1、p 摻鉺光纖放大器（摻鉺光纖放大器（EDFAEDFA）概述）概述p 光放大原理概述光放大原理概述p 摻鉺光纖放大器的工作特性摻鉺光纖放大器的工作特性p 摻鉺光纖放大器中的關鍵技術摻鉺光纖放大器中的關鍵技術光放大器的類型半導體光放大器半導體光放大器（SOA） 摻鉺光纖光放大器摻鉺光纖光放大器（EDFA） 摻鐠光纖光放大器摻鐠光纖光放大器（PDFA） 受激拉曼光放大器受激拉曼光放大器(SRA)1550EDFA增益窗口增益窗口30nm 60nm光光放放大大器器增增益益光光纖纖衰衰減減除去除去 OHOH 峰外峰外300nm300nm低損耗窗口低損耗窗口波長波長nm8501310PDFASOASRA光放

2、大器的類型光放大器的類型 復復 用用 器器 光光接接收收機機 1 光光接接收收機機 2 光光接接收收機機 n 光光發發送送機機 1 光光發發送送機機 2 光光發發送送機機 n 1 2 n 1 1 2 n 1 2n 解解 復復 用用 器器 解解 復復 用用 器器 復復 用用 器器 中中繼繼器器 中中繼繼器器 中中繼繼器器 1 2 n 1 2n 波分復用系統中的光電中繼光接光接收機收機光發光發送機送機濾波、去噪、濾波、去噪、恢復、整形；恢復、整形； 復復 用用 器器 光光放放大大器器 光光接接收收機機1 光光接接收收機機2 光光接接收收機機n 光光發發送送機機1 光光發發送送機機2 光光發發送送機

3、機n 1 2 n 1 1 2 n 1 2n 光光纖纖 解解 復復 用用 器器 寬帶寬的光放大器可以對多信道信號同時放大，而不需要進行解復用，光放大器的問世推動了DWDM技術的快速發展。采用光放大器的中繼方法Optical AmplifiersEDFA給光纖通信領域帶來革命 摻鉺光纖放大器（EDFA：Erbium-Doped Fiber Amplifier）采用摻鉺離子單模光纖為增益介質，在泵浦光作用下產生粒子數反轉，在信號光誘導下實現受激輻射的放大。 20世紀80年代末期，波長為1.55m的EDFA研制成功并投入實用，把光纖通信技術水平推向一個新高度，成為光纖通信發展史上一個重要的里程碑。ED

4、FA解決了系統容量提高的最大的限制光損耗，使長距離傳輸成為可能。 1989年誕生的摻鉺光纖放大器代表的全光放大技術，是光纖通信技術上的一次革命，它不僅解決了電中繼器設備復雜、維護難、成本高的問題，更重要的意義在于促使波分復用技術 (WDM) 走向實用化，促進了光接入網的實用化。David PayneEDFA給光纖通信領域帶來革命(2) 受激輻射(1) 能量注入光放大器原理 任何粒子的輻射光和吸收光的過程都是原子能級之任何粒子的輻射光和吸收光的過程都是原子能級之間的躍遷過程間的躍遷過程光與物質的相互作用有三種不同的基本過程：光與物質的相互作用有三種不同的基本過程： 自發輻射自發輻射 受激吸收受激

5、吸收 受激輻射受激輻射這三種過程總是同時存在，緊密聯系。這三種過程總是同時存在，緊密聯系。 自發輻射：自發輻射：高能級的原子自發地從高能級高能級的原子自發地從高能級E2向低能級向低能級E1躍遷，同時放出能量為躍遷，同時放出能量為 的光子。的光子。12EEh自發輻射 處于高能級的粒子都是自發地、獨立的進行躍遷；處于高能級的粒子都是自發地、獨立的進行躍遷； 輻射光子的頻率不同輻射光子的頻率不同, ,自發輻射的頻率范圍很寬；自發輻射的頻率范圍很寬； 發射方向和相位也不同；發射方向和相位也不同； 非相干光發射：不同頻率、相位、偏振方向。非相干光發射：不同頻率、相位、偏振方向。 對于大量原子統計平均來說

