掺铒光纤放大器EDFA学习剪辑

,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,2017-02-06,#,掺铒光纤放大器,EDFA,学习剪辑,张植俊,magogo,目录,原理,种类,参数指标,工艺,原理首页,原理,为什么要进行光放大,光纤,有一定的衰耗，光信号沿光纤传播将会衰减，传输距离受衰减的制约。因此，为了使信号传得更远，我们必须增强光信号。,传统的增强光信号的方法是使用再生器,。但是，这种方法存在许多缺点，首先，再生器只能工作在确定的信号比特率和信号格式下，不同的比特率和信号格式需要不同的再生器；其次，每一个信道需要一个再生器，网络的成本很高。 随着光通信技术的发展，现在人们已经有了一种不采用再生器也可以增强光信号的方法，即光放大技术。,有了光放大器后就可直接实现光信号放大，,而不要像以前一样进行转换。,光放大器的开发成功及其产业化是光纤通信技术中的光放大器一个非常重要的成果，它大大地促进了,光复用技术、光孤子通信以及全光网络的发展。,。,原理,光放大器的种类,1.,半导体放大器（,SOA,）,谐振,式,行波式,2.,光纤放大器,掺稀土元素光纤放大器,（如,EDFA,、,PDFA,）,非线性光学放大器：,拉曼（,FRA,）放大器,布里渊（,SBA,）光纤,放大器,取自 豆丁网,原理,通信系统中的光放大器,光纤,的工作波长有短波长,0.85m,、长波长,1.31m,和,1.55m,光纤损耗一般是随波长加长而减小，,0.85m,的损耗,2.5dB/km,1.31m,的损耗为,0.35dB/km,，,1.55m,的损耗,0.20dB/km,，这是光纤的最低损耗,（掺铒光纤放大器）的工作波长在范围，所以在光纤通信中,EDFA,是现在应用最广泛的光放大器，它的出现极大地推动了波分复用技术的发展,。,取自,计算机网络,原理,为什么,要用掺铒光纤放大器,工作频带正处于光纤损耗最低处,(1525-1565nm),；,频带宽，可以对多路信号同时放大,-,波分复用；,对数据率,/,格式透明，系统升级成本低；,增益高,(40dB),、输出功率大,(30dBm),、噪声低,(45dB),；,全光纤结构，与光纤系统兼容；,增益与信号偏振态无关，故稳定性好；,所需的泵浦功率低,(,数十毫瓦,),。,1,、掺铒光纤,(EDF),2.,光耦合器,(WDM),3.,光隔离器,(ISO),4.,光滤波器,(Optical Filter),5.,泵浦源,(PumPing Supply),信,号,光,耦,合,器,光隔,离器,掺铒,光纤,光隔,离器,光滤,波器,输,出,光,泵,浦,光,原理,EDFA,结构,掺铒光纤：,当一定的泵浦光注入到掺铒光纤中时，,Er,3+,从低能级被激发到高能级上，由于在高能级上的寿命很短，很快以非辐射跃迁形式到较低能级上，并在该能级和低能级间形成粒子数反转分布。,半导体泵浦二极管,：为信号放大提供足够的能量，使物质达到粒子数反转。,波分复用耦合器：,将信号光和泵浦光合路进入掺铒光纤中。,光隔离器：,使光传输具有单向性，放大器不受发射光影响，保证稳定工作。,原理,掺铒光纤放大器的基本结构,原理,EDFA,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放大。,Input signal,1530nm-1570nm,Amplified output signal,Power laser (Pump),980nm or 1480nm,Fiber containing erbium dopant,信号光与波长较其为短的光波,(,泵浦光,),同沿光纤传输，泵浦光的能量被光纤中的稀土元素离子吸收而使其跃迁至更高能级，并可通过能级间的受激发射转移为信号光的能量。信号光沿光纤长度得到放大，泵浦光沿光纤长度不断衰减。,EDF,是放大器的主体，纤芯中掺有铒元素（,Er,）。掺有,Er3+,的石英,光 纤,具有激光增益特性，铒光纤的光谱性质主要由,铒离子,和,光纤基质,决定，铒离子起主导作用，掺,Er3+,浓度及在纤芯中的分布等对,EDFA,的特性有很大影响,。