1、東 北 石 油 大 學(xué)課 程 設(shè) 計課 程 光電子技術(shù)課程設(shè)計 題 目 摻鉺光纖放大器的設(shè)計 院 系 電子科學(xué)學(xué)院 專業(yè)班級 電子101班 學(xué)生姓名 苗培梓 學(xué)生學(xué)號 100901240106 指導(dǎo)教師 2014年3月7日 東北石油大學(xué)課程設(shè)計任務(wù)書課程 光電子技術(shù)課程設(shè)計題目 摻鉺光纖放大器的設(shè)計專業(yè) 電子科學(xué)與技術(shù) 姓名 苗培梓 學(xué)號 100901240106 主要內(nèi)容、基本要求、主要參考資料等1、主要內(nèi)容：通過學(xué)習(xí)光纖放大器的原理，設(shè)計一個能夠?qū)ΣㄩL為1.55的摻鉺光纖放大器。2、基本要求要求在論文中寫出摻鉺光纖放大器的工作原理，結(jié)構(gòu)與特性，以及優(yōu)點(diǎn)與應(yīng)用。3、參考文獻(xiàn)：1 劉增基，周洋

2、溢著，光纖通信，西安電子科技大學(xué)出版社，2002.6.2 雷肇棣著，光纖通信基礎(chǔ)，電子科技大學(xué)出版社，1999.3 馬養(yǎng)武，包成芳，光電子學(xué)，浙江大學(xué)出版社，2003.3.完成期限 2014.3.3 2014.3.7 指導(dǎo)教師 專業(yè)負(fù)責(zé)人 年 月 日第1章 概述摻鉺光纖放大器，即在信號通過的纖芯中摻入了鉺離子Er3 + 的光信號放大器，是1985年英國南安普頓大學(xué)首先研制成功的光放大器，它是光纖通信中最偉大的發(fā)明之一。摻鉺光纖是在石英光纖中摻入了少量的稀土元素鉺離子的光纖，它是摻鉺光纖放大器的核心。光纖放大器是光纖通信系統(tǒng)對光信號直接進(jìn)行放大的光放大器件，在使用光纖的通信系統(tǒng)中，不需要將光信號

3、轉(zhuǎn)換為電信號，直接對光信號進(jìn)行放大的一種技術(shù)。1.1研究意義 眾所周知，現(xiàn)今是信息時代，社會信息化進(jìn)程正在逐漸的深入，整個社會受信息運(yùn)行的影響也隨之越來越大，隨著因特網(wǎng)的普及和網(wǎng)上應(yīng)用，使人們對一些新型信息服務(wù)的需求越來越迫切，例如家庭辦公、遠(yuǎn)程教育、電子商務(wù)等，因此這就需要用到功能強(qiáng)大的通信網(wǎng)絡(luò)，光纖通信作為一種理想的通信手段，具有了諸如較大的通信容量、較長的無中繼通信距離、良好的保密性等許多的優(yōu)點(diǎn)，這使得光纖通信取代其它通信手段是一種必然的趨勢。在光放大器中，摻鉺光纖放大器，即EDFA，的技術(shù)比較成熟，自身性能較好，所以它的應(yīng)用比較廣泛。它具有高增益、低噪聲、輸出功率大、串話小，對溫度偏振

4、不敏感，藕合效率高，易與傳輸光纖藕合連接，損耗低，不易自激，對信號速率和格式透明，并具有幾十納米的放大帶寬等優(yōu)點(diǎn)。由于它幾乎接近完美的特性及半導(dǎo)體泵浦源的使用，導(dǎo)致了它在波分復(fù)用系統(tǒng)中的廣泛應(yīng)用，隨著光纖通信向速度更快、帶寬更大方向的發(fā)展，隨之對摻鉺光纖放大器的性能也有著更高的要求。1.2發(fā)展趨勢及其前景摻鉺光纖放大器的研究始于60年代早期，E.Snitzer發(fā)現(xiàn)摻鉺玻璃對1.50微米波長的激光有放大作用，提出了摻雜光纖放大器的設(shè)想，但由于當(dāng)時未能解決熱淬滅效應(yīng)問題，而且隨后出現(xiàn)了半導(dǎo)體光放大器，使得摻鉺光纖放大器的研究停滯不前。直到80年代中期，南安普敦大學(xué)的研究人員通過改進(jìn)的化學(xué)氣相沉積法

