掺饵光纤放大器的特性研究

,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,掺饵光纤放大器的特性研究,1,主 要 内 容,2,掺饵光纤放大器的结构原理,3,掺饵光纤放大器的特性研究,1,掺饵光纤放大器历史发展,2,光放大器的分类,（,1,）半导体放大器,（,2,）掺稀土元素的光纤放大器，主要是掺饵,(Er),光纤放大器，还有掺铥,(Tm),光纤放大器及掺镨（,Pr,）光纤放大器。,（,3,）非线性的光纤放大器，主要是光纤喇曼放大器。,我们主要介绍掺饵光纤放大器，首先了解一下它的历史发展,3,掺饵光纤放大器的历史发展,1964,年，提出掺钕（,Nd3+,）光纤放大器的设想,1985,年，低损耗掺杂,SiO,2,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。,4,掺饵光纤放大器的特性研究,1.EDFA,的基本结构,典型掺饵光纤放大器,( EDFA),的基本结构如图,2-1,所示在输入端和输出端各有一个隔离器，目的是使光信号单向传输。泵浦激器波长为,980nm,或,1480nm,，用于提供能量。耦合器的作用是把输入光信号和泵浦光耦合进掺铒光纤中，通过掺铒光纤作用把泵浦光的能量转移到输入光信号中，实现输入光信号的能量放大。 实际使用的掺铒光纤放大器为了获得较大的输出光功率，同时又具有较低的噪声指数等其他参数，采用两个或多个泵浦源的结构，中间加上隔离器进行相互隔离。为了获得较宽较平坦的增益曲线，还加入了增益平坦滤波器。,5,掺饵光纤放大器的特性研究,2.,EDFA,的工作原理,信号光和泵浦光在掺铒光纤内可在同一方向,(,同向泵浦,),、相反方向,(,反向泵浦,),或两个方向,(,双向泵浦,),传播。,6,掺饵光纤放大器的特性研究,EDFA,的激光增益媒质是掺铒光纤，即为掺有少量铒离子的光纤；其能级结构符合对,1550nm,波长区的光进行放大的要求，即其稳态能级,E2,与基态能级,E1,之差，恰好等于,1550nm,波长区域光波的光子能量,h,。因此,EDFA,的工作机理是,：,当信号光和泵浦光同时注入到掺铒光纤中时，铒离子在泵浦光作用下被激发到亚稳态能级,E3,上，并很快以无辐射形式（不释放光子）跃迁到稳态能级,E2,上，随后又在入射信号光作用下回到基态,E1,，并发射出与信号光同频率的光子，从而使信号放大。,7,掺饵光纤放大器的特性研究,2.EDFA,的工作原理,利用泵浦光把处于基态能级,E1,的铒离子激励到亚稳态能级,E3,；因,E3,为亚稳态，所以铒离子很快以无辐射形式（不释放光子）跃迁到稳态能级,E2,，从而使材料中处于,E2,能级上的铒离子数远远大于处于,E1,能级上的铒离子数，形成粒子数反转分布。,8,掺饵光纤放大器的特性研究,2.EDFA,工作原理,当有,1550nm,波长区的外来光信号入射时，大量处,E2,能级上的铒离子很快以受激辐射形式跃迁到,E1,能级，并释放大量的光子而发光；释放光子的能量等于,E2,与,E1,能级之差,(h),，释放光子的频率恰恰与外入射光信号的频率相同，从而产生光放大作用。,9,掺饵光纤放大器的特性研究,3.EDFA,特点：,（,1,）增益谱宽,EDFA,的信号增益谱很宽，达,30nm,或更高，可用于宽带信号的放大，尤其适用密集波分复用（,DWDM,）光纤通信系统。,（,2,）带宽利用率可控,（,3,）饱和输出功率高,EDFA,具有较高的饱和输出功率（,1020dBm,），可用作发射机后的功率放大，提高无中继线路传输距离或分配的光节点数。（,4,）耦合损耗小，噪声低,EDFA,与光纤线路的耦合损耗小（,1dB,），噪声低,(48dB),。,（,5,）增益与偏振无关,增益与光纤的偏振状态无关，故稳定性好。,（,6,）弛豫时间长,弛豫时间很长（越,10ms,）。,（,7,）泵浦功率低,所需的浦功率低（数十毫瓦）。,损耗小、增益高、带宽大、与偏振无关，低噪声、低串扰、高输出功率等,10,掺饵光纤放大器的特性研究,4.,影响增益的四个因素,如小信号输入时的增益系数大于大信号输入时的增益系数。当输入光弱时，高能位电子的消耗减少并可从泵激得到充分的供应，因而，感应辐射就能维持达到相当的程度。当输入光变强时，由于高能位的电子供应不充分，感应辐射光的增加变少，于是就出现饱和。泵浦光功率越大，掺铒光纤越长，,3db,饱和输出功率也就越大。其次与,Er,的浓度超过一定值时，增益反而会降低，因此要控制好掺饵光纤的铒离子浓度。,掺饵光纤的长度泵浦光功率输入光的程度光纤中铒离子,(Er),的浓度,11,掺饵光纤放大器的特性研究,采用,EDFA,后，提高了注入光纤的功率，但当大到一定数值时，将产生光纤非线性效应和光泄漏效应，这影响了系统的传输距离和传输质量。另外色散问题变成了限制系统的突出问题，可以选用,G.653,光纤,(,色散位移光纤,DSF),或非零色散光纤,(NZDF),来解决这一问题。,12,掺饵光纤放大器的特性研究,5,增益与泵浦功率、掺饵光纤长度的变化关系,EDFA,的增益与诸多因素有关，如掺饵光纤的长度，如图,3-7,所示,(,泵浦波长,1480nm,、信号波长,1550nm),。随着掺饵光长度的增加，增益经历了从增加到减少的程，这是因为着光纤长度的增加，光纤中的泵浦功率降低，使得粒子反转数降低，最终在低能级上的饵离子数多于高能级上的,Er,离子数，粒子数恢复到正常的数值。,13,掺饵光纤放大器的特性研究,由于掺饵光纤本身的损耗，造成信号光中被吸收掉的光子多于受激辐射产生的光子，引起增益下降,由上述讨论可知，对于某个确定的入射泵浦功率， 存在着一个掺饵光纤的最佳长度，使得增益最大。,14,掺饵光纤放大器的发展现状,15,光放大器的原理,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，其机理与激光器完全相同。,实际上，光放大器在结构上就是一个没有反馈或反馈较小的激光器。,16,前 言,任何光纤通信系统的传输距离都受到,光纤损耗,或,色散,的限制，因此，在长距离传输系统中，每隔一定距离就需设置一个中继器以保证信号的质量。,中继器是将传输中衰减的光信号转变为电信号，并放大、整形和定时处理，恢复信号的形状和幅度，然后再变换为光信号,(,也就是光电光 的转换过程,),，再继续由光纤传输,。,17,