掺铒光纤放大器

泵浦光功率
掺铒光纤的长度及Er3+的掺杂浓度 输入光功率等
小信号增益与饱和输出功率
小信号增益
G0
输入光功率较小时，随输入信号光功率的增大， 增益G基本维持不变，这种增益称为光放大器的 小信号增益G0 。 当输入光功率继续增大，受激辐 射加快，粒子反转数减小，增益 G随输入功率的增加而减小，出 现增益饱和现象。 饱和输出功率Pout,sat ：放大 器增益降至小信号增益一 半时的输出功率。 深度饱和区
1 n20


0
1 tA21n2 (t )dt A21
能级上粒子的平均寿命
越大，表明原子在 E2 上逗留时间越长，激
发 态 很小 ， 无穷大时，称 E2 为稳态；
较长的能态称为亚稳态。
受激吸收
受 激 吸 收 ： 处 于 低 能 级 E1 的 原 子 受 到 外 来 光 子 （ 能 量 h E2 E1）的刺激作用，完全吸收光子的能量而跃迁 到高能级E2的过程：
图（1-9）光的受激辐射过程
受激辐射的特点
外来激励光子能量为两能级能量差 h E2 E1 时，才
能发生受激辐射；
受激辐射的光子与外来光子的特性完全相同， 即：频率、位 相、偏振和传播方向完全一样，因此受激辐射与外来辐射是
相干的，换句话说外来辐射被 “放大” 了；
光的受激辐射过程是产生光放大与激光的基本过程（受激辐 射的光子与外来光子的特性完全相同可以在量子电动力学中
David Payne
网的实用化。
光放大器原理
(2) 受激辐射
(1) 能量注入
光与物质的作用
任何粒子的辐射光和吸收光的过程都是原子能级之
间的跃迁过程
光与物质的相互作用有三种不同的基本过程：
□ 自发辐射 □ 受激吸收 □ 受激辐射
这三种过程总是同时存在，紧密联系。
自发辐射
自发辐射：高能级的原子自发地从高能级E2向低能级
3dB
Pout,sat
饱和区域
增益与输入光功率的关系
噪声系数 NF（noise figure）
信号在放大过程中不可避免地叠加了各种噪声，从而导致信
噪比(SNR signal-to-noise ratio)的恶化。衡量EDFA噪声特性的参数 为噪声系数NF（noise figure）：
OSNR in P NF 10log 10log ASE OSNR out h G 2nsp G 1
25.0
增益 / dB 20.0 15.0 10.0 5.0 0.0 －5.0 I 0 I I 输出光功率 / dBm I I I I
噪声指数 / dB
－10.0 －40 －35 －30 －25 －20 －15 －10 －5 输入光功率 / dBm
增益带宽
增益谱G()：增益G与信号光波长的关系。
光的受激吸收过程
特点：处于低能级E1的原子受到外来光子的刺激作用，完全吸收
光子的能量而跃迁到高能级E2的过程。
受激吸收跃迁速率与受激吸收系数
从E1经受激吸收跃迁到E2具有一定的跃迁速率则有：
dn2 B12 n1dt
式中的

为外来光的光场单色能量密度，即受激吸收跃迁
速率与外来光的光场单色能量密度成正比
量放大器等）
光放大器的类型
光 纤 衰 减 除去 OH 峰外 >300nm
半导体光放大器 （SOA） 掺铒光纤光放大器
低损耗窗口
（EDFA）
掺镨光纤光放大器
光 放 大 器 增 益 850 增益窗口 30nm ~ 60nm PDFA EDFA SOA SRA 1310 1550 nm 波长
（PDFA） 受激拉曼光放大器 (SRA)
增益带宽： 信号增益在最高增益下降3dB增益差之 内的信号波长范围。
小信号增益与泵浦功率的关系曲线
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。
粒子， 属于一种噪声源，足够强度的 ASE 造成增益饱
和，导致增益下降。
掺铒光纤的吸收谱和发射谱
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。
EDFA工作原理
N3～0 τ~1μs
4I 11 / 2
三能级、四能级系统
放大的自发辐射(ASE)
Amplified Spontaneous Emission
ASE是一种由自发辐射诱发的受激辐射占主导的过 程，没有正反馈的光振荡 ( 无谐振腔 ), 属相干辐射。 其特性介于激光与荧光之间的过渡状态。 ASE 与激光 相比，具有非准单色及谱线宽的特点。 在光放大器中， ASE 与输入光信号同时争夺上能级
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
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
dn2 A21n2 dt
式中n2为某时刻高能级E2上的原子数密度，dn2表示在dt时间间
隔内由E2自发跃迁到E1的原子数，“－”表示E2能级的粒子数密度 减少。
A21 称为爱因斯坦自发辐射系数，简称自发辐射系数，它是粒
子能级系统的特征参量。
A21
1 dn2 n2 dt
物理意义是：单位时间内，发生自发辐射的粒子数密度占处于 E2能级总粒子数密度的百分比。
射跃迁到E1的原子数，“－”表示E2能级的粒子数密度减少。
B21称为爱因斯坦受激辐射系数，简称受激辐射系数。
受激辐射几率
受激辐射（跃迁）几率W21定义为 W21 B21 ，则有：
dn2 W21 B21 n2 dt
受激辐射的跃迁几率的物理意义为：单位时间内，在外来单 色能量密度为
半导体泵浦二极管：为信号放大提供能量，使铒离子达到粒子数反转。
波分复用耦合器：将信号光和泵浦光合路进入掺铒光纤中。
掺铒光纤：当一定的泵浦光注入到掺铒光纤中时， Er3+ 从低能级被激发到 高能级，由于在高能级上的寿命很短，很快跃迁到亚稳态能级，并在亚稳 态与基态能级间形成粒子数反转分布。在入射光诱导形成受激辐射，对信 号光进行放大。 光隔离器：使光单向传输，避免发射光影响，保证稳定工作。
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
掺铒光纤放大器
主要内容：
掺铒光纤放大器（EDFA）概述 光放大原理概述 掺铒光纤放大器的工作特性 掺铒光纤放大器中的关键技术
掺铒光纤放大器概述
光放大器的类型
半导体光放大器（SOA） 稀 土 掺 杂 光 纤 放 大 器 （ 掺 铒 EDFA 、 掺 镨 PDFA、掺铥 TDFA）
基于光纤非线性效应的光纤放大器（ FRA 、参
其他参数意义同自发辐射：n1为某时刻E1上的原子数密度（即
单位体积中的原子数），dn2表示在dt时间间隔内由E1受激吸收跃迁 到E2的原子数，“－”被去除表示E2能级的粒子数密度增加。
B12称为爱因斯坦受激吸收系数，简称受激吸收系数。
受激吸收几率
受激吸收（跃迁）几率W12定义为 W12 B12 ，则有：
激发态
通过受激辐射 实现光放大，光放 大必要条件：
N2 τ ~10 ms
980 nm 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
Байду номын сангаас
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
1 dn2 W12 B12 n1 dt
受激吸收的跃迁几率的物理意义为：单位时间内，在外来单 色能量密度为

