1、摻餌光纖放大器的原理及其應用論文 能力拓展訓練任務書學生姓名: 專業班級:指導教師: 工作單位:信息工程學院題 目: 摻餌光纖放大器的原理及其應用初始條件:具有扎實的電子科學與技術專業基本理論和系統的專業知識;具備初步的文獻查閱,專題調研技能;一定的中英文文獻閱讀與綜合能力。要求完成的主要任務: 1.在電子科學與技術專業體系范圍內確定選題,題目自擬。2.查閱與選題相關的文獻資料,通過對文獻資料的閱讀分析與綜合,寫出調研報告;要求報告內容的可讀性強,撰寫格式規范,圖標的使用正確,參考文獻的引用恰當;字數不少于6000字,參考文獻不少于10篇,其中外文文獻不少于2篇。時間安排:1.2011年7月1

2、1日分班集中,能力拓展訓練任務;講解訓練具體實施計劃、報告格式的要求與答疑事項。2.2011年7月12日 至2010年7月14日完成選題的確定、資料查閱、能力拓展訓練報告的撰寫。3. 2011年7月15日提交能力拓展訓練報告書,進行驗收和答辯。指導教師簽名: 年月日系主任(或責任教師)簽名: 年月日目 錄摘 要IAbstractII1引言12受激輻射光放大理論23摻餌光纖放大器系統組成34摻餌光纖放大器原理44.1摻餌光纖44.2泵浦光源44.3光隔離器44.4光耦合器54.5光濾波器55摻餌光纖放大器應用65.1摻餌光纖放大器在密集波分復用中的應用65.2固定增益光放大器與自動增益調整光放大

3、器性能比較65.3摻鉺光纖放大器與喇曼光纖放大器的聯合使用76總結8致 謝9參考文獻10摘 要 本文從理論上研究了摻餌光纖放大器的原理,通過對泵浦放大理論的分析、光耦合理論的分析、光濾波理論的分析以及光隔離器的分析,深入研究了光放大器系統的構建理論基礎,并從應用的角度,剖析了摻餌光纖放大器的優點以及應用前景,提出改進型的摻餌光纖放大器系統。 關鍵詞:摻餌光纖放大器;泵浦;光耦合;光濾波;光隔離Abstract The paper theoretically study of the effects of the fiber amplifier bait the principle of pum

4、p the analysis of the theory, light amplification coupling theory analysis, light filtering the analysis of the theory and the isolation of the light analysis, a deep research on the construction of the light amplifier system theory basis, from the point of view of the application, and analyzes the

5、advantages of optical fiber amplifier mixed the bait and application prospect of the bait, and puts forward the improved with fiber amplifier system.Keywords: mixed bait fiber amplifiers; Pump; Optical coupling; Light filtering; Light isolation1引言 光纖通信網絡中由于光在傳輸過程中的損耗和色散,使長距離光纖通信受到限制。目前光纖損耗的典型值在1.3um

6、波段為0.35dB,在1.55um波段為0. 25dB。光纖損耗限制了光纖無中繼傳輸距離50- 100km 。延長通信距離的方法是采用中繼站。以前大量應用光-電-光中繼,即首先將光信號轉換為電信號,在電信號上進行放大、再生、重定時等信息處理后,再將電信號轉換為光信號,經光纖傳送出去。這樣,光-電-光中繼需要光接收機和光發射機來進行光-電和電-光轉換,設備復雜,成本昂貴,維護運轉不便。 近幾年發展起來的光放大器,尤其是摻鉺光纖放大器EDFA,可使光信號直接在光域進行放大,無須轉換成電信號進行信息處理,即用全光中繼來代替光-電-光中繼,使成本降低,設備簡化,維護運轉方便。光放大器有半導體光放大器(

