光纖放大器論文

1、學號 10043112 姓名 黃任軍哈 爾 濱 學 院 答 題 紙課程 光纖通信 20132014 學年第 1 學期課程代碼 40425012 專業(yè)班級 電氣自動化10-1班 姓名： 黃任軍 學號： 10043112 成績 評閱人 檢查項目權重得 分(1)選題意義：文獻分析是否透徹，選題是否為研究領域的前沿或熱點話題。20(2)學術價值和應用價值：論文結構是否合理，概念是否準確，論證是否合乎邏輯；分析問題是否有一定的深度，解決問題是否有一定的創(chuàng)新。40(3)論文摘要：摘要能否簡要地闡明研究目的、方法、范圍、結果及結論。20(4) 論文格式：論文格式符合要求。10(5)文獻引用：文獻格式是否規(guī)范

2、，引用是否夠全面。10合計100哈 爾 濱 學 院 2013-2014 學年第_1_學期 考試時間共 分鐘課程名稱 光纖通訊 課程代碼 40425012 課程班號 電子10-1 信息10-1 共4頁 -考試要求：結合所學光纖通訊的課程內容，寫一篇科技論文。選題范圍：1、 從光纖通訊技術中的某一具體技術的現狀及發(fā)展；2、 光纖通信技術的某一具體應用；3、 光纖通信的應用現狀及發(fā)展趨勢。論文要求：1、 對光纖通信有整體認識，選題適當。2、 閱讀10篇以上的相關方向論文，認真理解論文。3、 要求論文結構合理，概念準確，論證合乎邏輯；分析問題有一定的深度，解決問題有一定的創(chuàng)新。4、 要求文獻格式規(guī)范，

3、文獻引用全面（一般至少引用5篇文獻，對于綜述性論文至少引用10篇文獻）5、 論文字數要求：摘要：150300字；正文：5000字左右。6、 版面A4雙面打印。頁眉為：學號 姓名頁腳為：第*頁 共*頁光纖通信技術 光纖放大器光導纖維通信簡稱光纖通信，原理是利用光導纖維傳輸信號，以實現信息傳遞的一種通信方式。實際應用中的光纖通信系統(tǒng)使用的不是單根的光纖，而是許多光纖聚集在一起的組成的光纜。光纖放大器不但可對光信號進行直接放大，同時還具有實時、高增益、寬帶、在線、低噪聲、低損耗的全光放大功能，是新一代光纖通信系統(tǒng)中必不可少的關鍵器件。名 稱：光纖放大器關鍵字：光纖放大器 EDFA 半導體放大器 光纖

4、曼放大器摘要：光放大器的開發(fā)成功及其產業(yè)化是光纖通信技術中的一個非常重要的成果，它大大地促進了光復用技術、光弧子通信以及全光網絡的發(fā)展。顧名思義，光放大器就是放大光信號。在此之前，傳送信號的放大都是要實現光電變換及電光變換，即O/E/O變換。有了光放大器后就可直接實現光信號放大。光放大器主要有3種：光纖放大器、拉曼放大器、半導體光放大器。光纖放大器就是在光纖中摻雜稀土離子（如鉺、鐠、銩等）作為激光活性物質。每一種摻雜劑的增益帶寬是不同的； 摻銩光纖放大器的增益帶是S波段；摻鐠光纖放大器的增益帶在1310nm附近。而喇曼光放大器則是利用喇曼散射效應制作成的光放大器，即大功率的激光注入光纖后，會發(fā)

5、生非線性效應?喇曼散射。在不斷發(fā)生散射的過程中，把能量轉交給信號光，從而使信號光得到放大。由此不難理解，喇曼放大是一個分布式的放大過程，即沿整個線路逐漸放大的。其工作帶寬可以說是很寬的，幾乎不受限制。這種光放大器已開始商品化了，不過相當昂貴。半導體光放大器（S0A）一般是指行波光放大器，工作原理與半導體激光器相類似。1.引 言無線光通信是以激光作為信息載體，是一種不需要任何有線信道作為傳輸媒介的通信方式。與微波通信相比，無線光通信所使用的激光頻率高，方向性強(保密性好)，可用的頻譜寬，無需申請頻率使用許可；與光纖通信相比，無線光通信造價低，施工簡便、迅速。它結合了光纖通信和微波通信的優(yōu)勢，已成

6、為一種新興的寬帶無線接人方式，受到了人們的廣泛關注。但是，惡劣的天氣情況，會對無線光通信系統(tǒng)的傳播信號產生衰耗作用?？諝庵械纳⑸淞Ｗ?，會使光線在空問、時間和角度上產生不同程度的偏差。大氣中的粒子還可能吸收激光的能量，使信號的功率衰減，在無線光通信系統(tǒng)中光纖通信系統(tǒng)低損耗的傳播路徑已不復存在。大氣環(huán)境多變的客觀性無法改變，要獲得更好更快的傳輸效果，對在大氣信道傳輸的光信號就提出了更高的要求，一般地，采用大功率的光信號可以得到更好的傳輸效果。隨著光纖放大器(EDFA)的迅速發(fā)展，穩(wěn)定可靠的大功率光源將在各種應用中滿足無線光通信的要求。2.光纖放大器的發(fā)展方向由于超高速率、大容量、長距離光纖通信系統(tǒng)

