掺铒光纤放大器(电子版) 2
EDFA掺铒光纤放大器EDFA
SNR F SNR in
Байду номын сангаас
2nsp
G 1 G
2nsp
2
out
四、应用
•线路放大（In-line）：
周期性补偿各段光纤损 耗
•功率放大（Boost）：
增加入纤功率，延长传 输距离
•前置预放大（Pre-Amplifier）
提高接收灵敏度
五、光放大器特点
1、对信号格式及码率透明 2、工作波段可选 3、宽带放大 4、高增益 5、低噪声
dP gP dz
•放大器带宽：放大器增益（放大倍数）降至最大放大倍数一半处的全宽度 （FWHM）
A
g
ln 2 g0L ln
2
二、增益饱和与饱和输出功率 •起因：增益系数与功率的依从关系
•饱和输出功率：
放大器增益降至最大 小信号增益的一半时 的输出功率
Ps out
G0 ln 2 G0 2
Ps
•最大输出功率
1、多信道放大中存在的问题
•噪声大（Fn~8dB) •信道串扰（交叉增益调制XGM、四波混频FWM） •增益饱和引起信号畸变
2、其他应用
A、光波长转换：
光波长转换器（Wavelength Converter）是一种实现将光信号从某一波 长的光载波转换至另一波长光载波的器件，是波分复用光通信系统向 光网络演变的一个关键性器件。光波长转换器能使网络在不同节点处 重复使用某一个波长，这种“波长再利用”无疑能提高波长的利用效 率，有效地减少波分复用网络中所需波长的数量 机理：
二、EDFA的工作原理
•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 •EDFA中的Er3+能级结构：
掺饵光纤放大器
掺饵光纤放大器物电学院08电子一班侯进：200840620110概论光纤通信中采用光纤来传输光信号，一般它受到两方面的限制:损耗和色散。
就损耗而言，目前光纤损耗的典型值在1.3μm波段为0.35dB/km，在1.55μm波段为0.20dB/km。
由光纤损耗限制的光纤无中继传输距离为50-100km. 90年代初期EDFA的研制成功，打破了光纤通信传输距离受光纤损耗的限制，使全光通信距离延长至几千公里，给光纤通信带来了深刻的变化。
一般，光放大器都由增益介质、泵源、输入输出耦合结构组成。
根据增益介质的不同，目前主要有两类放大器，一类采用活性介质，如半导体材料和掺稀土元素的光纤。
掺稀土光放大器，是在光纤芯层中掺入极小浓度的稀土元素，如饵、谱或铥等离子制作出相应的掺饵、掺镨或掺铥光纤。
光纤中掺杂离子在受到泵浦光激励后跃迁到亚稳定的高激发态，在信号光诱导下，产生受激辐射，形成对信号光的相干放大。
主要有: 掺铒光纤放大器（EDFA－Erbium Doped Fiber Amplifier）、掺镨光纤放大器 (PDFA- Praseodymium Doped Fiber Amplifier) 和掺铥光纤放大器 (TDFA- Thulium Doped Fiber Amplifier) 等；另一类基于光纤的非线性效应，利用光纤的非线性实现对信号光放大的一种激光放大器。
当光纤中光功率密度达到一定阈值时，将产生受激喇曼散射(SRS- Stimulated Raman Scattering)或受激布里渊散射(SBS-Stimulated Brillouin Scattering)，形成对信号光的相干放大，如光纤喇曼放大器(FRA－Fiber Raman Amplifier)和光纤布里渊放大器(FBA- Fiber Brillouin Amplifier)。
本文仅对EDFA作相应的讨论。
一、铒离子的电子能级图----铒(E r)是一种稀土元素(属于镧系元素),原子序数是68,原子量为167.3。
掺铒光纤放大器
6.2 掺铒光纤放大器掺铒光纤放大器（EDFA）基本原理：铒离子吸收泵浦光的能量，实现粒子数反转分布，受激辐射产生与入射光子完全一样的光子。
EDFA的特点工作波长与光纤最小损耗波长窗口一致；对掺铒光纤进行激励所需要的泵浦光功率较低； 增益高、噪声低、输出功率高。
连接损耗低。
长度为10m~100m左右的掺铒光纤，铒离子的掺杂浓度一般为25mg/kg左右半导体激光器，输出功率为10~100mW，工作波长为0.98μm或1.48μm。
将信号光和泵浦光耦合在一起。
保证信号单向传输滤除噪声，提高信噪比EDFA 结构及工作原理铒离子能级分布泵浦能带快速非辐射衰变亚稳态能带5EDFA泵浦方式EDFA的内部按泵浦方式分，有三种基本的结构：即同向泵浦、反向泵浦和双向泵浦。