5、（MCVD）成功研制出了摻鉺光纖，并在之后制作出了利用650nm波長50mW的紅染料激光器為泵浦的EDFA具有25dB的小信號增益；幾乎同時貝爾實驗室的研究人員也制出了不同波長泵浦源的EDFA，獲得了約22dB的小信號增益，對該EDFA的測試結(jié)果表明，其多信道放大時不存在串?dāng)_現(xiàn)象、增益與偏振無關(guān)，用于實際傳輸系統(tǒng)時具有極小的誤碼率。1988年1480nm的大功率半導(dǎo)體激光器的研制成功，解決了之前泵浦設(shè)備過于龐大不適于應(yīng)用的問題。1989年日本的NTT公司首先使用1480nm的半導(dǎo)體激光器作為泵浦源獲得成功以及同年召開的光放大及應(yīng)用會議（OAA）標(biāo)志著EDFA的應(yīng)用研究推向新的階段。EDFA技術(shù)

6、于90年代初走向成熟并被迅速投入商業(yè)應(yīng)用。隨后的研究繼續(xù)更深入的展開，目標(biāo)都是使EDFA有更好的工作特性。兩個大的方面，一是對EDF材料的研究，為了獲得更平坦的增益、更大的帶寬；另一個是從系統(tǒng)的角度考慮。EDFA是將來很長一段時間內(nèi)光纖通信系統(tǒng)中最具實用的價值無源光器件之一,摻鉺光纖放大器的應(yīng)用將推動高速光通信的發(fā)展,將在未來的高速全光通信系統(tǒng)中扮演重要的角色。1.3 EDFA的應(yīng)用摻鉺光纖放大器在常規(guī)光纖數(shù)字通信系統(tǒng)中應(yīng)用，可以省去大量的光中繼機(jī)，而且中繼距離也大為增加，這對于長途光纜干線系統(tǒng)具有重要意義。其主要應(yīng)用有：1、可作光距離放大器。傳統(tǒng)的電子光纖中繼器有許多局限性，如，數(shù)字信號和模

7、擬信號相互轉(zhuǎn)換時，中繼器要作相應(yīng)的改變；設(shè)備由低速率改變成高速率時，中繼器要隨之更換；只有傳輸同一波長的光信號，且結(jié)構(gòu)復(fù)雜、價格昂貴等。摻鉺光纖放大器則克服了這些缺點(diǎn)，不僅不必隨信號方式的改變而改變，而且設(shè)備擴(kuò)容或用于光波分復(fù)用時，也無需更換。2、可作光發(fā)送機(jī)的后置放大器及光接收機(jī)的前置放大器。作光發(fā)送機(jī)的后置放大器時，可將激光器的發(fā)送功率從0db提高到+10db。作光接收機(jī)的前置放大器時，其靈敏度也可大大提高。因此，只需在線路上設(shè)1-2個摻鉺放大器，其信號傳輸距離即可提高100-200km。此外，摻鉺光纖放大器待解決的問題。摻鉺光纖放大器的獨(dú)特優(yōu)越性已被世人所公認(rèn)，并且得到越來越廣泛的應(yīng)用。

8、但是，摻鉺光纖放大器也存在著一定的局限性。比如，在長距離通信中不能上下話路、各站業(yè)務(wù)聯(lián)系比較困難、不便于查找故障、泵浦光源壽命不長，隨著光纖通信技術(shù)的不斷進(jìn)步，這些問題將會得到完滿的解決。第2章 摻鉺光纖放大器工作原理2.1摻鉺光纖放大器的介紹2.1.1 EDFA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)成多能級的激光系統(tǒng)，在泵浦光作用下使輸入信號光直接放大。提供合適的反饋后則構(gòu)成光纖激光器。摻Nd光纖放大器的工作波長為1060nm及1330nm，由于偏離光纖通信最佳宿口及其他一些原因，其發(fā)展及應(yīng)用受到限制。EDFA及PDFA的工作波長分別處于光纖通信的最低損耗(155