,为了在放大带宽内的增益平坦,，在,EDF,中掺入适量的铝元素，使铒离子在,EDF,中分布更均匀，从而获得平坦的宽带增益谱。,原理,EDF,掺铒光纤,原理,铒,纤吸收谱,原理,泵浦,波长,泵浦,波长可以是5,1,4,、6,7,9,、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,。,原理,通信,窗口和铒离子,铒离子的增益谱与光纤传输最低损耗窗口重合。,Gain,Absorption,原理,三能级系统,v.s.,二能级系统,980 nm,1480 nm,1530-1560 nm,1s,=11 ms,4,I,15/2,4,I,13/2,4,I,11/2,非辐射跃迁,1480 nm,1530-1560 nm,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。,1480 nm,泵浦,:,二能级系统比较精确,泵浦波长可以是520、650、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,。,铒离子简化能级示意图,吸收泵浦光,快速非辐射跃迁,光放大,受激辐射,产生噪声,自发辐射,受激吸收,基态能带,泵浦能带,980nm,1480nm,亚稳态能带,1550nm,原理,EDFA,中的,Er3+,能级结构,三能级系统：,：,泵浦光,980 nm,跃迁,亚稳态,信号光,1550 nm,受激放大光,1550 nm,基态,基态,激发态,原理,EDF,掺铒光纤,原理,铒,离子能级示意图,泵浦波长可以是5,1,4,、6,7,9,、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,。,同时产生自发辐射噪声,(ASE),快速非辐射跃迁,光耦合器,有合波信号光与泵浦光的作用，也称光合波器和波分复用器。是,EDFA,必不可少的组成部分，它将绝大多数的信号光与泵浦光合路于,EDF,中。主要有两种形式：,980nm/1550nm,或,1480nm/1550nm,，一般为光纤熔锥型。要求在上述波长附近插入损耗都小，耦合效率高，耦合频带具有一定的宽度且耦合效率平坦，对偏振不敏感稳定性好！,原理,光耦合器,光隔离器是一种单向光传输器件，,对,EDFA,工作稳定性至关重要,。通常光反射会干扰器件的正常输出，产生诸如强度涨落、频率漂移和噪声增加等不利影响。提高,EDFA,稳定性的最有效的方法是进行光隔离。,在输入端,加光隔离器消除因放大的自发辐射反向传播可能引起的干扰，,输出端,保护器件免受来自下段可能的逆向反射。同时输入和输出端插入光隔离器也为了防止连接点上反射引起激光振荡，抑制光路中的反射光返回光源侧，从而既保护了光源又使系统工作稳定。要求隔离度在,40dB,以上，插入损耗低，与偏振无关,。,详细介绍,参见学习笔记,04,光隔离器,输出端,输入端,图片, EDFA,原理及特性专题,原理,光隔离器,光滤波器消除被放大的自发辐射光以降低放大器的噪声，提高系统的信噪比（,SNR,）。一般多采用多层介质膜型带通滤波器，要求通带窄，在,1nm,以下。目前应用的光滤波器的带宽为,1,3nm,。此外，滤波器的中心波长应与信号光波长一致，并且插入损耗要小。,图片, EDFA,原理及特性专题,原理,光滤波器,泵浦源为信号放大提供能量，即实现粒子数反转分布。,根据掺铒光纤,(EDF),的吸收光谱特性，可以采用不同波长的激光器作为泵源，如：,Ar2+,激光器（,514,nm,）、,倍频,YAG,（,532,nm,）、染料激光（,665nm,）及半导体激光器（,807nm,、,980nm,、,1480,nm,）。但由于在,807 nm,及小于,807 nm,波长处存在强烈的激发态吸收,（,ESA,），泵浦效率较低。若用,665,nm,、,514nm,的染料和,Ar+,激光器泵浦得到,25dB,以上的增益，需要的入纤泵浦功率大于,100,mw,，且,Ar+,激光器体积大难以实用化。,目前,980,nm,和,1480 nm,的,LD,已商品化，,不存在激发态吸收，泵浦效率较高，,所以一般采用,980nm,和,1480nm,的,半导体激光器作泵源。