同向泵浦信号光与泵浦光以同一方向从掺铒光纤的输入端注入的结构，也称为前向泵浦。
反向泵浦信号光与泵浦光从两个不同方向注入进掺铒光纤的结构，也称后向泵浦。
双向泵浦同向泵浦和反向泵浦同时泵浦的结构。
不同泵浦方式性能差异（1）（2）（3）8EDFA性能参数1.功率增益2.输出功率特性3.噪声特性功率增益功率增益:输出功率与输入功率之比。
12输出功率噪声EDFA的主要噪声种类：①信号光的散粒噪声；②被放大的自发辐射光的散粒噪声；③自发辐射光谱与信号光之间的差拍噪声；④自发辐射光谱间的差拍噪声。
13EDFA的应用EDFA的基本应用：（1）延长中继距离；（2）与波分复用技术结合。
（3）与光孤子技术结合。
（4）与CATV等技术结合。
14。
杭州通兴电子 1550nm 低光输入掺饵光纤放大器 说明书
1550nm低光输入掺饵光纤放大器产品概述：1.本产品使用的是机械式的高效率散热，全铝外壳的侧边有一排致密的散热器，内部又有专门的铝盒来安装泵浦激光器，既保护泵激光器也使激光器更有效地散热，同时使致冷、致热电路更轻松地调整泵激光器的最佳工作温度，更延长了泵浦激光器的工作寿命。
2.带RJ45标准接口的SNMP网管系统，使用户能轻松实现远端实时监控，产品提供协议输出和网管界面软件，以供用户自由选择，用户也可预留网管接口，随时加装插件式的网管板。
3.带RS232标准接口，可以用于计算机的本地网管监控。
4.泵浦激光器采用美国JDSU、Bookham和日本古河、掺饵采用美国OFS。
5.前面板上的VFD或LED显示器具有整机的功能显示和故障告警。
订货指南：OL A L 1550 -□□┯ ┯ ┯ ┯ ┯│ │ │ │ ││ │ │ │ ││ │ │ │ ││ │ │ │ ││ │ │ │ ┕┄┄┄表示输出光功率(13～24dBm)│ │ │ ││ │ │ ┕┄┄┄┄┄┄┄┄表示波长:1550nm│ │ ┕┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄表示低光输入型│ ┕┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄产品代号，A表示光纤放大器 ┕┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄本公司光设备代号原理图：主要技术指标：型 号 1550-141550-151550-161550-171550-181550-191550-201550-211550-221550-23输出光功率（dBm） 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 输入光功率(dBm) -8～5光波长 （nm） 1535～1570输出光功率稳定度(dB) ≤0.2偏振灵敏度（dB） <0.2偏振模式色散 （PS）<0.5光反射损耗（dB） ≥45光纤连接器 FC/APC、SC/APC噪声系数 （dB） <5.0(0dBm光输入)网管接口 RJ45(SNMP)、RS232或RS485功耗 （W） 50供电方式 （V） 220VAC(110～240)可选-48VDC工作温度 （℃） -20~+85尺寸 （"） 19"×15"×1.75"重量（Kg） 5.0操作指南：前面板说明1.VFD/LED显示屏显示光放大器的参数，VFD共有2排，上一排显示光放大器型号及机器编号或电话号码等，下一排显视工作状态，接通电源，面板显视READY：KEY OFF，说明电源接通正常，但无光功率输入，如光功率输入，则延时3秒后，数字面板显示该机型号，同时自动接通激光器电源，状态指示灯由红灯变为绿灯，说明本机工作正常，数字面板显示当前的整机工作状态。
光电技术实验-掺铒光纤放大器
光电技术实验-掺铒光纤放⼤器掺铒光纤放⼤器(EDFA)特性参数测量⼀、实验⽬的1.了解掺铒光纤放⼤器的⼯作原理及相关特性；2.掌握掺铒光纤放⼤器性能参数的测量⽅法；⼆、实验原理掺铒光纤放⼤器(Er Droped Fiber Amplifier,EDFA)的出现是光纤通信发展史上⼀个重要⾥程碑。
1986年英国南安普敦⼤学制作出了最初的掺铒光纤放⼤器。
在此之前，由于不能直接放⼤光信号，所有的光纤通信系统都只能采⽤光-电-光中继⽅式。
光纤放⼤器可直接放⼤光信号，这就可使光-电-光中继变为全光中继。
