L波段摻鉺光纖放大器的研究

1、 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì)（論 文）題 目 L波段摻鉺光纖放大器的研究姓 名 所在學(xué)院 理學(xué)院 專業(yè)班級 06光信1 學(xué) 號 指導(dǎo)教師 日 期 2009年12月15日 摘 要作為光通信系統(tǒng)中的一個關(guān)鍵器件在光通信領(lǐng)域中扮演著十分重要的角色。然而隨著系統(tǒng)容量的不斷增加，目前所使用的波段已不能滿足系統(tǒng)擴(kuò)容的要求，這就迫切需要向波段或更短的波段擴(kuò)展。由于工作在波段的波長遠(yuǎn)離摻鉺光纖()的吸收峰()，導(dǎo)致波段的增益效率受到了一定的限制，因此如何提高波段的增益效率具有重要的學(xué)術(shù)意義和實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。本論文在前人的基礎(chǔ)上，對提高波段的增益效率進(jìn)行了系統(tǒng)的研究和模擬仿真。通過模擬不同結(jié)構(gòu)的波段摻鉺光纖放大器，得到了不同

2、的系統(tǒng)增益特性及其他性能指標(biāo)。例如：.模擬仿真了基于光環(huán)形器的雙通結(jié)構(gòu)波段。結(jié)果表明：基于光環(huán)形器的雙通結(jié)構(gòu)波段其增益較傳統(tǒng)波段提高了，功率轉(zhuǎn)換效率提高到.。.模擬仿真了波段雙級級聯(lián)雙程放大的放大器結(jié)構(gòu)。結(jié)果表明：在小信號功率（）輸入條件下、波長范圍內(nèi)，放大器輸出增益都大于同時增益平坦度優(yōu)于。其噪聲指數(shù)在整個L波段都小于（處噪聲指數(shù)僅為）。關(guān)鍵詞：光放大器 摻鉺光纖 L波段 C波段 AbstractEDFA as optical communication systems, a key device in optical communications field plays an import

3、ant role. However, with the continuous increase in system capacity, The C-band currently in use can not meet the requirements of the system expansion, There is an urgent need to EDFA or less to the L-band S-band extension. As the work in the L-band wavelength away from the erbium-doped fiber (EDF) o

4、f the absorption peak (1531nm), Leading to L-band EDFA gain efficiency by certain restrictions, Therefore, how to improve the efficiency of L-Band EDFA gain significant academic significance and practical application value.In the predecessors of this paper, based on improving the efficiency of L-ban

5、d EDFA gain a systematic study and simulation. By simulating different structures of the L-band erbium-doped fiber amplifier, has been a different system gain characteristics and other performance indicators. For example:1. Simulation of the device based on optical ring structure of the double-pass

6、L-band EDFA. The results showed that: device based on optical ring structure of the double-pass L-band EDFA its more traditional L-band EDFA gain increases 7dB, power conversion efficiency increased to 27.29%.2. Simulation of the L-band two-stage double-pass amplification of the amplifier cascade st

7、ructure. Results showed that: In the small-signal power (-30dBm) input condition, 1568 1602nm wavelength range, Amplifier output gain is greater than 38.84dB the same time, gain flatness is better than 2.04dB. The noise index in the whole L-band are less than 5.29dB (1590nm at noise figure of only 3

8、.95dB).Key words：Optical amplifier Erbium-doped fiber C-band L-band目 錄1 緒論11.1光纖放大器簡介21.1.1半導(dǎo)體激光放大器31.1.2基于非線性效應(yīng)光纖放大器31.1.3摻稀土元素光纖放大器51.2摻鉺光纖放大器的研究進(jìn)展及應(yīng)用61.3論文內(nèi)容安排及研究方法82 摻鉺光纖放大器的基本理論92.1 EDFA的基本結(jié)構(gòu)92.2 EDFA的工作原理102.3摻鉺光纖放大器理論模型132.3.1摻鉺光纖放大系統(tǒng)的原子速率方程132.3.2光纖放大系統(tǒng)的傳輸方程153 L 波段摻鉺光纖放大器的模擬仿真173.1 L 波段摻鉺光纖

9、放大器的優(yōu)化設(shè)計(jì)173.1.1 L波段EDFA的基本原理173.1.2 L波段EDFA的模型173.1.3 設(shè)計(jì)和驗(yàn)證183.2 L 波段EDFA的輸出特性的模擬仿真213.2.1放大器增益與帶寬213.2.2放大器增益飽和與飽和輸出功率223.2.3放大器噪聲特性243.3高增益低噪聲L波段摻鉺光纖放大器實(shí)驗(yàn)研究283.3.1設(shè)計(jì)和驗(yàn)證294 總結(jié)與展望314.1總結(jié)314.2展望315 參考文獻(xiàn)326 致謝331 緒論廣義地說 ，通信就是彼此間傳遞信息，“光”被用于通信已經(jīng)有很久遠(yuǎn)的歷史了。我國古代記載的漢武帝時代利用烽火臺的烽火向遠(yuǎn)處報(bào)警的方式，就是最早的光通信。1880年電話發(fā)明家貝爾

10、(A. G. Bell)發(fā)明了光學(xué)電話，以陽光為光源，用硒晶體作光接收器件，成功地進(jìn)行了距離達(dá)200米遠(yuǎn)的大氣傳輸通信實(shí)驗(yàn)，貝爾的實(shí)驗(yàn)奠定了當(dāng)今光通信的基礎(chǔ)。到20世紀(jì)早期，仍有不少科學(xué)家致力于光通信的研究，但由于缺乏理想的光源，進(jìn)展不大，直到1960年梅曼(T. H. Mainman)研制成功世界上第一臺紅寶石激光器。激光器的出現(xiàn)為長期處于停頓狀態(tài)的光通信解決了一大難題，并成為光通信系統(tǒng)的關(guān)鍵性部件之一。傳輸媒質(zhì)是光通信的另一大難題。1966年7月，英籍華人科學(xué)家高餛(K. C. Kao)博士和他的合作者霍克漢(G. A. Hockhan)在倫敦電氣工程師協(xié)會(IEE)會刊上發(fā)表題為用于光頻

