電子1120901240108-王健-摻鉺光纖放大器的設計講解

1、東北石油大學課程設計課程光電子技術基礎課程設計題目摻鉺光纖放大器的設計學院電子科學學院專業(yè)班級 電子科學與技術 學生姓名 王健學生學號 120901240108 指導教師2016 年 3 月 4 日東北石油大學課程設計任務書課程光電子技術基礎課程設計題目摻鉺光纖放大器的設計專業(yè) 電子科學與技術 姓名 王健 學號 120901240108 主要內(nèi)容、基本要求、主要參考資料等1、主要內(nèi)容： 通過學習光纖放大器的原理，設計一個能夠?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， 結構與特性， 以及優(yōu)點與實 際中的應用等。3、參考文獻：1 劉增基，周洋

2、溢 . 光纖通信 M. 西安: 電子科技大學出版社 . 2002.2 雷肇棣. 光纖通信基礎 M. 西安: 電子科技大學出版社 . 1999.3 馬養(yǎng)武. 光電子學（第 2版）M. 杭州：浙江大學出版社 . 2003完成期限 2016.2.29 2016.3.6指導教師 專業(yè)負責人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計 73.1 EDFA 設計指標 . 73.2 EDFA 參數(shù)設計 . 7結論 參考文獻光

3、電子技術基礎課程設計第 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， 不需要將光信號轉換為電信號， 直接對光 信號進行放大的一種技術。1.1 研究意義眾所周知， 現(xiàn)今是信息時代， 社會信息化進程正在逐漸的深入， 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)上應用， 使人們對

4、一些 新型信息服務的需求越來越迫切，例如家庭辦公、遠程教育、電子商務等，因此 這就需要用到功能強大的通信網(wǎng)絡， 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，的技術比較成熟，自身性能較 好，所以它的應用比較廣泛。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 的特性及半導體泵浦源的使用，

5、導致了它在波分復用系統(tǒng)中的廣泛應用， 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想， 但由于當時未能解決 熱淬滅效應問題 ,而且隨后出現(xiàn)了半導體光放大器，使得摻鉺光纖放大器的研究 停滯不前。直到 80 年代中期，南安普敦大學的研究人員通過改進的化學氣相沉 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基礎課程設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 的測試結果表明 ,其多信道放大時不存在串擾現(xiàn)象、 增益與偏振無關， 用于實際傳輸系統(tǒng)時具有極小的誤碼率。 1988年 1480nm的大功率半導體激光器 的研制成功，解決了之前泵浦設備過于龐大不適于應用的問題。 1989 年日本的 NTT 公司首先使用 1480nm的半導體激光器作為泵浦源獲得成功以及同年召開的 光放大及應用會議（ OAA ）標志著 EDFA 的應用研究推向新的階段。EDFA 技術于 90 年代初走向成熟并被迅速投入

7、商業(yè)應用。隨后的研究繼續(xù) 更深入的展開，目標都是使 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)中應用，可以省去大量的光中繼 機，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換時，

8、中繼器要作相應的改變； 設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， 且結構復雜、 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 且設備擴容或用于光波分復用時，也無需更換。 2、可作光發(fā)送機的后置放大器 及光接收機的前置放大器。 作光發(fā)送機的后置放大器時， 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 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， 并且得到越來越廣泛的應用。 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， 隨著光纖通信技術的不斷進步， 這些問題將會得 到完滿的解決。光電子技術基礎課程設計第 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 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 100路波長信道進行放大。 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 的結構（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。光電子技術基礎課程設計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，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， 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，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，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飽和增益下降 3dB 時所對應的輸出功率，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。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。光電子技術基礎課程設計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， 因而有較高的轉換效率。 所需泵浦光 功率較低，泵浦效率卻相當高， 用 980nm光源泵浦時， 增益效率可達 11dB/mW， 用 1480nm 光源泵浦時為 5.1 dB/mW ；泵浦功率轉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 14dBm，而在雙泵浦時可達 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，可以進行多信 道傳輸，便于擴大傳輸容量，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、與半導體激光放大器不同， EDFA 的增益特性與光纖極化狀態(tài)無關， 放 大 特性與光信號的傳輸方向也無關， 當光纖放大器內(nèi)無隔離器時， 可以實現(xiàn)雙向 放 大；在多信道應用中可以進行無串話傳輸； 具有永久二階非線性光學效應， 例如 電光效應、倍頻效應等， 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域有著廣泛的應用前景。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)光電子技術基礎課程設計8、中繼器只有低速電子裝置和幾個無源器件， 所以結構簡單， 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 系統(tǒng)擴容時， 可以只改動端機而不改動線路。 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行增益譜補償。3、附加的噪聲使接收機靈敏度退化。4、光纖的色散和非線性效應可以無阻礙地得到積累。光電子技術基礎課程設計第 3 章 摻鉺光纖放大器的設

19、計3.1 EDFA 設計指標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， 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。 在放大器的系統(tǒng) 設 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，可得到結論，噪聲系數(shù)與粒子反轉差有關。泵浦充分，粒 子反轉差大， 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 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， 恒為常數(shù)， 但是當輸入功率大到超過 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。光電子技術基礎課程設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。 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系，再利用微分 求導， 則得到增益最大的光纖長度。3.2.2 摻鉺光纖波導參數(shù) 波導參數(shù)的設計主要考慮：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， 則在摻鉺光纖某一長度處的輸出 泵浦光功率應大于或等于局部粒子數(shù)反轉的閾值泵浦功率。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)射波長應對應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。光電子技術基礎課程設計結論光纖通信已成為當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， 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域的 研究熱點?，F(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