9、0nm)及零色散波長(1300nm)窗口，TDFA工作在S波段，都非常適合于光纖通信系統(tǒng)應(yīng)用。尤其是EDFA，發(fā)展最為迅速，已實用化在摻鉺光纖發(fā)展的基礎(chǔ)上，不斷出現(xiàn)許多新型光纖放大器，例如，以摻鉺光纖為基礎(chǔ)的雙帶光纖放大器(DBFA)，是一種寬帶的光放大器，寬帶幾乎可以覆蓋整個波分復(fù)用(WDM)帶寬。類似的產(chǎn)品還有超寬帶光放大器(UWOA)，它的覆蓋帶寬可對單根光纖中多達(dá)100路波長信道進(jìn)行放大。圖2.1為摻鉺光纖放大器實物圖：圖2.1摻鉺光纖放大器摻鉺光纖放大器的主要組成部分，如圖2.2所示:圖2.2 EDFA的結(jié)構(gòu)1、摻鉺光纖：是EDFA 的主體，在石英基質(zhì)中摻入餌離子制成。2、泵浦光源：

10、泵浦光用于供給摻鉺光纖中鉺粒子的能量，使其吸收能量躍遷到亞穩(wěn)態(tài)能級。3、隔離器：用于抑制光的來回反射，保證放大器工作穩(wěn)定。4、耦合器：用于將信號光和泵浦光耦合到摻鉺光纖中。5、控制電路：從放大器輸出端抽取監(jiān)測信號，對放大器的泵浦光功率及輸入信號光等進(jìn)行調(diào)節(jié)、控制增益的大小，保證輸出信號的穩(wěn)定。6、光濾波器：帶寬為1 nm以下的窄帶光濾波器，用于消除放大器的自發(fā)輻射光，以降低放大器的噪聲。2.1.2 EDFA的放大原理EDFA的放大作用是通過1550nm波段的信號光在摻鉺光纖中傳輸與Er3+離子相互作用產(chǎn)生的。在摻鉺光纖中注入足夠強(qiáng)的泵浦光，就可以將大部分處于基態(tài)的Er3+離子抽運(yùn)到激發(fā)態(tài)上，處

11、于激發(fā)態(tài)的Er3+離子又迅速無輻射地轉(zhuǎn)移到亞穩(wěn)態(tài)上。由于Er3+離子在亞穩(wěn)態(tài)上能級壽命較長，因此，很容易在亞穩(wěn)態(tài)與基態(tài)之間形成粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，即處于亞穩(wěn)態(tài)的Er3+粒子數(shù)比處于基態(tài)的Er3+粒子數(shù)多。當(dāng)信號光子通過摻鉺光纖，與Er3+離子相互作用發(fā)生受激輻射效應(yīng)，產(chǎn)生大量與自身完全相同的光子，這時通過摻鉺光纖傳輸?shù)男盘柟庾友杆僭龆啵a(chǎn)生信號放大作用；只有少數(shù)處于基態(tài)的Er3+離子對信號光子產(chǎn)生受激吸收效應(yīng)，吸收光子 。如圖2.3所示：圖2.3 Er3+能級圖2.1.3 EDFA的基本性能1、增益特性：增益特性表示了光放大器的放大能力，定義為輸出功率和輸入功率之比。EDFA的增益大小與多種因素有關(guān)，

12、增益一般為15dB40dB。2、輸出功率特性：EDFA的最大輸出功率常3dB飽和輸出功率來表示。3dB飽和輸出功率是指當(dāng)飽和增益下降3dB時所對應(yīng)的輸出功率，該參數(shù)反映了EDFA的最大功率輸出能力，EDFA的飽和輸出特性與泵浦功率大小、摻鉺光纖長短有關(guān)。泵浦光功率越大，3dB飽和輸出功率越大；摻鉺光纖長度越長，3dB飽和輸出功率也越大。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的噪聲主要有4種：信號光的散粒噪聲；被放大的自發(fā)輻射光ASE的散粒噪聲；自發(fā)輻射ASE光譜與信號光之間的差拍噪聲；自發(fā)輻射ASE光譜間的差拍噪聲。2.2 EDFA的優(yōu)缺點(diǎn)EDFA之所以得