11、的介質(zhì)纖維表面波導(dǎo)的文章，研究了石英玻璃的損耗機(jī)理是基于石英材料中的雜質(zhì)吸收，指出通過制造技術(shù)的改進(jìn)，石英玻璃可以制成損耗為20dB/km 的通信光導(dǎo)纖維(簡稱光纖)，而當(dāng)時世界上最優(yōu)良的光纖損耗仍高達(dá)1000dB/km,高餛的預(yù)見為光纖通信的發(fā)展指出了方向。到1970年美國康寧玻璃公司宣布研制成功衰減為20dB/km 的光纖，低損耗光纖的出現(xiàn)給光纖通信的發(fā)展帶來了第一次革命，從此世界上許多國家競相開展光纖通信的研究，正式揭開發(fā)展光纖通信的序幕。1976年以后各種實(shí)用的光纖通信系統(tǒng)相繼問世。到1979年在1.55波長上光纖損耗降低到0.2dB/km，這已接近了石英光纖理論上的損耗極限。目前的研

12、究水平可達(dá)到0.1dB/km以下。鑒于光纖具有的頻帶寬，容量大，傳輸損耗低，不易受電磁干擾，保密性強(qiáng)，重量低，易彎曲以及制造光纖的材料自然界有取之不盡的源泉等一系列優(yōu)點(diǎn)，所以光纖通信的出現(xiàn)被認(rèn)為是通信史上一次根本性變革，光纖通信已成為通信系統(tǒng)的主流。在光波導(dǎo)技術(shù)快速發(fā)展的同時，與之相配合的半導(dǎo)體技術(shù)(它提供光纖通信所需的光源和光檢測器)也相應(yīng)地發(fā)展起來，促成了光纖通信的實(shí)用化。1970年，美國貝爾實(shí)驗(yàn)室的0.85的GaAIAs半導(dǎo)體激光器在室溫下實(shí)現(xiàn)連續(xù)振蕩，隨后，為配合光纖的長波長窗口(1.21, 1.31, 1.55),研制出InGaAsP長波長激光器和發(fā)光二極管。因此，1976年后，光纖

13、通信的發(fā)展進(jìn)入實(shí)用化階段，各種實(shí)用的光纖通信系統(tǒng)陸續(xù)出現(xiàn)。在1978年，出現(xiàn)了商用的短波長(0.85砷化稼激光器)多模光纖系統(tǒng)，無中繼距離僅在lOkm左右，這就是第一代光纖通信系統(tǒng)，但此波長處光纖的損耗和色散都較大。第二代光纖通信系統(tǒng)出現(xiàn)在八十年代早期，是長波1.3的多模光纖和單模光纖通信系統(tǒng)，無中繼距離達(dá)40km。雖然光纖的零色散就位于1.3上，但在此波長上光纖的損耗仍限制通信的中繼距離，光纖的最小損耗位于1.55處，1.55單模光纖通信是第三代光纖通信系統(tǒng)，現(xiàn)己在公用通信網(wǎng)上得到大規(guī)模應(yīng)用。目前通信的研究熱點(diǎn)是長距離、大容量、超高速的光纖通信系統(tǒng)，其中光纖放大器和DWDM起著極其重要的作用

14、。隨著技術(shù)的不斷發(fā)展，全光通信已成為通信發(fā)展的必然趨勢。1.1光纖放大器簡介光纖制造技術(shù)已經(jīng)把光纖損耗降低到理論極限值，但在長距離通信中，光纖損耗和色散仍不可避免，這就需要每隔一段距離增加一個再生中繼器來保證信號的傳輸質(zhì)量。傳統(tǒng)的中繼放大是在光信號傳輸過程中，將光信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?，對電信號進(jìn)行再生、整形和定時處理，恢復(fù)信號的形狀和幅度，然后再轉(zhuǎn)換回光信號沿光纖線路繼續(xù)傳輸。這種光一電一光轉(zhuǎn)換的中繼器有許多缺點(diǎn)，如設(shè)備復(fù)雜，需要昂貴的脈沖限幅，重新定時和整形的電子器件以及光探測器件和光發(fā)射器件，系統(tǒng)穩(wěn)定性和可靠性不高，對多信道的通信系統(tǒng)，設(shè)備更復(fù)雜，費(fèi)用更昂貴，而且電子線路的1OGb/s的響應(yīng)極

15、限已經(jīng)成為限制通信速率的“電子瓶頸”。因此，最理想的中繼放大是光一光直接放大，不需要經(jīng)過光一電一光轉(zhuǎn)換過程。光放大器應(yīng)運(yùn)而生。光放大器主要包括半導(dǎo)體激光放大器和光纖型放大器兩類。光纖型放大器有光纖喇曼放大器（FRA）、光纖布里淵放大器(FBA)、和摻雜光纖放大器（如EDFA）等幾種。其中摻鉺光纖放大器（EDFA）技術(shù)已變得相當(dāng)成熟并商用化。1.1.1半導(dǎo)體激光放大器所有靠近閾值但在閾值以下偏置的半導(dǎo)體激光器都可以實(shí)現(xiàn)光放大，做成半導(dǎo)體激光放大器（SOA）。對于半導(dǎo)體激光放大器（SOA）的研究，早在1926年發(fā)明半導(dǎo)體激光器不久就已經(jīng)開始了。然而，只是80年代在認(rèn)識到它將在光纖系統(tǒng)中具有廣泛應(yīng)用

16、前景時，才對SOA進(jìn)行了廣泛的研究和開發(fā)。為了提高增益帶寬，在半導(dǎo)體光放大器放大芯片的兩個解理端面上，蒸鍍抗反射膜已降低端面放射系數(shù)。按照端面反射系數(shù)的大小，可將半導(dǎo)體光放大器分為兩類：一類為法布里泊羅（F-P）半導(dǎo)體光放大器（FPA），其端面的反射系數(shù)為0.010.3；另一類為行波型光放大器（TWA），其端面的反射系數(shù)為左右。行波型放大器的帶寬比法布里泊羅型的放大器大三個數(shù)量級，可達(dá)10THz。半導(dǎo)體光放大器的結(jié)構(gòu)與半導(dǎo)體激光器相似，所不同的是兩端面吳反射膜，或者雖有反射膜，但反射率很低。半導(dǎo)體光放大器的優(yōu)點(diǎn)：尺寸小，為0.11mm；增益高，為1530dB；頻帶寬，為5070nm,其工作波段