6、，從E2經自發輻射躍遷到E1具有一定的躍遷速率： 式中n2為某時刻高能級E2上的原子數密度，dn2表示在dt時間間隔內由E2自發躍遷到E1的原子數，“”表示E2能級的粒子數密度減少。 A21稱為愛因斯坦自發輻射系數，簡稱自發輻射系數，它是粒子能級系統的特征參量。22121 dnAndt 2212ddnA nt 物理意義是：單位時間內，發生自發輻射的粒子數密度占處于E2能級總粒子數密度的百分比。解該方程得： 式中n20為t=0時處于能級E2的原子數密度。 t時刻的單位時間內躍遷的粒子在高能級（E2）上已經停留的時間總和，即壽命的和為： 所有在高能級（E2）上的粒子全部躍遷后，它們已經在高能級上停

7、留的時間總和按照粒子總數平均得到平均壽命為：212( )tA n ttAentn21202)(2120202111( )dtA n ttnA 越大，表明原子在越大，表明原子在E2上逗留時間越長，激上逗留時間越長，激發態發態 很小，很小， 無窮大時，稱無窮大時，稱E2為穩態；為穩態； 較長的能態稱為亞穩態。較長的能態稱為亞穩態。能級上粒子的平均壽命受激吸收 受 激 吸 收 ： 處 于 低 能 級E1的 原 子 受 到 外 來 光 子 （ 能量 ）的刺激作用，完全吸收光子的能量而躍遷到高能級E2的過程：特點：處于低能級E1的原子受到外來光子的刺激作用，完全吸收光子的能量而躍遷到高能級E2的過程。1

8、2EEh光的受激吸收過程光的受激吸收過程受激吸收躍遷速率與受激吸收系數 從E1經受激吸收躍遷到E2具有一定的躍遷速率則有： 式中的 為外來光的光場單色能量密度，即受激吸收躍遷速率與外來光的光場單色能量密度成正比 其他參數意義同自發輻射：n1為某時刻E1上的原子數密度（即單位體積中的原子數），dn2表示在dt時間間隔內由E1受激吸收躍遷到E2的原子數，“”被去除表示E2能級的粒子數密度增加。 B12稱為愛因斯坦受激吸收系數，簡稱受激吸收系數。2121dnBn dt受激吸收幾率 受激吸收（躍遷）幾率W12定義為 ，則有： 受激吸收的躍遷幾率的物理意義為：單位時間內，在外來單色能量密度為 的光照下，

9、E1能級上因為受激吸收躍遷到E2能級上的粒子數密度占處于E1能級總粒子數密度的百分比。1212BW2121211 dnWBndt 受激輻射 受激輻射：當受到外來的能量 的光照射時，高能級E2上的原子受到外來光的激勵作用向低能級E1躍遷，同時發射一個與外來光子完全相同的光子。 光的受激輻射過程：12EEh圖（1-9）光的受激輻射過程受激輻射的特點外來激勵光子能量為兩能級能量差 時，才能發生受激輻射；受激輻射的光子與外來光子的特性完全相同， 即：頻率、位相、偏振和傳播方向完全一樣，因此受激輻射與外來輻射是相干的，換句話說外來輻射被 “放大” 了；光的受激輻射過程是產生光放大與激光的基本過程（受激輻

10、射的光子與外來光子的特性完全相同可以在量子電動力學中得到證明）12EEh受激輻射躍遷速率與受激輻射系數 從E2經受激輻射躍遷到E1具有一定的躍遷速率則有 式中的 為外來光的光場單色能量密度，即受激輻射躍遷速率與外來光的光場單色能量密度成正比。 其他參數意義同自發輻射：n2為某時刻高能級E2上的原子數密度（即單位體積中的原子數），dn2表示在dt時間間隔內由E2受激輻射躍遷到E1的原子數，“”表示E2能級的粒子數密度減少。 B21稱為愛因斯坦受激輻射系數，簡稱受激輻射系數。2212ddnBnt受激輻射幾率 受激輻射（躍遷）幾率W21定義為 ，則有： 受激輻射的躍遷幾率的物理意義為：單位時間內，在

11、外來單色能量密度為 的光照下，E2能級上發生受激輻射的粒子數密度占處于E2能級總粒子數密度的百分比 注意：自發輻射躍遷幾率就是自發輻射系數本身，而受激輻射的躍遷幾率決定于受激輻射系數與外來光單色能量密度的乘積。dtndnBW2221212121BW三種過程之間的關系 某原子自發輻射產生的光子對于其他原子來講是外來光子，會引起受激輻射與受激吸收，因此三個過程在大量原子組成的系統中是同時發生的，并相互聯系。 一般地，在熱平衡條件下，受激輻射所占比率很小，主要是自發輻射。三能級、四能級系統Amplified Spontaneous Emission ASE是一種由自發輻射誘發的受激輻射占主導的過程，

