摻餌光纖放大器的原理及其應(yīng)用本科畢業(yè)設(shè)計(jì)論文

1、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(tǒng)組成34摻餌光纖放大器原理4444555摻餌光纖放大器應(yīng)用66676總結(jié)8致 謝9參考文獻(xiàn)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(duì)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(tǒng)的構(gòu)建理論基礎(chǔ)，并從應(yīng)用的角度，剖析了摻餌光纖放大器的優(yōu)點(diǎn)以及應(yīng)用前景，提出改進(jìn)型的摻餌光纖放大器系統(tǒng)。 關(guān)鍵詞：摻餌光纖放大器；泵浦；光耦合；光濾波；光隔離AbstractThe paper theoretically study of the effects of the f

2、iber amplifier bait the principle of pump 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 vi

3、ew of the application, and analyzes the 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(wǎng)絡(luò)中由于光在傳輸

4、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(yīng)用光-電-光中繼,即首先將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào),在電信號(hào)上進(jìn)行放大、再生、重定時(shí)等信息處理后,再將電信號(hào)轉(zhuǎn)換為光信號(hào),經(jīng)光纖傳送出去。這樣,光-電-光中繼需要光接收機(jī)和光發(fā)射機(jī)來進(jìn)行光-電和電-光轉(zhuǎn)換,設(shè)備復(fù)雜,成本昂貴,維護(hù)運(yùn)轉(zhuǎn)不便。近幾年發(fā)展起來的光放大器,尤其是摻鉺光纖放大器(EDFA),可使光信號(hào)直接在光域進(jìn)行放大,無須轉(zhuǎn)換成電信號(hào)進(jìn)行信息處理,即用全光中繼

5、來代替光-電-光中繼,使成本降低,設(shè)備簡化,維護(hù)運(yùn)轉(zhuǎn)方便。光放大器有半導(dǎo)體光放大器（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(zhì)的放大器,有鉺(Er)、釹(Nd)、鐠(Pr)、銩(Tm )等。容納雜質(zhì)的光纖叫做基質(zhì)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(tǒng)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?，F(xiàn)在光通信的發(fā)展趨勢逐漸由單獨(dú)使用固定增益的EDFA到使用增益自動(dòng)的EDFA，再到EDFA與喇曼光纖放大器的聯(lián)合使用

6、。12受激輻射光放大理論在石英光纖的纖芯中摻入三價(jià)稀土金屬鉺元素，這種光纖在泵浦光的激勵(lì)下形成粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布，然后在信號(hào)光的作用下產(chǎn)生受激輻射，放出與信號(hào)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(jí)E1代表基態(tài)，能量最低；能級(jí)E2代表亞穩(wěn)態(tài)；能級(jí)E3代表激發(fā)態(tài)，能量最高。若泵浦光的光子能量等于能級(jí)E3與E1之差，摻雜離子吸收泵浦光后，從基態(tài)E1升至激發(fā)態(tài)E3。但是鉺離子在激發(fā)態(tài)是不穩(wěn)定的，激發(fā)到E3的鉺離子很快就通過自發(fā)輻射躍遷到亞穩(wěn)態(tài)E2。若信號(hào)光的光子能量等于能級(jí)E2與能級(jí)E1的能量之差，這時(shí)處于亞穩(wěn)態(tài)的鉺離子通過受激輻射返回到基態(tài)E1，并把釋

7、放的能量加到信號(hào)光的光子上，從而實(shí)現(xiàn)信號(hào)光的放大。2在光纖通信系統(tǒng)中,隨著傳輸速率的增加,傳統(tǒng)的0/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(tǒng)的中繼方式,光放大器直接放大光信號(hào),使得整個(gè)系統(tǒng)更加簡單和靈活,EDFA是目前及未來一段時(shí)間的主要選擇.EDFA以摻鉺光纖作為增益介質(zhì),利用980nm和1480nm泵浦作為泵浦光源,使鉺離子Er3+粒子數(shù)反轉(zhuǎn),信號(hào)光入射使亞穩(wěn)態(tài)Er3+粒子受激輻射,產(chǎn)生信號(hào)放大.EDFA主要優(yōu)點(diǎn)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

