光纤光学6.5
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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
2018/3/8 © HUST 2012
2018/3/8
2、掺杂光纤放大器及其放大特性
2018/3/8 © HUST 2012
2018/3/8
光放大器的工作原理
(2) 受激辐射 (1) 能量注入
2018/3/8
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）
2018/3/8 © HUST 2012
光纤通信的容量有多大
2018/3/8 © HUST 2012
如何提高数据率 电复用 光复用 波分复用 (WDM) 光时分复用 (OTDM)
2018/3/8
光纤中光信号能传多远
2018/3/8 © HUST 2012
2018/3/8
• 普通单模光纤的损耗谱 窗口： 1.3m， ~0.4dB/km; 1.55 m, ~ 0.25dB/km 全波光纤，1.3~1.5 m
2018/3/8 © HUST 2012
2018/3/8
3、掺铒光纤放大器的基本结构
பைடு நூலகம்
2018/3/8 © HUST 2012
2018/3/8
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
信号光放大
亚稳态
Pump Photon 980 or 1480 nm
基态
SIGNAL PHOTON 1550 nm
TERM
1310
1310
1310
1310
1310
1310
1310
1310
TERM RP1T3R10 RP1T3R10 RP1T3R10
RP1T3R10
RP1T3R10
RP1T3R10
RP1T3R10
RP1T3R10
TERM
TERM RP1T3R10 RP1T3R10 RP1T3R10
RP1T3R10
但能对信号再放大、再定时和再整形
。 2018/3/8
© HUST 2012
2018/3/8
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 (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
• 如何加长传输距离 –光-电-光中继 –相干光通信，提高接收灵敏度 –直接光放大
2018/3/8 © HUST 2012
2018/3/8
传统的光-电-光中继
O－E－O Regenerator Optical fiber
Optical fiber
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；
2018/3/8 © HUST 2012
2018/3/8
选择1480nm或980nm作为泵浦光波长
• 980nm泵浦
• 1480nm泵浦
2018/3/8 © HUST 2012
完全粒子数反 转
低的粒子数反 转
噪声小、效率 低
量子效率高、噪声大 。
2018/3/8
选择1480nm或980nm作为泵浦光波长，掺铒光纤放大器的特性对比
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
2018/3/8 © HUST 2012
2018/3/8
掺铒光纤放大 器
EDFA：Erbium－Doped Fiber Amplifier
2018/3/8 © HUST 2012
2018/3/8
掺铒光纤放大器的发展历程
• 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，
Amplified Signal 1550 nm
基态
2018/3/8 © HUST 2012
2018/3/8
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
产生噪声
亚稳态
Pump Photon 980 or 1480 nm
NO SIGNAL PHOTON 1550 nm
Spontaneous Emission Around 1550 nm
2018/3/8
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
2018/3/8 © HUST 2012
2018/3/8
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
2018/3/8 © HUST 2012
第六章光纤无源及有源器件
2018/3/8
1、引言
六、掺铒光纤放大器
光纤放大器——光通信技术的发展的必然
• 光通信的发展历程 ——扩大容量，增长距离 • 光纤通信的容量有多大？ • 光纤中光信号能传多远？ • 全光放大器给光纤通信领域带来的革命
2018/3/8 © HUST 2012
2018/3/8
• 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。
• 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。
OA
120 km
OA
120 km
OA
120 km
OC-48 OC-48 OC-48 OC-48
OA
2018/3/8 © HUST 2012
Optical Amplifiers and WDM - 10 Gb/s
4 fibers 1 fiber; 12 regenerators 1 optical amplifier
2018/3/8 © HUST 2012
2018/3/8
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
2018/3/8 © HUST 2012
2018/3/8
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
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
2018/3/8 © HUST 2012
2018/3/8
全光放大器给光纤通信领域带来的革命 Conventional Transmission - 10Gb/s
40km 40km 40km 40km 40km 40km 40km 40km 40km
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
在较短的光纤内（15m），使信号放大1000倍 （30dB）。
2018/3/8 © HUST 2012
2018/3/8
铒离子在硅基石英光纤中的能级分布
2H11 2 4S3 2 2F9 2 4I9 2 4I11 2
4I13 2
514nm 532nm 667nm 800nm 980nm
1480nm 1600nm(?)
