電子1120901240108-王健-摻鉺光纖放大器的設(shè)計講解

1、東北石油大學(xué)課程設(shè)計課程光電子技術(shù)基礎(chǔ)課程設(shè)計題目摻鉺光纖放大器的設(shè)計學(xué)院電子科學(xué)學(xué)院專業(yè)班級 電子科學(xué)與技術(shù) 學(xué)生姓名 王健學(xué)生學(xué)號 120901240108 指導(dǎo)教師2016 年 3 月 4 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)基礎(chǔ)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 王健 學(xué)號 120901240108 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 m 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)點與實 際中的應(yīng)用等。3、參考文獻(xiàn)：1 劉增基，周洋

2、溢 . 光纖通信 M. 西安: 電子科技大學(xué)出版社 . 2002.2 雷肇棣. 光纖通信基礎(chǔ) M. 西安: 電子科技大學(xué)出版社 . 1999.3 馬養(yǎng)武. 光電子學(xué)（第 2版）M. 杭州：浙江大學(xué)出版社 . 2003完成期限 2016.2.29 2016.3.6指導(dǎo)教師 專業(yè)負(fù)責(zé)人2016年 3月 6日目錄第 1章 概述. 11.1 研究意義 11.2 發(fā)展趨勢及其前景 1第 2章 摻鉺光纖放大器工作原理 32.1 摻鉺光纖放大器的介紹 . 32.2 EDFA 的優(yōu)缺點 . 5第 3章 摻鉺光纖放大器的設(shè)計 73.1 EDFA 設(shè)計指標(biāo) . 73.2 EDFA 參數(shù)設(shè)計 . 7結(jié)論 參考文獻(xiàn)光

3、電子技術(shù)基礎(chǔ)課程設(shè)計第 1 章 概述摻鉺光纖放器，即在信號通過的纖芯中摻入了鉺離子 Er3 +的光信號放大器， 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

4、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， 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。 由于它幾乎接近完美 的特性及半導(dǎo)體泵浦源的使用，

5、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（MCVD ）成功研制出了摻鉺光纖 ,并在之后制作出了利 650nm 波長50mW 的紅染料激光器為泵浦的 EDFA 具

6、有 25dB 的小信號增益；幾乎同時貝爾實驗室光電子技術(shù)基礎(chǔ)課程設(shè)計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)于 90 年代初走向成熟并被迅速投入

7、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。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 信號和模擬信號相互轉(zhuǎn)換時，

8、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， 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特優(yōu)越性已被世 人所

9、公認(rèn)， 并且得到越來越廣泛的應(yīng)用。 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。光電子技術(shù)基礎(chǔ)課程設(shè)計第 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 1060nm及 1330nm，由于偏離光纖通信最佳宿 口及其

10、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 （1550nm）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。 摻鉺光纖放大器的主要組成部 分，如圖 2.1 所示

11、:圖 2.1 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：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。光電子技術(shù)基礎(chǔ)課程設(shè)計2.1.2 EDFA 的放大原理EDFA 的放大作用

12、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的泵浦光， 就可以將大部分處于 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?產(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

13、子產(chǎn)生受激吸收效 應(yīng)，吸收光子。如圖 2.2 所示：圖 2.2 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)，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

14、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 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。光電子技術(shù)基礎(chǔ)課程設(shè)計2.2 EDFA 的優(yōu)缺點EDFA 之所以得到迅速的發(fā)展源于它一系列突出的優(yōu)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)，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

15、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， 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/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

16、，甚至 20dBm。噪聲指數(shù)低， 一般為 4 7dB。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

17、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)光電子技術(shù)基礎(chǔ)課程設(shè)計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)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，

18、 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。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)行增益譜補償。3、附加的噪聲使接收機(jī)靈敏度退化。4、光纖的色散和非線性效應(yīng)可以無阻礙地得到積累。光電子技術(shù)基礎(chǔ)課程設(shè)計第 3 章 摻鉺光纖放大器的設(shè)

19、計3.1 EDFA 設(shè)計指標(biāo)3.1.1 EDFA 的增益放大器的增 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于減小噪聲， 在理想情況下， F

20、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

21、 3dB 時，所對應(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。光電子技術(shù)基礎(chǔ)課程設(shè)計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

22、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。光電子技術(shù)基礎(chǔ)課程設(shè)計結(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 年以來一直是光纖通信領(lǐng)域的 研究熱點。現(xiàn)在已經(jīng)商用化的高濃度摻鉺光纖很多， 而且近幾年的價格下降較快。 C 波段光源已經(jīng)非常成熟化，目前主要的研究 L 波段和 C+L 波段的寬帶光源。 而且未