光纤放大器

第7章 光纤通信新技术
泵浦光功率与输出信号光功率关系
输出信号光功率/ mW 增益 / dB
1520
1540
1560
波长
1580
1600
泵浦光输出
第7章 光纤通信新技术
组成EDFA的光器件
• 掺铒光纤 • 泵浦激光器(Pump LD) • 波分复用器(WDM) • 光隔离器(ISO)
第7章 光纤通信新技术
泵浦光
信号光
波分 复用器
掺铒光纤
输出信号
光隔离器 光带通 滤波器
EDFA原理结构图
第7章 光纤通信新技术
第7章 光纤通信新技术
7.1 光纤放大器 7.2 光波分复用技术 7.3 光交换技术 7.6 光时分复用技术 7.7 波长变换技术
第7章 光纤通信新技术
7.1 光纤放大器
回顾： 光放大的必要条件
受激辐射
LD: 正向偏压
粒子数反转 连续的入射光
泵浦源
光纤放大器？ LD：谐振腔
光纤放大器？
第7章 光纤通信新技术
放大的自发辐射噪声 （ASE ）
EDFA光放大器
放大的自发辐射噪声 （ASE ）
1550nm 光信号输入
掺铒光纤（EDF ）
1550nm 光信号输出
泵浦光输入 （1480nm 或 980nm ）
EDFA 的典型谱曲线
-20
-30
-40
4,000GHz
-50
-60
-701500
第7章 光纤通信新技术
半导体光放大器 ：有谐振腔 体积小，易与其它器件集成
光放大器
与光纤的耦合损耗大
光纤放大器： 激活物质做成光纤形状的固体激光器 与光纤的耦合损耗小
体积大
第7章 光纤通信新技术
光纤放大器
在光通信中普遍使用的光纤放大器是： • 掺杂铒离子的光纤。
铒离子为激活物质，称为掺铒光纤放大器（EDFA）。 其放大的波长范围在1550nm通信窗口。 • 掺镨离子光纤放大器（PDFA) 其放大的波长范围在1310nm通信窗口
第7章 光纤通信新技术
掺铒光纤的吸收谱和发射谱
吸收系数
发射截面(cm2)
700
900
1100 1300 1500 波长（nm）
（a）吸收谱
1530
1570 波长（nm）
（b）发射截面谱
•掺铒光纤在980nm、1480nm有吸收峰。 •在1525－1565nm为较宽的发射峰。 •可同时放大多个波长即信道。 在WDM系统中，可作为放大器使用。
第7章 光纤通信新技术
EDFA功率谱和增益谱
有较大的放大频谱范围，可同时放大多个不同波长的信号
50
40
功率(dBm)
Gain(dB)
30
20
10
1510 1530 1550 1570
波长（nm）
0 1525 1530 1535 1540 1545 155Biblioteka Baidu 1555 1560
Wavelength(nm)
第7章 光纤通信新技术
增益平坦技术
掺铒光纤放大器
掺铒光纤放大器
（EDFA）
（EDFA）
1525 ~1565nm
1525 ~1565nm
增
益
增
不掺铝
益
掺铝
波长
波长
第7章 光纤通信新技术
EDFA的放大特性—增益特 性
增益的定义 ： G=10lg(Psout/Psin)(dB)
影响增益的因素： • 泵浦光功率 • 掺铒光纤:Er3+浓度、光纤长度 • 输入光功率 • ASE噪声引起的自饱和现象
波长（nm）
波长（nm）
第7章 光纤通信新技术
EDFA增益平坦技术(#)
增益曲线不平坦，会造成不同信道放大的差别较大
滤波型： 在EDFA中内插无源滤波器将1530nm的增益峰 降低，或专门设计其透射谱与掺铒光纤增益谱相 反的光滤波器将增益谱削平。
本征型： 采用新型宽谱带掺杂光纤，如掺铒氟化物光纤或 高铝含量的铒/铝共掺光纤、铒/铝－磷共掺光纤 等。其优点是无需制作和引入附加元件，但工艺 复杂。
第7章 光纤通信新技术
对EDFA光器件要求：
•对泵浦光源的基本要求是大功率和长寿命。波长为1480 nm的InGaAsP多量子阱(MQW)激光器， 输出光功率高达 100 mW, 泵浦光转换为信号光效率在6 dB/mW以上 •波长为980 nm的泵浦光转换效率更高，达10 dB/mW， 而且噪声较低（为什么？），是未来发展的方向。 •对波分复用器的基本要求是插入损耗小，熔拉双锥光纤耦 合器型和干涉滤波型波分复用器最适用。 •光隔离器的作用是防止光反射，保证系统稳定工作和减小 噪声，对它的基本要求是插入损耗小，反射损耗大。
铒离子三能级结构 实现放大的必要条件： 粒子数反转，即N2>N1
实际上能级分裂成能带， 有较宽的吸收和发射带
τ~1μs
4I
11 / 2
980 nm
1480 nm
N2 τ ~10ms
4I
13 / 2
~1520 ~1560 nm
4I
15 / 2
N1
三能级系统能量转移
第7章 光纤通信新技术
EDFA的工作原理：
第7章 光纤通信新技术
EDFA光放大器基本结构
前向泵浦
隔离器
WDM
输入信号 泵浦激光器
EDF 隔离器 输出信号
后向泵浦
隔离器 EDF
输入信号
WDM 隔离器
泵浦激光器
输出信号
隔离器
EDF
双向泵浦
输入信号 泵浦激光器
WDM 隔离器
泵浦激光器
输出信号
第7章 光纤通信新技术
信号光输入
+5 V 0V
电源
5V
监视 激光器驱动输入
信号光输出
热 输入隔离器
沉 输入 WDM
监视和 告警电路
泵浦 LD
泵浦监视 和控制电路
P D 探测器 泵浦 LD
掺铒 光纤
输出耦合器 输出隔离器
输出 WDM
实用光纤放大器外形图及其构成方框图
第7章 光纤通信新技术
EDFA作为光放大器的机制
Pin
EDFA
Pout
功率(dBm) 功率(dBm)
能级结构可以简化为三能级结构来描述： •基态、中间态、激发态 －泵浦光能量等于激发态和基态的能量差时，铒离子吸收泵 浦光从 基态跃迁到激发态。但激发态不稳定，因此铒离子很 快返回中间态。这样中间态与基态之间实现了粒子数反转 －对于处于粒子数反转的激活物质，当信号光能量等于中间态 与基态能量差时，就产生了受激辐射，信号光得到放大。 －因此光信号的放大是泵浦光能量转移到信号光的结果。
第7章 光纤通信新技术
Er离子能级图
4F9/2 4I11/2
2H11/2 4S3/2 4I9/2
4I13/2
514nm 532nm 670nm 800nm 980nm 1480nm
980nm和1480nm两个吸收波长
4I15/2
1550nm附近有发射波长
第7章 光纤通信新技术
EDFA简化能级结构