,图片, EDFA,原理及特性专题,原理,泵浦源,原理,三,种泵浦方式的,EDFA,LD2,WDM2,EDF,APC,APC,in,out,LD1,WDM1,LD,WDM,EDF,APC,APC,in,out,LD,WDM,EDF,APC,APC,in,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,原理,泵浦,功率和光纤长度对增益的影响,增益,dB,泵浦功率,mW,40,20,0,5,10,L=5m,L=20m,增益,dB,铒纤长度,m,40,20,0,25,50,2mW,4mW,原理,EDFA,输出功率,vs.,增益,11,12,13,14,15,16,27,29,31,33,35,37,39,41,43,EDFA Gain dB,EDFA output Power dBm,原理,Giles,模型,两能级系统,均匀展宽,ASE,噪声可忽略,忽略激发态吸收,沿光纤功率变化速度慢,铒离子限制得好,假定,单极,EDFA,二能级系统速率方程：,传输方程：,其中：铒离子浓度：,规一化光强：,跃迁速率：,原理,掺,铒光纤放大器的基本理论模型,(1),原理,掺,铒光纤放大器的基本理论模型,(2),引入光纤吸收系数和发射系数：,定义：粒子数沿截面平均,交迭积分,原理,掺铒光纤放大器的基本理论模型,(3),速率方程和传输方程变为：,在稳态情况下：,其中，定义饱和参数,和饱和光强的关系：,原理,掺,铒光纤放大器的基本理论模型,(4),增益,：,增益的大小和谱分布由粒子数反转水平及掺铒光纤长度决定,噪声系数,：,当泵浦充分,，且,G1,时，,噪声系数达到极限,3dB.,掺铒光纤放大器的主要优点,工作波长,与单模光纤的最小衰减窗口一致,。,耦合效率高,。由于是光纤放大器，易与传输光纤耦合连接。,能量,转换效率高,。掺铒光纤,EDF,的纤芯比传输光纤小，信号光和泵浦光同时在掺铒光纤,EDF,中传播，光能量非常集中。这使得光与增益介质,Er,离子的作用非常充分，加之适当长度的掺铒光纤，因而光能量的转换效率高。,增益高、噪声指数较低、输出功率大，信道间串扰很低,。,增益特性稳定,：,EDFA,对温度不敏感，增益与偏振相关性小。,增益,特性与系统比特率和数据格式无关,。,原理,优点,掺,铒光纤放大器的主要优点,增益,波长范围固定,：,Er,离子的能级之间的能级差决定了,EDFA,的工作波长范围是固定的，只能在,1550nm,窗口。这也是掺稀土离子光纤放大器的局限性，又例如，,掺镨光纤放大器只能工作在,1310nm,窗口。,增益带宽不平坦,：,EDFA,的增益带宽很宽，但,EFDA,本身的增益谱不平坦。,在,WDM,系统中应用时必须采取特殊的技术使其增益平坦。,光,浪涌问题,：采用,EDFA,可使输入光功率迅速增大，但由于,EDFA,的动态增益变化较慢，在输入信号能量跳变的瞬间，将产生光浪涌，即输出光功率出现尖峰，尤其是当,EDFA,级联时，光浪涌现象更为明显。峰值光功率可以达到几瓦，有可能造成,O/E,变换器和光连接器端面的损坏,原理,缺点,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。,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。,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,接收器,在线放大器,EDFA,EDFA,光纤,光纤,发,射器,接收器,功率放大器,EDFA,光纤,发,射器,接收器,前置放大器,EDFA,光纤,原理,应用方式,原理,OptiSystem,7.0,铒纤参数设置图,原理,OptiSystem,7.0,OptiSystem,运行界面,原理,OptiSystem,7.0,原理,OptiSystem,7.0,噪声与波长关系图,原理,Opti,A,mplifier,4.0,双向泵浦,EDFA,设计实例,原理,Opti,A,mplifier 