7、的發(fā)展，對作為光纖通信領域的關鍵器件光纖放大器在功率、帶寬和增益平坦方面提出了新的要求，因此，在未來的光纖通信網絡中，光纖放大器的發(fā)展方向主要有以下幾個方面：  (1)EDFA從C-Band向L-Band發(fā)展； (2)寬頻譜、大功率的光纖拉曼放大器； (3)將局部平坦的EDFA與光纖拉曼放大器進行串聯使用，獲得超寬帶的平坦增益放大器； (4)發(fā)展應變補償的無偏振、單片集成、光橫向連接的半導體光放大器光開關； (5)研發(fā)具有動態(tài)增益平坦技術的光纖放大器； (6)小型化、集成化光纖放大器。 隨著新材料、新技術的不斷突破，光纖放大器在12921660nm波長范圍內獲得帶寬為300nm超寬帶

8、將不是夢想，Tbit/s DWDM光網絡傳輸系統(tǒng)將一定會實現。光纖放大器一般都由增益介質、泵浦光和輸入輸出耦合結構組成。目前光纖放大器主要有摻鉺光纖放大器、半導體光放大器和光纖拉曼放大器三種，根據其在光纖網絡中的應用，光纖放大器主要有三種不同的用途：在發(fā)射機側用作功率放大器以提高發(fā)射機的功率；在接收機之前作光預放大器以極大地提高光接收機的靈敏度；在光纖傳輸線路中作中繼放大器以補償光纖傳輸損耗，延長傳輸距離。光放大器不但可對光信號進行直接放大，同時還具有實時、高增益、寬帶、低噪聲、低損耗的全光放大功能，是新一代光纖通信系統(tǒng)中必不可少的關鍵器件；由于這項技術不僅解決了衰減對光網絡傳輸速率

9、與距離的限制，更重要的是它開創(chuàng)了1550nm頻段的波分復用，從而將使超高速、超大容量、超長距離的波分復用（WDM）、密集波分復用（DWDM）、全光傳輸、光孤子傳輸等成為現實，是光纖通信發(fā)展史上的一個劃時代的里程碑。在目前實用化的光纖放大器中主要有摻鉺光纖放大器（EDFA）、半導體（SOA）和光纖拉曼放大器（FRA）等，其中摻鉺光纖放大器以其優(yōu)越的性能現已廣泛應用于長距離、大容量、高速率的光纖通信系統(tǒng)、接入網、光纖CATV網、軍用系統(tǒng)（雷達多路數據復接、數據傳輸、制導等）等領域，作為功率放大器、中繼放大器和前置放大器。3.光纖放大器原理及分類3.1 EDFA的原理EDFA的泵浦過程需要使用三能級

10、系統(tǒng)，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)，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)。由于Er3+離子在亞穩(wěn)態(tài)能級上壽命較長，因此很容易在亞穩(wěn)態(tài)與基態(tài)之間形成粒子數反轉。當信號光子通過摻鉺光纖時，與處于亞穩(wěn)態(tài)的Er3+離子相互作用發(fā)生受激輻射效應，產生大量與自身完全相同的光子，這時通過摻鉺光纖傳輸的信號光子迅速增多，產生信號放大作用。Er3+離子處于亞穩(wěn)態(tài)時，除了發(fā)生受激輻射和受激吸收以外，還要產生自發(fā)輻射(ASE)，它造成EDFA的噪聲。摻鉺光纖放大器(EDFA)具有增益高、噪聲低、頻帶寬、輸出功率高、連接損耗低和偏振不敏感等優(yōu)點，直接對

11、光信號進行放大，無需轉換成電信號，能夠保證光信號在最小失真情況下得到穩(wěn)定的功率放大。3.2 EDFA的結構典型的EDFA結構主要由摻鉺光纖(EDF)、泵浦光源、耦合器、隔離器等組成。摻鉺光纖是EDFA的核心部件。它以石英光纖作為基質，在纖芯中摻人固體激光工作物質鉺離子，在幾米至幾十米的摻鉺光纖內，光與物質相互作用而被放大、增強。光隔離器的作用是抑制光反射，以確保放大器工作穩(wěn)定，它必須是插入損耗低，與偏振無關，隔離度優(yōu)于40 dB。3.3 EDFA的特性及性能指標增益特性表示了放大器的放大能力，其定義為輸出功率與輸入功率之比，Pout,Pin分別表示放大器輸出端與輸入端的連續(xù)信號功率。增益系數是