13、到迅速的發(fā)展源于它一系列突出的優(yōu)點(diǎn)。 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)，即1300-1600nm的波長區(qū)。2、因為EDFA的主體也是一段光纖，它與線路光纖的耦合損耗很小，甚至可達(dá)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接，也可以用熔接在一起，熔接后反射損耗小。 3、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(qiáng)，這使得光與媒質(zhì)的作用很充分；再加之有較長的作用長度，因而有較高的轉(zhuǎn)換效率。所需泵浦光功率較低，泵浦效率卻相當(dāng)高，用980nm光源泵浦時，增益效率可達(dá)11dB/

14、mW， 用1480nm光源泵浦時為5.1 dB/mW；泵浦功率轉(zhuǎn)換為輸出功率的效率和吸收效率高于80%。 4、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(dá)14dBm，而在雙泵浦時可達(dá) 17dBm，甚至20dBm。噪聲指數(shù)低，一般為47dB。 5、頻帶寬。在1310nm和1550nm窗口各有20-40nm帶寬，可以進(jìn)行多信道傳輸，便于擴(kuò)大傳輸容量，從而節(jié)省成本費(fèi)用，對比特率高于2.5Gb/s的系統(tǒng)有利。6、與半導(dǎo)體激光放大器不同，EDFA的增益特性與光纖極化狀態(tài)無關(guān)，放大特性與光信號的傳輸方向也無關(guān)，當(dāng)光纖放大器內(nèi)無隔離器時，可以實現(xiàn)雙向放大；在多信道應(yīng)用中可以進(jìn)行

15、無串話傳輸；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新型的全玻璃光纖有源器件，它充分利用了熔石英光纖優(yōu)良的透明性和很低的群速色極化光纖器件散，與晶體材料的非線性光學(xué)器件或電光器件相比，它的制造成本很低， 易集成化和封裝簡便，具有較高的光學(xué)損傷閾值，具有較高的可靠性和較低的插入損耗，這些都使它在許多領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景。 7、增益特性穩(wěn)定。EDFA對溫度不敏感，在100范圍內(nèi)，增益特性保持穩(wěn)定。 8、中繼器只有低速電子裝置和幾個無源器件，所以結(jié)構(gòu)簡單，可靠性高，體積小。 9、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號。當(dāng)系統(tǒng)擴(kuò)

16、容時，可以只改動端機(jī)而不改動線路。對不同傳輸速率的數(shù)字體系具有完全的透明度，與準(zhǔn)同步數(shù)字體系和同步數(shù)字體系的各種速率兼容，調(diào)制方案可以任意選擇。 10、EDFA需要的工作電流比光一電一光中繼器小，因此可以大大減小所需電流，從而降低了對海底電纜和絕緣特性的要求，即在放大器級聯(lián)使用中可以自動補(bǔ)償線路上損耗的增加，使系統(tǒng)經(jīng)久耐用。 當(dāng)然，EDFA也有其固有的缺點(diǎn)。 1、波長范圍固定。只能放大1550nm左右波長的光波，可以調(diào)節(jié)的波長范圍有限。 2、增益帶寬不平坦。EDFA的增益譜寬大約40nm，但增益帶寬不平坦。在光纖通信系統(tǒng)中需要采取特殊手段來進(jìn)行增益譜補(bǔ)償。3、附加的噪聲使接收機(jī)靈敏度退化。4、

