特点：光路简单，电路控制灵活性强
24
均衡EDFA的工作原理— 增益锁定
隔离器
泵浦源
掺铒光纤
信号输入
可调滤波器 可调衰减器
激光箝制放大器（光控）
隔离器 信号输出
环形腔结构
LD PUMP
ISO
WDM
Input Signal
Grating 1
EDF
ISO
Grating 2
Output Signal
特点：完全自动， 精确度高
增益谱的形状随信号功率而变，在有信道上、下的动 态情况下，失衡情况更加严重
22
WDM+EDFA系统的均衡技术—立足EDFA
立足于EDFA的均衡功能的开发 • 采用新型宽谱带掺杂光纤：
掺铒氟化物光纤（30nm)； 高掺铝的铒铝共掺光纤（17nm）；
• 采用与掺杂光纤增益谱反对称的滤波器；
只能适应静态情况的平坦，当信道功率变化时仍不能保持平坦
29
长波段（L-band）掺铒光纤放大器
30
k
g
*k
/
h k
14
掺铒光纤放大器的基本理论模型(4)
增益：
G
exp
L 0
g
*
n2 nt
n1
nt
dz
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
10log10
SNRin SNRout
10 log10
2nsph G 1 ase
hG ase
10 log10
Pase
什么是掺铒光纤放大器
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
掺铒光纤放大器EDFA工作原理
(a) 硅光纤中铒离子的能级图； (b) EDFA的吸收和增益频谱
h k
Pk
z
Pk
N2z
2
1 1520 1530 1540 1550 1560 1570 W aveleng th (nm )
26
Gain coefficient (dB)
实现动态增益均衡EDFA的基本原理
单位长度掺铒光纤在不同反转水平下的增益谱
6
4
100% 90%
80%
2
70%
60%
50%
0
40%
光栅F-P腔结构
25
实现动态增益均衡EDFA的基本原理
放大器增益与光纤参量及泵浦水
平的关系：
6
Gk exp
k
g
* k
N
av 2
k
L
5
g*
4
式中： 3
& *g (dB/Fra bibliotek)Nav 2
1 L
L 0
N2 zdz
n2(z) k nt 1
k h k
Pk z Pk z
k
k
g
* k
• 快速泵浦控制实现增益箝制； • 采用选频激射实现增益箝制； • 注入辅助信号实现增益箝制；
深饱和状态下对噪声和增益谱特性的影响
23
均衡EDFA的工作原理— 增益锁定
EDFA
EDFA
In
In
Out
Out
D
LD Pump
泵浦控制均衡放大器（电控）
D
LD Auxiliary signal
V
注入辅助信号光锁定
掺铒光纤放大器
主要内容
掺铒光纤放大器给光纤通信领域带来的影响 什么是掺铒光纤放大器 掺铒光纤放大器的工作原理 掺铒光纤放大器的构成和特性 掺铒光纤放大器的优点和应用 高性能掺铒光纤放大器 功率箝制掺铒光纤放大器
掺铒光纤放大器给光纤通信领域带来的 影响
光器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； 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，器件与光纤的耗很小， 因而得到广泛应用。20世纪80年代末期，波长为1.55 μm的 掺铒光纤放大器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。
波长为980 nm的泵浦光转换效率更高，达10 dB/mW， 而且噪声较低， 是未来发展的方向。
LD
EDF
in
APC
WDM
EDF
信号和泵浦光同方向传 out 输—正向泵
APC
LD
in APC
反向泵
WDM
APC out
LD1
EDF
LD2
in APC
WDM1
WDM2
APC out
双向泵
掺铒光纤放大器的基本结构
00
2
g *k ek ik r, nt r,, zrdrd
00
定义：粒子数沿截面平均
2
ni r,, zrdrd
ni z 0 0
be2ff
交迭积分
2
ik r, ni r,, zrdrd
