掺铒光纤放大器知识讲解

•噪声指数
SNR
F
in
SNR
G1 2nsp G2nsp2
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
掺铒光纤放大器(EDFA)
一、发展历程 •1964年，提出掺钕（Nd3+）光纤放大器的设想 •1985年，低损耗掺杂SiO2光纤研制成功 •目前，掺Er3+光纤放大器（EDFA）最为成熟，是光纤通信 系统必备器件 •特点： –插损小、高增益、大带宽、偏振无关 –低噪声、低串扰、高输出功率等
掺铒光纤放大器(EDFA)
•行波半导体光放大器要求放大器的残余反射满足：
G R1R2 0.17
此时，放大器的增益特性，主要决定于G（）
•降低端面反射的方法： 倾斜有源区法
半导体光放大器（SOA)
窗面结构
二、行波半导体放大器特性
•带宽由介质的增益谱决定，可达70nm
•增益系数与载流子浓度的关系 •载流子浓度由速率方程决定
g
Vg
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 gg0Lln2ln2
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n2 G0 2
Ps
•最大输出功率
一、工作原理
半导体光放大器（SOA)
半导体光放大器（SOA)
1、F-P半导体光放大器 •增益
谐振峰3dB带宽：
：纵模间隔 G()：增益轮廓 R1,R2：反射率
半导体光放大器（SOA)
•多峰值、带宽窄，不适合系统应用，只可用于一些 信号处理 •减小 R1R2 可增加带宽，减小Gmax和Gmin之差，
NN0
：限制因子
•噪声指数：
Fn 2NNN0ggint
g：微分增益系数 V：有源区体积
半导体光放大器（SOA)
•增益偏振相关性 •起因：限制因子和微分增益系数随输入光的偏振态变化而变化 •解决方法：采用宽、厚可比拟的有源层设计；使用方法着手。
半导体光放大器（SOA)
三、脉冲放大
1、增益压缩：输入光功率----载流子耗尽----增益减小 光脉冲的不同部分经历的放大不同，前沿经历的增益最大， 后沿最小脉冲过后增益开始恢复，恢复速度取决于载流子寿命 -----脉冲畸变
掺铒光纤放大器
•基本概念
•在泵浦能量（电或光）的作用下，实现粒子数反转（非线性光 纤放大器除外），然后通过受激辐射实现对入射光的放大。与 激光器不同之处在于光放大器没有反馈机制。
•光放大器的增益不仅与信号光的频率有关，而且还依赖于其强度 对于均匀展宽的二能级系统，增益系数为：
g
g0
102T22PPs
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： –受激辐射对应于4I13/2到4I15/2的跃迁 –泵浦波长可以是520、650、800、980、
1480nm –由于波长短于980nm的泵浦存在着较强 的受激带吸收，泵浦效率低，因而通常采 用980和1480nm泵浦 –上述两波长的泵浦效率可高达11dB/mW 和5dB/mW –泵浦可以同向、逆向形式泵浦 –由于光纤对1480nm的光损耗较小，所以 1480nm泵浦光又常用于遥泵方式
GG0expGG1PPosut
三、放大器噪声 •起因：被放大的自发辐射（ASE）--ASE噪声 •ASE噪声近似为白噪声，噪声功率谱密度为：
SspG1nsp h
•自发辐射因子（或反转因子）：nsp N2 N2 N1
•ASE噪声功率：
ASE有效带宽，
由放大器增益谱特性决定
P AS E 2 n sp G 1hB ASE
放大前
放大后
2、相位调制：增益调制的同时，引起有源区折射率变化，
导致脉冲相位的变化，脉冲各部分的相位变化不同
---调频啁啾（自相位调制）
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：
基于SOA中的交叉增益调制（XGM） 基于SOA中的交叉相位调制（XPM） 基于SOA中的四波混频效应（FWM）
半导体光放大器（SOA)
B、光脉冲压缩： 利用SOA自相位调制，形成啁啾脉冲，经负色散光纤传输， 实现压缩
C、光开关 直接调制SOA的注入电流实现光的通断 特点：高速、无损
掺铒光纤放大器(EDFA)
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：
上式可用于讨论放大器的增 益带宽、放大倍数、饱和输 出功率等
一、光增益谱宽和放大器带宽
•小信号下，增益系数随的改变而按洛伦兹分布变化 •增益谱宽：增益系数降至最大值一半处的全宽（FWHM）
g
1
T2
•放大器增益（或放大倍数）： GPoutPin
G ex g p L
•光功率随距离的变化规律：
基本结构：
同向泵浦
反向泵浦
双向泵浦
掺铒光纤放大器(EDFA)
应用方式：
功率放大 （Boost） 线路放大
（In-line） 前置放大 (Pre-amplifier)
掺铒光纤放大器(EDFA)
三、EDFA的增益谱特性 •吸收截面a和发射截面e：表示Er3+在不同波长的吸收和发 射几率 •增益展宽：石英纤芯结构的无序导致非均匀展宽；各能级 的斯塔克分裂导致均匀展宽 •在数学上，增益系数应对粒子跃迁频率的分布求平均
1544 典型的EDFA增益谱
1569
掺铒光纤放大器(EDFA)
四、EDFA的小信号增益和饱和特性 •EDFA的增益与Er3+浓度与径向分布、光纤尺寸、放大器长度、 泵浦功率、输入信号功率等参数有关 •计算表明： –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。 –当泵浦功率一定时，放大器在某一最佳长度时获得最大 增益，如果放大器长度超过此值，由于泵浦的消耗，最佳 点后的掺铒光纤不能受到足够泵浦，而且要吸收已放大的 信号能量，导致增益很快下降。 –因此，在EDFA的设计中，需要在掺铒光纤结构参数的基 础上，选择合适的泵浦功率和光纤长度，使放大器工作于 最佳状态。