基态
基态
2018/3/8 © HUST 2012
2018/3/8
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
信号光吸收
亚稳态
No Pump Photon 980 or 1480 nm
基态
SIGNAL PHOTON 1550 nm
Attenuated Signal 1550 nm
基态
2018/3/8 © HUST 2012
2018/3/8 © HUST 2012
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。 2018/3/8
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；
2018/3/8
重要计算公式
• 速率方程
d 2 n d tk
Pkik
h
a k
n1k r,
, z
k Pkik hk
e n2k r,
, z n2 r,
,z
• 放大器增益
G
e
x
L 0
p
g
*
n2
nt
n1
nt
d
©13HUST 2012
RP1T3R10
RP1T3R10
RP1T3R10
RP1T3R10
TERM
TERM RP1T3R10 RP1T3R10 RP1T3R10
RP1T3R10
RP1T3R10
RP1T3R10
RP1T3R10
RP1T3R10
TERM
RPTR
RPTR
RPTR
RPTR
RPTR
RPTR
RPTR
RPTR
TERM
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 Optical
OC-48
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
2018/3/8
Single-wavelength: 40 Gb/s
TETRETREMTREMTREMTREMTREMTRTEMR1ERTMR3P1RETM1RT3P1REMT01RRT3P1REMT01RRT3P1REMT01RRTP31REMT01RRT3P1REMT01RRT3P1REM0R1RRT31P1RM0R13PRRPT131M01RTP3R1RTP131010RRTR3PR1TP13101R0RTR3PR1TP13101R0RRTP3R1TP131010RRTR3PR1TP13101R0RRT3PR1TP13101R0RRT3P1TPR31101R0RPTR13TR1P310RR01TPR31R1T3P10RR1TP031RR1TP310R1RT0P31RR1T3P10RR1TP031RR1TP310RR1T0P31RR1TP310RR1TP031RR1T3P10R1TP0R31RTP13R01R1T0RP31RT1R3P0R110RT3PR11RT3P011RRT3P101RRT3P011RRTP3101RRT3P011RRT3P101RRT3P101RRT3P101RRTP3011RRTP3101RRT3P011RT3P0R1RT3P1R01R1T0R1P3RT1RP03R101RTP3R1RT1P3101RRT3P0R1R1TP3101RRTP30R1RT1P3101RRT3P01RR1TP3101RRT3P0R1RT1P3101RRT3P0R1RT1P3101RT3PR0R1TP31R011RT0RPR3T11R3P01RR1T0PR311RT3P10RR1TP3011RRTP310RR1TP3011RRTP310RR1TP3011RRTP310RR1TP3011RRTP310RR1TP3011RRTP310R1TP30R1RTP31R01R1T0R3P1RT1RP30R110RT3PR11RTP3101RRT3P011RRTP3101RRTP0311RRTP3101RRTP3011RRTP3101RRTP031R1RTP3101RRTP3011RRTP3101RT3P0R1RTP31R101RT0RP3R1T1R3P10R10RT3PR11RTP3101RRTP3011RRT3P101RRTP3011RRT3P101RRT3P011RRT3P101RRT3P011RRT3P101RRTP3011RRT3P101RT3P0R1RTP3101RT0R1TP3RT10R01ERTT3PR10R1ERRTT3P10R1ERMRTTP310REM1RRTT3P10R1ERMRTT3P10R1ERMRTTP310R1EMRTT3P0R1TRMET0ETRRMRETMREMTREMTREMTREMTREMTREMRMM
3.喇曼光纤放大器 利用普通 光纤的非线性效应
2018/3/8 © HUST 2012
2018/3/8
2、掺杂光纤放大器及其放大特性
2018/3/8 © HUST 2012
2018/3/8
光放大器的工作原理
(2) 受激辐射 (1) 能量注入
2018/3/8
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）
2018/3/8 © HUST 2012
光纤通信的容量有多大
2018/3/8 © HUST 2012
如何提高数据率 电复用 光复用 波分复用 (WDM) 光时分复用 (OTDM)
2018/3/8
光纤中光信号能传多远
2018/3/8 © HUST 2012
2018/3/8
• 普通单模光纤的损耗谱 窗口： 1.3m， ~0.4dB/km; 1.55 m, ~ 0.25dB/km 全波光纤，1.3~1.5 m
2018/3/8 © HUST 2012
2018/3/8
3、掺铒光纤放大器的基本结构
பைடு நூலகம்
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2018/3/8
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
信号光放大
亚稳态
Pump Photon 980 or 1480 nm
基态
SIGNAL PHOTON 1550 nm
TERM
1310
1310
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TERM RP1T3R10 RP1T3R10 RP1T3R10
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RP1T3R10
RP1T3R10
RP1T3R10
RP1T3R10
TERM
TERM RP1T3R10 RP1T3R10 RP1T3R10
RP1T3R10
但能对信号再放大、再定时和再整形
。 2018/3/8
© HUST 2012
2018/3/8
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 (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