12、指從泵浦光源輸入1 mW泵浦光功率通過光纖放大器所獲得的增益。g0是由泵浦強度定的小信號增益系數，由于增益飽和現象，隨著信號功率的增加，增益系數下降；Is，Ps分別為飽和光強和飽和光功率，是表明增益物質特性的量，與摻雜系數、熒光時間和躍遷截面有關。增益和增益系數的區(qū)別在于：增益主要是針對輸入信號而言的，而增益系數主要是針對輸入泵浦光而言的。另外，增益還與泵浦條件(包括泵浦功率和泵浦波長)有關，目前采用的主要泵浦波長是980 nm和1 480 nm。由于各處的增益系數是不同的，而增益須在整個光纖上積分得到，故此特性可用以通過選擇光纖長度得到較為平坦的增益譜。3.4 EDFA的帶寬增益頻譜帶寬指信

13、號光能獲得一定增益放大的波長區(qū)域。實際上的EDFA的增益頻率變化關系比理論的復雜得多，它還與基質光纖及其摻雜有關。在EDFA的增益譜寬已達到上百納米而且增益譜較平坦。ED-FA的增益頻譜范圍在1 5251 565 nm之間。3.5 EDFA的級聯結構EDFA對光信號功率的放大，特別在無線光通信大功率(瓦級)應用中，常常采用級聯的方式，比如兩級或者三級放大。之所以采用級聯的方式，是因為在EDFA的摻鉺光纖(EDF)中插入一個光隔離器，構成帶光隔離器的兩段級聯EDFA，由于光隔離器有效地抑制了第二段：EDF的反向自發(fā)輻射(ASE)，使其不能進入第一段EDF，減少了泵浦功率在反向ASE上的消耗，使泵

14、浦光子更有效地轉換成信號光能量，從而可以明顯改善EDFA的增益、噪聲系數和輸出功率等特性。本文采用麗級級聯放大，將12 mW的1 550 nm光信號，經EDFA放大到1 W左右。級聯結構如圖3所示。光信號由LD激光器產生，是已調制的信號，第一級放大采用單包層摻鉺光纖放大器，980 nm單模半導體激光器作為泵浦源，將光功率放大到50 mW附近。第一級采用單模半導體激光器泵浦，先將光信號穩(wěn)定可靠的放大到一定功率，保證了整個光信號的完整，又為下一級光放大提供了較高的光功率基礎。第二級采用雙包層光纖放大器，多模半導體激光器泵浦源將光功率放大到1 W左右。雙包層光纖放大器纖芯比單包層纖芯大，泵浦功率可以

15、有效地耦臺到纖芯中，使第二級光信號的輸出功率可達到瓦級。3.6 影響增益的因素EDFA的增益與諸多因素有關，如摻鉺光纖的長度，隨著摻鉺光纖長度的增加，增益經歷了從增加到減少的過程，這是因為隨著光纖長度的增加，光纖中的泵浦功率將下降，使得粒子反轉數降低，最終在低能級上的鉺離子數多于高能級上的鉺離子數，粒子數恢復到正常的數值。由于摻鉺光纖本身的損耗，造成信號光中被吸收掉的光子多于受激輻射產生的光子，引起增益下降。由上述討論可知，對于某個確定的入射泵浦功率，存在著一個摻鉺光纖的最佳長度，使得增益最大。EDFA的增益還跟輸入光的程度、泵浦光功率及光纖中鉺離子Er3+的濃度都有關系，如小信號輸入時的增益

16、系數大于大信號輸入時的增益系數。當輸入光弱時，高能位電子的消耗減少并可從泵激得到充分的供應，因而，受激輻射就能維持達到相當的程度。當輸入光變強時，由于高能位的電子供應不充分，受激輻射光的增加變少，于是就出現飽和。泵浦光功率越大，摻鉺光纖越長，3 dB飽和輸出功率也就越大。其次與當Er3+的濃度超過一定值時，增益反而會降低，因此要控制好摻鉺光纖的鉺離子濃度。采用EDFA后，提高了注入光纖的功率，但當大到一定數值時，將產生光纖非線性效應和光泄漏效應，這影響了系統(tǒng)的傳輸距離和傳輸質量。另外色散問題變成了限制系統(tǒng)的突出問題，可以選用G653光纖(色散位移光纖DSF)或非零色散光纖(NZDF)來解決這一

17、問題。3.7 EDFA級聯的改進之所以采用EDFA級聯的方式，一是插入兩級間的光隔離器有效地抑制了第二段EDF的反向自發(fā)輻射(ASE)，使其不能進入第一段EDF，減少了泵浦功率在反向ASE上的消耗，使泵浦光子更有效地轉換成信號光能量；二是分為兩級后，各自的增益可以任意分配，可以根據不同的增益要求和應用環(huán)境改變相應的增益。但是，要在保證信號無失真的情況下得到最佳的光功率增益，還需要解決一些問題：(1)由于增益分為兩級，如何分配兩級問的增益才能在現有的EDF、泵浦源功率等條件下使得光放大的實現更容易，這與EDF的放大能力，泵浦遠功率大小、穩(wěn)定性，泵浦光波長及其模式等均有密切相關。(2)在每一級各自

