光纤光学教学课件-第十六讲

01.11.2021 © HUST 2012
01.11.2021
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
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放大器的类型
1.半导体激光放大器 (SOA) 结构大体上与激光二极管 (Laser Diode, LD) 相同
2.掺杂光纤放大器 (DFA) 利用稀土金属离子 (铒) 作为激活工作物质的一种放大器
3.喇曼光纤放大器 利用普通光纤的非线性效应
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2、掺杂光纤放大器及其放大特性
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光放大器的工作原理
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Single-wavelength: 40 Gb/s
TETRETMRETMRETMRETMRETMRETMRETMR1RETP3MRR1ET1TMP3RR1E0RT1TPM3RR1E0RT1TPM3RR1E0RT1TP3MRR1E0RT1TP3MRR1E0RT1TP3MRR1E0R1TP3MR1RR10R1TP3MRP31R10R1T1TP3RP31R10R0R1T1TP3RP31R10R0R1T1TP3RP31R10R0R1T1TP3RP31R10R0R1T1TP3RP31R10R0R1T1TP3RP31R10R0R1T1TP3PR31R10R0R1T1TP3RP31R10R0R1T1PT3RP31R10R0R1T1PT3RP31R10R0R1T1PT3RP31R10R0R1T1PT3RP31R10R0R1T1PT3RP31R10R0R1T1PT3RP31R10R0R1T1PT3P3R10R0RR1T11TP3R10RP30RR11TP3R11T0RP3R11TP30RR11T0RP3R11TP30RR11T0RP3R11TP30RR11T0RP3R11TP30RR11T0RP3R11TP30RR11T0RP3R11TP30R1T0RP3R11TR10R1TP30RR1P3R10R1TP31TR1P30RR11T0RP31TR1P30RR11T0RP31TR1P30RR11T0RP31TR1P3R0R11T0RP31TR1P30RR11T0RP31TR1P3R0R11T0RP31TPR310R1TR10R1TP3R10RP3R10R1TP3R1T1P30RR11T0RP3R1T1P30RR11T0RP3R1T1P30RR11T0RP3R1T1P30RR11T0RP3R1T1P30RR11T0RP3R1T1P30RR11T0RP31TP3R0R1R1T10R1TP3R10RP3R10R1TP31TR1P3R0R11T0RP31TR1P3R0R11T0RP31TR1P3R0R11T0RP31TR1P3R0R11T0RP31TR1P3R0R11T0RP31TR1P3R0R11T0RP31TP3R10RR1T10R1TP3R10RP3R10R1TP31RT1P30RR11T0RP31RT1P30RR11T0RP31RT1P30RR11T0RP31RT1P30RR11T0RP31RT1P30RR11T0RP31RT1P30RR11T0RP31TP3R10R1T0R1TP3RT10R0R1TEP3RT10RR1TEP3RT1M0RR1TEP3RT1M0RR1TEP3RT1M0RR1TEP3RT1M0RR1TEP3RT1M0RR1TEP3TM0RR1TETM0RRETMRETMRETMRETMRETMRETMRETMREMRM
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重要计算公式
• 速率方程
d d 2 n t kP k h i k k a n 1 k r ,,z kP k h i k k e n 2 k r ,,z n 2 r ,,z
• 放大器增益
G ex L 0p g*n n2 t n n1 td z
1
PD
LD
1
对每一波长要分别处理，不适WDM系统； 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。
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光放大器的重要性
动机：解决电中继器设备复杂、维护难、成本高的问题
David Payne
历史：以1989年诞生的掺铒光纤放大器
• 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）。
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铒离子在硅基石英光纤中的能级分布
前向泵浦方式 隔离器
WDM
输入信号 泵浦激光器
后向泵浦方式
EDF 隔离器 输入信号
隔离器 EDF 输入信号
WDM 隔离器
泵浦激光器
输入信号
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双向泵浦方式 隔离器
EDF
WDM
隔离器
输入信号
泵浦激光器
泵浦激光器
输入信号
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OC-48
OC-48
OC-48
OC-48
OC-48
OC-48
OC-48
OC-48 OC-48 OC-48
Optical
OC-48 OC-48
Amplifier
OC-48
OC-48
OC-48
OC-48
16-wavelength WDM: 40 Gb/s
16 fibers 1 fiber 48 regenerators 1 optical amplifier
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铒离子在外界泵浦光的作用下 激发态
粒子数反转产生自发辐射 亚稳态
产生噪声
Pump Photon 980 or 1480 nm
NO SIGNAL PHOTON 1550 nm
基态
Spontaneous Emission Around 1550 nm
基态
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传统的光-电-光中继