17、可覆蓋1.3和1.5波段，這是摻鉺光纖放大器所無法做到的。此外，半導(dǎo)體光放大器的功率消耗低，制作上可充分利用現(xiàn)有的半導(dǎo)體激光器技術(shù)，工藝成熟，且便于光集成。半導(dǎo)體光放大器存在的主要缺點(diǎn)：與光纖的耦合損耗大，可達(dá)5dB左右。這是它的最大弱點(diǎn)；穩(wěn)定性差。由于放大芯片的有源區(qū)截面形狀近似為矩形，放大器對兩個正交的偏振模式將具有不同的光增益作用，也就是說，它的增益與信號的偏振態(tài)有關(guān)。同時增益對環(huán)境溫度也很敏感；噪聲特性稍差，用半導(dǎo)體光放大器對多個波長通道同時進(jìn)行放大時，其FWM等非線性效應(yīng)將引起通道間的串?dāng)_。1.1.2基于非線性效應(yīng)光纖放大器非線性光纖放大器是利用光纖的三階非線性光學(xué)效應(yīng)受激喇曼散射（

18、SRS）和受激布里淵散射（SBS）等產(chǎn)生的增益機(jī)制而對光信號進(jìn)行放大的。把基于SRS機(jī)制的光放大器稱為光纖喇曼放大器（FRAFiber Raman Amplifier）；基于SBS機(jī)制的光放大器則稱為光纖布里淵放大器（FBA）。它們都是借助泵浦光子與光纖中的分子體系互相作用，吸收泵浦光子能量后的分子處于某一高振動能級，該能級不穩(wěn)定，當(dāng)它向比原來振動能級能量高的某個振動能級躍遷時，便將散射出一個比泵浦光子能量低的斯托克斯光子。當(dāng)入射信號光子與斯托克斯光子的頻率相同時，將使處于高振動能級上的分子受激輻射出同相位的斯托克斯光子，實(shí)現(xiàn)光放大。這兩種光放大器相類似，都必須有泵浦光的注入。泵浦光通過SRS

19、或SBS過程將一部分光功率轉(zhuǎn)移給信號光，使信號光放大，同時將部分光功率轉(zhuǎn)換成分子振動（SRS）或聲子（SBS）。不同之處如下：（1）在FRA中，泵浦光和信號光可以同向傳輸或反向傳輸，有時還可以用兩個方向的泵浦光，而FBA只能反向（逆向）泵浦。（2）FRA要求泵浦光波長比信號光波長短一個斯托克斯位移（Stokes Shift），對1.31和1.55分別約為80nm和120nm；而FBA雖然對光纖同樣要求泵浦光比信號光短一個斯托克斯位移，但該位移缺小的多，在1.31和1.55分別約為0.062nm和0.088nm。也就是說，SBS的斯托克斯平移量要比SRS小三個數(shù)量級，且與泵浦光波長有關(guān)。（3）因

20、此，F(xiàn)RA所需要的泵浦光功率閾值（為0.51W）高于FBA的泵浦光功率閾值（為）。（）FBA的增益帶寬相當(dāng)窄，一般只有Hz；而的增益帶寬可達(dá)Hz，可與行波型半導(dǎo)體放大器相比。非線性光纖放大器的優(yōu)點(diǎn)：傳輸媒質(zhì)與放大線路同為一體，因而放大器與傳輸線路的耦合損耗小，噪聲低，增益穩(wěn)定性好。但需要的泵浦功率交高；由于放大器的單位長度增益系數(shù)很低，要獲得滿意的增益，并減少泵浦功率，需要很長的光纖；此外，的特性對光纖的偏正態(tài)也十分敏感。一般認(rèn)為，F(xiàn)RA的泵浦效率低，需要的泵浦光功率高，用這樣大功率的半導(dǎo)體激光器作為泵浦源，不易實(shí)現(xiàn)，限制了它在光纖通信系統(tǒng)中的應(yīng)用。但FRA具有的頻帶寬、增益高、輸出功率大、效

21、應(yīng)快等優(yōu)點(diǎn)仍存在吸引力，可作為寬光譜的波分復(fù)用系統(tǒng)的放大器。一種稱為分布式的FRA，主要用于光纖傳輸系統(tǒng)中傳輸光纖損耗的分布式補(bǔ)償放大。此時，光纖既是增益媒質(zhì)，同時又是傳輸媒質(zhì)；既產(chǎn)生增益，有存在損耗，增益補(bǔ)償損耗，實(shí)現(xiàn)光纖通信系統(tǒng)凈增益為零的無損透明傳輸。在長距離通信中，每隔幾十千米需要再注入泵浦功率，構(gòu)成分布式級聯(lián)光纖喇曼放大。的缺點(diǎn)是工作帶寬窄，也限制了它在光纖通信系統(tǒng)中的應(yīng)用。但窄帶放大特性可作為一種選頻放大器。例如在相干光纖通信系統(tǒng)中，可用有選擇的放大光載波而不放大調(diào)制邊帶，用放大后的光載波作為本振光，實(shí)現(xiàn)零差檢測；在多路通信系統(tǒng)中，可在接受短注入一泵浦光，與多信道光信號相反傳播，借

22、助調(diào)節(jié)泵浦光頻率就可選擇不同信道的信號進(jìn)行放大。此外，它的高增益、低功率的放大性能使其可用作接收機(jī)的前置放大器，提高靈敏度。1.1.3摻稀土元素光纖放大器摻雜光纖放大器是利用在光纖中摻雜物質(zhì)引起的增益機(jī)制實(shí)現(xiàn)光放大的。放大器的特性主要由摻入的雜質(zhì)元素決定，而不是決定于主媒質(zhì)的光纖。至今用作摻雜的物質(zhì)均為鑭（La）系稀土元素，如鉺（Er）、釹（Nd）、鐠（Pr）、鈥（Ho）、銩（Tm）、和鐿（Yb）等，可用于實(shí)現(xiàn)不同波長（覆蓋從可見光到紅外光，直到2.8）的光放大器。主媒光纖一般是石英光纖，也可以是氟化物光纖。在摻雜光纖放大器中，備受重視并率先達(dá)到應(yīng)用水平的是摻鉺光纖放大器（EDFAErbium

23、 Doped Fiber Amplifier）。EDFA是在1985年由英國南安普頓大學(xué)的等人首先研制成功的，到1988年其技術(shù)已相當(dāng)成熟，并可提供實(shí)際使用。EDFA的研制成功被視為光纖通信技術(shù)的第三次飛躍。EDFA的應(yīng)用不僅解決傳輸光纖衰減的補(bǔ)償問題，而且為光源的外調(diào)制、波分復(fù)用器、色散補(bǔ)償元件和光濾波器等一批光網(wǎng)絡(luò)器件的應(yīng)用提供了條件。EDFA的主要優(yōu)點(diǎn)如下：（1）工作波長1.531.56在范圍，與光纖最小損耗窗口一致。（2）增益高，為2030dB，有報(bào)道達(dá)46.5dB。（3）所需泵浦功率低，僅數(shù)十毫瓦；泵浦效率高。用0.98的LD泵浦時，泵浦效率為11dB/mW，用1.48的泵浦時，為5