7、SOA)、非線性光纖放大器受激拉曼散射光纖放大器和受激布里淵散射光纖放大器、摻雜光纖放大器。摻雜光纖放大器是利用稀土金屬離子作為激光工作物質的放大器,有鉺Er、釹Nd、鐠Pr、銩Tm 等。容納雜質的光纖叫做基質光纖,可以是石英光纖,也可以是氟化物光纖,這類光纖放大器統稱為摻稀土離子光纖放大器REDFA 。其中,摻鉺光纖放大器的工作波段在1.5um,與光纖的最低損耗窗口一致。現在光通信的發展趨勢逐漸由單獨使用固定增益的EDFA到使用增益自動的EDFA,再到EDFA與喇曼光纖放大器的聯合使用。1 2受激輻射光放大理論 在石英光纖的纖芯中摻入三價稀土金屬鉺元素,這種光纖在泵浦光的激勵下形成粒子數反轉

8、分布,然后在信號光的作用下產生受激輻射,放出與信號光完全相同的光子形成光的放大。圖1受激輻射光放大原理 受激輻射光放大原理如圖1所示:其中能級E1代表基態,能量最低;能級E2代表亞穩態;能級E3代表激發態,能量最高。若泵浦光的光子能量等于能級E3與E1之差,摻雜離子吸收泵浦光后,從基態E1升至激發態E3。但是鉺離子在激發態是不穩定的,激發到E3的鉺離子很快就通過自發輻射躍遷到亞穩態E2。若信號光的光子能量等于能級E2與能級E1的能量之差,這時處于亞穩態的鉺離子通過受激輻射返回到基態E1,并把釋放的能量加到信號光的光子上,從而實現信號光的放大。2 在光纖通信系統中,隨著傳輸速率的增加,傳統的0/

9、E/0中繼方式的成本迅速增加,用光放大的方法來替代傳統的中繼方式,光放大器直接放大光信號,使得整個系統更加簡單和靈活,EDFA是目前及未來一段時間的主要選擇.EDFA以摻鉺光纖作為增益介質,利用980nm和1480nm泵浦作為泵浦光源,使鉺離子Er3+粒子數反轉,信號光入射使亞穩態Er3+粒子受激輻射,產生信號放大.EDFA主要優點是增益高、噪聲低、輸出功率大、連接損耗低、高泵浦光子效率,且工作波長在1.531.56Lm范圍C波段,與光纖最小損耗窗口一致.EDFA主要由摻鉺光纖、泵浦光源、光耦合器、光隔離器以及光濾波器等組成,它的放大能力的好壞主要取決于其增益特性.隨著傳輸距離的延長,在傳輸光

10、纖上需要增加更多級的EDFA,這時,增益值的控制顯得更加重要.另外,EDFA的帶寬還不夠大,只利用了光纖低損耗窗口的一部分,而WDM長距離傳輸系統要求放大器能對S+C+L三波段同時放大且增益平坦.目前,對于寬帶寬的DWDM,光放大方式已由單一的放大模式向混合放大模式發展,如把拉曼放大器和EDFA結合可組成混合放大器4. 3摻餌光纖放大器系統組成 摻餌光纖放大器根據泵浦光源的特點可分為:同相泵浦、反相泵浦、雙相泵浦方式。系統組成如圖2所示。其中,其中雙向泵浦方式的放大效率最好,同向泵浦方式的噪聲最低。如圖2所示,摻餌光纖放大器主要由光隔離器、光耦合器、光濾波器和摻餌光纖組成。輸入小信號的光信號通

11、過隔離器進入系統,經過摻餌光纖的放大,以及相應的耦合濾波,得到放大了的光信號輸出。現代技術中通常將此設計為集成放大器。3圖2摻餌光纖放大器系統組成4摻餌光纖放大器原理 摻鉺光纖是一種向常規光纖的石英玻璃基質中摻入微量鉺元素的特種光纖,它是一種主動光纖。摻入鉺元素是為促成被動的傳輸光纖變為有放大能力的主動光纖。這種光纖的新特性-激光特性、光放大特性等與鉺離子的性質密切相關。4 當泵浦光射入,鉺原子中電子吸收泵浦光的能量,向高能級躍遷。處于高能級的粒子是不穩定的,它會通過非發光躍遷迅速跳到壽命較長的亞穩態能級上。而515, 532, 650, 807, 980, 以及1480nm的光都可以作為泵浦