这是⼀次极为重要的飞跃，把光通信推向了⼀个新的阶段，其意义可与当年⽤晶体管代替电⼦管相提并论。
当作为掺铒光纤放⼤器泵浦源的0.98um和1.48um的⼤功率半导体激光器研制成功后，掺铒光纤放⼤器趋于成熟，进⼊了实⽤化阶段。
掺铒光纤放⼤器的意义不仅在于可进⾏全光中继，它还在多⽅⾯推动了光纤通信的发展，引起了光纤通信的⾰命性变⾰。
其中最突出的是在波分复⽤(WDM)光纤通信系统中的应⽤。
波分复⽤是在⼀根光纤上传输多个光信道，从⽽充分利⽤光纤带宽，有效扩展通信容量的光纤通信⽅式。
由于掺铒光纤放⼤器具有约40nm的极宽带宽，可覆盖整个波分复⽤信号的频带，因⽽⽤⼀只掺铒光纤放⼤器就可取代与信道数相应的光⼀电⼀光中继器，实现全光中继。
这极⼤地降低了设备成本，提⾼了传输质量。
这⼀优越性推动了波分复⽤技术的发展。
现在EDFA+WDM已成为⾼速光纤通信⽹发展的主流，代表新⼀代的光纤通信技术。
（1）EDFA的⼯作原理铒(Er)是⼀种稀⼟元素(属于镧系元素)，原⼦序数是68，原⼦量为167．3。
EDFA利⽤了镧系元素的4f能级，图1是Er+3的能级图。
在掺铒光纤中．由于⽯英基质的作⽤，4f的每⼀个能级分裂成⼀个能带。
图中4I15/2能带称为基态；4I能带称为亚稳态，在亚稳态上粒⼦的平均寿命时间达到10ms。
4I11/2能带为13/2泵浦态，粒⼦在泵浦态上的平均寿命为1us。
掺铒光纤放大器
增益不平坦的成因
掺铒光纤的增益谱不平坦是造成EDFA增益不平坦的根本 原因。纤长L的掺铒光纤放大器增益为： G=exp{[g*n2-a(1-n2)]L} 其中n2是离子反转度，g是铒纤的增益系数，a是铒纤的 吸收系数。由于增益系数和吸收系数是波长的函数，因此 对不同波长的输入光，信号增益是不同的。
Timeline of milestones in optical amplifier development – 2
• 1970 Mass production of quality optical fiber perfected by Corning • 1987 Erbium-doped fibers simultaneously developed at University of Southampton and AT&T • 1989 First EDFA product introduced by Oki Electric • 1989 First SOA product introduced by BT&D Technologies (now Agilent) • 1999 First EDWAs products introduced by MOEC and Teem Photonics • 2001 Raman amplifiers begin wider application
EDFA-BA系列 EDFA-LA系列 EDFA-PA系列 EDFA-TV系列 EDFA-MW系列
通道数 EDFA 控制 形式 波长范围
EDFA-MD系列
EDFA-GW系列 EDFA-GC系列 EDFA-MC系列
掺铒光纤放大器EDF掺铒光纤放大器.PPT
半导体光放大器（SOA)
四、应用
1、多信道放大中存在的问题 •噪声大（Fn~8dB) •信道串扰（交叉增益调制XGM、四波混频FWM） •增益饱和引起信号畸变
2、其他应用 A、光波长转换：
光波长转换器（Wavelength Converter）是一种实现将光信号从某一波 长的光载波转换至另一波长光载波的器件，是波分复用光通信系统向 光 网络演变的一个关键性器件。光波长转换器能使网络在不同节点处 重复 使用某一个波长，这种“波长再利用”无疑能提高波长的利用效 率，有 效地减少波分复用网络中所需波长的数量 机理：
掺铒光纤放大器(EDFA)
•多信道放大中存在的其它问题： 要求：增益平坦、增益钳制、高的输出功率
1、增益平坦
固有的增益不平坦 增益差随级联放大而积累增大
各信道的信噪比差别增大 各信道的接收灵敏度不同
1544
1569
典型的EDFA增益谱
光发射机 1 光发射机 2 光发射机 3
光发射机 N
掺铒光纤放大器(EDFA)
掺铒光纤放大器(EDFA)
2、增益钳制
•EDFA对信道的插入、分出或信道无光故障等因素引起的输入 光功率的变化（较低速变化）能产生响应--瞬态特性 •瞬态特性使得剩余信道获得过大的增益，并输出过大的功率， 而产生非线性，最终导致其传输性能的恶化--需进行自动增益 控制 •对于级联EDFA系统，瞬态响应时间可短至几~几十 s，要求 增益控制系统的响应时间相应为几~几十 s
