光信号放大在光纤中如何实现

第九章——光信号放大在光纤中如何实现的?哈尔滨工程大学理学院光子科学与技术研究中心2007年3月第九章——光信号放大在光纤中如何实现的?光放大器有半导体光放大器和光纤放大器两种类型。•半导体光放大器的优点是：小型化，容易与其他半导体器件集成•半导体光放大器的缺点是：性能与光偏振方向有关，器件与光纤的耦合损耗大。光纤放大器的性能与光偏振方向无关，器件与光纤的耦合损耗很小，因而得到广泛应用。掺稀土离子光纤放大器光纤布里渊放大器光纤拉曼放大器掺Er3+光纤放大器(EDFA)掺Yb3+光纤放大器掺Tm3+光纤放大器掺Pr3+光纤放大器分立式光纤拉曼放大器分布式光纤拉曼放大器第九章——光信号放大在光纤中如何实现的?光纤放大器光纤放大器的实质是：把工作物质制作成光纤形状的固体激光器，所以也称为光纤激光器。20世纪80年代末期，波长为1.55μm的掺铒(Er)光纤放大器(EDFA：ErbiumDopedFiberAmplifier)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。第九章——光信号放大在光纤中如何实现的?第九章——光信号放大在光纤中如何实现的?9.1掺铒光纤9.2掺铒光纤放大器9.3光纤放大器的结构9.4掺铒光纤放大器的实验9.1掺铒光纤9.1.1稀土掺杂光纤简介9.1.2掺铒光纤特性9.1.3掺铒光纤的制作9.1.1掺铒光纤——稀土光纤简介稀土元素包括15种元素，在元素周期表中位于第五行。目前比较成熟的有源光纤中掺入的稀土离子有Er3+(铒)、Nd3+(钕)、Pr3+(镨)、Tm3+(铥)、Yb3+(镱)。掺铒(Er3+)光纤在1.55m波长具有很高的增益，正对应低损耗第三通信窗口，由于其潜在的应用价值，掺铒(Er3+)光纤激光器发展十分迅速。掺镨光纤放大器工作在1.31μm波段。Yb3+具有相当宽的吸收带(800—1064nm)以及相当宽的激发带(970—1200nm)。9.1.1掺铒光纤——稀土光纤简介掺铥(Tm3+)光纤激光器的激射波长为1.4m波段，也是重要的光纤通信光源。掺钬(Ho3+)光纤激光器,工作波长在2.1m,由于水分子在2.0m附近有很强的中红外吸收峰，对邻近组织的热损伤小、止血性好，且该波段对人眼是安全的，故在医疗和生物学研究上有广阔的应用前景。9.1.2CharacteristicofEDFPUMPPHOTON980nmMETASTABLESTATESIGNALPHOTON1550nmSTIMULATEDPHOTON1550nmFUNDAMENTALSTATEFUNDAMENTALSTATEEXCITEDSTATE9.1.2CharacteristicofEDF9.1.2CharacteristicofEDFExperimentallymeasuredabsorptionspectrumofanEr3+-dopedgermano-alumino-silicafiber.Theabsorptioninthe400~600nmregionhasbeendividedbyafactorof10.Thesmalloscillatorystructurenear1100nmcorrespondstothecutoffofthesecond-ordermodeofthefiber.9.1.2CharacteristicofEDFComparisonoftheshapeofthemeasuredstimulatedemissioncrosssectionwiththatcalculatedfromtheabsorptioncrosssectionusingtheMcCumbertheory.9.1.2CharacteristicofEDFRoom-temperaturefluorescencelifetimemeasuredat1.55μmforErinasilicaglassfiberandabulksampleofCPG(calciummetaphosphate)glass.9.1.3掺铒光纤制造铒离子比硅原子大很多，因而不太溶于硅中，难以达到高掺杂浓度，以实现在短长度光纤上获得高增益。一般掺适量Al2O3，使掺铒浓度高达1000ppm（每百万）的掺杂浓度。掺铒光纤可以改善其荧光谱特性（宽度、形状和波长范围）。9.1.3EDFFabricationVADOVDRefractiveindexprofilesofconventionalcommunicationsfiber,withtherefractiveindexdifferenceshownrelativetoundopedsilica(thefibertypesareindicatedonthegraphs).9.1.3EDFFabricationVaporpressuresofreactanthalides(exceptingEr(thd)3,anorganiccompound)whichincorporatetheindex-raisingelementsGeandAlaswellastherepresentativerareearthelementsEr,Nd,andPr..9.1.3EDFFabricationLowvaporpressuredopantdeliverymethodsforMCVD.9.1.3EDFFabricationLowvaporpressuredopantdeliverymethodsforVAD.9.1.3EDFFabricationPostdepositionlowvaporpressuredopantincorporationforVADorOVDbyvaporimpregnationofasootboule.9.1.3EDFFabricationPostdepositionlowvaporpressuredopantincorporationforVADorOVDbysolutionimpregnationfollowedbydryingandsintering.