WuxiProfessionalCollegeofScienceandTechnology畢業(yè)設(shè)計(論文)報告題目摻鉺光纖放大器的原理與應(yīng)用 指導(dǎo)教師摻鉺光纖放大器的原理與應(yīng)用摘要：光纖通信就是利用光纖來傳輸攜帶信息的光波以達到通信的目的。大器(簡寫OFA)是指運用于光纖通信線路中，實現(xiàn)信號放大的一種新型Thispaperdescribestheerbium-dopedfiberamplifiertheories.First,erbium-dopedfiberamplifiergeneralintroductiontothetheerbium-dopedfiberamplifierinamodernopticalfibercommunicationsystemshouldbeshipped.fiber、amplifierShouldbeship 1第一章緒論 21.1光纖通信系統(tǒng)中放大技術(shù) 31.1.1光纖放大器的分類 31.1.2半導(dǎo)體光放大器41.1.3光纖放大器…………………1.2摻鉺光纖放大器的發(fā)展歷史…………第二章?lián)姐s光纖放大器的工作原理及性能參數(shù)…2.1摻鉺光纖放大器的介紹……………2.4EDFA的增益特性………………第三章EDFA在密集波分復(fù)用系統(tǒng)中應(yīng)用與研究…3.1波分復(fù)用(WDM)的基本概念………3.1.1波分復(fù)用系統(tǒng)的組成…………3.1.4密集波分復(fù)用(DWDM)原理概述…3.2EDFA在密集波分復(fù)用(DWDM)系統(tǒng)中應(yīng)用的分析…………3.2.1EDFA在DWDM系統(tǒng)中的作用和應(yīng)用方式………………致謝參考文獻668的。遠在周代我國就有了烽火傳遞信息的方法，烽火作為一種原始的聲光通信手段，服務(wù)于古代軍事戰(zhàn)爭。從邊境到國都以及邊防線上，每隔一定距離就筑起一座烽火臺。內(nèi)儲柴草，當(dāng)敵人入侵時，便一個接一個地點燃信系統(tǒng)中光放大又是一個非常重要的環(huán)節(jié)。光放大器是可將微弱的光信號光波分復(fù)用技術(shù)，光孤子通信技術(shù)迅速成熟并得于全光通信網(wǎng)奠定了扎實的基礎(chǔ)，成為現(xiàn)代和未來光因此,從90年代后期起(GS)型EDFA(1570～1600nm)。另外，在CATV系統(tǒng)中應(yīng)用最多的1.3μm波長的單模光纖(SMF)系統(tǒng)中，由于波長色散甚小即使不作色散補償，也能傳輸高至10Gbps的優(yōu)點，一直受到業(yè)界的重視。但由于1.3μm的SMF傳輸損耗較大(一般為0.30dBkm)。所以只適用于近、中距離傳的遠距離傳輸。今后，隨著1.3μm的遠距離傳輸需要增加，新問世的1.3μm波域的摻譜光纖放大器(EPFA)也成了業(yè)界關(guān)心的熱點。近年，由于因特網(wǎng)的爆發(fā)式增長，為了有效的利用光普波長資源，在開發(fā)太比秒級(1Tbp)的高速信號中，高密度波分復(fù)用(DWDM)又稱密集波分復(fù)用技術(shù)的發(fā)展，也促進了1.4μm波域的利用。為此目的研制的摻銩光纖放大器(TDFA)的實用化也是業(yè)界關(guān)心的產(chǎn)品。還有，應(yīng)用光纖拉曼現(xiàn)象的拉曼光纖放大器，隨著WDM技術(shù)的應(yīng)用，又重新抬頭，在實現(xiàn)超寬波域達100nm放大方面頗具特點。本文擬就摻鉺光纖放大器(EDFA)的原理及應(yīng)用發(fā)展動向作一綜述。第一章緒論1.1光纖通信系統(tǒng)中放大技術(shù)放大器。