O－E－O Regenerator Optical fiber
Optical fiber
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铒离子在外界泵浦光的作用下 激发态
外界信号光引起受激辐射 亚稳态
信号光放大
Pump Photon 980 or 1480 nm
基态
SIGNAL PHOTON 1550 nm
Amplified Signal 1550 nm
基态
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40km 40km
40km
40km
40km
40km
40km
40km
40km
TERM
1310
1310
1310
1310
1310
1310
1310
1310
TERM
RPT1R310
RPT1R310
RPT1R310
RPT1R310
RPT1R310
RPT1R310
RPT1R310
RPT1R310
TERM
RPT1R310
(2) 受激辐射 (1) 能量注入
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
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掺铒光纤放大器
EDFA：Erbium－Doped Fiber Amplifier
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掺铒光纤放大器的发展历程
放大的自发发射噪声 （ASE）
1550nm 光信号输入
泵浦光输入 （1480nm 或 980nm）
掺铒光纤（EDF ）
放大的自发发射噪声 （ASE）
1550nm 光信号输出
Gain>Loss
Gain<Loss
泵浦光输出
透明点 （Gain=Loss）
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RPTR

TERM TERM TERM TERM
OC-48
OC-48
OC-48
OC-48
OC-48
OC-48 OA
120 km
OA
120 km
OA
120 km
OC-48 OC-48
OA
Optical Amplifiers and WDM - 10 Gb/s
4 fibers 1 fiber; 12 regenerators 1 optical amplifier
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铒离子在外界信号光的作用下 激发态
引起铒离子受激吸收跃迁 亚稳态
信号光吸收
No Pump Photon 980 or 1480 nm
基态
SIGNAL PHOTON 1550 nm
Attenuated Signal 1550 nm
基态
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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，有一最佳掺铒光纤长度，实现最大 的增益。
(Erbium Doped Fiber Amplifier, EDFA)代表的全光放大技术是光纤通 信技术上的一次革命
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
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全光放大器给光纤通信领域带来的革命 Conventional Transmission - 10Gb/s
RPT1R310
RPT1R310
RPT1R310
RPT1R310
RPT1R310
RPT1R310
RPT1R310
TERM
RPT1R310
RPT1R310
RPT1R310
RPT1R310
RPT1R310
RPT1R310
RPT1R310
RPT1R310
RPTR
RPTR
RPTR
RPTR
RPTR
RPTR
RPTR
• 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。
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选择1480nm或980nm作为泵浦光波长
• 980nm泵浦
• 1480nm泵浦
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完全粒子数反转
噪声小、效率低
低的粒子数反转
量子效率高、噪声大。
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选择1480nm或980nm作为泵浦光波长，掺铒光纤放大器的特性对比
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3、掺铒光纤放大器的基本结构
2H11 2 4S3 2 2F9 2 4I9 2 4I11 2
4I13 2
514nm 532nm 667nm 800nm 980nm
1480nm 1600nm(?)
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4I15 2
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。 01.11.2021
OC-48 OC-48 OC-48
OC-48 OC-48 OC-48
OC-48 OC-48 OC-48
OC-48 OC-48 OC-48
OC-48 OC-48 OC-48
OC-48
Commercially Available Now: ~160 wavelengths x 10Gbps ~1.6T b/s
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，向更高的能级跃迁，消耗泵浦光功率。
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噪声系数：
N F10lo g1 0SSN NoiRR nu t
10log10
2ns phG1 a
hG a s e
s
e
10log10
Pase
hGase
当泵浦充分 nsp 1，且G>>1时噪声系数达到极限 3dB.
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