EDFA简介

February20,2020•1ErbiumDopedFibreAmplifier(EDFA)andItsApplicationsforWDMOpticalNetworksJessicaZhaoMFG.Dept.AdvancedOpticalCommunicationAOCChinaFebruary20,2020•2什么是光放大器？光放大器(G)弱光Pin强光PoutASEASE泵浦源February20,2020•3什么是EDFA（掺铒光纤放大器）？输入信号1530nm-1570nm放大的信号激光光源(泵浦)980nmor1480nm掺铒光纤February20,2020•4通信窗口和铒离子自然界给光通信的礼物:铒离子的增益谱与光纤传输最低损耗窗口重合。GainAbsorptionFebruary20,2020•5主要内容I.EDFA的基本理论基础II.EDFA基本结构III.EDFA的特性参数IV.EDFA的理论模型V.EDFA扩展VI.EDFA设计软件Optiwave的应用February20,2020•6I.掺铒光纤放大器理论基础February20,2020•7光为什么会放大？•电子轨道•电子能级•跃迁辐射跃迁（发光）非辐射跃迁（不发光）•受激吸收（光泵浦）•受激辐射（光放大）•自发辐射（产生噪声）•获得光放大的基本条件：粒子数反转上能级的粒子数比下能级的多February20,2020•8三种能级跃迁方式E1E2受激吸收后受激吸收E1E2hv自发辐射E1E2E2受激发射hvE1E2受激发射后hvhv自发辐射后E1E2hvFebruary20,2020•9粒子数反转基态激发态高能级低能级February20,2020•10泵浦光980nm亚稳态信号光1550nm受激放大光1550nm基态基态激发态EDF原理February20,2020•11简化的能级跃迁N2N3N1E12hv泵浦E23E31受激辐射hv信号N2N3N1E12hv泵浦E23E34受激辐射hv信号N4E41三能级系统四能级系统February20,2020•12铒纤吸收谱February20,2020•13铒离子能级示意图•泵浦波长可以是514、679、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February20,2020•14三能级系统v.s.二能级系统980nm1480nm1530-1560nm~1s=11ms4I15/24I13/24I11/201234514501500155016001650Wavelength(nm)Emission/Absorption(dB/m)EmissionAbsorption1480nm1530-1560nm980nm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。1480nm泵浦:二能级系统比较精确February20,2020•15Ⅱ.EDFA的基本结构February20,2020•16EDFA的基本结构•EDFA主要由掺铒光纤(EDF)、泵浦光源、耦合器、光隔离器及光滤波器组成，结构如图所示。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February20,2020•17三种泵浦方式的EDFALD2WDM2EDFAPCAPCinoutLD1WDM1LDWDMEDFAPCAPCinoutLDWDMEDFAPCAPCinout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February20,2020•18多级泵浦NFtotal=NF1+NF2/G1NF1st/2ndstage=Pin-SNRo[dB]-10Log(hc2/3)Er3+DopedFiberPumpPumpInputSignalOutputSignalOpticalIsolator第一级同向泵浦:得到低的噪声指数第二级反向泵浦:得到高的输出功率February20,2020•19发射器接收器在线放大器EDFAEDFA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•Inlineamplifier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。•Pre-amplifier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。•Boosteramplifier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。掺铒光纤放大器的三种应用方式February20,2020•20泵浦功率和光纤长度对增益的影响增益dB泵浦功率mW40200510L=5mL=20m增益dB铒纤长度m4020025502mW4mWFebruary20,2020•21EDFA输出功率vs.增益111213141516272931333537394143EDFAGaindBEDFAoutputPowerdBmFebruary20,2020•22Ⅲ.EDFA的特性参数February20,2020•23增益dB506040302010102030405060708090100泵浦功率mW204050铒纤长度minsoutsPPdBG,,10log10)(增益G（dB）输出信号功率与输入信号功率的比值February20,2020•24噪声系数dB786543102030405060708090100泵浦功率mWDługośćwłóknam2306075outinSNRSNRdBNF10log10)(噪声系数NF（dB）输入信噪比与输出信噪比的比值February20,2020•25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)154015601580101520204030-5dBm-20dBm-10dBmPInput:-30dBmFebruary20,2020•26•增益平坦•增益系数•增益饱和增益dB泵浦功率mW40200510L=5mL=20mFebruary20,2020•27Ⅴ.EDFA理论模型-Giles模型February20,2020•28SimplifiedEDFAModel: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EDFAFebruary20,2020•29二能级系统速率方程：zrnzrnhiPzrnhiPdtdnkkekkkkkakkk,,,,,,2212传输方程：zPrdrdzrnriukkakk,,,1200kkkkekkkmhzPrdrdzrnriudzdP,,,2200其中：铒离子浓度：规一化光强：跃迁速率：zrnzrnzrnt,,,,,,21zPzrIrikkk/,,,AhPWpapppump/掺铒光纤放大器的基本理论模型(1)February20,2020•30掺铒光纤放大器的基本理论模型(2)rdrdzrnritkakk,,,200rdrdzrnrigtkekk,,,*2002200,,effiibrdrdzrnzniikiknrdrdzrnriz200,,,,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February20,2020•31掺铒光纤放大器的基本理论模型(3)2212*nhngzPhnzPdtndkkkkkkkkzPlumhnnguzPnngudzdPkkkkkktkkktkkkk22**kkkkkkkkkthgzPhzPnn*12/2teffnb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kkksatkhgP/*和饱和光强的关系：February20,2020•32掺铒光纤放大器的基本理论模型(4)LttdznnnngG012*exp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outinSNRSNRNF10log10aseaseaseasespGhPGhGhn1010log1012log10噪声系数：当泵浦充分，且G1时，1spn噪声系数达到极限3dB.February20,2020•33Ⅵ.EDFA扩展February20,2020•34EDFA的主要优点有：•工作波长正好落在光纤通信最佳波段(1500～1600nm)；其主体是一段光纤(EDF)，与传输光纤的耦合损耗很小，可达0.1dB。•增益高，约为30～40dB;饱和输出光功率大，约为10～15dBm；增益特性与光偏振状态无关。•噪声指数小，一般为4～7dB；用于多信道传输时，隔离度大，无串扰，适用于波分复用系统。•频带宽，在1550nm窗口，频带宽度为20～40nm，可进行多信道传输，有利于增加传输容量。掺铒光纤放大器February20,2020•35EDFA也有固有的缺点：(1)波长固定，只能放大1.55μm左右的光波，换用不同基质的光纤时，铒离子能级也只能发生很小的变化，可调节的波长有限，只能换用其他元素；(2)增益带宽不平坦，在WDM系统中需要采用特殊的手段来进行增益谱补偿。February20,2020•36ErDopedFiberAmplifier，EDFA•在EDFA的应用中，需要解决两个问题。–增益的平坦化，增益平坦是指放大器的增益谱要平坦，对需要放大的所有信道提供相同的增益。–增益的自动控制，当光纤中信道数由于故障等原因突然减少时，光放大器的增益会突然增加，形成“浪涌”，使信号强度突然提高，接收机码元判决时会出现错误。February20,2020•371.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→合成增益增益平坦/均衡技术February20,2020•382.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，实用性受限增益平坦/均衡技术February20,2020•394.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增益平坦/均衡技术February20,2020•40•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十s，要求增益控制系统的响应时间相应为几～几十s增益钳制February20,2020•41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。LDPumpInOut泵浦控制均衡放大器（电控）EDFAFebruary20,2020•42增益钳制技术(2)•在系统中附加一