12、光。由于980nm和1480nm的泵浦沒有激發態吸收,因此通常其作為EDFA 的泵浦。5 光隔離器是一種只允許單向光通過的無源光器件,其工作基于法拉第旋轉的非互易性6。圖4為光隔離器的結構與工作原理圖。對于正向入射的信號光,通過起偏器后成為線偏光,法拉第旋磁介質與外磁場一起使信號光的偏轉方向右轉,并恰好低損耗通過與起偏器成放置的檢偏器。對于方向光,出檢偏器的線偏振光經過旋轉介質時,偏轉方向也有旋轉,從而使反向光的偏振方向與起偏器方向正交,完全阻斷了反向光的傳輸。圖4光隔離器 單根理想波導,所有的傳播模式之間、傳播模式與輻射模之間滿足正交關系,模式之間沒有能量耦合。但是,任何實際光波導都不是理想

13、波導,在非理想情形下,例如波導的損耗、幾何形狀的微笑形變、波導周圍有其他導波結構或障礙物存在,都會導致光波導模式之間的相互耦合。7 光耦合器是對光信號實現分路、合路、插入和分配的無源器件。光信號能量耦合的機理是隨耦合器的種類而異的。 光濾波器是用來進行波長選擇的儀器,它可以從眾多的波長中挑選出所需的波長,而除此波長以外的光將會被拒絕通過。它可以用于波長選擇、光放大器的噪聲濾除、增益均衡、光復用/解復用。8 常用的光濾波方式有:光柵分光濾波、棱鏡分光濾波、干涉膜濾波和耦合模濾波。例如馬赫一曾德(Mach-Zahnder,M-Z)干涉結構就可作光濾波器,如附圖5所示。輸入信號光功率經第一個3dB耦

14、合器后,等分為和兩部分。由于路程差不同,當到達第二個3dB耦合器時,相位差將決定合成后輸出光的強度。同相加強,反相相消。因此,只要調整光波導的長度,便可選出所需要的波長。圖5馬赫-曾德爾干涉結構圖5摻餌光纖放大器應用 隨著人們通信量要求的增大,密集波分復用(DWDM)應運而生。所謂密集波分復用是指在一根光纖中利用不同光波長相互獨立互不干擾的原理,來傳輸多路不同光源的光信號,以達到擴展傳輸容量的目的。在DWDM中應該約束各信道信號的光波長,使其足夠穩定,避免造成相鄰信道干擾。另外在發端利用合波技術將來自不同光源不同波長的信號整合到一根光纖中進行傳輸,在收端利用分波技術將一根光纖中傳輸的光信號分解

15、開來,送到各自相應的接收單元。 由于光信號傳送過程中存在衰減,故在很多場合下要用到摻鉺光纖放大器對光信號進行放大。摻鉺光纖放大器在DWDM的應用主要有幾個地方:一是在光發射機后做功率放大器,增加需要傳送的光信號功率;二是用于中繼站,做光線路放大器,放大傳送過程中衰減的光信號;三是用在光接收機前做前置放大器,可以提高光接收機接收靈敏度。9 在通常的DWDM設備中所用到的EDFA,都是增益固定的。在進行系統調試時往往要在EDFA前加一個光衰減器,來調整輸入到EDFA中的光功率值,得到最佳的輸出功率與最佳的工作狀態。 在系統設備工作過程中由于不可避免的原因造成某一路或幾路光信號的增減,進入EDFA放

