1、畢業(yè)答辯,題 目: 光纖EDFA放大技術(shù)研究 專 業(yè)：應(yīng)用物理學(xué) 答 辯 人：王牧羊 指導(dǎo)老師: 趙康,論文結(jié)構(gòu),前言 第一章 光纖放大器的基礎(chǔ)知識(shí) 第二章 EDFA的原理及組成結(jié)構(gòu)分析 第三章 簡(jiǎn)易正向集總式EDFA放大器工程設(shè)計(jì) 第四章 總結(jié) 致謝 參考文獻(xiàn),研究目的意義,目的：通過(guò)對(duì)EDFA放大器相關(guān)的產(chǎn)生背景的了解對(duì)對(duì)EDFA形成了初步的認(rèn)識(shí)與了解，然后通過(guò)對(duì)EDFA組成與工作原理及設(shè)計(jì)指標(biāo)參數(shù)指標(biāo)的學(xué)習(xí)為進(jìn)一步的完成理論工程設(shè)計(jì)打下理論基礎(chǔ)。 意義：在這個(gè)信息化的時(shí)代，通信方式方法的變革，將對(duì)人類社會(huì)各個(gè)層面產(chǎn)生巨大影響，光纖通信作為一種理想的通信手段 ，由于其相較其他通信手段優(yōu)勢(shì)明

2、顯，這使得光纖通信取代其它通信手段是一種必然的趨勢(shì)。 隨著光放大器技術(shù)的產(chǎn)生,光纖通信領(lǐng)域經(jīng)歷了一次革命，而在光放大器中,摻餌光纖放大器(EDFA)的技術(shù)比較成熟且具有眾多優(yōu)點(diǎn)應(yīng)用廣泛,隨著光纖通信向速度更快、帶寬更大方向的發(fā)展,隨之對(duì)EDFA的性能也有著更高的要求。所以對(duì)EDFA進(jìn)行研究就更顯的重要也必要，同時(shí)這也是與時(shí)俱進(jìn)的，順應(yīng)時(shí)代需要的富有遠(yuǎn)見(jiàn)和明智的做法。,光放大器,定義：利用某種具有增益的激活介質(zhì)對(duì)注入其中的微弱光信號(hào)進(jìn)行放大，使其獲得足夠的光增益，變?yōu)檩^強(qiáng)的光信號(hào)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)光信號(hào)的直接光放大。 分類：1.半導(dǎo)體光放大器(SOA)2.摻稀土元素光纖放大器 3.非線性光纖放大器 而

3、我們所知的摻鉺光纖放大器(EDFA)，便屬于第二種摻稀土元素光纖放大器,摻鉺光纖放大器,定義：摻鉺（Er3+）光纖放大器(Erbium-Doped Fiber Amplifier，EDFA)是將摻鉺光纖在泵浦源作用下形成的光纖放大器。 誕生：于1986年，英國(guó)南安普頓大學(xué)的邁爾斯等人制成，現(xiàn)已商業(yè)化。 EDF的結(jié)構(gòu)：構(gòu)造與單模光纖的構(gòu)造一樣。 鉺離子位于纖芯中央地帶，將鉺離子放在這里有利于其最大地吸收泵浦和信號(hào)能量，從而產(chǎn)生好的放大效果。,EDFA的工作原理,Er+3外層電子具有三能級(jí)結(jié)構(gòu)： 能級(jí)1代表基態(tài)， 能量最低。 能級(jí)2是亞穩(wěn)態(tài)， 處于中間能級(jí)。 能級(jí)3代表激發(fā)態(tài)， 能量最高。,EDF

4、A的工作原理,當(dāng)泵浦(Pump, 抽運(yùn))光激勵(lì)，鉺離子吸收泵浦光， 基態(tài)躍遷到激發(fā)態(tài)。 激發(fā)態(tài)不穩(wěn)定，Er3+很快返回到亞穩(wěn)態(tài)。 亞穩(wěn)態(tài)粒子數(shù)積累，形成粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布。 如果輸入的信號(hào)光的能量等于基態(tài)和亞穩(wěn)態(tài)的能量差 ，亞穩(wěn)態(tài)的Er3+將躍遷到基態(tài)，產(chǎn)生一個(gè)與信號(hào)光子完全一樣的光子，實(shí)現(xiàn)了信號(hào)光在摻鉺光纖中的放大。,EDFA結(jié)構(gòu)和特性-結(jié)構(gòu),EDFA的基本結(jié)構(gòu)： 摻鉺光纖(EDF)和高功率泵浦光源是關(guān)鍵器件 EDF的增益取決于Er3+的濃度、光纖長(zhǎng)度和直徑以及泵浦光功率等多種因素，通常由實(shí)驗(yàn)獲得最佳增益。 對(duì)泵浦光源（波長(zhǎng)通常為980 nm或1480 nm）的基本要求是大功率和長(zhǎng)壽命。現(xiàn)在的研