光纖放大器就是在光纖中摻雜稀土離子(如鉺、鐠、銩等)作為激光活性物質(zhì)。每一種摻雜劑的增益帶寬是不同的。摻鉺光纖放大器的增益帶較應(yīng)制作成的光放大器，即大功率的激光注入光纖后，會發(fā)生非線性效應(yīng)?喇曼放大器已開始商品化了，不過相當(dāng)昂貴。半導(dǎo)體光放大器(SOA)一般是指行是采用光—電—光的轉(zhuǎn)換方式。中繼器的這種工作模式帶來了不少問題，如激動人心。它使光通信技術(shù)產(chǎn)生了革命性的變化：用相對簡單價廉的光放大器，代替長距離光纖通信系統(tǒng)中傳統(tǒng)使用的復(fù)雜昂貴的光—電—光混合式中即摻稀土元素的光纖放大器和利用常規(guī)光纖的非線性效應(yīng)(如受激拉曼散射，受激希里淵散射等)的光放大器。半導(dǎo)體光放大器主要是行波半導(dǎo)體一半導(dǎo)體激光器結(jié)構(gòu)作為放大裝置使用的器件，因為具有能帶結(jié)構(gòu),所料的組成可以使波長使用范圍超過100Inp這樣的半導(dǎo)體材料制作,與半導(dǎo)體激光器的主要不同之處是SOA帶抗的條件相對于厚度為14波長。實際的放大器,傳輸光是數(shù)微米的點光,可器使用，入射光的偏振方向是無規(guī)則的2半導(dǎo)體光放大器的原理:半導(dǎo)體光放大器的原理與摻稀土光纖放大器相似但也有不同,其放大特性主要取決于有源層的介質(zhì)特性和激光腔生非平衡載流子,實際上是一種光向另一種光轉(zhuǎn)換的過程。電致發(fā)光是指用電學(xué)方法將非平衡載流子直接注人到半導(dǎo)體中而產(chǎn)生發(fā)光,這常借換能量而不產(chǎn)生光發(fā)射,稱為無輻射躍遷,,同時在價帶中留下空穴,,這一過程只與晶格交與此同時，導(dǎo)帶底的電子還,并同時發(fā)射光子,二者形成動態(tài)平衡,與熱平衡狀態(tài)下的情況不同,這時的電子和空穴為非平衡載流子，數(shù)即輻射壽命與無輻射躍遷的時間常數(shù)相比相對較長,所以可以認為電子和空穴各自保持熱平衡狀態(tài)，對載流子的這種準(zhǔn)復(fù)合，同時發(fā)射一個光子,這一過程稱為自發(fā)輻射發(fā)光受激輻射躍遷是會產(chǎn)生非平衡載流子,半導(dǎo)體在泵浦光激勵下怎樣產(chǎn)生光放大為?了盡可能簡單，假設(shè)半導(dǎo)體在0K,費米能級在禁帶的中間位置,因此在Ep以下類似于EDFA中的能帶E1和E2所起的作用，只是它的能帶比EDFA的能則半導(dǎo)體吸收光子,當(dāng)吸收了泵浦光子后就會在導(dǎo)帶中產(chǎn)生電子，而在價帶中留下空穴,然后電子和空穴都迅速向能帶的最底點弛豫，并通過如果泵浦源的強度越來越大比帶間復(fù)合速率快得多,那么可以利用準(zhǔn)費米能級Epn和Epp來描述電子空穴的數(shù)目。于是導(dǎo)帶底和Epn之間的每個態(tài)都被添滿,而價帶頂和之間的所有態(tài)都是空的，從而實現(xiàn)光放大。通過適距離的限制，更重要的是它開創(chuàng)了1550nm頻段的波分復(fù)用，從而將使超高里程碑。在目前實用化的光纖放大器中主要有摻鉺光纖放大器(EDFA)、統(tǒng)、接入網(wǎng)、光纖CATV網(wǎng)、軍用系統(tǒng)(雷達多路數(shù)據(jù)復(fù)接、數(shù)據(jù)傳輸、制導(dǎo)等)等領(lǐng)域，作為功率放大器、中繼放大器和前置放大器。