掺铒光纤放大器及其应用讲解学习

1480 nm 泵浦: 二能级 系统比较精确
4I11/2
~1s
4I13/2
=11 ms
4I15/2
5
1530-1560 nm
4
3 Emission Absorption
2
1
0 1480 nm
1450
1500
1550 Wavelength (nm)
1600
1650
980 nm 泵浦: 三能级系统能够很好的表述; 简化为二能级模型能够更贴近现实。
1530-1560 nm
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Ⅱ. EDFA 的基本结构
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EDFA的基本结构
• EDFA 主要由掺铒光纤(EDF)、泵浦光源、耦合器、光隔离器及光滤波器 组成，结构如图所示。
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
增益带宽（nm）工作带宽，平坦增益带宽
Gain (dB) 40
基态
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简化的能级跃迁
N2
E23
E12
N3
hv泵浦 hv信号
E31
受激辐射
N1
三能级系统
N2
E23
E12
N3
hv泵浦 hv信号
E34
受激辐射
N4 E41
N1
四能级系统
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铒纤吸收谱
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铒离子能级示意图
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多级泵浦
Input Signal
Optical Isolator
Pump 第一级同向泵浦: 得到低的噪声指数
Er3+ Doped Fiber
Output Signal
Pump 第二级反向泵浦: 得到高的输出功率
NF 1st/2nd stage = Pin - SNRo [dB] - 10 Log (hc2 / 3) NFtotal = NF1+NF2/G1
光为什么会放大？
• 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 上能级的粒子数比下能级的多
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三种能级跃迁方式
受激吸收
E2 hv
•Pre-amplifier
前置放大器（PA）：放在光接 收机之前，放大微弱的光信号 ，以改善光接收灵敏度，对噪 声要求苛刻。
发射器 发射器 发射器
光纤 EDFA
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
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泵浦功率和光纤长度对增益的影响
掺铒光纤放大器及其应用
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什么是EDFA（掺铒光纤放大器）？
输入信号 1530nm-1570nm
980nm or 1480nm
激光光源 (泵浦)
放大的信号 掺铒光纤
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通信窗口和铒离子
Absorption Gain
自然界给光通信的礼物:铒离子的增益谱与光 纤传输最低损耗窗口重合。
E1
E2 hv
受激发射
自发辐射
E2
E1
受激吸收后
E2
E1
受激发射后
E2 hv hv
E1
自发辐射后
E2 hv
E1
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粒子数反转
高 能 级
激发态
低
能 基态
级
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EDF原理
激发态
泵浦光 980 nm
基态
亚稳态
信号光 1550 nm
受激放大光 1550 nm
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Ⅲ. EDFA的特性参数
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增益 G（dB） 输出信号功率与输入信号功率的比值
G(dB)10log10PPss,o,inut
60
铒纤长度 m
50
50
增益 dB
40 40
30
20 20
10
10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 泵浦功率 mW
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
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EDFA 输出功率 vs. 增益
16
EDFA output Power dBm
15
14
13
12
11
27
29
31
33
35
37
39
41
43
EDFA Gain dB
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噪声系数NF（dB） 输入信噪比与输出信噪比的比值
NF (dB )10lo1g0SSN NoiR R nut
8 Długość włókna m
7
噪声系数 dB
6
75
5ห้องสมุดไป่ตู้
60
4
30 3
2 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100
泵浦功率 mW
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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
反向泵浦(后向泵浦)型： 输出信号功率高
双向泵浦型：输出信号 功率比单泵浦源高3dB， 且放大特性与信号传输 方向无关
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主要内容
I. EDFA的基本理论基础 II. EDFA基本结构 III. EDFA的特性参数 IV. EDFA的理论模型 V. EDFA扩展 VI. EDFA设计软件Optiwave的应用
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I. 掺铒光纤放大器理论基础
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掺铒光纤放大器的三种应用方式
• In line amplifier
中继放大器（LA）：在光纤线 路中每隔一段距离设置一个光 纤放大器，以延长干线网的传 输距离。
•Booster amplifier
后置放大器（BA）：放在光发 射机后，以提高发射光功率， 对其噪声要求不高，饱和输出 功率是主要参数。
• 泵浦波长可以是514、679、800、980、1480nm • 波长短于980nm的泵浦效率低，因而通常采用980和1480nm泵浦。
快速非辐射跃迁 同时产生自发辐射噪声 (ASE)
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三能级系统 v.s. 二能级系统
980 nm 1480 nm
Emission/Absorption (dB/m)