掺铒光纤放大器
特点：光路简单，电路控制灵活性强
24
均衡EDFA的工作原理— 增益锁定
隔离器
泵浦源
掺铒光纤
信号输入
可调滤波器 可调衰减器
激光箝制放大器（光控）
隔离器 信号输出
环形腔结构
LD PUMP
ISO
WDM
Input Signal
Grating 1
EDF
ISO
Grating 2
Output Signal
特点：完全自动， 精确度高
增益谱的形状随信号功率而变，在有信道上、下的动 态情况下，失衡情况更加严重
22
WDM+EDFA系统的均衡技术—立足EDFA
立足于EDFA的均衡功能的开发 • 采用新型宽谱带掺杂光纤：
掺铒氟化物光纤（30nm)； 高掺铝的铒铝共掺光纤（17nm）；
• 采用与掺杂光纤增益谱反对称的滤波器；
只能适应静态情况的平坦，当信道功率变化时仍不能保持平坦
29
长波段（L-band）掺铒光纤放大器
30
k
g
*k
/
h k
14
掺铒光纤放大器的基本理论模型(4)
增益：
G
exp
L 0
g
*
n2 nt
n1
nt
dz
增益的大小和谱分布由粒子数反转水平及掺铒光纤长度决定
噪声系数：
NF
10log10
SNRin SNRout
10 log10
2nsph G 1 ase
hG ase
10 log10
Pase
什么是掺铒光纤放大器
电子轨道 电子能级 跃迁
辐射跃迁（发光） 非辐射跃迁（不发光） 受激吸收（光泵浦） 受激辐射（光放大） 自发辐射（产生噪声） 获得光放大的基本条件：粒子数反转
掺铒光纤放大器及其应用PPT课件
7
噪声系数 dB
6
75
5
60
4
30 3
2 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100
泵浦功率 mW
May 15, 2020 • 24
增益带宽（nm）工作带宽，平坦增益带宽
Gain (dB) 40
30
20
P Input: -30 dBm -20 dBm -10 dBm -5 dBm
耦
光隔
信
合
离器
号
器
光
光隔 离器
光滤 波器
输 出
光
掺铒
光纤
泵 浦 光
May 15, 2020 • 16
三种泵浦方式的EDFA
LD
EDF
in
APC
WDM
EDF
out
APC
LD
in APC LD1
WDM
APC out
EDF
LD2
in APC
WDM1
WDM2
APC out
同向泵浦(前向泵浦)型： 好的噪声性能
EDFA
光纤 接收器
在线放大器
EDFA
光纤
接收器
功率放大器
光纤
EDFA
接收器
前置放大器
May 15, 2020 • 19
泵浦功率和光纤长度对增益的影响
增益 dB 增益 dB
40
L=20m
20 L=5m
0
40 4mW
20
2mW 0
5
10
泵浦功率 mW
25
50
铒纤长度 m
May 15, 2020 • 20
2011年第7章 掺铒光纤放大器
WDM系统的基本构成主要有以下两种形式：
1 光发射机
…
(1) 双纤单向传输。
1
光接收机 解复用器
…
1
复用器
光纤放大器
n
光发射机
n
1′ 光接收机 解复用器
1 … n 1
光纤放大器 复用器
光接收机
n
光发射机
…
1′
n′
光接收机
由于各信号是通过不同光波长携带的，因而彼此之间不会混淆。 在接收端通过光解复用器将不同波长的信号分开， 完成多路 光信号传输的任务。
注：泵浦（pump，抽运）
LD和EDF 区别
外加源 输入信号 工作物质 输出信号 工作机理 放大作用
半导体激光器 正向电压 电信号 半导体 光信号 受激辐射 谐振腔
EDFA 激光 光信号 掺铒光纤 光信号 受激辐射 光纤本身
四、掺铒光纤放大器结构
泵浦 激光 (98 0 n m或 1 48 0 n m)
六、掺铒光纤放大器
泵浦波长为1480nm、信号波长为1550nm时，EDFA 增益与光纤长度和泵浦功率依存关系
七、掺铒光纤放大器的优点和应用
(1)工作波长正好落在光纤通信最佳波段 (1500～1600 nm)； 其主体
是一段光纤(EDF)，与传输光纤的耦合损耗很小， 可达0.1 dB。
(2) 增益高，约为 30 ～ 40 dB; 饱和输出光功率大， 约为 10 ～ 15 dBm; 增益特性与光偏振状态无关。
二、光放大器的种类 1、半导体光放大器（SOA）