大器以極大地提高光接收機的靈敏度；在光纖傳輸線路中作中繼放大器以1.2摻鉺光纖放大器的發(fā)展歷史90年代開始在光纖傳輸系統(tǒng)中應(yīng)用的新型器件，它的推廣應(yīng)用為光纖通信光纖，后來發(fā)現(xiàn)了在光纖中摻鉺元素能夠?qū)崿F(xiàn)放大的作用，其工作波長對從遠離前端處將光纖干線分支時，可在分支前面接入摻鉺光纖放大器，作為線路放大器，以補償分支損耗。在光纖傳輸網(wǎng)絡(luò)管理中如何實現(xiàn)置。其二是由光纖放大器的開關(guān)量信息接口向網(wǎng)管系統(tǒng)送開關(guān)量信增益平坦摻鉺光纖放大器?它的應(yīng)用狀況如何?采用在1550nm窗口附近的密集型WDM技術(shù)是擴大現(xiàn)有光纖通信能力的最有效的方法。增益平坦型光纖放大器是DWDM傳輸系統(tǒng)的關(guān)鍵部件，可以十分有效地解決由于光模塊是集成化的摻鉺光纖放大器(如圖1-1所示),泵浦光源隔離器D/AA/D光疆光功率控制分為光電一體EDFA模塊和光增益模塊兩種，其具有體積小、功耗低、使用方便等特點，可以根據(jù)用戶使用的情況十分方便地安裝在各種各樣的應(yīng)用系統(tǒng)中，如SDH機架內(nèi)、CATV機盒內(nèi)、DWDM系統(tǒng)機架內(nèi)。1.3EDFA的發(fā)展方向EDFA的發(fā)展方向EDFA從C波段(conventionalband)15301560nm(常規(guī)的ED-FA)向L波段(longwavelengthband)1570～1605nm發(fā)展，可采用摻鉺氟化物光纖放大器(EDFFA),帶寬可達75nm;采用碲化物EDFA,帶寬可達76nm;采用增益位移摻鉺光纖放大器(GS-EDFA),通過控制摻鉺光纖的鉺粒子數(shù)反轉(zhuǎn)程度，可在1570～1600nm波段實現(xiàn)放大，它與普通的EDFA組合，可得到帶寬約80nm的寬帶放大器；采用覆蓋C波段和L波段的超寬帶光放大器(UWOA),可用帶寬80nm,能在單根光纖上放大100多路波長信道；采用常規(guī)EDFA和擴帶光纖放大器(EBFA)組成的基于摻鉺光纖的雙帶光纖放大器(DBFA),工作波長為1528~1610nm;將局部平坦的EDFA與光纖拉曼放大器串聯(lián)使用，可獲光放大器目前具有競爭力的技術(shù)為MiniEDFA、EDWA和SOA技術(shù)，這種第二章?lián)姐s光纖放大器的工作原理及性能參數(shù)2.1.1EDFA放大器的組成石英光纖摻稀土元素(如Nd、Er、Pr、Tm等)后可構(gòu)成多能級的激纖放大器，例如，以摻鉺光纖為基礎(chǔ)的雙帶光纖放大器(DBFA),是一種寬帶一個典型的摻鉺光纖放大器主要由以下幾部分組成(如圖2-2所示):(1)摻鉺光纖——是EDFA的主體，在石英基質(zhì)中摻入餌離子制成。號號信光出輸光濾波器隔離器纖光鉺摻耦合器隔離器號信光入輸2.1.2EDFA的放大原理大部分處于基態(tài)的Er3+離子抽運到激發(fā)態(tài)上，處于激發(fā)態(tài)的Er3+離子又粒子數(shù)比處于基態(tài)的Er3+粒子數(shù)多。當(dāng)信號圖2-3:Er3+能級圖2.1.3EDFA的基本性能(3)噪聲特性：EDFA的輸出光中，除了有信號光外，還有被放大的噪聲。EDFA的噪聲主要4種：信號光的散粒噪聲；被放大的自發(fā)輻射光有2.2EDFA的優(yōu)缺點(1)EDFA的工作波長與光纖最小損耗窗口一致，恰好落在最佳波長區(qū)到0.1dB,耦合效率高。因為是光纖型放大器，易于與傳輸光纖耦合連(2)能量轉(zhuǎn)換效率高。激光工作物質(zhì)集中在光纖芯子中，且集中在光纖芯子中的近軸部分，餌信號光和泵浦光也是在光纖的近軸部分最強，這換效率。所需泵浦光功率較低(數(shù)十毫瓦),泵浦效率卻相當(dāng)高，用980nmdBmW;泵浦功率轉(zhuǎn)換為輸出功率的效率和吸收效率高于80%。