4.0,参数,值,单位,数值孔径,0.21,-,截止波长,960,nm,离子浓度,1.6e25,iyon/m,3,半径,1.75,m,背景损耗,8,dB/km 1310 nm,吸收损耗,10.46,dB/m 980 nm,7.28,dB/m 1480 nm,17.70,dB/m 1530 nm,发射损耗,2.01,dB/m 1480 nm,16.59,dB/m 1530 nm,Metro12,EDF,实验参数,Metro-12 EDF,的吸收和发射谱,a) 980 nm,泵浦带吸收谱,b) 1480 nm,泵浦和,1550 nm,信号频段的吸收和发射谱,原理,Opti,A,mplifier 4.0,原理,Opti,A,mplifier 4.0,仿真结果,泵浦功率,为,230mW,时，,双向泵浦,L-EDFA,增益和噪声系数与信号波长的变,化,这项研究可以用来设计的,L EDFA,在,1570nm- 1600nm,约,30nm,带宽,双向泵浦,L-EDFA,的波长与增益,原理,Opti,A,mplifier 4.0,双向,泵浦,L-EDFA,实验值和理论值比较,-,1,双向泵浦,L-EDFA,的波长与噪声系数,原理,Opti,A,mplifier 4.0,双向,泵浦,L-EDFA,实验值和理论值比较,-2,双向泵浦,L-EDFA,的输入功率和增益,双向泵浦,L-EDFA,的输入功率和噪声系数,双向泵浦,L-EDFA,的,泵浦,功率和增益,原理,Opti,A,mplifier 4.0,双向,泵浦,L-EDFA,实验值和理论值比较,-,3,双向泵浦,L-EDFA,的,泵浦,功率和噪声系数,双向泵浦和单,向泵浦,L- EDFA,的波长与增益,双向泵浦和单,向,L-EDFA,的波长与噪声系数,原理,Opti,A,mplifier 4.0,单,双向泵浦和,L-EDFA,的性能比较,1,单双向泵浦,L-EDFA,的输入功率和增益,原理,Opti,A,mplifier 4.0,单,双向泵浦和,L-EDFA,的性能比较,2,单双向泵浦,L-EDFA,的输入功率和噪声系数,原理,Opti,A,mplifier 4.0,单,双向泵浦和,L-EDFA,的性能比较,3,单和双向泵浦,L-EDFA,增益,和,泵浦,功率,单向和,双向泵浦,的噪声系数和,泵浦,功率,(,输入信号功率,= -30dBm),原理,Opti,A,mplifier 4.0,L-EDFA,双向泵浦,的,ASE,增益谱,泵浦功率为,127,mW,时，单向泵浦的,ASE,噪声,（当没有输入信号）,泵浦功率为,127,mW,时，,双向,泵浦的,ASE,噪声,（当没有输入信号）,原理,Opti,A,mplifier 4.0,L-EDFA,双向泵浦,的,ASE,增益谱,双向泵浦的总功率为,230mW,时，输入功率为,30dBm,的,ASE,谱,种类首页,种类,光放大器的类型,利用稀土掺杂的光纤放大器（,EDFA,、,PDFA,）,利用半导体制作的半导体光放大器（,SOA,）,利用光纤非线性效应制作的非线性光纤放大器（,FRA,、,FBA,）,种类,半导体光放大器,SOA,R,1,R,2,I,半导体光放大器示意图,SOA,也是一种重要的光放大器，其结构类似于普通的半导体激光器。,半导体光放大器的放大特性主要决定于激光腔的反射特性与有源层的介质特性。,根据光放大器端面反射率和工作偏置条件，将半导体光放大器分为：,-,法布里珀罗放大器,(FP,SOA),-,行波放大器,(TW,SOA),多峰值、带宽窄，不适合通信系统应用，只可用于一些信号处理。,入射光从左端面进入，通过具有增益的有源层，到达右端面后，部分从端面反射，然后反向通过有源层至左端面，部分光从左端面出射，其余部分又从端面反射，再次通过有源层，如此反复，使入射光得到放大。,种类,半导体光放大器,SOAFP,半导体光放大器,种类,行波半导体光放大器,TW,SOA,与,FP,SOA,的区别在于端面的反射率大小，,TW,SOA,具有极低的端面反射率，通常在,0.1%,以下。,降低端面反射方法：倾斜有源区法、窗面结构。