24、.1 dB/mW；泵浦功率轉(zhuǎn)換輸出信號功率的效率為92.6%；當(dāng)泵浦光功率為60mW時，吸收功率為88%。（4）結(jié)構(gòu)簡單，易于傳輸光纖耦合，耦合效率極低，約0.1dB。（5）噪聲低。噪聲系數(shù)為34dB，接近量子極限；基本不會發(fā)生FWM等非線性效應(yīng)所引發(fā)的信道間串?dāng)_。（6）帶寬很大。在1.55處的增益帶寬約為35nm，若每路占5GHz帶寬，可同時放大1000路以上信號。（7）工作穩(wěn)定性好。增益特性與光纖的偏振態(tài)無關(guān)，對溫度不敏感，與信號的傳輸方向無關(guān)，與泵浦源的大小和頻譜關(guān)系不大。光纖放大器的唯一一個缺點(diǎn)是不能與其他器件集成，這將限制它在光電集成中的應(yīng)用。1.2摻鉺光纖放大器的研究進(jìn)展及應(yīng)用光纖

25、放大器的研究最早是在六十年代中期。1964年C.Koeste:和E.Snitzer首先提出了摻雜光纖放大器的構(gòu)想，發(fā)現(xiàn)光纖中摻入稀土元素Nd能夠?qū)崿F(xiàn)光放大，當(dāng)時他們是采用閃光燈泵浦，放大器工作在脈沖模式。1969年，G.C .H olst和Snitzer利用光纖放大器，提高了探測器的靈敏度。到了七十年代，由于半導(dǎo)體激光器的發(fā)展，光纖放大器的研究逐漸被人遺忘，以致停滯不前。直到八十年代，一直受冷落的光纖放大器又重新得到重視，這是因?yàn)?，能在傳輸線路上直接放大光信號的光纖放大器，一直是人們多年探索追求的目標(biāo)。研究者們先后提出了受激喇曼、受激布里淵等光纖放大器的方案，但是它們所需的泵浦功率很高，半導(dǎo)體

26、激光器的功率水平不易達(dá)到。在這種情況下，有一部分研究者放棄了對光纖放大器的研究，而轉(zhuǎn)向改進(jìn)電再生和更靈敏的探測技術(shù)上。到八十年代中期，這種局面得到了轉(zhuǎn)機(jī)。英國南安普頓大學(xué)(Southampton)由David N.Payne帶領(lǐng)的研究小組對摻稀土元素光纖放大器進(jìn)行了深入研究，發(fā)現(xiàn)鉺離子作為激活介質(zhì)，可以在1.55波長上實(shí)現(xiàn)光增益，這正是通信系統(tǒng)的低損耗窗口。1986年美國AT&T貝爾實(shí)驗(yàn)室首先研制出摻鉺光纖放大器(EDFA),1989年日本NT公司又首先用1.48的InGaAsP半導(dǎo)體激光器成功地泵浦了EDFA。半導(dǎo)體激光器泵浦的摻鉺光纖放大器一出現(xiàn)就顯現(xiàn)出它適合于通信系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)，整個國際通信

27、界為之震撼，它被公認(rèn)為光纖通信系統(tǒng)中最理想的光放大器，給光纖通信的發(fā)展帶來了第二次革命。很快世界各國的研究者們紛紛投入對EDFA的研究，其發(fā)展迅速，于1990年實(shí)現(xiàn)商用。直至今天，EDFA 已經(jīng)在長距離通信系統(tǒng)和海底跨洋通信系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用。對EDFA的研究基本上沿兩個方向同時進(jìn)行，一個方向是對EDF材料的研究，目的是研制出增益譜更寬更平坦的摻鉺光纖;另一個方向是EDFA整體性能的研究，目標(biāo)是在現(xiàn)有的EDF材料基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)出符合現(xiàn)代光纖通信系統(tǒng)要求的性能良好的EDFA。以下為人們在這兩個不同方向的研究工作:材料方面的研究：在石英光纖中溶解度低會引起熒光淬滅，使得熒光輻射強(qiáng)度大大減弱?？朔爽F(xiàn)象

28、一種辦法是降低在石英光纖中的濃度，濃度50ppm時可使熒光淬滅現(xiàn)象不出現(xiàn)，但這導(dǎo)致有源光纖的單位長度增益降低。另一種更為有效的是在石英光纖中采用多組分共摻技術(shù)，如在摻鉺的同時摻人或以提高在這光纖中的溶解度。目前，在/ 、光纖中濃度可達(dá)l00ppm(Wt%)和在/ ，光纖中濃度可達(dá)1000ppm，而不產(chǎn)生熒光淬滅。早期對共摻技術(shù)的研究主要是著眼于提高光纖中的摻雜濃度，而后來對材料的研究更注重如何提高光放大器的帶寬。到目前為至，除了已有的C-band（1528一1560nm)上的EDF，還研制出了L-band(1570-1600nm)上的鉺纖、氟化物摻鉺光纖、碲化物摻鉺光纖。L-band的EDFA

29、拓寬了光通信中的第三個窗口的可用波長，氟化物摻鉺光纖采用1480nm泵浦可獲得1530一1560nm波段上相當(dāng)平滑的增益譜，碲化物摻鉺光纖可獲得高達(dá)70nm的帶寬。以后對研究材料的目的是為了獲得具有更寬更平坦增益譜。系統(tǒng)性能的研究：石英基質(zhì)的摻鉺光纖的小信號增益譜在1533nm和1553nm處有兩個明顯峰，在1542nm處有一低谷，在1529nm一1561nm范圍內(nèi)其增益變化可達(dá)十幾個dB，這么簡單的EDFA，顯然不能用于現(xiàn)代的光纖通信系統(tǒng)中，特別是WDM系統(tǒng)中。因此要設(shè)計(jì)出實(shí)用的性能良好的EDFA，必須對EDFA的整體設(shè)計(jì)進(jìn)行研究。所有的整體設(shè)計(jì)技術(shù)中兩個最為重要的技術(shù)是自動增益控制和增益譜