• 如何加长传输距离 –光-电-光中继 –相干光通信，提高接收灵敏度 –直接光放大
2018/3/8 © HUST 2012
2018/3/8
传统的光-电-光中继
O－E－O Regenerator Optical fiber
Optical fiber
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；
2018/3/8 © HUST 2012
2018/3/8
选择1480nm或980nm作为泵浦光波长
• 980nm泵浦
• 1480nm泵浦
2018/3/8 © HUST 2012
完全粒子数反 转
低的粒子数反 转
噪声小、效率 低
量子效率高、噪声大 。
2018/3/8
选择1480nm或980nm作为泵浦光波长，掺铒光纤放大器的特性对比
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
2018/3/8 © HUST 2012
2018/3/8
掺铒光纤放大 器
EDFA：Erbium－Doped Fiber Amplifier
2018/3/8 © HUST 2012
2018/3/8
掺铒光纤放大器的发展历程
• 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，
Amplified Signal 1550 nm
基态
2018/3/8 © HUST 2012
2018/3/8
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
产生噪声
亚稳态
Pump Photon 980 or 1480 nm
NO SIGNAL PHOTON 1550 nm
Spontaneous Emission Around 1550 nm
2018/3/8
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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2018/3/8
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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第六章光纤无源及有源器件
2018/3/8
1、引言
六、掺铒光纤放大器
光纤放大器——光通信技术的发展的必然
• 光通信的发展历程 ——扩大容量，增长距离 • 光纤通信的容量有多大？ • 光纤中光信号能传多远？ • 全光放大器给光纤通信领域带来的革命
2018/3/8 © HUST 2012
2018/3/8
• 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。
• 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。
OA
120 km
OA
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OC-48 OC-48 OC-48 OC-48
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Optical Amplifiers and WDM - 10 Gb/s
4 fibers 1 fiber; 12 regenerators 1 optical amplifier
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2018/3/8
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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2018/3/8
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
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
2018/3/8 © HUST 2012
2018/3/8
全光放大器给光纤通信领域带来的革命 Conventional Transmission - 10Gb/s
40km 40km 40km 40km 40km 40km 40km 40km 40km
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
在较短的光纤内（15m），使信号放大1000倍 （30dB）。
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2018/3/8
铒离子在硅基石英光纤中的能级分布
2H11 2 4S3 2 2F9 2 4I9 2 4I11 2
4I13 2
514nm 532nm 667nm 800nm 980nm
1480nm 1600nm(?)
基态
基态
2018/3/8 © HUST 2012
2018/3/8
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
信号光吸收
亚稳态
No Pump Photon 980 or 1480 nm
基态
SIGNAL PHOTON 1550 nm
Attenuated Signal 1550 nm
基态
2018/3/8 © HUST 2012
2018/3/8 © HUST 2012
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。 2018/3/8
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；
2018/3/8
重要计算公式
• 速率方程
d 2 n d tk
Pkik
h
a k
n1k r,
, z
k Pkik hk
e n2k r,
, z n2 r,
,z
• 放大器增益
G
e
x
L 0
p
g
*
n2
nt
n1
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d
©13HUST 2012
RP1T3R10
RP1T3R10
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Amplifier
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16-wavelength WDM: 40 Gb/s
16 fibers 1 fiber 48 regenerators 1 optical amplifier
2018/3/8
Single-wavelength: 40 Gb/s
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