18、一定的泵浦功率下，找到摻鉺光纖的最佳長度。當EDF過短時，由于對泵浦吸收的不充分而導致增益降低；而當EDF過長時，由于泵浦光在EDF內被鉺離子吸收，泵浦功率逐漸下降，當功率降至泵浦閾值以下時，就不能形成粒子數反轉，此時，這部分EDF不僅對信號光無放大作用，反而吸收了已放大的部分信號，造成增益的下降，同時也會引起噪聲系數的增大。(3)如果需要更高的光功率輸出，幾十瓦甚至上百瓦，可考慮更高級聯的方法，因為隨著增益的增大，泵浦源由于轉換效率的問題，功率需求會很高，所需的單級EDF長度也會大大增長，這樣的工作條件往往不易達到，且穩(wěn)定性不強，采用更高級聯可以將增益劃分到多級，易于實現和控制，光模塊的整體

19、增益特性也有較大提高。3.9摻鉺光纖放大器 摻鉺光纖放大器是利用摻鉺光纖這一活性介質，當泵浦光輸入到EDF中時，就可以將大部分處于基態(tài)的Er3+抽運到激發(fā)態(tài)上，處于激發(fā)態(tài)的Er3+又迅速無輻射地轉移到亞穩(wěn)態(tài)上，由于Er3+在亞穩(wěn)態(tài)上的平均停留時間為10ms，因此很容易在亞穩(wěn)態(tài)與基態(tài)之間形成粒子數反轉，此時，信號光子通過摻鉺光纖，在受激輻射效應作用下產生大量與自身完全相同的光子，使信號光子迅速增多，這樣在輸出端就可以得到被不斷放大的光信號。自80年代末至90年代初研制成摻鉺光纖放大器（EDFA），并開始應用于1.55mm頻段的光纖通信系統(tǒng)以來，推動了光纖通信向全光傳輸方向發(fā)展，且目前EDFA的技

20、術開發(fā)和商品化最成熟；應用廣泛的C波段EDFA通常工作在15301565nm光纖損耗最低的窗口，具有輸出功率大、增益高、與偏振無關、噪聲指數低、放大特性與系統(tǒng)比特率和數據格式無關，且同時放大多路波長信號等一系列的特性，在長途光通信系統(tǒng)中得到了廣泛的應用。其不足是C-Band EDFA的增益帶寬只有35nm，僅覆蓋石英單模光纖低損耗窗口的一部分，制約了光纖固有能夠容納的波長信道數；然而隨著因特網技術的迅速發(fā)展，要求光纖傳輸系統(tǒng)的傳輸容量要不斷地擴大，面對傳輸容量的擴大，目前主要有三種解決途徑：（1）增加每個波長的傳輸速率；（2）減少波長間距；（3）增加總的傳輸帶寬。對于第一種辦法，如果

21、速率提高到10Gbit/s將帶來新的色散補償問題，況且現在的電子系統(tǒng)還存在著所謂"電子瓶頸"效應問題。第二種辦法如果將信號間距從100GHz降低到50GHz或25GHz將給系統(tǒng)帶來四波混頻（FWM）等非線性效應，且要求系統(tǒng)采用波長穩(wěn)定技術。從而研究新的光纖放大器如L波段的EDFA是增加總的傳輸帶寬的一種，它將EDFA工作波長由C波段15301560nm擴展到L波段15701605nm，使EDFA的放大增益譜擴展了一倍。盡管L波段EDFA的波長覆蓋了EDF增益譜的尾部，但仍可與性能先進的C波段EDFA產品相媲美：例如兩者的基本結構相類似，大多數C波段EDFA的設計和制造技術仍

22、可應用于L波段EDFA研制；L波段EDFA有較小的輻射和吸收以及較低的平均反轉因子，增益波動系數遠小于C波段EDFA，所存在的是L波段EDFA的EDF較長帶來無源光纖損耗較大，3.10半導體光放大器 半導體光放大器（SOA）是采用通信用激光器相類似的工藝制作而成的一種行波放大器，當偏置電流低于振蕩閾值時，激光二極管就能對輸入相干光實現光放大作用。由于半導體放大器具有體積小、結構較為簡單、功耗低、壽命長、易于同其它光器件和電路集成、適合批量生產、成本低，可實現增益兼開關功能等特性，在全光波長變換、光交換、譜反轉、時鐘提取、解復用中的應用受到了廣泛的重視，特別是目前應變量子阱材料的半導體光放大器的

23、研制成功，已引起人們對SOA的廣泛研究興趣。國內武郵院與華中科技大學合作成功地研制開發(fā)了在光網絡中的關鍵器件-半導體光放大器，并很快實現了產品化，成為繼Alcatel公司之后能夠批量供應國際市場應用于光開關的半導體光放大器的供貨商，這標志著我國自行研制的應變量子阱器件邁出了商品化生產的關鍵一步。但半導體光放大器與摻鉺光纖放大器相比存在著噪聲大、功率較小、對串擾和偏振敏感、與光纖耦合時損耗大，工作穩(wěn)定性較差等缺陷，迄今為止，其性能與摻鉺光纖放大器仍有較大的差距。又由于半導體光放大器覆蓋了13001600nm波段，既可用于1300nm窗口的光放大器，也可以用于1550nm窗口的光放大器，且在DWD

