(完整版)摻鉺光纖放大器的原理與應(yīng)用畢業(yè)論文

WuxiProfessionalCollegeofScienceandTechnology畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)報(bào)告題目摻鉺光纖放大器的原理與應(yīng)用 指導(dǎo)教師摻鉺光纖放大器的原理與應(yīng)用摘要：光纖通信就是利用光纖來傳輸攜帶信息的光波以達(dá)到通信的目的。大器(簡(jiǎn)寫OFA)是指運(yùn)用于光纖通信線路中，實(shí)現(xiàn)信號(hào)放大的一種新型Thispaperdescribestheerbium-dopedfiberamplifiertheories.First,erbium-dopedfiberamplifiergeneralintroductiontothetheerbium-dopedfiberamplifierinamodernopticalfibercommunicationsystemshouldbeshipped.fiber、amplifierShouldbeship 1第一章緒論 21.1光纖通信系統(tǒng)中放大技術(shù) 31.1.1光纖放大器的分類 31.1.2半導(dǎo)體光放大器41.1.3光纖放大器…………………1.2摻鉺光纖放大器的發(fā)展歷史…………第二章?lián)姐s光纖放大器的工作原理及性能參數(shù)…2.1摻鉺光纖放大器的介紹……………2.4EDFA的增益特性………………第三章EDFA在密集波分復(fù)用系統(tǒng)中應(yīng)用與研究…3.1波分復(fù)用(WDM)的基本概念………3.1.1波分復(fù)用系統(tǒng)的組成…………3.1.4密集波分復(fù)用(DWDM)原理概述…3.2EDFA在密集波分復(fù)用(DWDM)系統(tǒng)中應(yīng)用的分析…………3.2.1EDFA在DWDM系統(tǒng)中的作用和應(yīng)用方式………………致謝參考文獻(xiàn)668的。遠(yuǎn)在周代我國(guó)就有了烽火傳遞信息的方法，烽火作為一種原始的聲光通信手段，服務(wù)于古代軍事戰(zhàn)爭(zhēng)。從邊境到國(guó)都以及邊防線上，每隔一定距離就筑起一座烽火臺(tái)。內(nèi)儲(chǔ)柴草，當(dāng)敵人入侵時(shí)，便一個(gè)接一個(gè)地點(diǎn)燃信系統(tǒng)中光放大又是一個(gè)非常重要的環(huán)節(jié)。光放大器是可將微弱的光信號(hào)光波分復(fù)用技術(shù)，光孤子通信技術(shù)迅速成熟并得于全光通信網(wǎng)奠定了扎實(shí)的基礎(chǔ)，成為現(xiàn)代和未來光因此,從90年代后期起(GS)型EDFA(1570～1600nm)。另外，在CATV系統(tǒng)中應(yīng)用最多的1.3μm波長(zhǎng)的單模光纖(SMF)系統(tǒng)中，由于波長(zhǎng)色散甚小即使不作色散補(bǔ)償，也能傳輸高至10Gbps的優(yōu)點(diǎn)，一直受到業(yè)界的重視。但由于1.3μm的SMF傳輸損耗較大(一般為0.30dBkm)。所以只適用于近、中距離傳的遠(yuǎn)距離傳輸。今后，隨著1.3μm的遠(yuǎn)距離傳輸需要增加，新問世的1.3μm波域的摻譜光纖放大器(EPFA)也成了業(yè)界關(guān)心的熱點(diǎn)。近年，由于因特網(wǎng)的爆發(fā)式增長(zhǎng)，為了有效的利用光普波長(zhǎng)資源，在開發(fā)太比秒級(jí)(1Tbp)的高速信號(hào)中，高密度波分復(fù)用(DWDM)又稱密集波分復(fù)用技術(shù)的發(fā)展，也促進(jìn)了1.4μm波域的利用。為此目的研制的摻銩光纖放大器(TDFA)的實(shí)用化也是業(yè)界關(guān)心的產(chǎn)品。