30、的均衡。自動增益控制一般采用光電反饋增益控制和全光反饋增益控制；實(shí)現(xiàn)增益譜均衡最常用的措施是采用均衡濾波器。通常EDFA的帶寬為30一40nm,若要獲得超寬光帶寬(optical band60nm)，除了采用碲化物摻鉺光纖外，還可有許多方法，如把C-band的EDFA和L-band的EDFA集成在一起或把C-band的EDFA和光纖喇曼散射放大器聯(lián)合使用，這些措施都得到75以上的帶寬。在光纖通信系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，光放大器有四種應(yīng)用方式，如圖1.1。在長距離通信系統(tǒng)中，光放大器的一個重要應(yīng)用就是取代電中繼器。只要系統(tǒng)性能沒被色散效應(yīng)和放大自發(fā)輻射噪聲所限制，這種取代就可以進(jìn)行。在多信道光波系統(tǒng)中，使

31、用光放大器特別具有吸引力，因?yàn)楣怆姽庵欣^器要求在每個信道上使用各自的接收機(jī)和發(fā)射機(jī)。對復(fù)用信道進(jìn)行解復(fù)用，這是一個相當(dāng)昂貴、麻煩的變換過程。而光放大器可以同時放大所有的信道，可省去信道解復(fù)用過程。用光放大器取代光電光中繼器就稱為在線放大器。光放大器的另一種應(yīng)用是把它插在光發(fā)射機(jī)之后，來增強(qiáng)光發(fā)射機(jī)功率，稱這樣的放大器為功率放大器或功率增強(qiáng)器。使用功率發(fā)大器可增加傳輸距離10100km，其長短與放大器的增益和光纖損耗有關(guān)。為了提高接收機(jī)的靈敏度，也可以在接收機(jī)之前插入一個光放大器，對微弱光信號進(jìn)行預(yù)放大，這樣的放大器稱為前置放大器，它也可以用來增加傳輸距離。光放大器的另一種應(yīng)用是用來補(bǔ)償局域網(wǎng)（

32、LAN）的分配損耗，分配損耗常常限制網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)數(shù)，特別是在總線拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的情況下。此外，光放大器還有另一種應(yīng)用，這就是在光交換系統(tǒng)中的應(yīng)用。這種放大器亦稱為功率放大器。在光波系統(tǒng)中，不同的應(yīng)用對光放大器有不同的要求。TxRxTxRxTxRxTxRxA光纖AAAA圖1.1 光放大器的幾種應(yīng)用方式 11.3論文內(nèi)容安排及研究方法論文內(nèi)容安排：本論文第一章為緒論，簡單介紹了光放大器的發(fā)展歷程，以及摻鉺光纖放大器的研究進(jìn)展及應(yīng)用；第二章介紹了摻鉺光纖放大器的基本理論，內(nèi)容包括EDFA的基本結(jié)構(gòu)、EDFA的工作原理和摻鉺光纖放大器理論模型；第三章介紹了L 波段摻鉺光纖放大器的模擬仿真，研究了L 波段EDF

33、A的輸出特性，L 波段摻鉺光纖放大器的優(yōu)化設(shè)計(jì)；最后是結(jié)論和展望，總結(jié)本論文的主要工作，并提出將來需要深入開展的研究內(nèi)容。本課題的研究方法：本課題主要是通過大量模擬仿真不同結(jié)構(gòu)的L 波段摻鉺光纖放大器，對L 波段摻鉺光纖放大器的特性模擬，最后根據(jù)模擬結(jié)果進(jìn)行分析總結(jié)。2 摻鉺光纖放大器的基本理論EDFA具有高增益、高功率和寬帶的特性，是它成長為長途光纖通信系統(tǒng)中近乎理想的放大器，是迄今各類光放大器中最具發(fā)展前景的一種，并給光纖通信技術(shù)帶來多方面的巨大變革。在傳統(tǒng)的光纖通信系統(tǒng)中,光信號在光纖中傳輸時,不可避免的存在著一定的損耗和色散,損耗導(dǎo)致光信號能量的降低,色散導(dǎo)致光脈沖展寬,因此,每隔一段

34、距離就需要設(shè)置一個中繼器,以便對信號進(jìn)行放大和再生中繼續(xù)傳輸。解決這一問題的常規(guī)方法是采用光電光中繼器,這種光電光的變換和處理方式在一定程度上已滿足不了現(xiàn)代傳輸?shù)囊?。光放大器的出現(xiàn)改變了這種狀況, 特別是1989年誕生的摻鉺光纖放大器代表的光放大器技術(shù)是光纖通信技術(shù)上的一次革命。它可以使對光信號的放大和再生中繼不再經(jīng)過光電轉(zhuǎn)換。特別是摻鉺光纖放大器使信號光在光纖中直接得到增強(qiáng)和放大,這使得通信成本降低,設(shè)備簡化,運(yùn)行維護(hù)方便。隨著摻鉺光纖放大器的實(shí)用化,愈來愈多的用在數(shù)字光纖傳輸系統(tǒng)中,它給原來的數(shù)字光纖傳輸系統(tǒng)帶來了新的發(fā)展。2.1 EDFA的基本結(jié)構(gòu)摻鉺光纖放大器主要由摻鉺光纖(EDF)

35、、泵浦源和相關(guān)的光無源器件組成，其中光無源器件有光波分復(fù)用器(WDM)、光隔離器(ISO)、光纖連接器(FC/PC)和光耦合器(Coupler)。圖2.1是典型摻鉺光纖放大器的基木結(jié)構(gòu)圖。WDM的作用是將信號光與泵浦光耦合進(jìn)入摻鉺光纖，光隔離器是防止光路中的反向光對摻鉺光纖放大器中產(chǎn)生不良的干擾。圖2.1 摻鉺光纖放大器的基本結(jié)構(gòu) 4下面重點(diǎn)講泵浦源的問題。泵浦源是供給摻鉺光纖放大器能量的重要部件。沒有泵浦源為鉺離子提供能最，產(chǎn)生受激輻射，就不可能實(shí)現(xiàn)光放大。以前曾經(jīng)有用閃光燈、離子激光器、染料激光器、色心激光器作為摻鉺光纖放大器的泵浦光源，但出于通信系統(tǒng)實(shí)際應(yīng)用的考慮，光纖器件采用半導(dǎo)體激光