8、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,在傳輸光纖上需要增加更多級(jí)的EDFA,這時(shí),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(tǒng)要求放大器能對(duì)S+C+L三波段同時(shí)放大且增益平坦.目前,對(duì)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(fā)展,如把拉曼放大器和EDFA結(jié)合可組成混合放大器4.3摻餌光纖放大器系統(tǒng)組成摻餌光纖放大器根據(jù)泵浦光源的特點(diǎn)可分為：同相泵浦、反相泵浦、雙相泵浦方式。系統(tǒng)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

9、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(hào)的光信號(hào)通過隔離器進(jìn)入系統(tǒng)，經(jīng)過摻餌光纖的放大，以及相應(yīng)的耦合濾波，得到放大了的光信號(hào)輸出?，F(xiàn)代技術(shù)中通常將此設(shè)計(jì)為集成放大器。3圖2摻餌光纖放大器系統(tǒng)組成4摻餌光纖放大器原理摻鉺光纖是一種向常規(guī)光纖的石英玻璃基質(zhì)中摻入微量鉺元素的特種光纖，它是一種主動(dòng)光纖。摻入鉺元素是為促成被動(dòng)的傳輸光纖變?yōu)橛蟹糯竽芰Φ闹鲃?dòng)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(zhì)密切相關(guān)。4當(dāng)泵浦光射入，鉺原子中電子吸收泵浦光的能量，向高能級(jí)躍遷。處于高能級(jí)的粒子是不穩(wěn)定的，它會(huì)通過非發(fā)光躍遷迅速跳到壽命較長的亞穩(wěn)

10、態(tài)能級(jí)上。而515, 532, 650, 807, 980, 以及1480nm的光都可以作為泵浦光。由于980nm和1480nm的泵浦沒有激發(fā)態(tài)吸收，因此通常其作為EDFA 的泵浦。54.3光隔離器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(zhuǎn)的非互易性6。圖4為光隔離器的結(jié)構(gòu)與工作原理圖。對(duì)于正向入射的信號(hào)光，通過起偏器后成為線偏光，法拉第旋磁介質(zhì)與外磁場一起使信號(hào)光的偏轉(zhuǎn)方向右轉(zhuǎn)，并恰好低損耗通過與起偏器成放置的檢偏器。對(duì)于方向光，出檢偏器的線偏振光經(jīng)過旋轉(zhuǎn)介質(zhì)時(shí)，偏轉(zhuǎn)方向也有旋轉(zhuǎn)，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(dǎo)，

11、所有的傳播模式之間、傳播模式與輻射模之間滿足正交關(guān)系，模式之間沒有能量耦合。但是，任何實(shí)際光波導(dǎo)都不是理想波導(dǎo)，在非理想情形下，例如波導(dǎo)的損耗、幾何形狀的微笑形變、波導(dǎo)周圍有其他導(dǎo)波結(jié)構(gòu)或障礙物存在，都會(huì)導(dǎo)致光波導(dǎo)模式之間的相互耦合。7光耦合器是對(duì)光信號(hào)實(shí)現(xiàn)分路、合路、插入和分配的無源器件。光信號(hào)能量耦合的機(jī)理是隨耦合器的種類而異的。光濾波器是用來進(jìn)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(huì)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(fù)用解復(fù)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（Ma

12、ch-Zahnder，M-Z）干涉結(jié)構(gòu)就可作光濾波器，如附圖5所示。輸入信號(hào)光功率經(jīng)第一個(gè)3dB耦合器后，等分為和兩部分。由于路程差不同，當(dāng)?shù)竭_(dá)第二個(gè)3dB耦合器時(shí)，相位差將決定合成后輸出光的強(qiáng)度。同相加強(qiáng)，反相相消。因此，只要調(diào)整光波導(dǎo)的長度，便可選出所需要的波長。圖5馬赫-曾德爾干涉結(jié)構(gòu)圖5摻餌光纖放大器應(yīng)用隨著人們通信量要求的增大，密集波分復(fù)用（DWDM）應(yīng)運(yùn)而生。所謂密集波分復(fù)用是指在一根光纖中利用不同光波長相互獨(dú)立互不干擾的原理，來傳輸多路不同光源的光信號(hào)，以達(dá)到擴(kuò)展傳輸容量的目的。在DWDM中應(yīng)該約束各信道信號(hào)的光波長，使其足夠穩(wěn)定，避免造成相鄰信道干擾。另外在發(fā)端利用合波技術(shù)將來