還有，應(yīng)用光纖拉曼現(xiàn)象的拉曼光纖放大器，隨著WDM技術(shù)的應(yīng)用，又重新抬頭，在實(shí)現(xiàn)超寬波域達(dá)100nm放大方面頗具特點(diǎn)。本文擬就摻鉺光纖放大器(EDFA)的原理及應(yīng)用發(fā)展動(dòng)向作一綜述。第一章緒論1.1光纖通信系統(tǒng)中放大技術(shù)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(zhì)。每一種摻雜劑的增益帶寬是不同的。摻鉺光纖放大器的增益帶較應(yīng)制作成的光放大器，即大功率的激光注入光纖后，會(huì)發(fā)生非線性效應(yīng)?喇曼放大器已開始商品化了，不過相當(dāng)昂貴。半導(dǎo)體光放大器(SOA)一般是指行是采用光—電—光的轉(zhuǎn)換方式。中繼器的這種工作模式帶來了不少問題，如激動(dòng)人心。它使光通信技術(shù)產(chǎn)生了革命性的變化：用相對(duì)簡(jiǎn)單價(jià)廉的光放大器，代替長(zhǎng)距離光纖通信系統(tǒng)中傳統(tǒng)使用的復(fù)雜昂貴的光—電—光混合式中即摻稀土元素的光纖放大器和利用常規(guī)光纖的非線性效應(yīng)(如受激拉曼散射，受激希里淵散射等)的光放大器。半導(dǎo)體光放大器主要是行波半導(dǎo)體一半導(dǎo)體激光器結(jié)構(gòu)作為放大裝置使用的器件，因?yàn)榫哂心軒ЫY(jié)構(gòu),所料的組成可以使波長(zhǎng)使用范圍超過100Inp這樣的半導(dǎo)體材料制作,與半導(dǎo)體激光器的主要不同之處是SOA帶抗的條件相對(duì)于厚度為14波長(zhǎng)。實(shí)際的放大器,傳輸光是數(shù)微米的點(diǎn)光,可器使用，入射光的偏振方向是無規(guī)則的2半導(dǎo)體光放大器的原理:半導(dǎo)體光放大器的原理與摻稀土光纖放大器相似但也有不同,其放大特性主要取決于有源層的介質(zhì)特性和激光腔生非平衡載流子,實(shí)際上是一種光向另一種光轉(zhuǎn)換的過程。電致發(fā)光是指用電學(xué)方法將非平衡載流子直接注人到半導(dǎo)體中而產(chǎn)生發(fā)光,這常借換能量而不產(chǎn)生光發(fā)射,稱為無輻射躍遷,,同時(shí)在價(jià)帶中留下空穴,,這一過程只與晶格交與此同時(shí)，導(dǎo)帶底的電子還,并同時(shí)發(fā)射光子,二者形成動(dòng)態(tài)平衡,與熱平衡狀態(tài)下的情況不同,這時(shí)的電子和空穴為非平衡載流子，數(shù)即輻射壽命與無輻射躍遷的時(shí)間常數(shù)相比相對(duì)較長(zhǎng),所以可以認(rèn)為電子和空穴各自保持熱平衡狀態(tài)，對(duì)載流子的這種準(zhǔn)復(fù)合，同時(shí)發(fā)射一個(gè)光子,這一過程稱為自發(fā)輻射發(fā)光受激輻射躍遷是會(huì)產(chǎn)生非平衡載流子,半導(dǎo)體在泵浦光激勵(lì)下怎樣產(chǎn)生光放大為?了盡可能簡(jiǎn)單，假設(shè)半導(dǎo)體在0K,費(fèi)米能級(jí)在禁帶的中間位置,因此在Ep以下類似于EDFA中的能帶E1和E2所起的作用，只是它的能帶比EDFA的能則半導(dǎo)體吸收光子,當(dāng)吸收了泵浦光子后就會(huì)在導(dǎo)帶中產(chǎn)生電子，而在價(jià)帶中留下空穴,然后電子和空穴都迅速向能帶的最底點(diǎn)弛豫，并通過如果泵浦源的強(qiáng)度越來越大比帶間復(fù)合速率快得多,那么可以利用準(zhǔn)費(fèi)米能級(jí)Epn和Epp來描述電子空穴的數(shù)目。于是導(dǎo)帶底和Epn之間的每個(gè)態(tài)都被添滿,而價(jià)帶頂和之間的所有態(tài)都是空的，從而實(shí)現(xiàn)光放大。通過適距離的限制，更重要的是它開創(chuàng)了1550nm頻段的波分復(fù)用，從而將使超高里程碑。