24、M多波長光纖通信系統(tǒng)中，無需增益鎖定，那么它不僅可作為光放大器一種有益的選擇方案，而且還可以促成1310nm窗口DWDM系統(tǒng)的實現。3.11光纖拉曼放大器 受激拉曼散射（SRS）是光纖中的一種非線性現象，它將一小部分入射光功率轉移到頻率比其低的斯托克斯波上；如果一個弱信號與一強泵浦光波同時在光纖中傳輸，并使弱信號波長置于泵浦光的拉曼增益帶寬內，弱信號光即可以得到放大，這種基于受激拉曼散射機制的光放大器即稱為光纖拉曼放大器（FRA）。近年來光纖拉曼放大器倍受關注，已成為研制開發(fā)的熱點，它具有許多優(yōu)點：（1）增益介質為普通傳輸光纖，與光纖系統(tǒng)具有良好的兼容性；（2）增益波長由泵浦光波長決定，不受其

25、它因素的限制，理論上只要泵浦源的波長適當，就可以放大任意波長的信號光；（3）增益高、串擾小、噪聲指數低、頻譜范圍寬、溫度穩(wěn)定性好。正因為光纖拉曼放大器有這么多的優(yōu)點，它可以放大摻鉺光纖放大器所不能放大的波段，并可在12921660nm光譜范圍內進行光放大，獲得比EDFA寬得多的增益帶寬；再次增益介質為普通光纖，可制作分立式或分布式FRA，分布式光纖拉曼放大器可以對信號光進行在線放大，增加光放大的傳輸距離，應用于40Gbit/s的高速光網絡中，也特別適用于海底光纜通信系統(tǒng)，而且因為放大是沿著光纖分布而不是集中作用，所以輸入光纖的光功率大為減少，從而非線性效應尤其是四波混頻效應大大減少，這對于大容

26、量DWDM系統(tǒng)是十分適用的。FRA是EDFA的補充，而不是代替，兩者結合起來可獲得大于100nm增益平坦寬帶，這就是采用分布式光纖拉曼放大器的好處。 但光纖拉曼放大器有一個主要的缺點就是需要特大功率的泵浦激光器，解決這個問題的主要途徑有：一是研究降低閾值功率的泵浦激光器，使得普通的大功率半導體激光器能作為拉曼泵浦使用；其二是提高獲得更大輸出功率泵浦激光器的研制水平；其三是將多個泵浦源激光器的波長采用列陣、單片組合的方法復用在一起，獲得一個大功率輸出的泵浦激光器，此種方法不但可提供一個寬帶的增益譜，而且還可以通過調節(jié)單個激光器的功率來調整增益斜率。4.光纖放大器應用EDFA在功能應用上可以分為用

27、作遠距離傳輸的線路放大器、用作光發(fā)射機輸出的功率放大器和用作接收機前 端的前置放大器。 (1) 功率放大器 把EDFA置于光發(fā)射機半導體激光器之后，光信號經EDFA放大后進入光纖線路，從而使光纖傳輸的無中繼距離 增大，可達200km以上。具有輸出功率大、輸出穩(wěn)定、噪聲小、增益頻帶寬、易于監(jiān)控等優(yōu)點。 (2) 線路放大器 處于功率放大器之后，用于周期性地補償線路傳輸損耗，一般要求比較小的噪聲指數，較大的輸出光功率。 EDFA作為線路放大器有許多特殊功能是電子線路放大器不可比擬的。 (3) 前置放大器 處于分波器之前，線路放大器之后，用于信號放大，提高接收機的靈敏度。EDFA具有接近量子極限的低噪

28、聲 優(yōu)點，因而可用作接收機的前置放大器以提高接收靈敏度，要求噪聲指數很小，對輸出功率沒有太大的要求。 把EDFA置于光接收機PIN光檢側器的前面，來自光纖的信號經EDFA放大后再由PIN檢測。強大的光信號使電子放大器的噪聲可以忽略，用EDFA作預放的光接收機具有更高的靈敏度。 如果綜合上述各種應用，一個EDFA用作接收機前置放大器，另一個EDFA用作發(fā)送機的功率提升放大器， 就可以實現長距離的無中繼傳輸。這類系統(tǒng)主要用于海底光纖通信系統(tǒng)。 EDFA作前置放大器時，放在光接收機之前，以提高光接收機的靈敏度，一般工作于小信號或線性狀態(tài)，信號輸入功率約一40dBm。要求EDFA的增益足夠高，噪聲系數