,TW,SOA,的增益、增益带宽和噪声特性都可以满足光纤通信的要求，但如下两个缺点限制着它在光纤通信中的实际应用：,对光信号偏振态的敏感性；,对光信号增益的饱和性。,种类,SOA,增益偏振相关性,起因：由于半导体有源层的横截面呈扁长方形，对横向（长方形的宽边方向）和竖向（长方形的窄边方向）的光场约束不同，光场在竖向的衍射泄漏强于横向，因而竖向的光增益弱于横向。因此光信号的偏振方向取横向时的增益大，取竖向时的增益小。,解决方法：采用宽、厚可比拟的有源层设计；使用方法着手。,相同结构,SOA,互相垂直并接，在输入端采用偏振分束器将信号分成,TE,和,TM,偏振信号,分别输入至相互垂直的,SOA,，然后将两只,SOA,放大的,TE,和,TM,偏振信号合成，得到与输入光同偏振态的放大信号。,输入光信号往返两次通过同一,SOA,，但反向通过前，采用法拉第旋转器使返回光旋转,90,0,相同结构,SOA,互相垂直串接，所得增益将与偏振无关,种类,SOA,的主要特性,(1),它们与偏振有关， 因此需要保偏光纤。,(2),它们具有可靠的高增益,(20,dB,),。,(3),它们的输出饱和功率范围是,5,10,dBm,。,(4),它们具有大的带宽。,(5),它们工作在,0.85 ,m,，,1.30 ,m,和,1.55 ,m,波长范围。,(6),它们是小型化的半导体器件， 易于和其他器件集成。,(7),几个,SOA,可以集成为一个阵列。,但是， 由于非线性现象,(,四波混频,),，,SOA,的噪声指数高， 串扰电平高。,种类,SOA,的性能与应用,SOA,的应用主要集中在以下几个方面。,1.,光信号放大器,因为在世界范围内已铺设了大量的常规单模光纤， 还有很多系统工作在,1.31 ,m,波段， 并需要周期性的在线放大器， 而工作波长为,1.31,m,的,E,DFA,目前尚未达到实用化的水平， 所以仍然需要,SOA,。,2.,光电集成器件,半导体放大器可与光纤放大器相抗衡的优点是体积小、 成本低以及可集成性,即可以集成在含有很多其它光电子器件,(,例如激光器和检测器,),的基片上。,3.,光开关,除了能提供增益外， 半导体放大器在光交换系统中可以作为高速开关元件使用,种类,SOA,的性能与应用,因为半导体在有泵浦时可以产生放大， 而在没有泵浦时产生吸收。 其运转很简单， 当提供电流泵浦时信号通过， 而需要信号阻断时将泵浦源断开。 通过的信号因半导体中载流子数反转而得到放大， 而受阻的信号则因半导体没有达到载流子反转数而被吸收。 值得注意的是， 只有半导体放大器才能够完成高速交换， 在光纤放大器中由于载流子寿命太长而难以做到这一点,。,种类,SOA,的性能与,应用,4.,全光波长变换器,AOWC,SOA,的一个主要应用是利用,SOA,中发生的交叉增益调制、 交叉相位调制和四波混频效应来实现波长转换。,SOA,-,XGM,的基本结构和原理图,(,a,),基本结构；,(b),原理图,种类,SOA,的性能与应用,优点：可以对,40 Gb/s,的信号进行波长转换，对信号的偏振不敏感,缺点：转换后的信号消光比不高， 转换后的 ，信号与转换前的信号反相，由于载流子的自发辐射造成,S,/,N,的恶化，转换后信号的相位信息由于频率的啁啾而丢失,种类,SOA,的性能与应用,MZI,型,SOA,-,X,P,M,型,AOWC,优点：可以对,80 Gb/s,的信号进行波长转变换，对信号的偏振不敏感,缺点：只能对单一波长进行波长转换,种类,SOA,的性能与应用,SOA,-,FWM,型,AOWC,优点：真正的全光波长转换,缺点：随着转换波长范围的扩大，转换 效率迅速降低,种类,对比,放大器类型,原理,激励方式,工作长度,噪声特性,与光纤耦合,与光偏振关系,稳定性,掺稀土光纤放大器,粒子数反转,光,数米到数十米,好,容易,无,好,半导体光放大器,粒子数反转,电,100,m1mm,差,很难,大,差,光纤,(,喇曼,),放大器,光学非线性,(,喇曼,),效应,光,数千米,好,容易,大,好,种类,掺铒光纤放大器,(,EDFA,E,rbium-,D,oped,F,iber,A,mplifier),掺杂光纤放大器,利用掺入石英光纤的稀土离子作为增益介质，在泵浦光的激发下实现光信号的放大，放大器的特性主要由掺杂元素决定。