(3)增益高、噪聲低、輸出功率大。增益約為20-40dB。輸出功率在單光譜時可達14dBm,而在雙泵浦時可達17dBm,甚至20dBm。噪聲指數(shù)(4)頻帶寬，在1310nm和1550nm窗口各有20-40nm帶寬，可以進行可以實現(xiàn)雙向放大；在多信道應(yīng)用中可以進行無串話傳輸;(注：所謂極化工藝處理后(如升溫，紫外照射，激光注入等),具有永久二階非線性光學(xué)效應(yīng)(例如電光效應(yīng)，倍頻效應(yīng)等)的一種光纖功能器件。極化光纖器件是一種的群速色極化光纖器件散；②與晶體材料的非線性光學(xué)器件或電光器件相(8)可以同時傳輸模擬信號和數(shù)字信號，高比特率信號和低比特率信字體系具有完全的透明度，與準(zhǔn)同步數(shù)字體系(PDH)和同步數(shù)字體系(SDH)的所需電流，從而降低了對海底電纜和絕緣特性的要求：在放大器級聯(lián)使用中當(dāng)然EDFA也有其固有的缺點。坦。在光纖通信系統(tǒng)中需要采取特殊手段來進行增益譜補償。光纖線路，從而使光纖傳輸?shù)臒o中繼距離增近量子極限的低噪聲優(yōu)點，因而可用作接收機的前置放大器以提高接收靈接收機PIN光檢側(cè)器的前面，來自光纖的信號經(jīng)EDFA放大后再PIN檢由測。強大的光信號使電子放大器的噪聲可以忽略，用EDFA作預(yù)放的光接2.4EDFA的增益特性以分貝(dB)來表示。G=PoutPin(1)G=10lg(PoutPin)(做參變量，給出了增益G(dB)與光纖長度1之間的關(guān)系曲線。對一定的泵浦度(Lopt),這時增益最大?？梢赃@樣認為，當(dāng)長度L<Lopt時，泵浦光功率Pp(z)>Ppth,在整個長度的EDF上，處處滿足放大條件，從而最做參變量給出了增益G與泵浦功率凡之間的關(guān)系。開始時G隨著PP的增(2)根據(jù)相近參數(shù)的摻餌光纖(根據(jù)速率方程),長度分別為：(a)15m;浦功率關(guān)系(3)取相同參數(shù)摻餌光纖長度30m,信號光功率為1μW。前向(1)前向(同向)泵浦在摻餌光纖的輸入端，泵浦光較(2)反向泵浦泵浦光與信號光從不同的反向輸入EDFA,兩者在光纖中傳輸方向相反。其優(yōu)點是:當(dāng)光信號放大到很強時，泵浦光也強，不易達到飽和。(3)雙向泵浦為使EDFA中摻雜粒子得到充分的激勵，必須提高泵浦功率，所以可以用多個泵浦源激勵光纖。如果提供部分前向泵浦，部分后向泵浦，則稱為雙向泵浦。這種泵浦方式結(jié)合了前向泵浦與反向泵浦的優(yōu)點，使得泵浦光在光纖中均勻分布，從而其增益在光纖中也均勻分布。WDMWDMWDM1WDM2雙向泵浦型：輸出信號功率比單泵浦源高3dB,且放大特性與信號傳輸方向無關(guān)圖2-4:三種泵浦方式的EDFA第三章EDFA在密集波分復(fù)用系統(tǒng)中應(yīng)用與研究光通信系統(tǒng)可以按照不同的方式進行分類。如果按照信號的復(fù)用方式Multiplexing)、時分復(fù)用系統(tǒng)(TDM-TimeDivisionMultiplexing)、一種傳輸技術(shù)，它利用了一根光纖可以同時傳輸多個不同波長的光載波的特點，把光纖可能應(yīng)用的波長范圍劃分成若干個波段，每個波段作一個獨立的通道傳輸一種預(yù)定波長的光信號。光波分復(fù)用的實質(zhì)是在光纖上進行光頻分復(fù)用(OFDM),只是因為光波通常采用波長而不用頻率來描述、監(jiān)測與控制。隨著電-光技術(shù)的向前發(fā)展，在同一光纖中波長的密度會變得很高。