光放大技术
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光放大技术
第六章的主要内容
➢§6-1 概述； ➢§6-2 EDF的结构与EDFA工作原理 ； ➢§6-3 EDFA的特性； ➢§6-4 EDFA在光纤通信系统中的应用以及大功率 化； ➢ 本章思考题。
§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，<P>min影响传输质量。→ 系统设计：损耗、色散预算。
§6-1 概述
➢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；
2a
硅包层 直径125um
Er
掺铒区 （浓度1100~2500ppm)
铒离子浓度与b/a值的关系
EDF的结构与折射率分布
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。
§6-2 EDF的结构与EDFA工作原理
➢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
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；
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）。
§6-2 EDF的结构与EDFA工作原理
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。
§6-1 概述
2. 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。
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。
§6-1 概述
光纤
l1l2 ... lN
l1
光
解 l2
复 ...
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&T Bell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。
§6-1 概述
§6-1 概述
➢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
光放大器（O-O）：→EDFA(Erbium-doped Optical Fiber Amplifer：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
lN
用
O/E ADM E/O
l1
光
l2
...
lN
复 用
光纤
l1l2 ... lN
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。
§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）。
芯横截面积Aeff，从而使EDF的结构最佳化；定义有效纤芯面
Байду номын сангаас
积Aeff为
A eff b2
Irdr
0
bIrd
0
式 中 ， 是 1.48um /0.98um 泵 浦 光 功 率 密 度 的 径 向 分 布 ， b是 掺 铒 区 的 半 径
➢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
§6-2 EDF的结构与EDFA工作原理
一、EDF的结构
5000
铒 4000
离 子
3000
浓 2000 度
ppm 1000
0 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0
b/a
GeO2-SiO2 F-SiO2
Er3+ GeO2-Al2O3-SiO2
△+：~1.3% 2b △-：~0.7%
掺锗区 直径4~6um
§6-1 概述
1. 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。
第六章的主要内容
➢§6-1 概述； ➢§6-2 EDF的结构与EDFA工作原理 ； ➢§6-3 EDFA的特性； ➢§6-4 EDFA在光纤通信系统中的应用以及大功率 化； ➢ 本章思考题。
§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，<P>min影响传输质量。→ 系统设计：损耗、色散预算。
§6-1 概述
➢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；
2a
硅包层 直径125um
Er
掺铒区 （浓度1100~2500ppm)
铒离子浓度与b/a值的关系
EDF的结构与折射率分布
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。
§6-2 EDF的结构与EDFA工作原理
➢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
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；
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）。
§6-2 EDF的结构与EDFA工作原理
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。
§6-1 概述
2. 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。
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。
§6-1 概述
光纤
l1l2 ... lN
l1
光
解 l2
复 ...
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&T Bell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。
§6-1 概述
§6-1 概述
➢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
光放大器（O-O）：→EDFA(Erbium-doped Optical Fiber Amplifer：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
lN
用
O/E ADM E/O
l1
光
l2
...
lN
复 用
光纤
l1l2 ... lN
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。
§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）。
芯横截面积Aeff，从而使EDF的结构最佳化；定义有效纤芯面
Байду номын сангаас
积Aeff为
A eff b2
Irdr
0
bIrd
0
式 中 ， 是 1.48um /0.98um 泵 浦 光 功 率 密 度 的 径 向 分 布 ， b是 掺 铒 区 的 半 径
➢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
§6-2 EDF的结构与EDFA工作原理
一、EDF的结构
5000
铒 4000
离 子
3000
浓 2000 度
ppm 1000
0 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0
b/a
GeO2-SiO2 F-SiO2
Er3+ GeO2-Al2O3-SiO2
△+：~1.3% 2b △-：~0.7%
掺锗区 直径4~6um
§6-1 概述
1. 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。