13、自不同光源不同波長的信號(hào)整合到一根光纖中進(jìn)行傳輸，在收端利用分波技術(shù)將一根光纖中傳輸?shù)墓庑盘?hào)分解開來，送到各自相應(yīng)的接收單元。由于光信號(hào)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(duì)光信號(hào)進(jìn)行放大。摻鉺光纖放大器在DWDM的應(yīng)用主要有幾個(gè)地方：一是在光發(fā)射機(jī)后做功率放大器，增加需要傳送的光信號(hào)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(hào)；三是用在光接收機(jī)前做前置放大器，可以提高光接收機(jī)接收靈敏度。9在通常的DWDM設(shè)備中所用到的EDFA，都是增益固定的。在進(jìn)行系統(tǒng)調(diào)試時(shí)往往要在EDFA前加一個(gè)光衰減器，來調(diào)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

14、作狀態(tài)。 在系統(tǒng)設(shè)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(hào)的增減，進(jìn)入EDFA放大的光信號(hào)將發(fā)生變化，從而經(jīng)放大后輸出的光功率也發(fā)生改變，這將會(huì)影響整個(gè)傳輸系統(tǒng)工作的穩(wěn)定度。在DWDM設(shè)備中，光信號(hào)每經(jīng)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(biāo)準(zhǔn)，以及接受端的誤碼率檢測等等。如果整個(gè)系統(tǒng)工作不穩(wěn)定，將影響各種指標(biāo)的測試，也將影響到光信號(hào)傳輸?shù)馁|(zhì)。如果使用增益可以自動(dòng)調(diào)整的EDFA設(shè)備，將會(huì)及時(shí)調(diào)整EDFA的輸入光功率，使整個(gè)系統(tǒng)保持穩(wěn)定。通常的自動(dòng)增益調(diào)整的方法是，使用一個(gè)可變光衰減器檢測輸入光功率的變化情況，通過預(yù)先設(shè)置的調(diào)整參數(shù)相應(yīng)的改變輸入到EDFA

15、的光功率大小，同時(shí)EDFA保持輸出光功率的恒定，從而達(dá)到EDFA增益發(fā)生改變的目的，減少接收端的光信噪比由于光信道數(shù)的增減所造成的影響。5.3摻鉺光纖放大器與喇曼光纖放大器的聯(lián)合使用EDFA產(chǎn)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(chǎn)品則已聚焦到L波段上。未來的發(fā)展對(duì)光纖放大器要求有更寬的傳輸帶寬(12501650nm)。而此帶寬范圍內(nèi)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(zhì)不同，分布式喇曼放大器利用系統(tǒng)中的傳輸光纖作為它的

16、增益介質(zhì)。光纖喇曼放大器(FRA)是利用強(qiáng)泵浦光束通過光纖傳輸產(chǎn)生的受激喇曼散射。如果一個(gè)弱信號(hào)光與個(gè)強(qiáng)泵浦光同時(shí)在一根光纖中傳輸,并且弱信號(hào)光的波長在泵浦光的喇曼增益帶寬內(nèi)，則強(qiáng)泵浦光的能量通過受激喇曼散射轉(zhuǎn)移到弱信號(hào)光中,使弱信號(hào)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(nèi)部放大信號(hào)，分立式喇曼光纖放大器有著30dB左右的增益。 隨著現(xiàn)代通信業(yè)的迅速發(fā)展，需要交換的信息量成指數(shù)增長，這就要求通信系統(tǒng)具備更高的傳輸容量，即通信線路要具備更大的帶寬。實(shí)現(xiàn)寬帶放大有兩種思路：一種是完全由喇曼光纖放大器(FRA)實(shí)現(xiàn)，通過多泵浦的復(fù)用達(dá)到