29、則越小越好。 EDFA用作線路放大器時，可以直接插入到光纖傳輸鏈路中作為光中繼放大器，省去了電中繼器的光電光轉換過程，直接放大光信號，以補償傳輸線路損耗，延長中繼距離。一般工作在近飽和區(qū)，信號輸入功率約一20dBm。要求EDFA同時具有較高的增益和輸出光功率，還應有對其工作狀態(tài)的實時監(jiān)控。 EDFA作為功率放大器時，裝在光發(fā)送機之后，對光源發(fā)出的光信號進行放大，以補償無源光器件的損耗和提高發(fā)送光功率。通常工作于深飽和區(qū)，要求EDFA在保持適中的增益和噪聲系數下，能提供盡可能高的輸出光功率，必要時可用雙泵浦。5.EDFA在密集波分復用（DWDM）系統(tǒng)中應用的分析5.1 EDFA在DWDM系統(tǒng)中的

30、作用和應用方式EDFA是目前光放大器市場的主流品種，在DWDM系統(tǒng)、接入網和有線電視領域得到廣泛應用，在CATV系統(tǒng)中通常作為功率放大器以提高發(fā)射機的功率，使發(fā)射機覆蓋的用戶數大大增加，也可作為光纖線路的中繼放大器，以補償光分路器及線路損耗，使傳輸距離大大增加。光纖放大器與其他放大器比較，具有輸出功率大、增益高、工作帶寬寬、與偏振無關、噪聲指數低、放大特性與系統(tǒng)比特率、數據格式無關等特點，它已成為新一代光通信系統(tǒng)的關鍵器件之一。摻鉺光纖放大器用在系統(tǒng)發(fā)射機輸出短，提高發(fā)送功率，延長傳輸距離；用在光纖傳輸鏈路中，補償光能量的損失，可增加傳輸距離；用在光接收機前，對信號進行預防大，可提高光接收機靈

31、敏度。應用范圍包括干線高速光通信系統(tǒng)、海纜系統(tǒng)、本地網、用戶接入網、摻鉺光纖放大器作為功率放大器有許多特殊功能是電子線路放大器所不能比擬的，分述 xUPgc0 如下：摻鉺光纖放大器可用作數字、模擬以及相干光通信的功率放大器。即如果線路上已采用摻鉺光纖放大器做功率放大器，那么，不管它需要傳輸數字信號還是傳輸模擬信號，不必改變摻鉺光纖放大器線路設備。 C;YtMY:  b2O$ l   摻鉺光纖放大器可傳輸不同的碼率。如果需要擴容，由低碼率改變?yōu)楦叽a率時，不必改變摻鉺光纖放大器線路設備。 m'eM&1Ba  :Vrji-   摻鉺光纖放大器做

32、功率放大器，可在不改變原有噪聲特性和誤碼率的前提下，直接放大數字、模擬活二者混合的數據格式，特別適合光纖傳輸網絡升級。實現語音、圖像、數據同網傳輸，不必改變摻鉺光纖放大器線路設備。 (Bss%   3BWT   一個摻鉺光纖放大器可同時傳輸若干波長的光信號，即用光波復用擴容時，不必改變摻鉺光纖放大器線路設備。 實踐證明，使用摻鉺光纖放大器的光纖干線傳輸，經過近千公里的傳輸后的誤碼率人能達到 。如果采用飽和功率為18dBm的放大器，可是實現160200km無中繼通信。如果有必要，還可將中繼距離延長更遠。 )gG_K$08?   O:lO   5.1.1前置

33、放大器 Gdr 7d  m,SWG   把摻鉺光纖放大器置于光接收機關監(jiān)測器前面。來自光纖的光信號經摻鉺光纖放大器放大后再由光檢測器檢測。由于摻鉺光纖放大器的信噪比由于電子放大器，所以用摻鉺光纖放大器作預放大器的光接收機具有較高的靈敏度，其靈敏度甚至不亞于相干光接收機的。5.1.2線路放大器 TYedem<$  mam(hf$   把摻鉺光纖放大器至于光纖傳輸線路中，將已被衰減了的小信號進行放大，可以大大延長傳輸距離，也成為中繼放大器。線路放大器的顯著優(yōu)點是增益高，通常大于30dB。由于可以級聯使用，特別適合海底遠程通信和陸地超長距離傳輸使用。使用

34、線路放大器必須解決遠程監(jiān)控問題，國際標準化組織已制定出多種監(jiān)控標準，可以按照標準進行遠程監(jiān)控。 'In qa;TQz   5.1.3用戶接入網中的光纖放大器 $1myf Z  *Q KjD   光纖放大器在用戶接入網中也占有重要地位。在光纖用戶網中，雖然用戶系統(tǒng)的距離較短，但是用戶網的分子太多，光線干線中的光信號功率要進行眾多的分配，甚至是多級進行分配。這樣一來被分配到每個分支獲得光信號就相當的弱，不能保證用戶的終端設備的接收質量。為此，需要將光信號進行放大，這就需要光纖放大器。將光纖放大器置于光發(fā)射機后端，以提高入纖的光功率，使整個線路系統(tǒng)的光功率得到提