5、究表明波長(zhǎng)為980 nm的泵浦效率最高，且噪聲較低，是未來(lái)發(fā)展的方向。 波分復(fù)用器(WDM)把泵浦光與信號(hào)光耦合； 基本要求：采用插入損耗小，熔拉雙錐光纖耦合器型波分復(fù)用器。 光隔離器置于兩端防止光反射；保證系統(tǒng)穩(wěn)定工作和減小噪聲。 光濾波器是濾除放大器噪聲，提高系統(tǒng)的信噪比。,EDFA結(jié)構(gòu)和特性-結(jié)構(gòu),因泵浦源所在的位置不同，分成同向、反向及雙向泵浦方式 三種泵浦方式性能差異： 同向泵浦: 噪聲性能好 反向泵浦: 輸出功率大 雙向泵浦: 兼有上述優(yōu)點(diǎn),但成本高 按放大方式可將EDFA分為分立式和分布式： 1.）分布式：沿光纖分布的光信號(hào)進(jìn)行在線放大。 主要作為傳輸光纖損耗的分布式補(bǔ)償放大，傳

6、輸?shù)牡蜐舛群胀ü饫w作增益介質(zhì)，傳輸距離比較長(zhǎng)，可達(dá)100km左右；泵浦源功率幾百毫瓦；所以光纖中各處的信號(hào)光功率都比較小，從而可降低各種光纖非線性效應(yīng)的干擾。 2.）分立式(集總式)：集中對(duì)光信號(hào)進(jìn)行放大。 主要作為高增益、高功率放大，介質(zhì)通常是色散補(bǔ)償光纖或高非線性高參雜高濃度含光纖 ，比較短，一般10km以內(nèi)；泵浦源功率幾瓦到幾十瓦。EDFA也屬于分立式。,EDFA的重要指標(biāo),1.增益 EDFA的輸出功率,含信號(hào)功率和噪聲功率兩部分，噪聲功率記為PASE，則EDFA的增益為 2.噪聲系數(shù)：定義為輸入信噪比與輸出信噪比 即： 噪聲系數(shù)Fn決定于自發(fā)輻射,簡(jiǎn)易雙向集總式EDFA放大器工程設(shè)計(jì)

7、,總體框圖,系統(tǒng)工作原理：先利用分光率為1%的分光片將輸入端和輸出端的一部分光信號(hào)送入PD光電探測(cè)器中,用光電探測(cè)器來(lái)對(duì)輸入輸出功率進(jìn)行監(jiān)測(cè),將檢測(cè)出的電流信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)后送入微處理器中進(jìn)行處理,通過(guò)微處理器控制單元的反饋算法處理后,控制兩個(gè)泵浦激光器提供工作所需要的驅(qū)動(dòng)電流,從而驅(qū)動(dòng)其工作同時(shí)泵浦激光器內(nèi)部的背光探測(cè)器對(duì)其進(jìn)行電流檢測(cè),檢測(cè)到的電流信號(hào)也經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)換后送到微處理器中,經(jīng)算法處理后控制泵浦激光器的驅(qū)動(dòng)電流,這樣的反饋回路保證使EDFA的輸出光功率達(dá)到恒定,此外,溫度的變化對(duì)泵浦激光器的影響也是不可忽視的，激光器輸出功率的穩(wěn)定性!輸出波長(zhǎng)和它的閥值電流等都會(huì)隨溫度的變化而發(fā)生變化

8、，所以系統(tǒng)中還包括了溫度控制部分,使其溫度達(dá)到恒定,不會(huì)對(duì)激光器的性能產(chǎn)生影響。,簡(jiǎn)易雙向集總式EDFA放大器工程設(shè)計(jì),系統(tǒng)各組件的功用： 1.光隔離器的作用是為了抑制光的反射,只允許光進(jìn)行單向傳輸,防止光反射形成自激振蕩,使光放大器能夠工作在比較穩(wěn)定的狀態(tài)，第一個(gè)光隔離器在輸入端,以便消除上段由于放大的自發(fā)射反面?zhèn)鞑タ赡芤鸬母蓴_,第二個(gè)隔離器在輸出端,保護(hù)器件免受來(lái)自下段可能的逆向反射,從而來(lái)提高EDFA的穩(wěn)定性，光隔離器的隔離度應(yīng)該優(yōu)于4OdB,而且插入損耗小,與偏振無(wú)關(guān)。 2.分光片能夠吸收相對(duì)較小的一部分入射光的能量,而將其余的那部分能量進(jìn)行透射,這里采用的分光片的分光比例為99:1

