华为EDFA原理及特性

资料编码产品名称使用对象产品版本编写部门资料版本EDFA原理及特性专题拟制：日期：审核：日期：审核：日期：批准：日期：华为技术有限公司版权所有侵权必究EDFA原理及特性专题文档密级：内部公开2005-3-14华为机密，未经许可不得扩散第2页,共32页修订记录日期修订版本作者描述EDFA原理及特性专题文档密级：内部公开2005-3-14华为机密，未经许可不得扩散第3页,共32页目录1掺铒光纤放大器的结构模型...................................................................................................72掺铒光纤放大器的原理及特性...............................................................................................92.1掺铒光纤的光谱结构............................................................................................................92.2掺铒光纤放大器的数学模型.................................................................................................92.3掺铒光纤放大器的特性分析...............................................................................................132.3.1泵浦特性..................................................................................................................132.3.2增益特性..................................................................................................................142.3.3噪声特性..................................................................................................................172.3.4EDFA的温度特性[12][13]............................................................................................183掺铒光纤放大器增益锁定....................................................................................................193.1自动增益控制EDFA(AGCEDFA)的结构与原理（数学模型）...........................................203.2AGCEDFA特性的模拟计算与分析....................................................................................223.3讨论及改进方法.................................................................................................................31EDFA原理及特性专题文档密级：内部公开2005-3-14华为机密，未经许可不得扩散第4页,共32页关键词：EDFA放大器泵谱增益增益控制摘要：本资料详细介绍了EDFA的原理及特性。缩略语清单：无。参考资料清单无。EDFA原理及特性专题文档密级：内部公开2005-3-14华为机密，未经许可不得扩散第7页,共32页EDFA原理及特性专题本章将简要讨论掺铒光纤放大器的结构、原理、及特性。我们首先由简化二能级速率方程建立EDFA的理论模型，然后讨论了EDFA的泵浦特性、增益特性、噪声特性和温度特性。1掺铒光纤放大器的结构模型这一节介绍掺铒光纤放大器的结构及其主要的组成部分。EDFA的基本结构如Fig1.1所示：Fig1.1ConfigurionofErbium-dopedFiberAmplifier(forwardPumped)1、掺铒光纤(EDF)EDF是放大器的主体，纤芯中掺有铒元素（Er），Er属稀土锎系元素，Er逸出两个6S和一个4f电子而显示为+3价,其电子组态和惰性气体Xe相同：1S22S22P63S23P63d104S24P64d105S25P6。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。基质的影响有二：其一是导致斯塔克分裂使能级出现亚结构；其二是能级展宽，展宽的机理有基质电场扰动展宽和声子展宽，基质扰动展宽属于非均匀加宽，声子展宽属于均匀加宽。EDFA原理及特性专题文档密级：内部公开2005-3-14华为机密，未经许可不得扩散第8页,共32页为使每个铒离子受到的泵浦速率最大，同时所需的泵浦功率最小，泵浦功率及铒离子必须尽可能的限制在最小的模截面内，铒光纤应具有高的数值孔径NA，小芯径且只有纤芯掺杂，通常将光纤设计为双层结构，如Fig1.2所示[7]。此外阶跃折射率光纤有较大的相对折射率差，便于缩小泵浦光的模场直径，提高泵浦光功率密度，降低泵浦阈值，达到高泵浦效率。为保证泵浦光与信号光的单模传输，光纤的截止波长应适当。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。2.光耦合器(WDM)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。3.光隔离器(ISO)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。4.光滤波器(OpticalFilter)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。5.泵浦源(PumPingSupply)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（514nm）、倍频YAG（532nm）、染料激光器（665nm）及半导体激光器（807nm、980nm、1480nm）。但由于在807nm及小于807nm波长处存在强烈的激发态吸收（ESA），泵浦效率较低。若用665nm、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100mw，且Ar+激光器体积大难以实用化。目前980nm和1480nm的LD已商品化，所以一般采用980nm和1480nm的半导体激光器作泵源。（在下一节中将详细讨论）。EDFA原理及特性专题文档密级：内部公开2005-3-14华为机密，未经许可不得扩散第9页,共32页2掺铒光纤放大器的原理及特性2.1掺铒光纤的光谱结构铒离子的电子能级图如Fig1.3所示，同时给出铒离子的主要吸收和发射能级。虽然这些吸收峰所对应的波长都可以作为EDF的泵浦波长，但在波长514nm、665nm和807nm处存在很强的激发态吸收(ESA)，即在泵浦光的作用下，激发态粒子跃迁到更高（第四）的能态。在多光子作用下，粒子由第四能级快速驰豫到激发态，虽然ESA并不造成激发态粒子数的减少，但引起对泵浦光的吸收，严重地浪费了泵浦光，泵浦效率降低。波长为980nm和1480nm时，不存在激发态吸收，泵浦效率较高。因4I15/2是铒离子的基态能级，同时又是激光下能级，所以掺铒光纤属于三能级系统。在掺铒光纤中，铒离子能级受到周围电场的影响，能级产生斯塔克分裂，导致能级展宽，由于非均匀加宽很复杂，而均匀加宽又与实验符合的很好，因此认为常温下掺铒光纤是以均匀加宽为主的增益介质[23]。2.2掺铒光纤放大器的数学模型掺铒光纤能级简图如Fig1.4所示。E1激光基态能级，E2为亚稳态能级，E3为泵浦能级，S32为E3到E2的非辐射跃迁几率，A21为荧光寿命，Wp为泵浦速率。一般1480nm(1)吸收：EDFA原理及特性专题文档密级：内部公开2005-3-14华为机密，未经许可不得扩散第10页,共32页(2)发射：激发态基态波长Fig1.3EnergyleveldiagramofErionion和980nm作为泵浦波长，可简化为二能级系统。由Fig1.3和Fig1.4知，1480nm的泵浦能级E3与激光上能级E2属同一能带，本身为二能级系统；对于980nm，由于铒离子上能级寿命很长（～10ms），通常S32A21，E3上的粒子数近似为零，因此可用二能级系统描述。我们采用速率方程来描述上下能级间粒子的受激吸收、受激辐射及自发辐射，并采用光传输方程来描述EDF中光强分布。考虑带宽为K，中心波长为KKc/的N束光在EDF中传播，其中包括泵浦光及信号光(K0)。设第K束光的光强为IrzK,,，则第K束光沿传播方向(光纤轴向)Z的光功率为[23]：PzIrzrdrdKK,,002（1-1）二能级系统的速率方程为：EDFA原理及特性专题文档密级：内部公开2005-3-14华为机密，未经许可不得扩散第11页,共32页dndtPihnrzPihnrznrzKKaKKKKeKKKK2122,,,,,,K=1,2,3......N（1-2）nrznrznrzt,,,,,,12（1-3）式中nrzt,,、nrz1,,和nrz2,,分别为铒离子掺杂浓度、下能级和上能级的粒子数密度；aK和eK分别为铒离子的受激吸收与受激发射截面；为铒离子的荧光寿命；iK为第K束光的归一化光强度，定义为：irIrzPzKKK,,,/（1-4）EDF中光传输方程为：dPdzuirnrzPzmhrdrduirnrzPzrdrdKKeKKKKKKaKKK,,,,,,20021002（1-5）式中uK表示第K束光的传输方向，沿Z正向uK1；反之uK1。mhKK是由上能级粒子数n2引起的自发辐射对PK的贡献；m为模式数，因单模光纤只允许传输LP01模，允许有两个正交化偏振方向，所以m一般取2。定义光纤吸收及