17、光纖的色散和非線性效應(yīng)可以無阻礙地得到積累。第3章 摻鉺光纖放大器的設(shè)計3.1 EDFA設(shè)計指標(biāo)3.1.1 EDFA的增益放大器的增益G定義為放大器輸出端Pout與輸入端Pin。連續(xù)信號功率的比值，放大器的增益與增益系數(shù)有關(guān)，增益系數(shù)則是隨光纖長度變化的，并與輸入功率、飽和光功率、中心頻率、小信號增益系數(shù)等參數(shù)有關(guān)。在放大器的系統(tǒng)設(shè)計時，為滿足放大器的增益主要考慮摻鉺光纖長度和泵浦光功率。3.1.2 噪聲系數(shù) 放大器的噪聲采用噪聲系數(shù)NF來表示，它定義為輸入信噪比與輸出信噪比。 的比值經(jīng)過分析綜合，可得到結(jié)論，噪聲系數(shù)與粒子反轉(zhuǎn)差有關(guān)。泵浦充分，粒子反轉(zhuǎn)差大，則噪聲系數(shù)就小。充分的泵浦作用有利

18、于減小噪聲，在理想情況下， F的極限值為3dB。 放大器本身產(chǎn)生噪聲，使信號的信噪比下降，造成對傳輸距離的限制。光纖放大器的噪聲主要來自于它的自發(fā)輻射ASE，它與被放大的信號在光纖中一起傳輸、放大，在檢測器中主要檢測的噪聲有：自發(fā)輻射的散彈噪聲；寬帶自發(fā)輻射自身的差拍噪聲；信號光與自發(fā)輻射的差拍噪聲；信號光的信號散彈噪聲。3.1.3 飽和輸出功率增益飽和與飽和輸出功率：表示最大輸出能力。當(dāng)輸入光功率比較小時，增益G是一個常數(shù)，稱為光放大器的小信號增益。但當(dāng)G增大到一定數(shù)值后，光放大器的增益開始下降，這種現(xiàn)象稱為增益飽和。當(dāng)光放大器的增益降至小信號增益的一半，也就是用分貝表示為下降3dB時，所對

19、應(yīng)的輸出功率稱為飽和輸出光功率，是放大器的一個重要參數(shù)，飽和輸出功率用Pouts表示。在小信號工作區(qū)，增益與信號光輸入功率的大小無關(guān)，恒為常數(shù)，但是當(dāng)輸入功率大到超過小信號工作區(qū)時，增益講隨輸入功率的增大而變化，出現(xiàn)增益飽和或壓縮。3.2 EDFA參數(shù)設(shè)計3.2.1 摻鉺光纖的長度EDFA 放大輸入的光信號時，存在一最佳長度，超過此長度，增益將降低。最佳長度與輸入泵浦光功率、輸入信號光功率、AsE功率、鉺離子濃度、光場與鉺離子濃度分布的重疊積分程度等因素有關(guān)。確定摻鉺光纖長度：一種方法是通過速率方程可求得最佳長度的理論值，在此基礎(chǔ)上，通過OTDR 等方法逐步逼近實際的最佳值；另一種方法則是給出

20、增益與光纖長度的關(guān)系，再利用微分求導(dǎo)，則得到增益最大的光纖長度。3.2.2摻鉺光纖波導(dǎo)參數(shù)波導(dǎo)參數(shù)的設(shè)計主要考慮：數(shù)值孔徑、纖芯半徑、截止波長、摻鉺半徑、剖面分布等因素，具體的參數(shù)設(shè)計是基于對EDFA特性的不同要求而提出的。3.2.3泵浦光功率為了能在整段摻鉺光纖上實現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，則在摻鉺光纖某一長度處的輸出泵浦光功率應(yīng)大于或等于局部粒子數(shù)反轉(zhuǎn)的閾值泵浦功率。在增益一定的情況下，泵浦光功率在很大程度上決定了摻鉺光纖的長度。3.2.4泵浦光源泵浦光源是EDFA的重要組成部分，EDFA 對泵浦光源有兩個基本要求：首先，泵浦源的發(fā)射波長應(yīng)對應(yīng)于摻鉺光纖的峰值吸收帶；其次，要有較大的輸出功率。通常從小信號增益、輸出功率、噪聲系數(shù)等方面考慮。第4章 結(jié)論光纖通信已成為當(dāng)今信息社會不可缺少的神經(jīng)系統(tǒng)，而光源作為光纖通信系統(tǒng)的核心技術(shù)，其理論和實驗方面的研究有著十分重要的意義。以摻鉺光纖為主要核心的摻鉺光纖放大器和摻鉺光纖光源自1987年以來一直