第六章光放大技术

第六章光放大技术SchoolofScience,GDOU·Fiber-opticCommunication22020/1/18§6-1概述；§6-2EDF的结构与EDFA工作原理；§6-3EDFA的特性；§6-4EDFA在光纤通信系统中的应用以及大功率化；本章思考题。第六章的主要内容SchoolofScience,GDOU·Fiber-opticCommunication32020/1/18§6-1概述一、O/E/O中继和光放大技术光纤通信线路的最大中继距离受光纤的损耗和色散影响，它们都是随传输距离的增加不断累积，损耗的累积导致信号幅度（脉冲幅度）减小，Pmin影响传输质量。→系统设计：损耗、色散预算。光放大器的出现，可视为光纤通信发展史上的重要里程碑。光放大器出现之前，光纤通信的中继器采用光－电－光(O-E-O)变换方式。装置复杂、耗能多、不能同时放大多个波长信道，在WDM系统中复杂性和成本倍增，可实现1R、2R、3R中继。SchoolofScience,GDOU·Fiber-opticCommunication42020/1/18§6-1概述l1l2lN...光纤l1l2lN光解复用...O/EADME/O光复用l1l2lN...l1l2lN...光纤如图所示，传统的光/电/光的放大方式必须首先解复用出单根光纤中的多个信道，然后对每一个信道进行放大，最后再复用在一起，装置复杂、成本倍增。SchoolofScience,GDOU·Fiber-opticCommunication52020/1/18§6-1概述复习课件时点击右向箭头播放下一段动画！此动画是直接光放大工作原理的动画：无需转换为电信号、通过一段特种光纤直接进行光放大、可以同时放大多个信道、装置简单（只需几个无源器件和低速电子元件）。SchoolofScience,GDOU·Fiber-opticCommunication62020/1/18§6-1概述光放大器（O-O）：→EDFA(Erbium-dopedOpticalFiberAmplifer：掺铒光纤放大器)多波长放大、低成本，只能实现1R中继。光纤放大器的出现，是光纤通信发展史上的重要里程碑。二、EDFA出现的时间背景二十世纪60年代开始研究掺杂光纤放大器，把稀土金属离子在光纤制作过程中掺入光纤的纤芯中，使用泵浦光信号放大，提供光增益。但是一直没有重大的技术突破。直到1987年，EDFA取得突破性进展，英国南安普顿大学和美国AT&TBell实验室报道了离子态的稀土元素铒在光纤中可提供1.55µm通信波段的光增益，随后开始提供实际应用。SchoolofScience,GDOU·Fiber-opticCommunication72020/1/18§6-1概述三、EDFA的优点工作波长在1550nm波段（1530~1565nm，约40nm）范围，与光纤最小损耗窗口一致；对EDF进行激励的泵浦功率低，仅需几十毫瓦，而光纤拉曼放大器需0.5w以上的泵浦源进行激励；增益高、噪声低、泵浦效率高、输出功率大，增益可达40dB，噪声系数可低至3~7dB，输出功率可达12~20dBm；EDFA的主体是一段EDF光纤，它与线路光纤的耦合损耗很小，可达0.1dB以下；SchoolofScience,GDOU·Fiber-opticCommunication82020/1/18增益特性与光的偏振态无关，信号放大时与光信号的传输方向也没有关系，可以实现双向放大（光纤放大器内无隔离器时）；对不同传输速率的数字体系具有完全的透明度，即与准数字体系和同步数字体系的各种速率兼容，调制方案可任意选择；EDFA的工作电流比3R（O/E/O）中继放大器的小，因此可以减小远供电流，从而降低了海缆的电阻和绝缘性能的要求；§6-1概述SchoolofScience,GDOU·Fiber-opticCommunication92020/1/18在多信道应用中可进行无串话传输；放大器中只有低速电子装置和几个无源器件，结构简单，可靠性高。四、光放大器的类型利用稀土掺杂的光纤放大器（EDFA、PDFA）；利用半导体制作的半导体光放大器（SOA）；利用光纤非线性效应制作的非线性光纤放大器（FRA、FBA）；光子晶体光纤放大器。§6-1概述SchoolofScience,GDOU·Fiber-opticCommunication102020/1/181.光放大器的应用现状各种光放大器中，以掺杂光纤放大器研究的居多；掺杂光纤放大器利用掺入石英光纤的稀土离子作为增益介质，在泵浦光的激发下实现光信号的放大，放大器的特性主要由掺杂元素决定；工作波长为1550nm的铒掺杂光纤放大器(EDFA)；工作波长为1300nm的镨掺杂光纤放大器(PDFA)；工作波长为1400nm的铥掺杂光纤放大器(TDFA)；目前，EDFA最为成熟，是光纤通信系统必备器件。§6-1概述SchoolofScience,GDOU·Fiber-opticCommunication112020/1/182.EDFA给光纤通信领域带来的革命EDFA解决了系统容量提高的最大的限制——光损耗；补偿了光纤本身的损耗，使长距离的光纤传输成为可能；大大增加了功率预算的冗余，系统中引入各种新型光器件成为可能；支持了最有效的增加光通信容量的方式-WDM；推动了全光网络的研究开发热潮。§6-1概述SchoolofScience,GDOU·Fiber-opticCommunication122020/1/18一、EDF的结构EDF在泵浦光的作用下，直接对信号光进行放大，是提供光增益的核心部件。