36、器作為泵浦光源更為合適，半導(dǎo)體激光器具有體積小、易于集成、高功率、高效率、功耗小、價(jià)格便宜等優(yōu)點(diǎn)，是光纖放大器最理想的泵浦光源。半導(dǎo)體激光器的發(fā)展對摻鉺光纖放大器的發(fā)展起著重要推動作用。光纖放大器的泵浦方式有三種:前向泵浦、后向泵浦和雙向泵浦，如圖2.2.在前向泵浦中，信號光和泵浦光沿同一方向傳輸；在后向泵浦中，信號光和泵浦光沿相反方向傳輸；雙向泵浦則是泵浦光沿兩個方向同時進(jìn)入光纖放大器。對不同的應(yīng)用場合應(yīng)采用不同的泵浦方式。當(dāng)放大器作功率放大器使用時.采用后向泵浦方式較好。當(dāng)作前置放大器使用時，采用前向泵浦方式較好。圖2.2 a）前置泵浦型；b）后向泵浦型；c）雙向泵浦型 52.2 EDFA

37、的工作原理摻鉺光纖放大器是將摻鉺光纖在泵浦源的作用下形成的光纖放大器。早在1964年人們就開始研究光纖放大器。隨著低損耗稀土摻雜光纖工作特性和制造技術(shù)的不斷發(fā)展,直到1986年才開始實(shí)際使用。摻鉺光纖放大器的工作波長為1.54m ,用粒子激光器作泵浦源,在3m長的光纖中可以得到3.28dB的增益。用摻鉺光纖放大器放大,當(dāng)時光纖通信的1. 5m的工作波長,引起了全世界的興趣?，F(xiàn)在EDFA 已用于光纖通信和光纖有線電視網(wǎng),為光纖通信的更新?lián)Q代開辟了新途徑。鉺的原子序數(shù)為68 ,原子量167. 2 ,價(jià)電子3 ,屬鑭系元素。在制造光纖時摻入一定量的三價(jià)鉺離子 ,就可以形成摻鉺光纖。由于摻鉺離子分散基

38、質(zhì)之中,它屬于分立能級。但由于光纖基質(zhì)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的本地場的影響,對鉺離子產(chǎn)生微擾,使其譜線分開,這就是斯塔克效應(yīng)。在這些分裂態(tài)之間的能級差與能級之間的能量差相比很小,就形成了準(zhǔn)能帶。如圖2.3所示,圖中左邊的是通過量子力學(xué)解出的原子核外電子能級, 是的基態(tài)(各能級的間隔和由于微擾而產(chǎn)生的斯坦克效應(yīng)展寬的能帶寬度屬于量子力學(xué)結(jié)果) 。右邊980nm表示在該能級上的電子躍遷到基態(tài)發(fā)出的光波長。圖2.3 光纖鉺離子的能帶圖 4參與激光放大過程的只有三個能帶(見圖2.4) , 相應(yīng)于 ,為基態(tài), 相應(yīng)于 ,為受激輻射的高能級。受激輻射躍遷所產(chǎn)生的光子波長為= ch (-) = 15201570nm。這就

39、是能夠放大的信號光波長范圍。是泵浦的高能級。泵浦光的泵浦作用發(fā)生在 與 之間,泵浦頻率為f = ( - ) / h ,可以選擇不同的能級作為。在外界泵浦源的作用下,基態(tài)4I15/ 2 上的粒子吸收泵浦源的能量而躍遷到能級上。能級上的電子主要通過無輻射躍遷的形式,迅速轉(zhuǎn)移到能級上, 能級最好能有較大的寬度,以充分利用寬帶泵浦源的能量來提高泵浦效率。在圖2.4中的表示該能級的壽命, 能級的壽命很短,而 能級的壽命較長,大于10ms ,屬于亞穩(wěn)態(tài)能級,容易積聚電子。當(dāng)泵浦源足夠強(qiáng)時,便在能級上聚集起足夠的粒子,在 和能級之間形成粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布,這時便對信號具有放大作用。圖2.4 EDFA工作原理圖

40、4從圖2.4右邊的nm數(shù)可以看出,鉺離子存在許多能級,這些高能級(由于斯坦克效應(yīng),這些能級其實(shí)是能帶)原理上都可以作為 能級,都可以用來泵浦EDFA。在這些頻帶中選用泵浦波長的原則是要求泵浦效率高,當(dāng)然還必須有相應(yīng)波長的大功率激光器作泵浦源0.65nm ,0.80nm 都利用過,但是這些激光器都是氬離子激光器、NdYAG激光器。這些方案都存在泵浦效率低和泵浦源體積大的問題,不適合在光纖通信中應(yīng)用。泵浦效率p 可以用來衡量泵浦的有效性,其表達(dá)式如下:p = 放大器增益(dB) / 泵浦功率(mW)選用泵浦頻帶的另一個重要因素是無激發(fā)態(tài)吸收。在理想的系統(tǒng)中,處于激發(fā)態(tài)的電子,在受到外來的光子作用時

41、,向低能級躍遷而發(fā)出光子,但是還有一種可能就是它可以吸收外來的光子繼續(xù)向更高的能級躍遷,這就是激發(fā)態(tài)吸收(Excited State Absorption ,ESA) 。很明顯,如果電子處在激發(fā)吸收帶時,它可以繼續(xù)吸收泵浦光子或信號光而向更高能級躍遷,這樣就降低了泵浦效率,并引起信號光衰減,因而泵浦源應(yīng)選在無激發(fā)吸收的頻帶,0.98m、1. 48m 泵浦對應(yīng)著無激發(fā)態(tài)吸收的能帶,因而是備受重視的兩個波長。泵浦源都可以用半導(dǎo)體激光器來實(shí)現(xiàn)。0.98m 與1.48m 相比,增益高、泵浦效率高、噪聲小,具有很大的吸引力,是目前光纖放大器的首選波長。1. 48m的優(yōu)點(diǎn):它和信號光的波長接近,因而1.5

42、5m 的單模光纖對信號光和泵浦光都是單模傳輸,可用單模光纖制成定向耦合器,將信號光和泵浦光低損耗導(dǎo)入光纖。因此在低摻鉺光纖放大器中,應(yīng)用這一段的泵浦更為有利,因而得到了廣泛的開發(fā)、研究和應(yīng)用。2.3摻鉺光纖放大器理論模型EDFA的理論分析是對它的性能研究和設(shè)計(jì)優(yōu)化的基礎(chǔ)，已經(jīng)發(fā)展了多種理論模型，但它們的分析和計(jì)算相當(dāng)?shù)膹?fù)雜。這是由于EDFA得工作過程本身就很復(fù)雜，除了具有泵浦躍遷、受激吸收、受激輻射和自發(fā)輻射四個光放大器基本過程外，它的工作狀態(tài)還受制于放大器本身為摻鉺光纖這一特征。例如，EDF的長度，光場和離子在EDF橫截面上的分布，泵浦的方向，以及它對信號光和泵浦光是否為單模工作等等。因此，