第九章——光信号放大在光纤中如何实现的?9.1掺铒光纤9.2掺铒光纤放大器9.3光纤放大器的结构9.4掺铒光纤放大器的实验9.2掺铒光纤放大器9.2.1光纤放大器简介9.2.2泵浦要求9.2.3光纤放大器理论9.2.4光纤放大器增益谱9.2.5光纤放大器噪声EDFA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。9.2掺铒光纤放大器如果加上1310nm掺镨光纤放大器(PDFA)，频带可以增加一倍。所以“波分复用+光纤放大器”被认为是充分利用光纤带宽增加传输容量最有效的方法。1550nmEDFA在各种光纤通信系统中得到广泛应用，并取得了良好效果。已经介绍过的副载波CATV系统，WDM或OFDM系统，相干光系统以及光孤子通信系统，都应用了EDFA，并大幅度增加了传输距离。9.2掺铒光纤放大器•中继放大器（LA：LineAmplifier）在光纤线路上每隔一定的距离设置一个光纤放大器，以延长干线网的传输距离）•前置放大器（PA：Preamplifier)置于光接收机的前面，放大非常微弱的光信号，以改善接收灵敏度。作为前置放大器，对噪声要求非常苛刻。•后置放大器（BA：BoosterAmplifier)置于光接收机的后面，以提高发射机功率。对后置放大器噪声要求不高，而饱和输出光功率是主要参数。9.2掺铒光纤放大器TypicalOperatingWavelengthRegionConventionalBand(Cband)1530nm~1560nmLongBand(IRorLband)1575nm~1605nmOAneedoneormorepumplaser:manypumpwavelengthsareavailable(980nmand1480nmmostcommonlyused)Erbiumisthekeyofopticalamplificationduetoitsuniquecharacteristics(EDFA=ErbiumDopedFiberAmplifier)AmplifiedSpontaneousEmission(ASE)isbroadbandnoise9.2.1IntroductionofEDFA9.2.1IntroductionofEDFAEnergyoftheEr3+ionintheglassfiberE101.54eV1.27eV0.80eVE2E3E31550nm1550nmInOut980nmNon-radiativedecayPumpEnergydiagramfortheEr3+ionintheglassfibermediumandlightamplificationbystimulatedemissionfromE2toE1.Dashedarrowsindicateradiationlesstransitions(energyemissionbylatticevibrations)当泵浦(Pump,抽运)光的光子能量等于能级3和能级1的能量差时，铒离子吸收泵浦光从基态跃迁到激发态(1→3)。但是激发态是不稳定的，Er3+很快返回到能级2。如果输入的信号光的光子能量等于能级2和能级1的能量差，则处于能级2的Er3+将跃迁到基态(2→1)，产生受激辐射光，因而信号光得到放大。但是激发态是不稳定的，Er3+很快返回到能级2。如果输入的信号光的光子能量等于能级2和能级1的能量差，则处于能级2的Er3+将跃迁到基态(2→1)，产生受激辐射光，因而信号光得到放大。由此可见，这种放大是由于泵浦光的能量转换为信号光的结果。9.2.1光纤放大器简介9.2.1IntroductionofEDFATheamorphousnatureofsilicabroadenstheenergylevelsofEr+intobands.EfficientEDFApumpingispossibleusingsemiconductorlasersoperatingnear0.98-and1.48-mwavelengths.Efficienciesashighas11dB/mWwereachievedby1990with0.98-mpumping.MostEDFAsuse980-nmpumplasersassuchlasersarecommerciallyavailableandcanprovidemorethan100mWofpumppower.Pumpingat1480nmrequireslongerfibersandhigherpowersbecauseitusesthetailoftheabsorptionband.9.2.2PumpingRequirementInthesaturationregime,thepower-conversionefficiencyisgenerallybetterinthebackward-pumpingconfiguration,mainlybecauseoftheimportantroleplayedbytheamplifiedspontaneousemission(ASE).Bidirectionalpumpinghastheadvantagethatthepopulationinversion,andhencethesmall-