在目前實(shí)用化的光纖放大器中主要有摻鉺光纖放大器(EDFA)、統(tǒng)、接入網(wǎng)、光纖CATV網(wǎng)、軍用系統(tǒng)(雷達(dá)多路數(shù)據(jù)復(fù)接、數(shù)據(jù)傳輸、制導(dǎo)等)等領(lǐng)域，作為功率放大器、中繼放大器和前置放大器。大器以極大地提高光接收機(jī)的靈敏度；在光纖傳輸線路中作中繼放大器以1.2摻鉺光纖放大器的發(fā)展歷史90年代開始在光纖傳輸系統(tǒng)中應(yīng)用的新型器件，它的推廣應(yīng)用為光纖通信光纖，后來發(fā)現(xiàn)了在光纖中摻鉺元素能夠?qū)崿F(xiàn)放大的作用，其工作波長(zhǎng)對(duì)從遠(yuǎn)離前端處將光纖干線分支時(shí)，可在分支前面接入摻鉺光纖放大器，作為線路放大器，以補(bǔ)償分支損耗。在光纖傳輸網(wǎng)絡(luò)管理中如何實(shí)現(xiàn)置。其二是由光纖放大器的開關(guān)量信息接口向網(wǎng)管系統(tǒng)送開關(guān)量信增益平坦摻鉺光纖放大器?它的應(yīng)用狀況如何?采用在1550nm窗口附近的密集型WDM技術(shù)是擴(kuò)大現(xiàn)有光纖通信能力的最有效的方法。增益平坦型光纖放大器是DWDM傳輸系統(tǒng)的關(guān)鍵部件，可以十分有效地解決由于光模塊是集成化的摻鉺光纖放大器(如圖1-1所示),泵浦光源隔離器D/AA/D光疆光功率控制分為光電一體EDFA模塊和光增益模塊兩種，其具有體積小、功耗低、使用方便等特點(diǎn)，可以根據(jù)用戶使用的情況十分方便地安裝在各種各樣的應(yīng)用系統(tǒng)中，如SDH機(jī)架內(nèi)、CATV機(jī)盒內(nèi)、DWDM系統(tǒng)機(jī)架內(nèi)。1.3EDFA的發(fā)展方向EDFA的發(fā)展方向EDFA從C波段(conventionalband)15301560nm(常規(guī)的ED-FA)向L波段(longwavelengthband)1570～1605nm發(fā)展，可采用摻鉺氟化物光纖放大器(EDFFA),帶寬可達(dá)75nm;采用碲化物EDFA,帶寬可達(dá)76nm;采用增益位移摻鉺光纖放大器(GS-EDFA),通過控制摻鉺光纖的鉺粒子數(shù)反轉(zhuǎn)程度，可在1570～1600nm波段實(shí)現(xiàn)放大，它與普通的EDFA組合，可得到帶寬約80nm的寬帶放大器；采用覆蓋C波段和L波段的超寬帶光放大器(UWOA),可用帶寬80nm,能在單根光纖上放大100多路波長(zhǎng)信道；采用常規(guī)EDFA和擴(kuò)帶光纖放大器(EBFA)組成的基于摻鉺光纖的雙帶光纖放大器(DBFA),工作波長(zhǎng)為1528~1610nm;將局部平坦的EDFA與光纖拉曼放大器串聯(lián)使用，可獲光放大器目前具有競(jìng)爭(zhēng)力的技術(shù)為MiniEDFA、EDWA和SOA技術(shù)，這種第二章?lián)姐s光纖放大器的工作原理及性能參數(shù)2.1.1EDFA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),是一種寬帶一個(gè)典型的摻鉺光纖放大器主要由以下幾部分組成(如圖2-2所示):(1)摻鉺光纖——是EDFA的主體，在石英基質(zhì)中摻入餌離子制成。號(hào)號(hào)信光出輸光濾波器隔離器纖光鉺摻耦合器隔離器號(hào)信光入輸2.1.2EDFA的放大原理大部分處于基態(tài)的Er3+離子抽運(yùn)到激發(fā)態(tài)上，處于激發(fā)態(tài)的Er3+離子又粒子數(shù)比處于基態(tài)的Er3+粒子數(shù)多。