43、一般的分析方法無法求出解析解，只能通過數(shù)值計(jì)算求解。2.3.1摻鉺光纖放大系統(tǒng)的原子速率方程借助速率方程分析EDFA是一種常見的方法。為了著重于物理內(nèi)涵，下面的討論只限于0.98波長、進(jìn)行同向泵浦的情形。用光子流密度作為外界光的量度，其定義是單位時間通過垂直于光子流方向的單位面積上的光子數(shù)，用光強(qiáng)表示可寫成 1/ () (2-3-1)假設(shè)光強(qiáng)在光纖的截面上分布均勻，則 (2-3-2)故 (2-3-3)式中，P 為光纖中的光功率；A 為纖芯的截面積。由于受激躍遷幾率W與成正比，其比例常數(shù)表示為 () (2-3-4)表示單位光子通量所引起的受激躍遷幾率，是表征物質(zhì)光特性的一個參量，值大，說明同樣光

44、強(qiáng)下的受激躍遷幾率高，其單位為，具有面積的量綱，故稱為受激躍遷截面。用和分別代表受激吸收幾率和受激輻射幾率，它們都與入射光場的能量密度成正比，其比例系數(shù)即受激躍遷系數(shù)和表征物質(zhì)本身的特性。受激躍遷截面可通過實(shí)驗(yàn)測定，在計(jì)算光纖放大器的粒子數(shù)反轉(zhuǎn)和增益中更直接、方便，故常用來代替B表示物質(zhì)的特性。1.泵浦躍遷基態(tài)能級上的粒子吸收泵浦光功率后，躍遷到激發(fā)態(tài)能級的幾率為 (2-3-5)式中，為受激吸收躍遷截面；為泵浦光的光子流密度；為鉺粒子與泵浦光的有效耦合系數(shù)。在上面討論中，已假定光在光纖截面為均勻分布，而實(shí)際上時不均勻的，為了與光場相匹配，常使鉺粒子集中在光場較強(qiáng)的光纖軸線及其旁軸區(qū)。這樣在分析

45、光與鉺粒子的作用時，為了顧及鉺粒子在光纖截面并非均勻分布這一事實(shí)，引入有效耦合系數(shù)來反映這一影響。具有實(shí)際意義的是在上的粒子非輻射躍遷到能級的幾率，用表示，稱為泵浦幾率（或泵浦率）。從EDFA的工作原理知道，泵浦幾率很高，能級上的粒子少，可忽略由向的微弱的自發(fā)輻射和受激輻射，有，即 (2-3-6)式中，為泵浦光功率；為泵浦光子能量。2.受激躍遷受激躍遷包括受激吸收躍遷和受激輻射躍遷，其幾率用表示時，有 (2-3-7) (2-3-8)式中，和分別為受激吸收和受激輻射躍遷截面；和分別表示信號光功率和有效耦合系數(shù)。應(yīng)說明的是，上面兩式混略了自發(fā)輻射光對受激躍遷的影響。和均為波長的函數(shù)，并與基質(zhì)光纖的

46、摻雜有關(guān)，在一般情況下，即。能級上的粒子由于快速非輻射躍遷到而本身基本上是空的，因此，三能級系統(tǒng)可化簡為二能級系統(tǒng)。假設(shè)二能級系統(tǒng)中和能級的統(tǒng)計(jì)權(quán)重相等，即，則有，和，用下標(biāo)s表示光信號的相應(yīng)量。這樣信號光的受激輻射（受激吸收）幾率可寫成 (2-3-9)簡化為二能級系統(tǒng)后，有速率方程 (2-3-10)式中，為自發(fā)輻射躍遷幾率，為自發(fā)輻射壽命，表示粒子在上存在的平均時間；和分別表示和能級上的粒子密度，它們都是光纖軸向坐標(biāo)的函數(shù)。在穩(wěn)態(tài)時，有，則方程的穩(wěn)定解為 (2-3-11) (2-3-12)其中為總粒子密度 (2-3-13)令，得粒子數(shù)反轉(zhuǎn)的速率方程為 (2-3-14)2.3.2光纖放大系統(tǒng)的

47、傳輸方程由于受激輻射和吸收作用，使信號光功率和泵浦光功率沿放大器的長度方向變化，用功率傳輸方程來描述這種變化規(guī)律。在忽略反射光影響的行波放大器中，同向泵浦時的信號光和泵浦光功率傳輸方程分別為 (2-3-15) (2-3-16)式中，為光纖光芯的橫截面積；傳輸方程忽略光纖的損耗。用受激躍遷截面表示，并取光電耦合系數(shù)時，可寫成 (2-3-17) (2-3-18)根據(jù)式可得信號功率的增益系數(shù)為 (2-3-19)速率方程和功率傳輸方程描述了EDFA的粒子數(shù)反轉(zhuǎn)、信號和泵浦光功率變化的物理過程。給出輸入信號光功率、泵浦光功率及EDF相關(guān)參數(shù)，便可計(jì)算出沿遷的、和。雖然混略了AES，但計(jì)算結(jié)果和實(shí)驗(yàn)結(jié)果仍

48、基本吻合。3 L 波段摻鉺光纖放大器的模擬仿真3.1 L 波段摻鉺光纖放大器的優(yōu)化設(shè)計(jì)隨著計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)及其它新的數(shù)據(jù)傳輸業(yè)務(wù)的飛速發(fā)展，進(jìn)一步提高通信容量，已成為光通信領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)。開發(fā)新型超寬帶光纖放大器，充分利用光纖豐富的通信帶寬資源，被公認(rèn)是提高光通信容量最有效的方法之一。在C波段摻鉺光纖放大器(EDFA)被廣泛應(yīng)用之后，開發(fā)出L波段乃至S波段的光放大器將具有十分重要的意義。3.1.1 L波段EDFA的基本原理C波段EDFA 的工作波長一般在15301565 nm，對應(yīng)于離子能級躍遷的發(fā)射。研究發(fā)現(xiàn)，通過控制摻鉺光纖(EDF)的長度，使鉺離子的粒子數(shù)分布反轉(zhuǎn)穩(wěn)定在較低的程度，可實(shí)現(xiàn)L波段

