April 18, 2017 • 21
Ⅲ. EDFA的特性参数
April 18, 2017 • 22
增益 G（dB） 输出信号功率与输入信号功率的比值
G(dB) 10log10
60 铒纤长度 m 增益 dB 50 40 40 30 20 20 50
Ps ,out Ps ,in
10
10
20
30
增益 dB
• 增益平坦 • 增益系数 • 增益饱和
40
L=20m
20 L=5m
0 5
10 泵浦功率 mW
April 18, 2017 • 26
Ⅴ. EDFA理论模型-Giles模型
April 18, 2017 • 27
Simplified EDFA Model: Giles模型
假定
– 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
光纤 接收器
•Booster amplifier
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。
接收器
•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。
EDFA
接收器
April 18, 2017 • 19
April 18, 2017 • 32
Ⅵ. EDFA扩展
April 18, 2017 • 33
掺铒光纤放大器
EDFA的主要优点有： • 工作波长正好落在光纤通信最佳波段(1500～1600 nm)； 其主体是一段光 纤(EDF)，与传输光纤的耦合损耗很小， 可达0.1 dB。 • 增益高，约为30～40 dB; 饱和输出光功率大， 约为10～15 dBm； 增益特 性与光偏振状态无关。
泵浦功率 mW
April 18, 2017 • 24
增益带宽（nm）工作带宽，平坦增益带宽
Gain (dB)
40
P Input: -30 dBm
30
-20 dBm -10 dBm
20
10 1520
-5 dBm
1540
1560
1580
输出功率（mW 或 dBm）饱和输出功率，最大输出功率
April 18, 2017 • 25
Absorption
Gain
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。
April 18, 2017 • 4
主要内容
I. II. III. IV. V. VI.
EDFA的基本理论基础 EDFA基本结构 EDFA的特性参数 EDFA的理论模型 EDFA扩展 EDFA设计软件Optiwave的应用
April 18, 2017 • 18
掺铒光纤放大器的三种应用方式
• In line amplifier
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。
光纤 发射器 EDFA EDFA 在线放大器 光纤 发射器 EDFA 功率放大器 光纤 发射器 前置放大器
引入光纤吸收系数和发射系数：
k ak
2
i r , n r, , z rdrd
k t 0 0
g *k ek ik r , nt r , , z rdrd
0 0
2
2
定义：粒子数沿截面平均
ni z
n r, , z rdrd
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 噪声系数： NF 10 log10
10 log10 10 log10
SNRin SNRout
2nsp h G 1 ase hG ase Pase hG ase
当泵浦充分 nsp 1 ，且G>>1时，噪声系数达到极限 3dB.
其中，定义饱和参数
2 beff nt /
和饱和光强的关系：
Pksat k g *k / h k
April 18, 2017 • 31
掺铒光纤放大器的基本理论模型(4)
增益：
L n2 n1 dz G exp g * n n t t 0
April 18, 2017 • 5
I. 掺铒光纤放大器理论基础
April 18, 2017 • 6
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
AOC China
Advanced Optical Communication
Erbium Doped Fiber Amplifier (EDFA) and Its Applications for WDM Optical Networks
Jessica Zhao MFG.Dept.
April 18, 2017 • 1
上能级的粒子数比下能级的多
April 18, 2017 • 7
三种能级跃迁方式
受激吸收
受激吸收后
E2
hv E1
E2
E1
受激发射
受激发射后
E2 hv
E2 hv E1 hv
自发辐射
自发辐射后
E2
E2
hv
E1
E1
April 18, 2017 • 8
粒子数反转
高 能 级
激发态
低 能 级
基态
April 18, 2017 • 9
i 0 0 2 beff
2
交迭积分
k ,i z
i r, n r, , z rdrd
k i 0 0
ni
April 18, 2017 • 30
掺铒光纤放大器的基本理论模型(3)
速率方程和传输方程变为：
P z k n1 P z g *k n 2 n 2 d n2 k k dt h h k k k k
4I
0 1450
1480 nm
1500 1550
Wavelength (nm)
1600
1650
1530-1560 nm
13/2
980 nm 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。
4I
15/2
April 18, 2017 • 14
Ⅱ. EDFA 的基本结构
April 18, 2017 • 15
四能级系统
April 18, 2017 • 11
铒纤吸收谱
April 18, 2017 • 12
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。
快速非辐射跃迁
同时产生自发辐射噪声 (ASE)
传输方程：
dP k uk ek ik r , n2 r , , z rdrd Pk z m h k k uk ak dz 0 0
2
2
i r, n r, , z rdrd P z
k 1 k 0 0
• 噪声指数小， 一般为4～7 dB； 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1550 nm窗口，频带宽度为20～40 nm， 可进行多信道传输， 有利于增加传输容量。
April 18, 2017 • 34
EDFA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。
in
APC WDM
浦(后向泵浦)型： 输出信号功率高
APC
in
APC
WDM
out
LD1
EDF
LD2
in
APC
WDM1
WDM2
APC
out
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
April 18, 2017 • 17
多级泵浦
Er3+ Doped Fiber
dP n2 n2 k uk k g *k Pk z uk g *k m h k k uk k lk Pk z dz nt nt
在稳态情况下：
Pk z k h k n2 k n t 1 Pk z k g *k h k k
40
50
60
70
80
90
100
泵浦功率 mW
April 18, 2017 • 23
噪声系数NF（dB） 输入信噪比与输出信噪比的比值
SNRin NF (dB) 10log10 SNR out
8 噪声系数 dB Długość włókna m 7 6 5 4 3 2 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 30 75 60
April 18, 2017 • 35
Er Doped Fiber Amplifier，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。