的光照下，E1能级上因为受激吸收跃迁到E2能
级上的粒子数密度占处于E1能级总粒子数密度的百分比。
受激辐射
受激辐射：当受到外来的能量 h E2 E1 的光照射时， 高能级E2上的原子受到外来光的激励作用向低能级 E1跃迁，同时发 射一个与外来光子完全相同的光子。 光的受激辐射过程：
E1跃迁，同时放出能量为 h E2 E1 的光子。
自发辐射
自发辐射的特点
处于高能级的粒子都是自发地、独立的进行跃迁； 辐射光子的频率不同,自发辐射的频率范围很宽；
发射方向和相位也不同；
非相干光发射：不同频率、相位、偏振方向。
自发辐射跃迁速率与自发辐射系数
对于大量原子统计平均来说，从E2经自发辐射跃迁到E1具有一 定的跃迁速率：
快速发展。
„
EDFA给光纤通信领域带来革命
掺铒光纤放大器（ EDFA ： Erbium-Doped Fiber
Amplifier ）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 激辐射的放大。
20世纪80年代末期，波长为1.55μm的EDFA研制
成功并投入实用，把光纤通信技术水平推向一个新高 度，成为光纤通信发展史上一个重要的里程碑。EDFA
的光照下，E2能级上发生受激辐射的粒子数密
度占处于E2能级总粒子数密度的百分比 注意：自发辐射跃迁几率就是自发辐射系数本身，而受激辐 射的跃迁几率决定于受激辐射系数与外来光单色能量密度的乘积。
三种过程之间的关系
某原子自发辐射产生的光子对于其他原子来
讲是外来光子，会引起受激辐射与受激吸收，因
此三个过程在大量原子组成的系统中是同时发生 的，并相互联系。 一般地，在热平衡条件下，受激辐射所占比 率很小，主要是自发辐射。
光放大器的类型
波分复用系统中的光电中继
光发送机 1 光发送机 2 λ λ λ
1 1
中继器 复 中继器 用 器 中继器 λ
1
λ 解 复 用 器 λ 2„ λ
n
1
光接收机 1 光接收机 2
2
复 用 器
光发送机 n
λ
n
解 λ 复 用 器 λ λ
1
2
λ λ
2
„
n
n
光接收机 n
λ 2„ λ
n
光接 收机
滤波、去噪、 恢复、整形；
自发辐射时E2能级上粒子的平均寿命
解该方程得：
n2 (t ) n20e A21t
式中n20为t=0时处于能级E2的原子数密度。 t时刻的单位时间内跃迁的粒子在高能级（E2）上已经停留的时 间总和，即寿命的和为：
tA21n2 (t )
所有在高能级（E2）上的粒子全部跃迁后，它们已经在高能级 上停留的时间总和按照粒子总数平均得到平均寿命为：
10log G 10log 2nsp
PASE－带宽内ASE光功率
－自发辐射噪声带宽
h －等效的输入散粒噪声
nsp －噪声因子
NF=3dB－噪声系数的量子极限（nsp=1时）
增益、噪声指数和输出光功率与输入光 功率的关系曲线（例）
35.0 30.0 增益 / dB
EDFA的三种泵浦方式
LD in APC WDM EDF in APC LD1 in APC WDM1 EDF WDM APC LD out EDF out APC
同向泵浦(前向泵浦) 好的噪声性能
反向泵浦(后向泵浦) 输出信号功率高
LD2
out WDM2
APC
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
得到证明）
受激辐射跃迁速率与受激辐射系数
从E2经受激辐射跃迁到E1具有一定的跃迁速率则有
dn2 B21 n2 dt
式中的

为外来光的光场单色能量密度，即受激辐射跃迁
速率与外来光的光场单色能量密度成正比。
其他参数意义同自发辐射：n2为某时刻高能级E2上的原子数密 度（即单位体积中的原子数），dn2表示在dt时间间隔内由E2受激辐