《华为EDFA原理及特性》由会员分享，可在线阅读，更多相关《华为EDFA原理及特性（31页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、精选优质文档-倾情为你奉上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 侵权必究修 订 记 录日 期修订版本作 者描 述专心-专注-专业目录关键词：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
2、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：Fig 1.1 Configurion of Erbium-doped Fiber Amplifier(forward Pumped)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
3、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。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
4、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
5、。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(Optical Filter)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13nm。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(PumPing Sup
6、ply)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（532 nm）、染料激光器（665nm）及半导体激光器（807nm、980nm、1480nm）。但由于在807 nm及小于807 nm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980 nm和1480 nm的LD已商品化，所以一般采用980nm 和1480nm的半导体激光器
7、作泵源。（在下一节中将详细讨论）。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514 nm、665 nm和807 nm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980 nm和1480 nm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
8、，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：(2) 发射：激发态 基态 波长 Fig1.3 Energy level diagram of Er ion ion和980nm作为泵浦波长，可简
9、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（10 ms），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，中心波长为的N束光在EDF中传播，其中包括泵浦光及信号光()。设第K束光的光强为，则第K束光沿传播方向(光纤轴向)Z的光功率为23：（1-1）二能级系统的速率方程为： K=1,2,3.N（1-2）（1-3）式中、和分别为铒离子掺杂浓度、
10、下能级和上能级的粒子数密度；和分别为铒离子的受激吸收与受激发射截面；t为铒离子的荧光寿命；为第K束光的归一化光强度，定义为：（1-4）EDF中光传输方程为：（1-5）式中表示第K束光的传输方向，沿Z正向；反之。是由上能级粒子数引起的自发辐射对的贡献；m为模式数，因单模光纤只允许传输模，允许有两个正交化偏振方向，所以m一般取2。定义光纤吸收及发射系数分别为：（1-6）（1-7）设铒离子在EDF中均匀分布，则上两式简化为：（1-8）（1-9）式中为铒离子与光模之间的重叠积分因子：（1-10）当EDFA用于放大连续或调制频率大于10KHz以上的调制信号时，系统满足稳态条件：，下面求解方程(1-2)、
11、(1-5)的稳态解，建立起EDFA的数学模型。对方程(1-2)在掺杂区截面上积分，并除以EDF有效截面积，因铒离子均匀分布，EDF有效截面积等于EDF纤芯截面积A，则方程(1-2)化为：（1-11）忽略自发辐射的影响，结合式(1-6)、(1-7)与(1-10)，则方程(1-5)化为：（1-12）将(1-12)代入(1-11)并利用稳态条件可得上能级粒子数为： （1-13）将(1-13)代入(1-12)得：（1-14）其中为固有饱和光功率： （1-15）对上式两边在EDF长度L上积分得：（1-16）该式就是稳态条件下EDFA光传输方程的解，即EDFA的数学模型。式中与分别为第K束光的输出、输入光
12、功率。为便于求解，采用光子流代替光功率，光子流与光功率的关系代入此式得： （1-17）其中，。将式(1-17)进一步化为：（1-18）该式是关于总光子流输出的隐函数方程，它只是输入光子流，固有饱和光功率及EDF长度L的函数，首先由(1-18)式解出，然后代入(1-17)式便可解出第K束光的输出光功率，从而计算出EDFA的各种特性曲线。信号光增益表示EDFA的放大能力，定义为：（1-19）2.3 掺铒光纤放大器的特性分析下面通过对EDFA数学模型进行计算机模拟求解，分析EDFA的各种特性。2.3.1 泵浦特性Fig1.5是不同泵浦波长时，EDFA增益及增益系数与泵浦光功率的关系。增益系数又名泵浦
13、效率，定义为放大器的增益与泵浦光功率之比；反映了泵浦光功率的转换能力。由图知，在相同的信号和泵浦光功率输入时，不同的泵浦波(泵浦带)长对应不同的增益及增益系数，980nm增益和泵浦效率最高，其次是1480nm，而807nm泵浦效率最低。因此980 nm和1480 nm是理想泵浦波长。实验证明，980nm作为泵浦波长，具有更小的噪声指数（3dB)和更高的泵浦效率（611dB/mw）。而1480nm泵浦可获得更高的输出功率。Fig1.6是不同泵浦功率时，信号增益与光纤长度的关系。由图看出，对应一定的泵浦功率，EDF有一最大增益长度，此长度处泵浦光能量低于泵浦阈值，反转粒子数为零，如再增加长度，信号
14、光能量将被铒离子吸收，导致增益下降。随泵浦功率提高，增益增大，最大增益长度向后移。这是因泵浦功率增大使得粒子能在更长的光纤范围内形成反转；如果EDF较短，对泵浦光吸收较少，粒子反转数也少，信号光得不到足够的增益。虽然最大增益长度随泵浦功率增大而增长，但两者不存在线性关系。2.3.2 增益特性增益的大小表示放大器的放大能力，它与EDF的掺铒浓度，掺杂半径，光纤长度，泵浦波长及功率，信号波长及功率等因素有关。EDFA的波长带宽是指最小小信号增益与最大小信号增益之差小于3dB的波长间隔，波长带宽主要取决于纤芯中添加剂的选择。Fig1.7是相同泵浦光功率下，不同信号波长与增益的关系。由图看出EDFA光谱范围宽，增益谱对波长具有依赖性，在1531nm处存在一增益峰，在1550 nm为中心的波段增益较平坦，经过合理设计EDFA的参数，3dB带宽可达35nm（1530nm1565nm）。Fig1.8给出了泵浦功率相同而信号输入功率不同时，光纤长度与信号增益的关系。由图看出，小信号增益大，而大信号增益小，这是因大信号使EDFA增益饱和。随着信号增大，光纤最佳长度变小，因大信号对泵浦光消