當(dāng)信號(hào)圖2-3:Er3+能級(jí)圖2.1.3EDFA的基本性能(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)輻射光有2.2EDFA的優(yōu)缺點(diǎn)(1)EDFA的工作波長(zhǎng)與光纖最小損耗窗口一致，恰好落在最佳波長(zhǎng)區(qū)到0.1dB,耦合效率高。因?yàn)槭枪饫w型放大器，易于與傳輸光纖耦合連(2)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)，這換效率。所需泵浦光功率較低(數(shù)十毫瓦),泵浦效率卻相當(dāng)高，用980nmdBmW;泵浦功率轉(zhuǎn)換為輸出功率的效率和吸收效率高于80%。(3)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,甚至20dBm。噪聲指數(shù)(4)頻帶寬，在1310nm和1550nm窗口各有20-40nm帶寬，可以進(jìn)行可以實(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;(注：所謂極化工藝處理后(如升溫，紫外照射，激光注入等),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的群速色極化光纖器件散；②與晶體材料的非線性光學(xué)器件或電光器件相(8)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)和低比特率信字體系具有完全的透明度，與準(zhǔn)同步數(shù)字體系(PDH)和同步數(shù)字體系(SDH)的所需電流，從而降低了對(duì)海底電纜和絕緣特性的要求：在放大器級(jí)聯(lián)使用中當(dāng)然EDFA也有其固有的缺點(diǎn)。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。光纖線路，從而使光纖傳輸?shù)臒o中繼距離增近量子極限的低噪聲優(yōu)點(diǎn)，因而可用作接收機(jī)的前置放大器以提高接收靈接收機(jī)PIN光檢側(cè)器的前面，來自光纖的信號(hào)經(jīng)EDFA放大后再PIN檢由測(cè)。強(qiáng)大的光信號(hào)使電子放大器的噪聲可以忽略，用EDFA作預(yù)放的光接2.4EDFA的增益特性以分貝(dB)來表示。G=PoutPin(1)G=10lg(PoutPin)(做參變量，給出了增益G(dB)與光纖長(zhǎng)度1之間的關(guān)系曲線。對(duì)一定的泵浦度(Lopt),這時(shí)增益最大。可以這樣認(rèn)為，當(dāng)長(zhǎng)度L<Lopt時(shí)，泵浦光功率Pp(z)>Ppth,在整個(gè)長(zhǎng)度的EDF上，處處滿足放大條件，從而最做參變量給出了增益G與泵浦功率凡之間的關(guān)系。開始時(shí)G隨著PP的增(2)根據(jù)相近參數(shù)的摻餌光纖(根據(jù)速率方程),長(zhǎng)度分別為：(a)15m;浦功率關(guān)系(3)取相同參數(shù)摻餌光纖長(zhǎng)度30m,信號(hào)光功率為1μW。前向(1)前向(同向)泵浦在摻餌光纖的輸入端，泵浦光較(2)反向泵浦泵浦光與信號(hào)光從不同的反向輸入EDFA,兩者在光纖中傳輸方向相反。其優(yōu)點(diǎn)是:當(dāng)光信號(hào)放大到很強(qiáng)時(shí)，泵浦光也強(qiáng)，不易達(dá)到飽和。(3)雙向泵浦為使EDFA中摻雜粒子得到充分的激勵(lì)，必須提高泵浦功率，所以可以用多個(gè)泵浦源激勵(lì)光纖。如果提供部分前向泵浦，部分后向泵浦，則稱為雙向泵浦。這種泵浦方式結(jié)合了前向泵浦與反向泵浦的優(yōu)點(diǎn)，使得泵浦光在光纖中均勻分布，從而其增益在光纖中也均勻分布。WDMWDMWDM1WDM2雙向泵浦型：輸出信號(hào)功率比單泵浦源高3dB,且放大特性與信號(hào)傳輸方向無關(guān)圖2-4:三種泵浦方式的EDFA第三章EDFA在密集波分復(fù)用系統(tǒng)中應(yīng)用與研究光通信系統(tǒng)可以按照不同的方式進(jìn)行分類。