9、,即將99份送入到摻餌光纖中,將1份送入到光電探測(cè)器中進(jìn)行檢測(cè). 3.泵浦激光器能夠?qū)⒘Ｗ訌牡湍芗?jí)抽運(yùn)到較高的能級(jí),使得粒子處于反轉(zhuǎn)狀態(tài)而被放大,它是摻餌光纖放大器的核心部分EDFA中使用的泵浦激光器通常是980nm.,簡(jiǎn)易雙向集總式EDFA放大器工程設(shè)計(jì),4.泵浦激光器的驅(qū)動(dòng)電路：為電路提供一個(gè)電流連續(xù)可調(diào)的恒流源;其次,為了防止浪涌擊穿!上電沖擊等一些突發(fā)因素對(duì)泵浦激光器造成的損壞,驅(qū)動(dòng)電源要包含保護(hù)電路部分;最后,由于溫度對(duì)激光器性能的影響,驅(qū)動(dòng)電源還要具有溫度控制功能 5.光電探測(cè)器： 在泵浦激光器發(fā)射激光過(guò)程中,除了前向輸出光之外,還產(chǎn)生一定比例的背向光通過(guò)光電二極管PD對(duì)背向光進(jìn)行

10、探測(cè),經(jīng)過(guò)對(duì)信號(hào)的放大處理后,可將得到的幅度增強(qiáng)的探測(cè)信號(hào)用作電路的反饋量,對(duì)驅(qū)動(dòng)激光器工作的電流進(jìn)行調(diào)節(jié),從而調(diào)節(jié)激光器輸出光功率的變化,使EDFA的輸出功率達(dá)到穩(wěn)定。 6.A/D控制器件 A/D控制器是將輸入的電壓信號(hào)成比例的轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)系統(tǒng)中經(jīng)過(guò)PD探測(cè)電路以后,獲得的電壓信號(hào)在送入單片機(jī)進(jìn)行處理之前,需要經(jīng)過(guò)模數(shù)轉(zhuǎn)換,將得到的數(shù)字量送入單片機(jī)中進(jìn)行處理,從而控制泵浦激光器的驅(qū)動(dòng)電路對(duì)于多數(shù)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中,采集的對(duì)象都是緩慢變化的模擬信號(hào),由于ADC被共享,對(duì)模擬信號(hào)的數(shù)據(jù)巡回采集,因此需要選擇高轉(zhuǎn)換速率和高精度的轉(zhuǎn)換器。,簡(jiǎn)易雙向集總式EDFA放大器工程設(shè)計(jì),7.AVR系列單片機(jī)A

11、Tmega16 Tmega16單片機(jī)來(lái)作為系統(tǒng)控制的主控芯片,系統(tǒng)采用5V進(jìn)行供電,采用C語(yǔ)言進(jìn)行編程，協(xié)調(diào)控制相關(guān)組件以實(shí)現(xiàn)相關(guān)控制功能，功耗比較低,指令執(zhí)行時(shí)間是在單時(shí)鐘周期內(nèi)的,因此它的數(shù)據(jù)吞吐率比較高,能夠達(dá)到IMIPS/MHz,這樣既降低了系統(tǒng)的功耗,從而也提高了系統(tǒng)的處理速度。 8.芯片AD5252 AD5252是 一種雙通道的!非易失性存儲(chǔ)器,它所基于的是IZc協(xié)議,具有256位分辨率它利用簡(jiǎn)單的數(shù)字接口來(lái)替代原有的機(jī)械調(diào)節(jié),能夠提供多種不同的工作模式和調(diào)整模式,可以通過(guò)單片機(jī)對(duì)其實(shí)現(xiàn)多功能編程，統(tǒng)中的控制電路部分采用芯片AD5252者可變電阻具有相同功能的電子調(diào)整功能作為數(shù)字電位器,它能夠?qū)崿F(xiàn)與電位計(jì)或者可變電阻具有相同功能的電子調(diào)整功能。 9.制冷電路 利用半導(dǎo)體制冷器也就是TEC半導(dǎo)體材料的帕爾帖效應(yīng)制成,用于加熱和制冷的半導(dǎo)體P一N結(jié)器件，使泵浦激光器的溫度保持在恒定狀態(tài)，維持電路的穩(wěn)定！,簡(jiǎn)易雙向集總式EDFA放大器工程設(shè)計(jì),總結(jié),在空間光通信系統(tǒng)中,EDFA有著很重要的作用,特別是隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步與發(fā)展,激光發(fā)射系統(tǒng)也越