,工作波长为,1550nm,的铒,(Er),掺杂光纤放大器,(,EDFA,),工作波长为,1300nm,的镨,(Pr),掺杂光纤放大器,(,PDFA,),工作波长为,1400nm,的铥,(Tm),掺杂光纤放大器,(,TDFA,),目前，,EDFA,最为成熟，是光纤通信系统必备器件。,参数指标首页,参数,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,与光放大器的泵浦功率、掺杂光纤的参数和输入光信号有很复杂的关系。,输出信号光功率,输入信号光功率,小信号增益,G,30dB,时，增益对输入光功率的典型依存关系,输入光功率较小时，,G,是常数,，即输出光功率,P,S,OUT,与输入光功率,P,S,IN,成正比例。,G,0,光放大器的小信号增益。,G,0,饱和输出功率：,放大器增益降至小信号增益一半时的输出功率。,3dB,P,out,sat,当,P,S,IN,增大到一定值后，光放大器的增益,G,开始下降。增益饱和现象。,饱和区域,参数,光放大器的增益,增益,G,与输入光波长的关系,增益谱,G(,),：增益,G,与信号光波长,的关系。光放大器的增益谱不平坦。,参数,光放大器的增益,G,与光放大器的泵浦功率、掺杂光纤的参数和输入光信号有很复杂的关系。,估算式：,参数,光放大器的增益,参数,光放大器的增益,增益,随输入光功率的变化,假设没有自发辐射，根据能量守恒：,当输入功率非常大时，增益为,1,，无放大,参数,光放大器的增益,增益,随掺铒光纤长度的变化,在通过铒纤的一定长度后，泵浦没有足够的能量在其后产生足够的粒子数反转，增益开始下降。在非泵浦区，吸收大于增益。,增益,dB,50,60,40,30,20,10,10,20,30,40,50,60,70,80,90,100,泵浦功率,mW,20,40,50,铒纤长度,m,参数,光放大器的增益,增益随泵浦功率的,变化,参数,放大器的噪声,所有光放大器在放大过程中都会把自发辐射（或散射）叠加到信号光上，导致被放大信号的信噪比（,SNR,）下降，其降低程度通常,用噪声指数,F,n,来表示，其定义为：,主要噪声源：,放大的自发辐射噪声（,ASE,）,，它源于放大器介质中电子空穴对的自发复合。自发复合导致了与光信号一起放大的光子的宽谱背景。,A,mplified,S,pontaneous,E,mission,噪声系数,dB,7,8,6,5,4,3,10,20,30,40,50,60,70,80,90,100,泵浦功率,mW,2,30,60,75,参数,噪声系数,NF,（,dB,）,参数,放大器的噪声,ASE,噪声,ASE,噪声近似为白噪声，噪声功率谱密度为：,自发发射因子或粒子数反转因子,对于原子都处于激发态或完全粒子数反转的光放大器，,n,sp,=1;,当粒子数不完全反转时，,n,sp,1,；,激发态的粒子数,基态的粒子数,研究发现，接收机前接入光放大器后，新增加的噪声主要来自,ASE,噪声与信号本身的差拍噪声。,噪声指数,为：,表明：即使对,n,sp,=1,的完全粒子数反转的理想放大器，被放大信号的,SNR,也降低了二倍（或,3dB,）。对大多数实际的放大器,F,n,均超过,3dB,，并可能达到,68dB,。希望放大器的,F,n,尽可能低。,参数,放大器的噪声,ASE,噪声,参数,EDFA,的多信道放大特性,EDFA,的增益恢复时间,g,10ms(SOA,的,g,=0.11ns),其增益不能响应调制信号的快速变化，,不存在增益调制，四波混频效应也很小,，,所以在多信道放大中不引入信道间串扰,(SOA,则不然,),，是其能够用于多信道放大的关键所在。,EDFA,对信道的插入、分出或无光故障等因素引起的输入光功率的变化（较低速变化）能产生响应,-,瞬态特性。,在系统应用中应予以控制,-,增益钳制。