k,i z 0 0
ni
13
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：
d n2 Pk zk n1 Pk zg *k n2 n2
30%
20%
-2
10%
0%
-4
-6 1520
1530 1540 1550 1560 Wavelength (nm)
1570
同时平坦锁定的技术 关键—控制粒子数反 转水平
利用掺铒光纤本身的 平坦特性，可以达到 17nm 左右平坦带 宽
27
长波段（L-band）掺铒光纤放大器
28
长波段（L-band）掺铒光纤放大器
00
00
其中：铒离子浓度： 规一化光强： 跃迁速率：
nt r,, z n1r,, z n2 r,, z ik r, Ik r,, z/ Pk z
Wpump Pp ap / h p A
12
掺铒光纤放大器的基本理论模型(2)
引入光纤吸收系数和发射系数：
2
k ak ik r, nt r,, zrdrd
dt k h k
k h k
dPk dz
uk k
g
*k
n2 nt
Pk z uk g *k
n2 nt
mh k k
uk k
lk Pk z
在稳态情况下：
Pk zk
n2 nt 1
k h k
Pk zk g *k
k
h k
其中，定义饱和参数 和饱和光强的关系：
be2ff nt /
P sat k
高性能掺铒光纤放大器 动态增益均衡掺铒光纤放大器
长波段（L-band）掺铒光纤放大器 喇曼（Raman）光纤放大器
高性能掺铒光纤放大器
提高放大器性能的技术关键
• 基本思路：结构变化，抑制ASE; • 基本技术：两段级连，内插隔离器;
技术特点
• 可针对不同要求进行优化； • 增益、噪声和功率特性同时升级； • 高增益下实现近量子噪声极限；
掺铒光纤放大器给光纤通信领域带来的革命 支持了最有效的增加光通信容量的方式-WDM
• 1996年以前，美日欧争创“英雄记录”； • 1996年以来，争相推出商品； • 带动了一系列元器件及系统技术的研究、开发、投产； • 推动了全光网络的研究开发热；
• 推动了全世界光纤通信基础设施建设的热潮。 相干光通信作为主流的研究被终止； 光孤子通信研究走出了纸上谈兵的阶段。
hG ase
当泵浦充分 nsp 1 ，且G>>1时，噪声系数达到极限 3dB.
15
掺铒光纤放大器的优点和应用
EDFA有许多优点， 并已得到广泛应用
EDFA的主要优点有：
(1)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
(2) 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。
(3) 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。
(4) 频带宽，在1550 nm窗口，频带宽度为20～40 nm，
掺铒光纤放大器的应用
19
单段放大器和两段级联放大器的性能比较
20
动态增益均衡掺铒光纤放大器
问题的提出
•WDM系统的动态失衡 •WDM+EDFA系统的均衡技术 •动态均衡光纤放大器的技术要求
动态均衡EDFA的基本工作原理 动态均衡EDFA的工作特性 波分复用通信系统的动态均衡传输
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WDM系统的动态失衡问题
掺铒光纤固有增益谱不平坦及均匀加宽特性： • 不同波长的各信道增益不同； • 信道间增益竞争，多级级连使用导致“尖峰效 应”，又称“自滤波效应” ； • 信噪比恶化，超出灵敏度范围； • 信道增、减等信号功率起伏引起各信道增益改变， 又称信道间交叉窜扰； • 信道减少后，功率集中引起光学非线性效应；
(a) 输出信号光功率与泵浦光功率的关系； (b) 小信号增益与泵浦光功率的关系
(a) 光纤放大器构成原理图； (b) 实用光纤放大器外形图及其构成方框图
掺铒光纤(EDF)和高功率泵浦光源是关键器件，把泵浦光与 信号光耦合在一起的波分复用器和置于两端防止光反射的光
掺铒光纤(EDF)和高功率泵浦光源是关键器件，把泵浦光与信号光耦合 在一起的波分复用器和置于两端防止光反射的光隔离器也是不可缺少 的。