[信息与通信]掺铒光纤放大器及其在光纤系统中的应用 - 刘小明 - 清华大学.ppt

1,掺铒光纤放大器及其 在光纤系统中的应用,刘小明 清华大学电子工程系 2001.4,2,主要内容,光通信技术的发展历程（代前言） 掺铒光纤放大器基础 高性能掺铒光纤放大器 动态增益均衡掺铒光纤放大器 功率箝制掺铒光纤放大器 其它光纤放大器,3,光通信技术的发展历程（代前言）,光通信的发展历程 扩大容量，增长距离 光纤通信的容量有多大？ 光纤中光信号能传多远？ 掺铒光纤放大器给光纤通信领域带来的革命 为什么要用掺铒光纤放大器 光纤放大器研究的新热点,4,光通信技术的发展历程 扩大容量，增长距离,WDM+EDFA： 数十上百信道，传输数千公里；,光纤网络： 宽带，高速，强的网管能力。,5,光纤通信的容量有多大,光波中心波长1.5m，中心频率2x1014Hz， 带宽10%，可传3亿路电话 （每路7x104bit/s） 目前商用水平：312万路（2.510Gb/s） 如何提高数据率 电复用 光复用 波分复用 (WDM) 光时分复用 (OTDM),6,光纤中光信号能传多远,普通单模光纤的损耗谱 窗口： 1.3m， 0.4dB/km; 1.55 m, 0.25dB/km, 25THz; EDFA的带宽 4THz（C-波段）; 全波光纤，1.31.5 m 如何加长传输距离 光-电-光中继 相干光通信，提高接收灵敏度 直接光放大,7,光纤中光信号能传多远,色散的影响 不同频率分量传输速度不同，信号畸变 克服色散 改善信号源 色散管理：色散位移光纤，小色散光纤，色散补偿光纤，负色散 及负色散斜率光纤 色散补偿措施：啁啾光栅等 强光非线性效应的影响 受激散射效应：受激拉曼散射(SRS)，受激布里渊散射(SBS) 光学克尔效应：自相位调制(SPM)，互相位调制(XPM)，四波混频(FWM) 解决措施： 信号功率 光纤段有效长度 色散管理的综合考虑,8,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。,9,为什么要用掺铒光纤放大器,工作频带正处于光纤损耗最低处（1525-1565nm）； 频带宽，可以对多路信号同时放大波分复用； 对数据率/格式透明，系统升级成本低； 增益高（40dB)、输出功率大(30dBm)、噪声低(45dB)； 转换效率高(4060%)； 全光纤结构，与光纤系统兼容； 与信号偏振态无关； 可以实现增益均衡、功率箝制等多种功能。,10,高灵敏度接收方法的比较,比较： 622Mb/s, 三种方法接近； 2.5Gb/s，相干接收略好于OPR，而APD差45dB; 2.5Gb/s，OPR处于绝对优势,BER=10-9 光前置放大，APD和相干接收,11,前置放大器对提高接收灵敏度的作用,理论预测 实测 622Mb/s - 46dBm 改善 15dB 2.5Gb/s - 41.7dBm 改善 9dB,理论计算,622Mb/s,2.5Gb/s,实测 622Mb/s,实测 2.5Gb/s,12,光纤放大器研究的新热点,三类光纤通信系统 长距离通信干线密集波分复用光纤通信系统 光纤CATV网广播网 波分复用全光网基于光纤系统的信息高速公路 研究热点 展宽带宽：C-band 40nm, L-band 再加40nm； 加大功率：信道数增多，系统规模加大； 均衡功能：针对点对点系统的增益均衡 针对全光网的功率箝制； 监控管理功能：在线放大器，网络应用； 动态响应特性； 其它光纤放大器，如Raman放大器。,13,掺铒光纤放大器基础,什么是光放大 基本工作原理 基本结构 基本理论模型 基本工作特性 结构参量优化,14,什么是光放大,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 上能级的粒子数比下能级的多,15,什么是光放大,16,掺铒光纤放大器的基本工作原理(1),17,掺铒光纤放大器的基本工作原理(2),铒离子简化能级示意图,18,掺铒光纤放大器的基本结构（1）,掺铒光纤 半导体泵浦二极管,波分复用耦合器 光隔离器,19,掺铒光纤放大器的基本结构（2）,信号和泵浦光同方向传输正向泵,反向泵,双向泵,20,掺铒光纤放大器的基本理论模型(1),二能级系统速率方程：,传输方程：,其中：铒离子浓度： 规一化光强： 跃迁速率：,21,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：,定义：粒子数沿截面平均,交迭积分,22,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：,在稳态情况下：,其中，定义饱和参数,和饱和光强的关系：,23,掺铒光纤放大器的基本理论模型(4),增益：,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：,当泵浦充分 ，且G1时，,噪声系数达到极限 3dB.,24,掺铒光纤放大器的基本工作特性,增益（dB） 输出信号功率与输入信号功率的比值,噪声系数（dB） 输入信噪比与输出信噪比的比值,输出功率（mW 或 