因而,使用術(shù)語密集波分復(fù)用(DWDM-DenseWavelength傳統(tǒng)的TDM系統(tǒng)只不過利用了這條道路的一條車道，提高比特率相當(dāng)于管PIN或APD把接收到的光信號轉(zhuǎn)換為電信號，然后該電信號對標(biāo)準(zhǔn)用的光纖放大器中主要有摻鉺光纖放大器(EDFA)、半導(dǎo)體光放大器(SOA)下光路，而在EDFA之后上光路。3.1.2EDFA在WDM系統(tǒng)中的應(yīng)用EDFA在WDM系統(tǒng)中可以作為前置放大器和提高發(fā)送光功率。通常工作于深飽和區(qū)，要求EDFA在保持適中的增益①EDFA增益帶寬目前，EDFA可用增益頻譜范圍為I530～1565nm,增益帶寬為35nm左右，可以滿足4～32信道的WDM系統(tǒng)。如果希望進一步增大帶寬，以利用波長資源，則必須開發(fā)新型的光放大器。EDFA的增益平坦度(GF)是指在整個可用增益的帶寬內(nèi)，最大增益波長點 a.增益均衡技術(shù)增益均衡技術(shù)是利用損耗特性與放大器的增益波長是一種長周期光纖光柵。其光柵周期一般為數(shù)百um。通過多個術(shù)，在1528～1568nm的40nm帶寬內(nèi)，可以實現(xiàn)增益偏差在5%以內(nèi)的帶低，或?qū)ｉT設(shè)計其透射譜與EDFA增益譜相反的光濾波器將增益譜削平，但濾EDF中摻入別的雜質(zhì)(如摻鋁EDFA、摻釔EDFA)或改變EDF基質(zhì)(如氟化其最大優(yōu)點是無需制作和引入附加元件。③EDFA增益特性的優(yōu)化技術(shù)另外，還有飽和波長的方法。在發(fā)送端，除了傳輸信號的工作波長外，系統(tǒng)還發(fā)送另一個波長作為飽和波長。在正常情況下，該波長的輸出功率很小，當(dāng)線路的某些信號失去時，飽和波長的輸出功率會自動增加，用以建議規(guī)定：單路或合路入纖最大光功率電平為+17dBm。對鏈路切斷情況下密集WDM(DWDM)不僅極大地提高了網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的通信容量，充分利用了光波，根據(jù)每一個信道光波的頻率(或波長)不同將光纖的低損耗窗口劃分一些光器件(如帶寬很窄的濾光器、相干光源等)還不很成熟，因此，要實現(xiàn)光信道非常密集的光頻分復(fù)用(相干光通信技術(shù))是很困難的，但基于道間隔較大(甚至在光纖不同窗口上)的復(fù)用稱為光波分復(fù)用(WDM),再為193.1THz(對應(yīng)的波長1552.52nm),不同波長的頻率間隔應(yīng)為100GHz波長復(fù)用器復(fù)用在一起送入摻鉺光纖功率放大器(摻鉺光纖放大器主要用來彌補合波器引起的功率損失和提高光信號的發(fā)送功率),再將放大后的多路接收端經(jīng)光前置放大器(主要用于提高接收靈敏度，以大以后，送入光波長分波器分解出原來的各路光信號。3.2EDFA在密集波分復(fù)用(DWDM)系統(tǒng)中應(yīng)用的分析3.2.1EDFA在DWDM系統(tǒng)中的作用和應(yīng)用方式器所不能比擬的，分述如下：器。即如果線路上已采用摻鉺光纖放大器做功率放大器，那么,不管它需是實現(xiàn)160—200km無中繼通信。如果有必要，還可將中繼距離延長更號經(jīng)摻鉺光纖放大器放大后再由光檢測器檢測。由于摻鉺光纖放大器的信噪比由于電子放大器，所以用摻鉺光纖放大器作預(yù)放大器的光接收機具有2.2線路放大器2.3用戶接入網(wǎng)中的光纖放大器總之，光線放大器在用戶接入網(wǎng)中主要是提高光信號的功率，即可以補償光耦合器燈光器件所造成的光損耗，又可以大大提高用戶數(shù)量以后，用