16、大的光信號將發生變化,從而經放大后輸出的光功率也發生改變,這將會影響整個傳輸系統工作的穩定度。在DWDM設備中,光信號每經過一次放大其噪聲也隨著增加,還有EDFA的增益平坦度也是衡量的重要標準,以及接受端的誤碼率檢測等等。如果整個系統工作不穩定,將影響各種指標的測試,也將影響到光信號傳輸的質。 如果使用增益可以自動調整的EDFA設備,將會及時調整EDFA的輸入光功率,使整個系統保持穩定。通常的自動增益調整的方法是,使用一個可變光衰減器檢測輸入光功率的變化情況,通過預先設置的調整參數相應的改變輸入到EDFA的光功率大小,同時EDFA保持輸出光功率的恒定,從而達到EDFA增益發生改變的目的,減少接

17、收端的光信噪比由于光信道數的增減所造成的影響。 EDFA產品主要集中在C波段15291564nm和L波段15691605nm上,目前C波段的EDFA仍主宰著市場,但新的產品則已聚焦到L波段上。未來的發展對光纖放大器要求有更寬的傳輸帶寬12501650nm。而此帶寬范圍內的喇曼光纖放大器正受到市場越來越大的注意,通常有分布式喇曼光纖放大器和分立式喇曼光纖放大器兩類。 與EDFA利用摻鉺光纖作為它的增益介質不同,分布式喇曼放大器利用系統中的傳輸光纖作為它的增益介質。光纖喇曼放大器FRA是利用強泵浦光束通過光纖傳輸產生的受激喇曼散射。如果一個弱信號光與?個強泵浦光同時在一根光纖中傳輸,并且弱信號光的

18、波長在泵浦光的喇曼增益帶寬內,則強泵浦光的能量通過受激喇曼散射轉移到弱信號光中,使弱信號光得到放大,獲得10dB左右喇曼增益。分立式喇曼光纖放大器接近EDFA,使用纖芯較小的特殊光纖在放大器內部放大信號,分立式喇曼光纖放大器有著30dB左右的增益。 隨著現代通信業的迅速發展,需要交換的信息量成指數增長,這就要求通信系統具備更高的傳輸容量,即通信線路要具備更大的帶寬。實現寬帶放大有兩種思路:一種是完全由喇曼光纖放大器FRA實現,通過多泵浦的復用達到寬帶放大的目的,泵浦越多則帶寬越大,但泵浦數目的增多又給其實際應用帶了困難,它不僅提高了系統的成本,同時使泵浦復用變得更加復雜,而且使得增益均衡的難度

19、加大;另一種思路是利用業已成熟的摻鉺光纖放大器EDFA技術,將FRA 和EDFA相結合構造寬帶放大器,這樣可大大減少所需泵浦數卻能實現較大80100nm的帶寬,且增益均衡也比較容易。現在已經不局限在將FRA和 EDFA簡單的聯合起來使用,而是利用分布式喇曼放大使用傳輸光纖的特性,將FRA和EDFA組合在一個模塊中構成混合喇曼EDFA寬帶光纖放大器。利用喇曼光纖放大器噪聲系數很低甚至為復值的特性,不但改善了系統的光信噪比,增加DWDM系統傳輸的距離,也可以降低輸入端的發送功率。10 6總結 綜上所述,通信技術變化日新月異,人們對信息交換速度也越來越高,這就需要超高速,大容量的通信設備滿足人們日益增長的。EDFA 的誕生和發展在一定程度上滿足了人們的上述需求,但是隨著通信傳輸速率上升到40Gbit/s,甚至以后的Tbit/s 級別,DWDM從目前32波,40波的大規模商用到160波等等,這都要求更好性能的光放大器設備的。增益可以自動調整的EDFA和 FRA+EDFA 的組合的發展,必將推動全光通信網的開發和商用。 另外,在此次摻餌光纖放大器的設計中,我通過查閱很多相關的中英文資料,上網搜索有關信息,學習未知領域的光學理論知識,掌握了設計光學系統的方法,增強了理論完整性和連貫