電子12-1-120901240108-王健-摻鉺光纖放大器的設(shè)計(jì)

1、東 北 石 油 大 學(xué)課 程 設(shè) 計(jì)課 程 光電子技術(shù)基礎(chǔ)課程設(shè)計(jì) 題 目 摻鉺光纖放大器的設(shè)計(jì) 學(xué) 院 電子科學(xué)學(xué)院 專業(yè)班級(jí) 電子科學(xué)與技術(shù) 學(xué)生姓名 王健 學(xué)生學(xué)號(hào) 120901240108 指導(dǎo)教師 2016年3月4日東北石油大學(xué)課程設(shè)計(jì)任務(wù)書課程 光電子技術(shù)基礎(chǔ)課程設(shè)計(jì)題目 摻鉺光纖放大器的設(shè)計(jì) 專業(yè) 電子科學(xué)與技術(shù) 姓名 王健 學(xué)號(hào) 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(jì)一個(gè)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)與實(shí)際中的應(yīng)用等。3、參考文獻(xiàn)：

2、1劉增基，周洋溢. 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(diǎn)5第3章 摻鉺光纖放大器的設(shè)計(jì)73.1 EDFA 設(shè)計(jì)指標(biāo)73.2 EDFA 參數(shù)設(shè)計(jì)7結(jié)論9參考文獻(xiàn)102光電子技術(shù)基礎(chǔ)課程設(shè)計(jì)第1章 概述摻鉺光纖放

3、器，即在信號(hào)通過的纖芯中摻入了鉺離子Er3 +的光信號(hào)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(duì)光信號(hào)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(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，直接對(duì)光信號(hào)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(shí)代，社會(huì)信息化進(jìn)程正在逐漸的深入，整個(gè)社會(huì)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(duì)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

4、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(duì)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(duì)信號(hào)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(duì)摻鉺光纖放大器的性能也有著更高

5、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(duì)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(shí)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具有25dB的小信號(hào)增益；幾乎同時(shí)貝爾實(shí)驗(yàn)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(hào)增益，對(duì)該EDFA的測試結(jié)果表明,其多信道放大

6、時(shí)不存在串?dāng)_現(xiàn)象、 增益與偏振無關(guān)，用于實(shí)際傳輸系統(tǒng)時(shí)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(huì)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(gè)大的方面，一是對(duì)EDF材料的研究,為了獲得更平坦的增益、更大的帶寬；另一個(gè)是從系統(tǒng)的角度考慮。EDFA是將來很長一段時(shí)間內(nèi)光纖通信系統(tǒng)中最具實(shí)

7、用的價(jià)值無源光器件之一,摻鉺光纖放大器的應(yīng)用將推動(dòng)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(duì)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(hào)和模擬信號(hào)相互轉(zhuǎn)換時(shí)，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(shí)，中繼器要隨之更換；只有傳輸同一波長的光信號(hào)，且結(jié)構(gòu)復(fù)雜、價(jià)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(hào)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(shí)，也無需更換。2、可作光發(fā)送機(jī)的后置放

8、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(shí)，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(shí)，其靈敏度也可大大提高。因此，只需在線路上設(shè)1-2個(gè)摻鉺放大器，其信號(hào)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。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(huì)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 EDF

9、A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(jí)的激光系統(tǒng)，在泵浦光作用下使輸入信號(hào)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(shí)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

10、光放大器，寬帶幾乎可以覆蓋整個(gè)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(duì)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: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(jí)。 （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(hào)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(hào)，對(duì)放大器的泵浦光功率及輸 入信號(hào)光等進(jìn)行調(diào)節(jié)、控制增益的大小，保證輸出信

11、號(hào)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(hào)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(jí)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(hào)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)，

12、產(chǎn)生大量與自身完全相同的光子， 這時(shí)通過摻鉺光纖傳輸?shù)男盘?hào)光子迅速增多，產(chǎn) 生信號(hào)放大作用；只有少數(shù)處于基態(tài)的 Er3+離子對(duì)信號(hào)光子產(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(jí)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(shí)所對(duì)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

13、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(hào)光外，還有被放大的噪聲。 EDFA 的噪聲主要4種：信號(hào)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(hào)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?yàn)镋DFA 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

14、率高。因?yàn)槭枪饫w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(hào)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(shí)，增益效率可達(dá)11dB/mW， 用1480nm光源泵浦時(shí)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(shí)可達(dá)14dBm，而在雙泵浦時(shí)可達(dá)17dBm，

15、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(duì)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(hào)的傳輸方向也無關(guān)，當(dāng)光纖放大器內(nèi)無隔離器時(shí)，可以實(shí)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)良的透明性和很低的群速色極化 光纖器件散，與晶體材料的非線性

16、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(duì)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(gè)無源器件，所以結(jié)構(gòu)簡單，可靠性高， 體積小。9、可以同時(shí)傳輸模擬信號(hào)和數(shù)字信號(hào)，高比特率信號(hào)和低比特率信號(hào)。當(dāng)系統(tǒng)擴(kuò)容時(shí)，可以只改動(dòng)端機(jī)而不改動(dòng)線路。對(duì)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

17、所需電流，從而降低了對(duì)海底電纜和絕緣特性的要求，即在放大器級(jí)聯(lián)使用中可以自 動(dòng)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、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(jì)3.1 EDFA 設(shè)計(jì)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(hào)功率的比值，放大器

18、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(hào)增益系數(shù)等參數(shù)有關(guān)。在放大器的系統(tǒng) 設(shè)計(jì)時(shí)，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 的極限值為3dB。放大器本身產(chǎn)生噪聲，使信號(hào)的信噪比下降，造成對(duì)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(hào)在光纖中一起傳輸、放大，在檢測

19、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(hào)光與自發(fā)輻射的差拍噪聲；信號(hào)光的信號(hào)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(shí)，增 益G是一個(gè)常數(shù)，稱為光放大器的小信號(hào)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(hào)增益的一半，也就是用分貝表示為下降3dB時(shí)，所對(duì)應(yīng)的輸出功率稱為飽和輸出光功率，是放大器的一個(gè)重要參數(shù)，飽和輸出功率用Pouts 表示。在小信號(hào)工作區(qū)，增益與信號(hào)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(hào)工作區(qū)時(shí)，增益講隨輸入功率的

20、增大而變化，出現(xiàn)增益飽和或壓縮。3.2 EDFA 參數(shù)設(shè)計(jì)3.2.1 摻鉺光纖的長度EDFA 放大輸入的光信號(hào)時(shí)，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(hào)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(shí)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(jì)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(jì)是基

21、于對(duì)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(shí)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(duì)泵浦光源有兩個(gè)基本要求： 首先，泵浦源的發(fā)射波長應(yīng)對(duì)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(hào)增益、輸出功率、噪聲系數(shù)等方面考慮。結(jié)論光纖通信已成為當(dāng)今信息社會(huì)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(shí)驗(yàn)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(diǎn)。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(jià)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。