dBm）饱和输出功率，最大输出功率,增益带宽（nm）工作带宽，平坦增益带宽,25,结构参量优化增益与泵浦功率及光纤长度,26,结构参量优化长光纤与短光纤放大器的比较,短,短,长,长,27,高性能掺铒光纤放大器,问题的提出单段放大器的限制 自发辐射光沿正、反方向传输，同时被放大，形成放大的自发辐射（ASE）; ASE消耗上能级粒子数，降低泵浦效率，影响增益； 构成放大器的噪声源； 因此，单纯的增加泵浦功率或增加掺铒光纤长度不能很好地改善放大器的性能,28,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；,29,单段放大器和两段级联放大器的性能比较,30,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,31,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； 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,32,WDM+EDFA系统的均衡技术,系统均衡：着眼于整个系统的控制 信道输入功率预加重； 集总均衡滤波； 必须与系统传输参量的总体配置吻合，不能适应信道上下或其它原因造成的信号功率起伏 声光滤波分路调节； 可用于动态情况，由于采用分信道经过外反馈处理，插入损耗大、结构复杂,33,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 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,34,动态增益均衡光纤放大器的技术要求,动态增益均衡放大器的概念包括： （1）增益谱平坦： 在一定带宽范围内的多路信号同时放大时，各 信道增益相同； （2）增益锁定（自动增益控制）： 信道增、减或某信道功率改变时，对本信道或 其它信道增益没有影响。 要求同时实现平坦锁定,35,均衡EDFA的工作原理（1） 增益锁定,泵浦控制均衡放大器（电控）,注入辅助信号光锁定,特点：光路简单，电路控制灵活性强,36,均衡EDFA的工作原理（1） 增益锁定,激光箝制放大器（光控）,信号输入,环形腔结构,光栅F-P腔结构,特点：完全自动， 精确度高,37,激光放大器锁定工作的物理机制,激光稳定振荡的阈值条件：激光波长处的增益等于损耗,激光腔内激光波长处的增益：,小信号增益Go(ll)取决于泵浦水平，当其它波长信号增加迫使Go(ll)下降，则Pl将下降以保持激光波长增益恒定，由均匀展宽特性其它波长增益也恒定，直至任意波长信号功率超过临界值使激光熄灭。 与放大器并存的激光器就象蓄水池一样，在能力范围内包容了全部功率变化。,38,均衡EDFA的工作原理（2） 增益谱平坦,铒/铝共掺光纤（17nm)； 掺铒氟化物光纤（30nm)； 不同变化走向光纤补偿； 两段级联放大补偿； 宽带滤波平坦； 本征型：利用掺铒光纤本身的属性 非本征型：利用外部的强制手段,39,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：,式中：,40,实现动态增益均衡EDFA的基本原理,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,单位长度掺铒光纤在不同反转水平下的增益谱,41,动态均衡EDFA的工作特性,增益、动态范围、躁声、输出功率,增益谱,饱和条件下的线性放大器,42,WDM系统的动态均衡传输实验系统,8x2.5Gb/s WDM 450km光纤传输系统,43,WDM系统的动态均衡传输动态增益,不同信道数传输时的动态增益特性,44,WDM系统的动态均衡传输误码特性,分别有8、4、2、1个信道工作时剩余信道（信道5）的误码率,非均衡系统,均衡系统,45,功率箝制放大器的概念和应用,输入功率变化的情况下，输出功率尽量保持恒定 链路故障造成损耗增加 网络路由改变引起损耗变化,功率箝制放大器的输出功率曲线,功率箝制与增益箝制都是光通信系统对EDFA功能的客观要求,46,功率箝制放大器的主要技术指标,动态输入范围：输出功率基本保持恒定时，相应的输入功率范围 箝制功率：输入功率位于箝制范围内时相应的输出功率平均值,单信道功率箝制放大器 多信道功率箝制放大器,根据应用要求分类：,47,单信道功率箝制放大器的基本原理,放大器的三种工作状态,单信道功率箝制放大器利用放大器的饱和效应。,48,单信道功率箝制放大器箝制范围的上限,大信号时输入功率和输出功率的关系：,饱和区的输出功率由泵浦功率决定； 当输入信号功率增大到与泵浦功率可比时，放大器过渡到漂白区；,箝制范围的上限对应于从饱和区向漂白区的过渡,49,箝制范围的下限对应于从线性放大区向饱和区的过渡,箝制范围下限：,结论：箝制范围的上限由泵浦功率决定，下限由小信号增益决定。,单信道功率箝制放大器箝制范围的下限,50,使用差异损耗对箝制动态范围的扩展DLL (Differential Lump Loss),First stage of EDF,Second stage of EDF,Pump,Signal,Att.,DLL:,51,使用差异损耗对箝制动态范围的扩展,适当的DLL可以进一步扩展单信道功率箝制放大器的动态箝制范围并改善饱和区的箝制曲线。,52,