,参数,例子,10G,EDFA,产品,参数,工作波长：,1550.12nm,增益：,20/25db,参数,例子,2.5G,EDFA,工作波长,：,1550.12nm,光增益：,15/17db,工艺首页,输出功率（,mW,或,dBm,）,饱和输出功率，最大输出功率,增益带宽（,nm,）,工作带宽，平坦增益带宽,Gain (dB),1540,1560,1580,10,1520,20,40,30,-5 dBm,-20 dBm,-10 dBm,P,Input:,-30 dBm,工艺,增益,带宽,1544,1569,典型的,EDFA,增益谱,固有的增益不平坦，增益差随级联放大而积累增大,各信道的信噪比差别增大,各信道的接收灵敏度不同,增益谱的形状随信号功率而变，在有信道上、下的动态情况下，失衡情况更加严重,工艺,增益平坦,BER,接收光功率,光功率,波长,光功率,波长,光发射机,光发射机,光发射机,光发射机,N,1,2,3,光接收机,光接收机,光接收机,光接收机,EDFA,1,N,3,2,工艺,增益平坦,1.,滤波器均衡：,采用透射谱与掺杂光纤增益谱反对称的滤波器使增益平坦,如：薄膜滤波、紫外写入长周期光纤光栅、周期调制的双芯光纤等。 只能实现静态增益谱的平坦，在信道功率突变时增益谱仍会发生变化。,EDFA +,均衡器 合成增益,工艺,增益平坦,1.,滤波器均衡,2.,新型宽谱带掺杂光纤：,如掺铒氟化物玻璃光纤（,30nm,平坦带宽）、铒,/,铝共掺杂光纤（,20nm,）等， 静态增益谱的平坦，掺杂工艺复杂。,3.,声光滤波调节：,根据各信道功率，反馈控制放大器输出端的多通道声光带阻滤波器，调节各信道输出功率使之均衡，动态均衡需要解复用、光电转换、结构复杂，实用性受限,工艺,增益平坦,2.,新型宽谱带掺杂光纤、,3.,声光滤波调节,4.,预失真技术,不灵活，传输链路变换后，输入功率也要随之调整,工艺,增益平坦,预失真技术,EDFA,对信道的插入、分出或信道无光故障等因素引起的输入光功率的变化（较低速变化）能产生响应,-,瞬态特性,瞬态特性使得剩余信道获得过大的增益，并输出过大的功率，而产生非线性，最终导致其传输性能的恶化,-,需进行自动增益控制,对于级联,EDFA,系统，瞬态响应时间可短至几,几十,s,，要求增益控制系统的响应时间相应为几,几十,s,工艺,增益钳制,工艺,增益钳制技术,(1),电控：,监测,EDFA,的输入光功率，根据其大小调整泵浦功率，从而实现增益钳制，是目前最为成熟的方法。,LD,Pump,In,Out,泵浦控制均衡放大器（电控）,EDFA,工艺,增益钳制技术,(2),在系统中附加一波长信道，根据其它信道的功率，改变附加波长的功率，而实现增益钳制。,注入激光,多信道放大中存在的其它问题：,增益平坦,增益钳制,高的输出功率,信道间增益竞争，多级级连使用导致“尖峰效应”,工艺,EDFA,的级联特性,WDM,系统要求,EDFA,具有足够高的输出功率，以保证各信道获得足够的光功率。,方法：多级泵浦,22,19,16,输出功率（,dBm,）,1540,1570,工艺,EDFA,的大功率化,(1),工艺,EDFA,的大功率化,(2),=0.7%,=1.3%,纤芯,内包层,外包层,用于制作大功率,EDFA,的双包层光纤结构图,芯层：,5,m,内包层：,50,m,芯层,(,掺铒,),，传播信号层,(SM),内包层，传播泵浦光,(MM),双包层光纤是实现,EDFA,的重要技术，信号光在中心的纤芯里以单模传播，而泵浦光则在内包层中以多模传输。,工艺,EDFA,宽带化,工艺,EDFA,超宽带,Alastair Glass,Photonics Research,L波段的造价甚高的原因,：,低反转水平，需长掺铒光纤，强泵浦，此波段其它光器件价格较高。,工艺,长波段（,L-band,）,掺铒光纤,放大器,工艺,高性能掺铒光纤放大器,问题的提出单段放大器的限制,自发辐射光沿正、反方向传输，同时被放大，形成放大的自发辐射（,ASE,）,;,ASE,消耗上能级粒子数，降低泵浦效率，影响增益；,构成放大器的噪声源；,因此，单纯的增加泵浦功率或增加掺铒光纤长度不能很好地改善放大器的性能,工艺,高性能,掺铒光纤放大器,提高放大器性能的技术关键,基本思路：结构变化，抑制,ASE;,基本技术：两段级连，内插隔离器,;,技术特点,可针对不同要求进行优化；,增益、噪声和功率特性同时升级；,高增益下实现近量子噪声极限；,