普通光放大器的基本工作原理
二、光放大器的种类 2、光纤放大器（DFA） 非线性光纤放大器 掺铒光纤放大器
非线性光纤放大器：利用强的光源对光纤进行激发，使光
掺铒光纤放大器 第2部分：L波段掺铒光纤放大器-最新国标
掺铒光纤放大器第2部分：L波段掺铒光纤放大器1范围本文件界定了掺铒光纤放大器（以下简称为“EDFA”）的术语和定义、分类；规定了L波段和扩展L波段EDFA技术要求、测试方法、可靠性试验、电磁兼容试验、检验规则、标志、包装、运输和贮存。
本文件适用于光通信系统中所用的L波段和扩展L波段EDFA的设计、开发、生产和检验。
2规范性引用文件下列文件中的内容通过文中的规范性引用而构成本文件必不可少的条款。
其中，注日期的引用文件，仅该日期对应的版本适用于本文件；不注日期的引用文件，其最新版本（包括所有的修改）适用于本文件。
GB/T191包装储运图示标志GB/T2828.1计数抽样检验程序第1部分：按接收质量限（AQL）检索的逐批检验抽样计划GB/T9254.1-2021信息技术设备、多媒体设备和接收机电磁兼容第1部分：发射要求GB/T15972.48-2016光纤试验方法规范第48部分：传输特性和光学特性的测量方法和试验程序偏振模色散GB/T16849-2023光放大器总规范GB/T16850.1光放大器试验方法基本规范第1部分:功率和增益参数的试验方法GB/T16850.3光放大器试验方法基本规范第3部分:噪声参数的试验方法GB/T16850.5光放大器试验方法基本规范第5部分:反射参数的试验方法GB/T16850.6光放大器试验方法基本规范第6部分:泵浦泄漏参数的试验方法GB/T26572电子电气产品中限用物质的限量要求GB/T39560（所有部分）电子电气产品中某些物质的测定YD/T1766-2016光通信用光收发合一模块的可靠性试验失效判据YD/T3127-2016混合光纤放大器SJ/T11364-2014电子电气产品有害物质限制使用标识要求IEC60825-1激光器产品防护第1部分：设备分类和技术要求(Safety of laser products-Part 1:Equipment classification and requirements)IEC61290-10-4光放大器-测试方法-第10-4部分：多波道参数-光谱仪内插减源法（Optical amplifiers-Test methods-Part10-4:Multichannel parameters-Interpolated source subtraction method using an optical spectrum analyzer）ITU-T G.691传输媒质的特性－光部件和子系统的特性（Transmission media characteristics –Characteristics of optical components and subsystems）ANSI/ESDA/JEDEC JS-001-2023静电放电敏感度试验-人体放电模型（HBM）组成等级（For Electrostatic Discharge Sensitivity Testing-Human Body Model(HBM)Component Level Telcordia GR-63-CORE：2012网络设备建造系统(NEBS)要求：物理保护(Networkequipment-building system(NEBS)Requirements:Physical Protection)Telcordia GR-418-CORE：1999光纤传输系统通用可靠性保证要求(Generic Reliability Assurance Requirements for Fiber Optic Transport Systems)Telcordia GR-468-CORE：2004电信设备用光电子器件通用可靠性保证要求(GenericReliability Assurance Requirements for Optoelectronic Devices Used in Telecommunications Equipment)Telcordia GR-1312-CORE：1999光纤放大器和专有波分复用系统总规范（Generic Requirements for Optical Fiber Amplifiers and Proprietary Dense Wavelength-Division Multiplexed Systems）3术语和定义GB/T 16849-2023界定的以及下列术语和定义适用于本文件。