35、高，以滿足各級需要，這就要用到光纖功率放大器。 <9Pf G=  %I;iP|/   在用戶網中，當用戶系統(tǒng)距離過長時需要使用線路放大器；為了提高各支路的光功率分配數量，也要使用這類放大器。 G 4 C 7  fQYBFhlr   總之，光線放大器在用戶接入網中主要是提高光信號的功率，即可以補償光耦合器燈光器件所造成的光損耗，又可以大大提高用戶數量以及復用密度，對降低用戶網建設成本也會起到很大作用。摻鉺光纖放大器在密集波分復用系統(tǒng)中的應用主要是補償傳輸中的光纖損耗，根據放大器在系統(tǒng)中的位置及作用，可以分成以下三種類型： 功率放大器（booster-

36、Amplifier），處于合波器之后，用于對合波以后的多個波長信號進行功率提升，然后再進行傳輸，由于合波后的信號功率一般都比較大，所以，對一功率放大器的噪聲指數、增益要求并不是很高，但要求放大后，有比較大的輸出功率。 線路放大器（Line-Amplifier），處于功率放大器之后，用于周期性地補償線路傳輸損耗，一般要求比較小的噪聲指數，較大的輸出光功率。 前置放大器（Pre-Amplifier），處于分波器之前，線路放大器之后，用于信號放大，提高接收機的靈敏度（在光信噪比(OSNR)滿足要求情況下，較大的輸入功率可以壓制接收機本身的噪聲，提高接收靈敏度），要求噪聲指數很小，對輸出功率沒有太大的

37、要求。6.新型光纖放大器摻鉺光纖放大器對于波長為1540-1560nm的第三個光纖通信窗口很有吸引力。雖然已經取得了很大進步，但是為了得到高容量的光纖通信，我們還在繼續(xù)發(fā)展高增益的EDFA。然而，光纖系統(tǒng)還在遭受由于光纖材料的不同的固有特性導致的損耗。因此，很多研究都直接指向了新材料和系統(tǒng)的優(yōu)化。很多系統(tǒng)結構被提出了，來提高放大器的增益，減少噪聲。我們知道，目前還沒有達到54db附近增益的報道。一個減少ASE自飽和的技術在1976年被提出了。但是，這個結構遇到了由于連接處和其他光部件的缺陷導致的額外反射。其他報告顯示出，濾波器可以和光隔離器一起使用來抑制前向的ASE，并且提高信號增益。另一種得

38、到高增益的方法是讓光信號通過EDFA兩次。本文的系統(tǒng)結構，通過使用一個相對較短的摻鉺光纖，可以得到更高的增益和更好的噪聲指數。這個系統(tǒng)結構由一個循環(huán)連接器和四個端口構成。端口1用來輸入信號，端口2用來信號輸出，另外兩個端口連接到連接器2和連接器3，這兩個連接器每個都有三個端口，用來使信號循環(huán)。在實驗中這個結構還可以變化出很多結構來。結果及論證圖一顯示了使用DS-DP結構得到的兩級四倍放大器。兩個TBF包含在了系統(tǒng)中，在CIR2和CIR3的端口1和端口3之間。一個980nm的半導體激光器用來作為泵浦源，它的最大功率為300mw。第一級和第二級由EDF1和EDF2組成，它們分別為10m和15m。E

39、DF1和EDF2在1527波長處有6db/m的峰值吸收率。校準實驗顯示出，每次通過信號會減弱12db。這樣，增強的信號從CIR1的端口1向端口2傳播，然后通過EDF1，得到第一次放大，然后從CIR2的端口2向端口3傳播，它第一次通過了TBF濾波器進入端口1并且回到端口2，當它第二次通過EDF1的時候它又一次得到了放大，進入到CIR1的端口2.，然后進入第二級放大，通過EDF2和CIR2。光譜分析儀連接到了CIR1的端口4.這一技術使得信號通過兩級放大器后增加了四倍。圖一：DSQP實驗結構圖二顯示了一個1550nm波長的信號得到增益的細節(jié)。這一細節(jié)針對了功率在-20dbm，-35dbm和-50d

40、bm的信號。泵浦功率要優(yōu)化到如下程度：第一級固定為10mw，第二級從10mw增加到220mw，每步增加10mw。增益值在兩級的泵浦功率都只有10mw時可以達到41db，得到了對于-50dbm信號的增益系數為4.1db/mw。三個信號的增益都逐步增加著，直到泵浦功率達到80mw時，增益值就增加得慢了。最高的增益為61db，它是對于-50db信號，泵浦功率為220mw時得到的。圖二： 1550nm波長信號實驗增益和泵浦功率之間關系圖三是噪聲系數和泵浦功率的關系。它顯示出泵浦功率增加時噪聲系數不變。這可以由噪聲系數和泵浦功率的關系來解釋，這可能是由于濾波器的影響，它使噪聲系數為一個固定值。-50db

