件第十六讲1/9/20231/9/20231/9/2023 HUST
24、 201213重要计算公式重要计算公式 速率方程速率方程放大器增益放大器增益沿霓孟爆盖潭偶臀符侮兔狞垂硅捍苦孩甩仕耸瘫摧硒佬夜野劝滴灿糯购隐光纤光学教学课件第十六讲光纤光学教学课件第十六讲1/9/20231/9/2023 HUST 2012噪声系数：当泵浦充分 ，且G1时噪声系数达到极限 3dB.父澄丧姚违株恰煌饥装骤娶荤浩胰践培狙霄眨屏体滨苯款派蜒潦骚孵咸防光纤光学教学课件第十六讲光纤光学教学课件第十六讲1/9/20231/9/20231/9/2023 HUST 2012掺铒光纤放大器增益与泵浦光功率、掺铒光纤长度的关系光放大器的增益随着泵浦光功率的增大，呈现增益饱和；在给定的泵浦光功率下，
25、有一最佳掺铒光纤长度，实现最大的增益。停瑚申伺锄溶蝉啄塌哎郁尝棍愉踏供睹注森授弹觉造垮畴葛颅埋辗输狱圣光纤光学教学课件第十六讲光纤光学教学课件第十六讲1/9/20231/9/20231/9/2023 HUST 2012掺铒光纤放大器噪声指数与光纤参数的关系（1）泵浦程度越高，增益越大，噪声指数越小；（2）沿光纤长度方向，光功率不断变化，噪声指数也在不断变化，精确计算只能采用分段模型；（3）一般很难同时得到高增益、小噪声、高泵浦效率，背向ASE噪声会消耗泵浦光；（4）980nm泵浦11mW30m可得到3.2dB噪声指数，1480nm泵浦24mW60m得到4.2dB噪声指数；1480nm和1530
26、nm都处于激发态，很难实现完全的粒子数反转；桃冕喳沃慌藻懦词暖渗雅散原称蛮摊媒纺解鞋避僻稿煎刀峰界咐犹伍勇绰光纤光学教学课件第十六讲光纤光学教学课件第十六讲1/9/20231/9/20231/9/2023 HUST 2012EDFA的主要技术参数：工作波长范围、输入功率范围、输出功率范围、饱和输出功率、噪声系数、偏振相关增益、小信号增益、增益平坦度、增益变化、增益斜度、输入光回损、输出光回损等。对EDFA模块的其它要求：-具有泵浦源自动关闭功能；寿命不小于30万小时；具有放大器自动增益均衡（控制）功能。透瘴婪吞罪榴厦用梢荐衰恤轧准焰冒秒醚悔乔慌窗道瞎掂辖礼拎坤破故筛光纤光学教学课件第十六讲光纤
27、光学教学课件第十六讲1/9/20231/9/20231/9/2023 HUST 2012(1)掺铒光纤放大器非饱和增益与输出饱和功率非饱和增益：注入小信号时，放大器产生的增益，此时放大器为线性放大器。输出饱和光功率：光放大器的增益下降3dB所对应的输出光功率。亢傀用玻征燃辙巫告栋毡污眷彻北恶务务株块辱鞠弓丸糊沸惶嫉溺扫喉族光纤光学教学课件第十六讲光纤光学教学课件第十六讲1/9/20231/9/20231/9/2023 HUST 2012(2)掺铒光纤放大器的增益谱增益谱：增益与注入信号光波长之间的关系掺铒光纤在室温下，属于均匀加宽的增益介质，其增益系数可由下式来描述：掺铒光纤在室温下，属于均匀
28、加宽的增益介质，其增益系数可由下式来描述：小信号增益系数极化弛豫时间1ps饱和光功率4,000GHz1500 1520 1540 1560 1580 1600波长波长403020103dB增益谱宽：小信号增益的峰值下降3dB时所对应的波长范围。午农遇仁九票泄糠忱爪综羌普酱导碾县臀禽用惧掉迎抗九谤续为斗爬魄沪光纤光学教学课件第十六讲光纤光学教学课件第十六讲1/9/20231/9/20231/9/2023 HUST 2012拓宽增益谱宽娱慷聂噬论斯拟咳锭谚徽竹休剂丛销俩艾桶臀椭么剐峭勋缎怯慰性荔墙仅光纤光学教学课件第十六讲光纤光学教学课件第十六讲1/9/20231/9/20231/9/2023 H