掺铒光纤放大器(EDFA)简介
反转粒子数与输出功率沿光纤的分布
增益饱和
GEF DFA的光学指标
28.7 28.6 28.5 28.4 28.3 28.2 28.1
28 27.9 27.8 27.7 27.6
1525
1530
1535
1540
Magnetic tube Faraday Rotator ISO的基本结构
GEainDFA的光学指标
G1(v) exp{[ e (v)N2 a (v)N1]L}
➢ N2,N1分别是激光上下能级的平均粒子数线密度，N=N1+N2是单位长度 铒光纤的铒粒子数。直接决定铒光纤最重要参数：单位长度的吸收系数。
2h
SNRout iout 2
2G 2 Pin2
2iout
(Ssig sp Sspsp Sshot )Be
2iout : 光电流的方差，表示EDFA输出的噪声。EDFA的噪声主要考虑散粒噪声，信号-ASE
拍频噪声，ASE-ASE拍频噪声。其中信号-ASE拍频噪声与光学带宽无关，而ASEASE拍频噪声与光学带宽是相关的，所以在EDFA后加一个光学滤波器可以滤除绝大 部分ASE-ASE拍频噪声，但是对于信号-ASE拍频噪声没有影响，所以这里我们主要 考虑散粒噪声以及信号-ASE拍频噪声。
基PD 本结构与组成器件 当入射光照射到半导体材料上，半导体吸收就产生一个电
子—空穴对。在外加电压建立的电场作用下，电子和空穴就
在半导体中渡越并形成电流流动，称为光电流，I p RPin
入射光 半导体
ITMS 结构 公司目前用到的PD主要有PIPD，UTMS，ITMS等类型。
2011第7章掺铒光纤放大器
增益 / dB
35.0
30.0
增益 / dB
25.0
20.0
15.0
输出光功率 / dBm
10.0
I
I
I
I
5.0
I
0.0
I
噪声指数 / dB
－5.0
I
－10.0 －40 －35 －30 －25 －20 －15 －10 －5 0
输入光功率 / dBm
图7.4 掺铒光纤放大器增益、 噪声指数和输出光功率与输入光功率的关系曲线
输出信号光功率 / mW 增益 / dB
80 转换效率
60 92.6％
40
40
30 增益系数
20
6.3 dB / mW
20
10
0 0 20 40 60 80 输入泵浦光功率 / mW
0 0 5 10 15 20
输入泵浦光功率 / mW
(a)
(b)
掺铒光纤放大器的特性
(a) 输出信号光功率与泵浦光功率的关系； (b) 小信号增益与泵浦光功率的关系
(3) 噪声指数小， 一般为4～7 dB; 用于多信道传输时， 隔离度大， 无串扰，适用于波分复用系统。只要信道间隔大于10KHz，在EDFA 中就不会产生串扰。对于多信道应用，EDFA是理想的放大器
三、掺铒光纤放大器工作原理（1）
掺 铒高 密 度带 (100～ 2000 ppm )
直 径 3～ 6 m 掺 锗的 纤 芯
直 径 125 m
S iO
包
2
层
直 径 250 m 涂 覆 层
掺铒光纤芯层的几何模型
三、掺铒光纤放大器工作原理（2）
三、掺铒光纤放大器工作 原理（3）
掺铒光纤放大器
解决了系统容量提高的最大的限制——光损耗，使长
距离传输成为可能。
EDFA给光纤通信领域带来革命
1989 年诞生的掺铒光纤放大器代
表的全光放大技术，是光纤通信技术
上的一次革命，它不仅解决了电中继 器设备复杂、维护难、成本高的问题， 更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
双向泵浦的掺铒光纤放大器
掺铒光纤放大器结构图
信号放大
掺铒光纤放大器 的工作特性
增益及增益谱特性 饱和输出/输入功率
噪声系数及噪声谱特性
增益带宽
光放大器的增益
增益G是描述光放大器对信号放大能力的参数。定义为：
G(dB) 10log10
影响增益的因素：
Ps ,out Ps ,in
输出信号光功率 输入信号光功率
激发态
通过受激辐射 实现1480 nm 信号光
4I 13 / 2
亚稳态
粒子数反转， 即N2>N1
~1520 ~1560 nm 放大的信号光
4I 15 / 2
实际上能级分
裂成能带，有较宽 的吸收和发射带。
基 态
N1
铒离子能级结构
掺铒光纤放大器的基本结构
光发 送机
„