41、m信號有最低噪聲系數，為7db。-20db信號噪聲系數最高。噪聲系數與泵浦功率無關。圖三：1550nm波長信號實驗噪聲系數和泵浦功率關系圖四顯示了增益和噪聲系數與1550nm波長輸入信號功率之間關系。第二級的泵浦功率設置為220,150,100和50mw，第一級的泵浦功率仍然固定為10mw。對于-30dbm信號，用最低功率50mw泵浦時，增益值超過了40db，因此，最高增益在泵浦功率超過50mw，信號功率低于-30dbm時獲得。對于小信號（<-40dbm）我們沒有觀察到明顯的增益飽和現象。我們期望對于更低功率的信號（<-60dbm）增益值可以超過70db。放大器的噪聲系數也被記錄了

42、下來，它隨著信號功率的增加而增加。對于低于-30dbm的信號，噪聲系數達到了最低值，最低值在7db和10db之間。圖四：增益和噪聲系數與1550nm波長輸入信號功率之間關系圖五顯示出輸出功率和增益之間關系。信號輸出功率和增益都隨著泵浦功率的增加而增加，并且二者都是常量。泵浦功率為10,30,70和90mw時，輸出飽和功率分別為3,8,10.5和13dbm。未達到飽和的增益值為41,47,51,53和54db。對于波長為1550nm的功率為0dbm的輸入信號有一個輸出功率最大值，為13.01dbm（泵浦90mw），-50dbm信號最大增益值為61db。圖五：1550nm波長信號輸出功率和增益之間

43、關系圖六描述了輸出信號功率值和輸入信號功率值在不同泵浦功率下的關系。圖表顯示出隨著輸入信號的增加，輸出信號也增加。圖表顯示出了輸出功率對于輸入功率的依賴關系。系統(tǒng)顯示出對于-30dbm信號的一個較高的輸出功率值，為18dbm。信號功率從0dbm減少到-30dbm時，輸出信號基本不變。低于-30dbm時輸出開始持續(xù)降低了。對于-45dbm和-50dbm之間輸入信號，輸出不足10dbm了。圖六：1550nm波長信號輸出信號功率值和輸入信號功率值的關系7.光放大器應用要求為了確保WDM系統(tǒng)的傳輸質量，WDM系統(tǒng)中使用的EDFA應具有足夠的帶寬、平坦的增益、低噪聲系數和高輸出功率。 EDFA增益帶寬

44、目前，EDFA可用增益頻譜范圍為l530l565nm，增益帶寬為35nm左右，可以滿足432信道的WDM系統(tǒng)。如果希望進一步增大帶寬，以利用波長資源，則必須開發(fā)新型的光放大器。 WDM系統(tǒng)對EDFA增益平坦度的要求 EDFA的增益平坦度(GF)是指在整個可用增益的帶寬內，最大增益波長點的增益與最小增益波長點的增益之差。在WDM系統(tǒng)中，要求EDFA的GF越小越好。 一般EDFA在它的工作波段內存在著一定的增益起伏，即不同波長所得到的增益不同。雖然增益差值不大，但當多個EDFA級聯應用時，這種增益差值會線性積累，嚴重時，信號到達接收端后，有些高增益信道的接收光功率過大使接收機過載，而某些低增益信道

45、的接收光功率過小而達不到接收機靈敏度。因此，要使各信道上的增益偏差處于允許范圍內，放大器的增益就必須平坦。 使光纖放大器增益平坦的技術有兩種途徑：一是增益均衡技術；二是光纖技術。 a增益均衡技術增益均衡技術是利用損耗特性與放大器的增益波長特性相反的增益均衡器來抵消增益的不均勻性，這種技術的關鍵在于放大器的增益曲線和均衡器的損耗特性精密吻合，使綜合特性平坦。增益均衡技術可以分為固定式的和動態(tài)的?，F階段實用化的固定式增益平坦技術主要有光纖光柵技術和介質多層薄膜濾波器技術等。增益均衡用的光纖光柵是一種長周期光纖光柵。其光柵周期一般為數百um。通過多個長周期的光柵組合，可以構成具有與EDFA增益波長特

46、性相反的增益均衡器。使用該技術，在15281568nm的40nm帶寬內，可以實現增益偏差在5以內的帶寬增益平坦的EDFA。 動態(tài)的增益均衡技術是指動態(tài)增益可調的增益平坦濾波器技術，主要有法拉第旋轉體型增益可調濾波器技術、波導MZ型增益可調型濾波器技術、陣列波導型動態(tài)增益可調濾波器技術和聲光型動態(tài)增益可調濾波器技術等。b光纖技術所謂光纖技術是指通過改變光纖材料或者利用不同光纖的組合來改變EDF的特性，從而改善EDFA的增益平坦性。可分為濾波器型和本征型兩類。 濾波器型是在EDFA中內插無源濾波器將1530nm的增益峰降低，或專門設計其透射譜與EDFA增益譜相反的光濾波器將增益譜削平，但濾波器型結構工藝都較復雜，附加損耗大，輸出功率會減小。 本征型是在EDF中摻入別的雜質(如摻鋁EDFA、摻釔EDFA)或改變EDF基質(如氟化物EDFA、碲化物EDFA)。其最大優(yōu)點是無需制作和引入附加元件。 EDFA增益特性的優(yōu)化技術 采用放大波段內的增益控制和光譜均衡方法，能取得ED