49、的光放大，稱為L波段EDFA(或GSEDFA，GainShifted EDFA)。其增益譜雖然位于能級躍遷輻射的帶尾，吸收和發(fā)射系數(shù)小，但是增益平坦；L波段EDFA的另一大優(yōu)點(diǎn)是和色散位移光纖(DSF)一起使用基本上沒有四波混頻(FWM)的問題。由于低的粒子數(shù)分布反轉(zhuǎn)度和低的吸收、發(fā)射系數(shù)，L波段EDFA 中需要的EDF 比較長。光纖長度的增加使光纖的損耗隨之增加，另外較小的吸收和發(fā)射截面將導(dǎo)致后向放大自發(fā)輻射(ASE)噪聲的積累，消耗了泵浦功率，同時也降低了放大器的粒子反轉(zhuǎn)度水平，使噪聲指數(shù)(NF)增大。解決這些問題的一種辦法是采用一定長度的高摻雜、低損耗的EDF。Liekki公司報(bào)道用12

50、 m 直接納米粒子沉積(DND)工藝摻鉺光纖，在235mW 的混合泵浦功率泵浦下，獲得了L波段45的量子轉(zhuǎn)換效率(QCE)和低于3.5的NF。采用這種解決方案的L波段EDFA具有降低光纖中FWM 等非線性效應(yīng)，降低光放大器的偏振模色散等許多優(yōu)點(diǎn)。3.1.2 L波段EDFA的模型EDFA 的放大過程可用均勻展寬的二能級模型來描述。將EDF中傳播的光(包括抽運(yùn)光、信號光和放大自發(fā)輻射光)在頻域上劃分成中心頻率為,光束帶寬為，沿+z方向和-z方向傳輸?shù)墓馐?，則第k級信號光束的增益由下式給出： （3-1-1）式中，為整根光纖中的平均粒子反轉(zhuǎn)度；和分別為吸收系數(shù)和增益系數(shù)；為光纖的本征損耗；定義為上能級

51、離子的線密度與摻離子線密度之比；L為EDF的長度。 和常規(guī)的C波段EDFA 的數(shù)值計(jì)算相比，L波段EDFA 的數(shù)值仿真需考慮信號帶激發(fā)態(tài)吸收(ESA)效應(yīng)，它主要影響16001700 nm 波長，此時需對式(1)作如下優(yōu)化： （3-1-2）式中，為激發(fā)態(tài)吸收系數(shù)。分析上式可知ESA效應(yīng)將削弱信號增益。采用優(yōu)化后的式(3-1-2)進(jìn)行數(shù)值仿真可以大大減小1 600 nm 以上波長的數(shù)值計(jì)算的誤差。NF(單位為dB)由下式得到： (3-1-3)式中，為輸出光譜在信號光波長處的ASE光譜密度(單位：WHz)；為輸入光位于信號光波長處的ASE光譜密度。3.1.3 設(shè)計(jì)和驗(yàn)證我們根據(jù)圖3.1所示的兩種光

52、學(xué)結(jié)構(gòu)對上述的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行了驗(yàn)證。圖3.1 兩種光學(xué)結(jié)構(gòu)示意 11圖中的波分復(fù)用器(WDM)和隔離器(ISO)均采用L波段器件。圖3.1(a)采用熔融拉錐WDM 。圖3.1(b)采用介質(zhì)膜型WDM 并和ISO 做成組件。實(shí)驗(yàn)中采用高摻雜低損耗的EDF，以減少所需光纖的長度，同時降低吸收損耗和后向ASE能量的積累，提高L波段EDFA 的性能。實(shí)驗(yàn)中結(jié)構(gòu)I和結(jié)構(gòu)采用的EDF長度均為13 m。測試框圖如圖3.2所示。圖中，可調(diào)諧光源(TLS)的輸出功率為0 dBm，波長從15651610 nm 按步長為5 nm 變化，L波段EDFA 的輸出進(jìn)入光譜儀(OSA)進(jìn)行增益測試。同時對1568、1570、

53、1585和1605 nm等波長處的NF進(jìn)行測試。圖3.2 測試框圖我們把實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和仿真結(jié)果進(jìn)行了對比(增益比較結(jié)果見圖3.3，噪聲指數(shù)比較結(jié)果見圖3.4)，數(shù)值仿真中使用的EDF長度及泵浦功率大小和實(shí)際測試時完全一致。 圖3.3 使用兩種結(jié)構(gòu)的增益比較結(jié)果 12分析圖3.3(a)、(b)不難發(fā)現(xiàn)，優(yōu)化后(即考慮ESA效應(yīng))的增益仿真數(shù)據(jù)和實(shí)測數(shù)據(jù)吻合較好。考慮ESA效應(yīng)和不考慮ESA 效應(yīng)的增益仿真值在短波長(1568nm)附近吻合較好；在長波長部分(1610nm 附近)，考慮ESA的增益仿真結(jié)果比不考慮ESA 的仿真結(jié)果偏小。這是因?yàn)樾盘枎У腅SA效應(yīng)在短波長附近比較微弱，但在長波長（161

54、0 nm)附近逐漸增強(qiáng)。分析前面給出的公式(3-1-1)、(3-1-2)不難得出，它會使放大器的增益降低。ESA效應(yīng)對L波段EDFA 信號放大的這種削弱作用在結(jié)構(gòu)I和結(jié)構(gòu)II的比較數(shù)據(jù)中都得到驗(yàn)證。圖3.4 使用兩種結(jié)構(gòu)的噪聲指數(shù)比較結(jié)果 12分析仿真的NF數(shù)值(圖3.4(a)、(b)可知，優(yōu)化后(即考慮ESA 效應(yīng))的NF的仿真數(shù)據(jù)和實(shí)測數(shù)據(jù)吻合較好?？紤]ESA效應(yīng)和不考慮ESA 效應(yīng)的NF仿真值在短波長(1568nm)附近吻合較好；在長波長部分(1610nm附近)，考慮ESA 的NF仿真結(jié)果比不考慮ESA 的仿真結(jié)果偏大。這是因?yàn)椴豢紤]ESA時的仿真結(jié)果在長波長附近的增益會偏大，而此時輸出信號波長處的ASE光譜密度變化不大，結(jié)合NF的定義式(3-1-3)可知，在不考慮ESA 的情況下，仿真的NF偏小。本文介紹了L波段EDFA 的基本原理，給出了它的理論模型，指出在L波段EDFA設(shè)計(jì)和制作過程中應(yīng)該考慮ESA 問題。文中給出的兩組L波段EDFA 的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)驗(yàn)證了理論分析的正確性。3.2 L 波段EDFA的輸出特性的模擬仿真EDF的介質(zhì)在泵浦光的作用下，產(chǎn)生粒子數(shù)反轉(zhuǎn)而得到光增益。光增益的大