采用光放大器的中继方法
光发送机 1 光发送机 2 λ λ
1
光纤 复 用 λ 1 λ 2„λ 光放大器
n
λ 解 复 用 器 λ λ
1
光接收机 1 光接收机 2
2
2
„
光发送机 n
λ
器
n
Optical Amplifiers
n
光接收机 n
宽带宽的光放大器可以对多信道信号同时放大，而不需 要进行解复用，光放大器的问世推动了DWDM技术的
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
光纤通信技术课程设计
掺铒光纤放大器(EDFA Erbium-Doped Fiber
Amplifier)的设计
0概述
光线通信中采用光纤来传输光信号，一般它会受到两个方面的限制：损耗和色散。
就损耗而言，目前光纤的典型值在1.3um波段为0.35dB/km，在1.55um波段为0.20dB/km，由于光纤损耗的限制，所以在无中继传输距离一般为50—100km。
20世纪80年代末期，波长为1.55um的摻铒光纤放大器（EDFA Erbium-Doped Fiber Amplifier）的研制成功并投入使用，打破了光纤通信传输距离受光纤色散和损耗的制约，使全光通信距离延长至几千公里，给光纤通信带来了革命性变化，把光纤通信技术推向一个新的高度，成为光纤通信发展史上一个重要的里程碑。
1 摻铒光纤放大器的工作原理
铒是一种稀土元素，原子序数三68，原子量为167.3。
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。
而能带的作用是，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。
下图1是掺铒光纤放大器的工作原理，说明了光信号被放大的原因。
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。
从图1可以看出，在掺铒光纤放大器中，铒离子有三个能级：能级1代表基态，能量是最低的；能级2是亚稳态，处在中间能级；能级3代表激发态，能量最高。
Er3+在未任何光激励的情况下，处于最低能级基态上。
在泵浦光的作用下，当泵浦光的光子能量等于能级3和能级1的能量差时，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，而且激发态是很不稳定的，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；铒离子被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。
图1
如果输入信号光的光子能量等于能级2和能级1的能量差，则处于能级2的铒离子将跃迁至基态，产生受激辐射，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，从而实现信号光的放大。
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。
2泵浦源选择980nm的泵浦光
如下图2是泵浦源为980nm时的摻铒光纤放大器光路结构方框图。
图中WDM耦合器的是指波长敏感型光纤耦合器（WDM），将泵浦光和信号光复用耦合进EDF，作用是把输入的光信号耦合到光纤。
隔离器的作用是阻止反射光保证光信号正向传输的器件、防止反射光影响EDFA的工作稳定性。
光隔离器是一种只允许光沿一个方向通过而在相反方向阻挡光通过的光无源器件。
它通过光纤回波反射的光能够被光隔离器很好的隔离，隔离度代表了光隔离器对回波隔离（阻挡）能力。
图2
下图3是泵浦源为980nm时的摻铒光纤放大器的电路图模块。
图3
3如何选择980nm和1480nm的泵浦光源
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，如图1所示。
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。
但是由于光纤对1480nm 的光损耗较小，所以1480nm 泵浦光常用于遥泵方式。
4 掺铒光纤放大器的性能特性
（1）增益G
增益是评价一个光放大器时的第一特性，是输出光功率与输入光功率之比。
即： G=P out /P in
以分贝表示：
◆增益饱和（饱和输出功率）：当P in 增大到一定值后，光放大器的增益G 开始下降。
如下图4.