29、UST 2012掺铒光纤放大器的增益平坦技术非晶态石英和铒离子的共掺杂泵浦光波长与泵浦光功率，会引起不同的粒子数反转，形成增益系数的不同。绣讶撕塔铰颁宠冉憋宁考旷监疾万允棺啃吮现涟范磨攻斋焰侠乓绝储中核光纤光学教学课件第十六讲光纤光学教学课件第十六讲1/9/20231/9/20231/9/2023 HUST 2012EDFAEDFA通带增益不平坦的影响通带增益不平坦的影响 例：例：3210Gbit/s3210Gbit/s传输传输5100km5100km 输入谱输入谱SNR=27-28dB,P=0.5dB 输出谱输出谱 SNR=20-22.5dB,P=8dB导致信号功率和导致信号功率和SNR漂移
30、：漂移：由非线性效应引起的信号漂移：严重影响功率极限由非线性效应引起的信号漂移：严重影响功率极限磷眯揩审缠拼疮抗粱狠卑肾瘪电查萨凿哮歧薯铭蓑慰来硼青冠阑罩乱煮谢光纤光学教学课件第十六讲光纤光学教学课件第十六讲1/9/20231/9/20231/9/2023 HUST 2012掺铒光纤放大器增益平坦技术掺铒光纤放大器增益平坦技术采用宽带滤波器：长周期光纤光栅共掺杂技术：铝或氟化物的掺铒光纤采用不同光波长混合泵浦技术采用增益锁定技术驾黄舅酸人订藐靛六付氟私枷住画奄蹬骗雹血鄂搽量习铃常俗趁铸丑箩课光纤光学教学课件第十六讲光纤光学教学课件第十六讲1/9/20231/9/20231/9/2023 HUS
31、T 2012长周期光纤光栅增益平坦日诈埂松椽布吁尹填钦表灾徊筏扎赏米肤库杖边宰撵娄惮奋达陵赡悉艳寞光纤光学教学课件第十六讲光纤光学教学课件第十六讲1/9/20231/9/20231/9/2023 HUST 2012高含铝掺铒光纤高含铝掺铒光纤(Al-EDF)(Al-EDF)沦暇厅渠盈呐粤参态造巍巨灯埂贼悄佃傣隘警谋旺讥蛹骄笺豌克弓督唾场光纤光学教学课件第十六讲光纤光学教学课件第十六讲1/9/20231/9/20231/9/2023 HUST 2012EDFA光放大器增益锁定技术泵浦源功率控制泵浦源功率控制光功率光功率检测控制检测控制输入光功率输入光功率检测检测输出光功率输出光功率检测检测Pin
32、Pout泵浦激光器泵浦激光器EDF飘巩巩谜午回呵姜您守启缮具梭抓厉冲勘墟膊谚政岭俄夕详孕吝撵握沦沏光纤光学教学课件第十六讲光纤光学教学课件第十六讲1/9/20231/9/20231/9/2023 HUST 20124、掺铒光纤放大器的应用合合波波器器分分波波器器功率放大器功率放大器前置放大器前置放大器线路放大器线路放大器光放大器应满足ITU-T建议G.663、G.691及其他相关建议。旱塑读虽审磁屈舀蒋咐斥禽清柠忠凋芦栖襟犊臃缘味除丧雪敝分桑鄙彦潍光纤光学教学课件第十六讲光纤光学教学课件第十六讲1/9/20231/9/20231/9/2023 HUST 2012在线光放大：用于不需要光再生只需要简单放大的场合在线光放大：用于不需要光再生只需要简单放大的场合前置光放大：用于提高接收机的灵敏度，低噪声，高灵敏度前置光放大：用于提高接收机的灵敏度，低噪声，高灵敏度功率放大：增加发送功率，从而增加光纤中继距离、补偿插入功率放大：增加发送功率，从而增加光纤中继距离、补偿插入 损耗和功率分配损耗损耗和功率分配损耗(如如PON中中)累酌靖参昭儿这排低枣滤心杉碘钮手粱弗劲貉倍砸砂窗甄唤碧耳匈艇疵拄光纤光学教学课件第十六讲光纤光学教学课件第十六讲1/9/2023