《光纤光学教学》第十六讲课件

单击以编辑母版标题样式,单击以编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,.,*,*,HUST 2012,第六章光纤无源及有源器件,11/3/2024,.,六、掺铒光纤放大器,1、引言,光纤放大器光通信技术的发展的必然,光通信的发展历程,扩大容量，增长距离,光纤通信的容量有多大？,光纤中光信号能传多远？,全光放大器给光纤通信领域带来的革命,11/3/2024,.,光纤通信的容量有多大,如何提高数据率,电复用,光复用,波分复用,(WDM),光时分复用,(OTDM),11/3/2024,.,光纤中光信号能传多远,11/3/2024,.,普通单模光纤的损耗谱,窗口：,1.3,m,，0.4dB/km;,1.55,m,0.25dB/km,全波光纤，1.31.5,m,如何加长传输距离,光-电-光中继,相干光通信，提高接收灵敏度,直接光放大,11/3/2024,.,传统的光-电-光中继,对每一波长要分别处理，不适WDM系统；,由于电的参与，处理速度受到限制；,但能对信号再放大、再定时和再整形。,11/3/2024,.,光放大器的重要性,影响：光放大器最重要的意义在于促使波分复用技术(WDM),走向实用化、促进了光接入网的实用化,历史：以1989年诞生的掺铒光纤放大器,(Erbium Doped Fiber Amplifier,EDFA)代表的全光放大技术是光纤通,信技术上的一次革命,动机：解决电中继器设备复杂、维护难、成本高的问题,David Payne,11/3/2024,.,全光放大器给光纤通信领域带来的革命,Conventional,Transmission-10Gb/s,1310,RPTR,1310,RPTR,1310,RPTR,1310,RPTR,1310,RPTR,1310,RPTR,1310,RPTR,1310,RPTR,TERM,TERM,40km,40km,40km,40km,40km,40km,40km,40km,40km,1310,RPTR,1310,RPTR,1310,RPTR,1310,RPTR,1310,RPTR,1310,RPTR,1310,RPTR,1310,RPTR,TERM,TERM,1310,RPTR,1310,RPTR,1310,RPTR,1310,RPTR,1310,RPTR,1310,RPTR,1310,RPTR,1310,RPTR,TERM,TERM,1310,RPTR,1310,RPTR,1310,RPTR,1310,RPTR,1310,RPTR,1310,RPTR,1310,RPTR,1310,RPTR,TERM,TERM,120 km,OC-48,OA,OA,OA,OA,120 km,120 km,Optical Amplifiers and WDM-10 Gb/s,OC-48,OC-48,OC-48,OC-48,OC-48,OC-48,OC-48,4 fibers 1 fiber;12 regenerators 1 optical amplifier,11/3/2024,.,Single-wavelength:40 Gb/s,16 fibers 1 fiber,48 regenerators 1 optical amplifier,Commercially Available Now:,160 wavelengths x 10Gbps 1.6T b/s,16-wavelength WDM:40 Gb/s,1310,RPTR,1310,RPTR,1310,RPTR,1310,RPTR,1310,RPTR,1310,RPTR,1310,RPTR,1310,RPTR,TERM,TERM,1310,RPTR,1310,RPTR,1310,RPTR,1310,RPTR,1310,RPTR,1310,RPTR,1310,RPTR,1310,RPTR,TERM,TERM,1310,RPTR,1310,RPTR,1310,RPTR,1310,RPTR,1310,RPTR,1310,RPTR,1310,RPTR,1310,RPTR,TERM,TERM,1310,RPTR,1310,RPTR,1310,RPTR,1310,RPTR,1310,RPTR,1310,RPTR,1310,RPTR,1310,RPTR,TERM,TERM,1310,RPTR,1310,RPTR,1310,RPTR,1310,RPTR,1310,RPTR,1310,RPTR,1310,RPTR,1310,RPTR,TERM,TERM,1310,RPTR,1310,RPTR,1310,RPTR,1310,RPTR,1310,RPTR,1310,RPTR,1310,RPTR,1310,RPTR,TERM,TERM,1310,RPTR,1310,RPTR,1310,RPTR,1310,RPTR,1310,RPTR,1310,RPTR,1310,RPTR,1310,RPTR,TERM,TERM,1310,RPTR,1310,RPTR,1310,RPTR,1310,RPTR,1310,RPTR,1310,RPTR,1310,RPTR,1310,RPTR,TERM,TERM,Optical,Amplifier,1310,RPTR,1310,RPTR,1310,RPTR,1310,RPTR,1310,RPTR,1310,RPTR,1310,RPTR,1310,RPTR,TERM,TERM,1310,RPTR,1310,RPTR,1310,RPTR,1310,RPTR,1310,RPTR,1310,RPTR,1310,RPTR,1310,RPTR,TERM,TERM,1310,RPTR,1310,RPTR,1310,RPTR,1310,RPTR,1310,RPTR,1310,RPTR,1310,RPTR,1310,RPTR,TERM,TERM,1310,RPTR,1310,RPTR,1310,RPTR,1310,RPTR,1310,RPTR,1310,RPTR,1310,RPTR,1310,RPTR,TERM,TERM,1310,RPTR,1310,RPTR,1310,RPTR,1310,RPTR,1310,RPTR,1310,RPTR,1310,RPTR,1310,RPTR,TERM,TERM,1310,RPTR,1310,RPTR,1310,RPTR,1310,RPTR,1310,RPTR,1310,RPTR,1310,RPTR,1310,RPTR,TERM,TERM,1310,RPTR,1310,RPTR,1310,RPTR,1310,RPTR,1310,RPTR,1310,RPTR,1310,RPTR,1310,RPTR,TERM,TERM,1310,RPTR,1310,RPTR,1310,RPTR,1310,RPTR,1310,RPTR,1310,RPTR,1310,RPTR,1310,RPTR,TERM,TERM,OC-48,OC-48,OC-48,OC-48,OC-48,OC-48,OC-48,OC-48,OC-48,OC-48,OC-48,OC-48,OC-48,OC-48,OC-48,OC-48,OC-48,OC-48,OC-48,OC-48,OC-48,OC-48,OC-48,OC-48,OC-48,OC-48,OC-48,OC-48,OC-48,OC-48,OC-48,OC-48,11/3/2024,.,超长距离DWDM传输系统对OA要求,低噪声特性；,高增益和大输出功率；,平坦宽带增益特性；,动态特性,偏振相关增益特性,功耗体积,11/3/2024,.,放大器的类型,1.半导体激光放大器(SOA),结构大体上与激光二极管(Laser Diode,LD)相同,2.掺杂光纤放大器(DFA),利用稀土金属离子(铒)作为激活工作物质的一种放大器,3.喇曼光纤放大器,利用普通光纤的非线性效应,11/3/2024,.,2、掺杂光纤放大器及其放大特性,11/3/2024,.,光放大器的工作原理,光放大器与激光器的,唯一区别,就是光放大器没有正反馈机制,(2)受激辐射,(1)能量注入,11/3/2024,.,掺铒光纤放大器,EDFA：ErbiumDoped Fiber Amplifier,11/3/2024,.,掺铒光纤放大器的发展历程,1964年报道了掺杂光纤放大器的研究；,此后的25年间，缺乏很好的有源光纤、泵浦光源；,1989年英国南安普顿大学研制出掺铒光纤放大器，在较短的光纤内（15m），使信号放大1000倍（30dB）。,11/3/2024,.,铒离子在硅基石英光纤中的能级分布,4I,13/2,是亚稳态能级，其他为激发态，电子一旦被泵浦到激发态，会很快无辐射弛豫到亚稳态。,11/3/2024,.,泵浦光波长的选择：,514nm、532nm：氩离子气体激光作为泵浦激光，体积庞大；,667nm：可由半导体激光器产生，但在掺铒光纤中多模传输，泵浦效率不高；,800nm：可由半导体激光器产生，但会产生激发态吸收，基态的粒子泵浦到激发态后，不是弛豫到亚稳态，而是在吸收泵浦光后，向更高的能级跃迁，消耗泵浦光功率。,980nm：铒离子相当于三能级系统完全的粒子数反转，噪声特性好，但泵浦效率不高；,1480nm：铒离子相当于二能级系统完全的粒子数反转，泵浦效率高，但噪声特性也变差。,11/3/2024,.,选择1480nm或980nm作为泵浦光波长,980nm泵浦,1480nm泵浦,完全粒子数反转,低的粒子数反转,噪声小、效率低,量子效率高、噪声大。,11/3/2024,.,选择1480nm或980nm作为泵浦光波长，掺铒光纤放大器的特性对比,11/3/2024,.,3、掺铒光纤放大器的基本结构,11/3/2024,.,亚稳态,Pump Photon,980 or 1480 nm,SIGNAL PHOTON,1550 nm,基态,激发态,弛豫,Amplified,Signal,1550 nm,基态,铒离子在外界泵浦光的作用下,外界,信号光,引起受激辐射,信号光放大,11/3/2024,.,亚稳态,Pump Photon,980 or 1480 nm,NO,SIGNAL PHOTON,1550 nm,基态,激发态,弛豫,Spontaneous,Emission,Around,1550 nm,基态,铒离子在外界泵浦光的作用下,粒子数反转产生自发辐射,产生噪声,11/3/2024,.,亚稳态,No,Pump Photon,980 or 1480 nm,基态,激发态,弛豫,Attenuat,ed,Signal,1550 nm,SIGNAL PHOTON,1550 nm,基态,铒离子在外界信号光的作用下,引起,铒离子,受激吸收跃迁,信号光吸收,11/3/2024,.,11/3/2024,.,隔离器,WDM,EDF,隔离器,泵浦激光器,输入信号,输入信号,前向泵浦方式,后向泵浦方式,隔离器,WDM,EDF,隔离器,输入信号,输入信号,泵浦激光器,11/3/2024,.,双向泵浦方式,隔离器,WDM,EDF,隔离器,输入信号,输入信号,泵浦激光器,泵浦激光器,11/3/2024,.,13,重要计算公式,速率方程,放大器增益,.,噪声系数：,当泵浦充分 ，且G1时噪声系数达到极限 3dB.,11/3/2024,.,掺铒光纤放大器增益与泵浦光功率、掺铒光纤长度的关系,光放大器的增益随着泵浦光功率的增大，呈现增益饱和；,在给定的泵浦光功率下，有一最佳掺铒光纤长度，实现最大的增益。,11/3/2024,.,掺铒光纤放大器噪声指数与光纤参数的关系,（1）泵浦程度越高，增益越大，噪声指数越小；,（2）沿光纤长度方向，光功率不断变化，噪声指数也在不断变化，精确计算只能采用分段模型；,（3）一般很难同时得到高增益、小噪声、高泵浦效率，背向ASE噪声会消耗泵浦光；,（4）980nm泵浦11mW30m可得到3.2dB噪声指数，1480nm泵浦24mW60