◆饱和输出功率：增益相对小信号增益减少3dB 时的输出信号的光功率称为饱和输出功
率。
图4
◆增益G 是激励光纤长度的函数。
EDF 中泵浦租用是沿激励光纤长度提供的，对于一定的泵浦光功率，如果EDF 的长度超过了一定的范围，泵浦光功率沿光纤衰减，然后消耗到阈值功率以下，信号光将会受到越来越小的增益，并且最终经受损耗，EDF 有一最佳长度，它与光纤的特性有关，如：掺杂浓度、增益带宽等。
◆小信号增益随泵浦功率而变，对于给定的放大器长度（EDF 长度），增益随泵浦功率在开始时按指数增加，当泵浦功率超过一定值时，增益增加变缓，并趋于一恒定值。
◆增益G 是输入波长的函数。
（2）噪声
EDFA 中，放大信号时产生其自身的噪声，把自发辐射或散射叠加到信号光上，并且占有整个放大带宽，光放大器改变了输入信号和输出信号的信噪比SNR ，导致被放大信号的信噪比下降。
如下图5所示。
)( log 1010
dB P P G in
out
图5
主要噪声源：放大的自发辐射噪声ASE (Amplified Spontaneous Emission)，它源于放大器介质中电子空穴对的自发复合。
自发复合导致了与光信号一起放大的光子的宽谱背景。
一部分电子自发辐射到低能级的能带上，这些自发辐射产生的光子在信号光相同频率范围内，但它们在相位和方向上是随机的，那些与信号同方向的自发辐射光子被活性物质放大。
这些自发辐射并经放大的光子放大的自发辐射噪声ASE。
它们在相位是随机的，对于信号光没有贡献而产生了信号带宽内的噪声。
5 EDFA进行级联
EDFA的级联，引入一方面使系统的中继距离加大，节省设备成本；另一方面也产生了一些新的问题，如非线性、高的输出功率（增益钳制）、噪声积累和增益均衡等，并且对高速线路系统构成影响。
下文中将讨论EDFA进行级联所产生的问题以及解决方法。
（1）噪声积累
第一级EDFA对信号进行放大的同时，产生放大的自发辐射噪声ASE（前向与后向），此时ASE与放大信号一同沿光纤传输，会被第二级、第三级· · · EDFA放大，同时，第二级、第三级· · · EDFA也将产生自己的ASE噪声，并且不断积累。
◆放大累计的ASE被接收机接收，影响系统的性能（误码率、灵敏度等）；
◆当ASE幅度增加到一定程度时，它开始使光放大器饱和并减小信号增益。
解决方法：
◆滤波器滤除；
◆噪声积累到一定程度后，插入一个O/E/O中继器，使含有累积噪声的输出信号由相关电路（经门限电路判决）去掉该噪声。
如下图6所示。
图6
（2）增益均衡（增益平坦化）
EDFA对不同波长光信号的放大增益不同，从而在EDFA多级串联后，使不同波长的光增益相差很大（贫富差距拉大），这就限制了WDM系统中使用的信道数量。
解决方法：
◆插入衰减器法；
◆单独放大法；
◆滤波器法；
◆增益互补法；
◆新型宽谱带掺杂光纤；
◆声光滤波调节法；
◆预失真补偿法。
滤波器法增益平坦化：在EDFA中插入损耗谱与EDFA增益谱相反的光纤光栅增益平坦滤波器是比较常用的一种增益平坦技术。
所用的光纤光栅，可以是闪耀光栅或闪耀光栅的复合体，也可以是长周期光栅。
对于通过光纤中闪耀光栅的信号，可从光纤芯区的导模耦合到后向传播的包层模或辐射模中逸出光纤，通过选择合适的光栅参数，如闪耀角、周期等，就可使光纤放大器的增益谱峰值减小，从而达到平坦化的目的。
如下图7。
图7
6 结束语
掺铒光纤放大器( EDFA) 是一种十分重要的新型光通信器件,在通信网中得到了广泛应用。
通信系统对EDFA 的特性有很高的要求,通常要求EDFA具有高增益、高输出功率、低噪声和宽带宽特性。
在超大容量和更高速的光纤通信中，光放大器都起着举足轻重的作用，而光纤放大器的研制成功，使光纤通信逐步走向全光传输和全光通信阶段。
特别是掺铒光纤放大器(EDFA) 的实用化，实现了直接光放大，节省了大量的再生中继器，简化了系统，扩大了传输容量，促进了真正意义上的密集波分复用(DWDM) 技术的飞速发展，引起了光纤通信领域的重大变革。
在今后的通信系统中，掺铒光纤放大器的应用会更加广泛和普遍，因为掺铒光纤放大器拥有许多其他放大器无法比拟的优势，如增益高、噪声系数小、频带宽等。