12、沒有正反饋的光振蕩(無諧振腔), 屬相干輻射。其特性介于激光與熒光之間的過渡狀態。ASE與激光相比，具有非準單色及譜線寬的特點。 在光放大器中，ASE與輸入光信號同時爭奪上能級粒子，屬于一種噪聲源，足夠強度的ASE造成增益飽和，導致增益下降。放大的自發輻射(ASE) 摻鉺光纖在摻鉺光纖在980nm980nm、1480nm1480nm有吸收峰。有吸收峰。 在在152515251565nm1565nm為較寬的發射峰。為較寬的發射峰。 可同時放大多個波長即信道，在可同時放大多個波長即信道，在WDMWDM系統中，可作為放大器使用。系統中，可作為放大器使用。摻鉺光纖的吸收譜和發射譜EDFA工作原理 通過

13、受激輻射實通過受激輻射實現光放大，光放大現光放大，光放大必要條件：必要條件： 粒子數反轉，粒子數反轉， 即即N N2 2NN1 1 實際上能級分裂實際上能級分裂成能帶，有較寬的成能帶，有較寬的吸收和發射帶。吸收和發射帶。4I11 / 24I13 / 24I15 / 2 980 nm1480 nm1520 1560 nm N2N11s 10 ms亞穩態亞穩態鉺離子能級結構基基 態態激發態激發態信號光信號光放大的信號光放大的信號光N30摻鉺光纖放大器的基本結構半導體泵浦二極管半導體泵浦二極管：為信號放大提供能量，使鉺離子達到粒子數反轉。：為信號放大提供能量，使鉺離子達到粒子數反轉。波分復用耦合器波

14、分復用耦合器：將信號光和泵浦光合路進入摻鉺光纖中。將信號光和泵浦光合路進入摻鉺光纖中。摻鉺光纖：摻鉺光纖：當一定的泵浦光注入到摻鉺光纖中時，當一定的泵浦光注入到摻鉺光纖中時，Er3+從低能級被激發到從低能級被激發到高能級，由于在高能級上的壽命很短，很快躍遷到亞穩態能級，并在亞穩高能級，由于在高能級上的壽命很短，很快躍遷到亞穩態能級，并在亞穩態與基態能級間形成粒子數反轉分布。在入射光誘導形成受激輻射，對信態與基態能級間形成粒子數反轉分布。在入射光誘導形成受激輻射，對信號光進行放大。號光進行放大。光隔離器光隔離器：使光單向傳輸，避免發射光影響，保證穩定工作。使光單向傳輸，避免發射光影響，保證穩定工

15、作。EDFA的三種泵浦方式摻鉺光纖放大器結構圖摻鉺光纖放大器結構圖雙向泵浦的摻鉺光纖放大器信號放大光放大器的增益增益G是描述光放大器對信號放大能力的參數。定義為：insoutsPPdBG,10log10)(影響增益的因素：影響增益的因素： 泵浦光功率泵浦光功率 摻鉺光纖的長度及摻鉺光纖的長度及ErEr3+3+的摻雜濃度的摻雜濃度 輸入光功率等輸入光功率等小信號增益與飽和輸出功率Pout,sat飽和區域小信號增益小信號增益輸入光功率較小時，隨輸入信號光功率的增大，增益G基本維持不變，這種增益稱為光放大器的小信號增益G0 。飽和輸出功率Pout,sat 放大器增益降至小信號增益一半時的輸出功率。當

16、輸入光功率繼續增大，受激輻射加快，粒子反轉數減小，增益G隨輸入功率的增加而減小，出現增益飽和現象。深度飽和區 信號在放大過程中不可避免地疊加了各種噪聲，從而導致信噪比(SNR signal-to-noise ratio)的惡化。衡量EDFA噪聲特性的參數為噪聲系數NF（noise figure）：10log10log2110log10log 2inASEoutspspOSNRPNFOSNRhGnGnGPASE帶寬內ASE光功率 自發輻射噪聲帶寬spnh等效的輸入散粒噪聲 噪聲因子噪聲系數 NF（noise figure） NF=3dB噪聲系數的量子極限（nsp=1時）增益、噪聲指數和輸出光功率