§6-2EDF的结构与EDFA工作原理00.20.40.60.81.0010002000300040005000b/a铒离子浓度ppm铒离子浓度与b/a值的关系Er3+GeO2-Al2O3-SiO2GeO2-SiO2F-SiO22b2aEr掺铒区（浓度1100~2500ppm)掺锗区直径4~6um硅包层直径125um△+：~1.3%△-：~0.7%EDF的结构与折射率分布SchoolofScience,GDOU·Fiber-opticCommunication132020/1/18对于EDF，为了实现有效放大所要求的足够多的铒离子数反转，应该增加掺铒区泵浦光的功率密度，为此，需要减小纤芯横截面积Aeff，从而使EDF的结构最佳化；定义有效纤芯面积Aeff为同时，适当减小b/a值也是必要的，把掺铒区局限在光纤纤芯的中心，但较小的值减小了对泵浦光的吸收效率，并要求较长的EDF，或较高的铒离子浓度；掺铝是为了展宽频带宽度（带宽由掺杂剂决定）。§6-2EDF的结构与EDFA工作原理2001.48um/0.98umbeffbIrdrAbIrdrIr式中，是泵浦光功率密度的径向分布，是掺铒区的半径SchoolofScience,GDOU·Fiber-opticCommunication142020/1/18二、EDFA的工作原理铒的自由离子具有不连续的能级，当Er3+被结合到硅光纤时，它们的每个能级被分裂为许多紧密相关的能级---能带。能级分裂为能带以后会有什么影响？在EDFA中能级分裂为能带是有利的：第一：使EDFA对光信号的放大不只是单个波长而是一组波长的能力，即在一段波长范围内的光波长都可以得到放大；第二：避免了细调泵浦激光波长。§6-2EDF的结构与EDFA工作原理SchoolofScience,GDOU·Fiber-opticCommunication152020/1/18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，信号光诱导实现受激辐射放大。信号光与波长较其为短的光波(泵浦光)同沿光纤传输，泵浦光的能量被光纤中的稀土元素离子吸收而使其跃迁至更高能级，并可通过能级间的受激发射转移为信号光的能量。信号光沿光纤长度得到放大，泵浦光沿光纤长度不断衰减。§6-2EDF的结构与EDFA工作原理Inputsignal1530nm-1570nmAmplifiedoutputsignalPowerlaser(Pump)980nmor1480nmFibercontainingerbiumdopantSchoolofScience,GDOU·Fiber-opticCommunication162020/1/18吸收带可以是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。Er3+有三个工作能级：§6-2EDF的结构与EDFA工作原理1550nm吸收泵浦光快速非辐射跃迁光放大受激辐射产生噪声自发辐射受激吸收基态能带泵浦能带980nm1480nm亚稳态能带SchoolofScience,GDOU·Fiber-opticCommunication172020/1/18实现粒子数反转的过程：--电子吸收泵浦光跃迁Er3+在未任何光激励的情况下，处于最低能级基态上。在980nm泵浦光的作用下，电子不断从基态能级吸收泵浦光的能量跃迁到激发态，但是电子在激发态的生存期很短，对于，平均寿命为1us，电子迅速以“非辐射方式跃迁至亚稳态，在亚稳态上电子有较长的寿命，在源源不断的泵浦下，亚稳态上的粒子数积累，从而实现粒子数反转分布；电子被1480nm的泵浦光不断地泵浦到亚稳态上，此时电子在亚稳态上生存期较长（~10ms），不断地积累实现粒子数反转分布。§6-2EDF的结构与EDFA工作原理SchoolofScience,GDOU·Fiber-opticCommunication182020/1/18此动画为实现粒子数反转分布的动画：基态的电子在泵浦光的作用下被源源不断的抽运到泵浦态，泵浦态的电子以无辐射的形式跃迁到亚稳态。§6-2EDF的结构与EDFA工作原理SchoolofScience,GDOU·Fiber-opticCommunication192020/1/18实现光放大的过程：当WDM的信号光通过这段粒子数反转分布的EDF时，电子在WDM信号光作为感应光场的情况下，从亚稳态受激辐射到基态上，并产生与输入光子完全一样（具有相同波长、相同方向和相同相位）的光子，从而实现信号光在EDF的传播过程中被放大。因此，简单地说，EDFA放大就是把泵浦能量转换为信号光的能量，而且它的效率很高。泵浦效率等因素的影响，980nm、1480nm半导体激光器更适合于EDFA的泵浦光源，而且这两种半导体激光器已经得到很好的商用化。另外，980nm相对于1480nm而言，增益高、噪声小，是目前EDFA的首选泵浦光源。§6-2EDF的结构与EDFA工作原理SchoolofScience,GDOU·Fiber-opticCommunication202020/1/18此动画为实现光放大过程的动画：亚稳态上的反转分布粒子在信号光的感应下跃迁到基态上，释放出一模一样的大量光子，从而实现光放大。§6-2EDF的结构与EDFA工作原理SchoolofScience,GDOU·Fiber-opticCommunication212020/1/18三、EDFA的基本光路结构和泵浦方式1.基本光路结构2.泵浦方式EDFA的光路结构按照所采用的泵浦方式可以分为三种形式：§6-2EDF的结构与EDFA工作原理SchoolofScience,GDOU·Fiber-opticCommunication222020/1/18§6-2EDF的结构与EDFA工作原理反向泵浦（后向泵浦）型：输出信号功率高。输出信号功率比单泵浦源大约高3dB，且放大特性与信号传输方向无关正向泵浦（同向泵浦）型：好的噪声性能。SchoolofScience,GDOU·Fiber-opticCommunication232020/1/18由于光纤对1480nm的光损耗较小，所以1480nm泵浦光常用于遥泵方式。光路结构中的器件说明：光纤耦合器：波长敏感