17、寬帶放大的目的，泵浦越多則帶寬越大，但泵浦?jǐn)?shù)目的增多又給其實(shí)際應(yīng)用帶了困難，它不僅提高了系統(tǒng)的成本，同時(shí)使泵浦復(fù)用變得更加復(fù)雜，而且使得增益均衡的難度加大；另一種思路是利用業(yè)已成熟的摻鉺光纖放大器(EDFA)技術(shù)，將FRA 和EDFA相結(jié)合構(gòu)造寬帶放大器，這樣可大大減少所需泵浦?jǐn)?shù)卻能實(shí)現(xiàn)較大(80100nm)的帶寬，且增益均衡也比較容易。現(xiàn)在已經(jīng)不局限在將FRA和 EDFA簡單的聯(lián)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(gè)模塊中構(gòu)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(shù)很低甚至為復(fù)值的特性，不但改善了系統(tǒng)的光信噪比，增加DWDM系統(tǒng)傳

18、輸?shù)木嚯x，也可以降低輸入端的發(fā)送功率。106總結(jié)綜上所述，通信技術(shù)變化日新月異，人們對(duì)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(shè)備滿足人們?nèi)找嬖鲩L的。EDFA 的誕生和發(fā)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(jí)別，DWDM從目前32波，40波的大規(guī)模商用到160波等等，這都要求更好性能的光放大器設(shè)備的。增益可以自動(dòng)調(diào)整的EDFA和 FRA+EDFA 的組合的發(fā)展，必將推動(dòng)全光通信網(wǎng)的開發(fā)和商用。另外，在此次摻餌光纖放大器的設(shè)計(jì)中，我通過查閱很多相關(guān)的中英文資料，上網(wǎng)搜索有關(guān)信息，學(xué)習(xí)未知領(lǐng)域的光學(xué)理論知識(shí)，掌握了設(shè)計(jì)

19、光學(xué)系統(tǒng)的方法，增強(qiáng)了理論完整性和連貫性，對(duì)已學(xué)理論知識(shí)掌握得更加透徹。致 謝在這次的能力拓展訓(xùn)練中，我得到了來自本班多位同學(xué)的熱情幫助，在這里感謝這些同學(xué)的辛勤付出，通過他們的幫助，更加透徹理解未知的理論知識(shí)，懂得處理論文格式以及要求，完成論文寫作；另外也感謝學(xué)校給了我們這次實(shí)踐所學(xué)知識(shí)的機(jī)會(huì)，通過此次的設(shè)計(jì)，增強(qiáng)了理論的完善性以及理解的深層性，同時(shí)通過查閱資料，熟悉了知識(shí)查閱的渠道；最重要的是感謝謝濤老師上課期間對(duì)我們專業(yè)知識(shí)的辛勤指導(dǎo)，以及寫作論文之前給我們的講解，帶領(lǐng)我們?nèi)腴T解決光學(xué)問題。參考文獻(xiàn)12 45 李承祖量子通信和量子計(jì)算長沙：國防科技大學(xué)出版社，2000.76 （美）Ger

20、d Keiser光纖通信（第三版）李玉權(quán)，崔敏，蒲濤譯北京：電子工業(yè)出版社，2002.57 范崇澄，彭吉虎導(dǎo)波光學(xué)北京：北京理工大學(xué)出版社，8 Nonlinear Fiber OpticsAcademic Press，Inc.19959 Nonlinear OpticsAcademic Press，Inc.199210 Jianxun Hong and Yasufumi EnamiNumerical Solution of the Dynamics of Microring Resonator Modulators JIEEE PHOTONICS TECHNOLOGY LETTERS，2010

21、.7，22(13):969-971本科生能力拓展訓(xùn)練成績?cè)u(píng)定表姓 名性 別 男專業(yè)、班級(jí)能力拓展訓(xùn)練題目： 摻餌光纖放大器的原理及其應(yīng)用能力拓展訓(xùn)練答辯或質(zhì)疑記錄：成績?cè)u(píng)定依據(jù)：最終評(píng)定成績（以優(yōu)、良、中、及格、不及格評(píng)定）指導(dǎo)教師簽字： 年 月 日內(nèi)部資料，請(qǐng)勿外傳！9JWKffwvG#tYM*Jg&6a*CZ7H$dq8KqqfHVZFedswSyXTy#&QA9wkxFyeQ!djs#XuyUP2kNXpRWXmA&UE9aQGn8xp$R#&#849GxGjqv$UE9wEwZ#QcUE%&qYpEh5pDx2zVkum&gTXRm6X4

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