17、與輸入光功率的關系曲線（例）10.0405.00.05.010.015.020.025.030.035.035302520151050IIIIIII噪聲指數噪聲指數 / dB輸出光功率輸出光功率 / dBm增益增益 / dB輸入光功率輸入光功率 / dBm增益增益 / dB增益帶寬增益譜G()：增益G與信號光波長的關系增益帶寬： 信號增益在最高增益下降3dB增益差之內的信號波長范圍。小信號增益與泵浦功率的關系曲線小信號增益與摻鉺光纖長度的關系曲線增益G與輸入光波長的關系增益曲線不平坦，會造成不同信道放大的差別較大增益曲線不平坦，會造成不同信道放大的差別較大EDFA增益平坦技術濾波型：濾波型：在

18、在EDFAEDFA中內插無源濾波器將中內插無源濾波器將1530nm1530nm的增益峰降低，或的增益峰降低，或專門設計其透射譜與摻鉺光纖增益譜相反的光濾波器專門設計其透射譜與摻鉺光纖增益譜相反的光濾波器將增益譜削平。將增益譜削平。 采用新型寬譜帶摻雜光纖，如摻鉺氟化物光纖或高鋁采用新型寬譜帶摻雜光纖，如摻鉺氟化物光纖或高鋁含量的鉺含量的鉺/ /鋁共摻光纖、鉺鋁共摻光纖、鉺/ /鋁磷共摻光纖等。其優鋁磷共摻光纖等。其優點是無需制作和引入附加元件，但工藝復雜。點是無需制作和引入附加元件，但工藝復雜。 本征型：本征型：波長波長增增益益不摻鋁不摻鋁摻鉺光纖放大器摻鉺光纖放大器（EDFAEDFA）152

19、51525 1565nm1565nm摻鉺光纖放大器摻鉺光纖放大器（EDFAEDFA）15251525 1565nm1565nm摻鋁摻鋁波長波長增增益益EDFA增益平坦技術EDFA的增益鎖定技術的增益鎖定技術WDM+摻鉺光纖放大器摻鉺光纖放大器實現高速、大容量和長距離光纖通信的主要手段之一。實現高速、大容量和長距離光纖通信的主要手段之一。 在多點對多點的在多點對多點的WDMWDM傳輸系統中，通常需要上下載信號，這樣傳輸系統中，通常需要上下載信號，這樣隨時可能導致各通道的光功率瞬態波動等問題。解決方法是在隨時可能導致各通道的光功率瞬態波動等問題。解決方法是在EDFAEDFA中引入自動增益控制和均衡

20、功能。中引入自動增益控制和均衡功能。 電路自動增益控制電路自動增益控制 全光自動增益控制全光自動增益控制EDFA的增益平坦及增益鎖定的增益平坦及增益鎖定EDFA寬帶放大技術級聯型或并聯：級聯型或并聯：C C波段級聯或并聯波段級聯或并聯L L波段波段EDFAEDFA，達到，達到寬帶增益的目的。寬帶增益的目的。 （ASEASE二次泵浦；二次泵浦；1550nm1550nm輔助泵浦）輔助泵浦）采用鉍基摻雜光纖取代硅基摻鉺光纖，可實采用鉍基摻雜光纖取代硅基摻鉺光纖，可實現現C+LC+L波段寬帶放大。波段寬帶放大。 本征型：本征型：C C波段波段 C+L C+L 波段波段 工作波段正好落在光纖通信最佳窗口

21、；且與傳輸光纖的耦合損工作波段正好落在光纖通信最佳窗口；且與傳輸光纖的耦合損耗小，可小至耗小，可小至0.1dB增益高（增益高（3040dB），飽和輸出光功率大（），飽和輸出光功率大（1020 dBm)噪聲指數?。ㄔ肼曋笖敌。?7dB)頻帶寬（頻帶寬（15251565nm)，可進行多信道傳輸，有利于提高傳，可進行多信道傳輸，有利于提高傳輸容量輸容量 摻鉺光纖放大器的優點WDM+光纖放大器光纖放大器充分利用光纖帶寬，提高單纖容量的最有效方法。充分利用光纖帶寬，提高單纖容量的最有效方法。 EDFA在通信系統中的應用 （LA：Line Amplifier）補償光纖線路損耗，延長干線傳輸距離。 （PA：Preamplifier) 置于光接收機前，放大微弱的光信號，以改善接收靈敏度。作為前置放大器，工作在小信號增益狀態，噪聲系數小。