如果按照信號(hào)的復(fù)用方式Multiplexing)、時(shí)分復(fù)用系統(tǒng)(TDM-TimeDivisionMultiplexing)、一種傳輸技術(shù)，它利用了一根光纖可以同時(shí)傳輸多個(gè)不同波長(zhǎng)的光載波的特點(diǎn)，把光纖可能應(yīng)用的波長(zhǎng)范圍劃分成若干個(gè)波段，每個(gè)波段作一個(gè)獨(dú)立的通道傳輸一種預(yù)定波長(zhǎng)的光信號(hào)。光波分復(fù)用的實(shí)質(zhì)是在光纖上進(jìn)行光頻分復(fù)用(OFDM),只是因?yàn)楣獠ㄍǔ２捎貌ㄩL(zhǎng)而不用頻率來描述、監(jiān)測(cè)與控制。隨著電-光技術(shù)的向前發(fā)展，在同一光纖中波長(zhǎng)的密度會(huì)變得很高。因而,使用術(shù)語密集波分復(fù)用(DWDM-DenseWavelength傳統(tǒng)的TDM系統(tǒng)只不過利用了這條道路的一條車道，提高比特率相當(dāng)于管PIN或APD把接收到的光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，然后該電信號(hào)對(duì)標(biāo)準(zhǔn)用的光纖放大器中主要有摻鉺光纖放大器(EDFA)、半導(dǎo)體光放大器(SOA)下光路，而在EDFA之后上光路。3.1.2EDFA在WDM系統(tǒng)中的應(yīng)用EDFA在WDM系統(tǒng)中可以作為前置放大器和提高發(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①EDFA增益帶寬目前，EDFA可用增益頻譜范圍為I530～1565nm,增益帶寬為35nm左右，可以滿足4～32信道的WDM系統(tǒng)。如果希望進(jìn)一步增大帶寬，以利用波長(zhǎng)資源，則必須開發(fā)新型的光放大器。EDFA的增益平坦度(GF)是指在整個(gè)可用增益的帶寬內(nèi)，最大增益波長(zhǎng)點(diǎn) a.增益均衡技術(shù)增益均衡技術(shù)是利用損耗特性與放大器的增益波長(zhǎng)是一種長(zhǎng)周期光纖光柵。其光柵周期一般為數(shù)百um。通過多個(gè)術(shù)，在1528～1568nm的40nm帶寬內(nèi)，可以實(shí)現(xiàn)增益偏差在5%以內(nèi)的帶低，或?qū)ｉT設(shè)計(jì)其透射譜與EDFA增益譜相反的光濾波器將增益譜削平，但濾EDF中摻入別的雜質(zhì)(如摻鋁EDFA、摻釔EDFA)或改變EDF基質(zhì)(如氟化其最大優(yōu)點(diǎn)是無需制作和引入附加元件。③EDFA增益特性的優(yōu)化技術(shù)另外，還有飽和波長(zhǎng)的方法。在發(fā)送端，除了傳輸信號(hào)的工作波長(zhǎng)外，系統(tǒng)還發(fā)送另一個(gè)波長(zhǎng)作為飽和波長(zhǎng)。在正常情況下，該波長(zhǎng)的輸出功率很小，當(dāng)線路的某些信號(hào)失去時(shí)，飽和波長(zhǎng)的輸出功率會(huì)自動(dòng)增加，用以建議規(guī)定：?jiǎn)温坊蚝下啡肜w最大光功率電平為+17dBm。對(duì)鏈路切斷情況下密集WDM(DWDM)不僅極大地提高了網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的通信容量，充分利用了光波，根據(jù)每一個(gè)信道光波的頻率(或波長(zhǎng))不同將光纖的低損耗窗口劃分一些光器件(如帶寬很窄的濾光器、相干光源等)還不很成熟，因此，要實(shí)現(xiàn)光信道非常密集的光頻分復(fù)用(相干光通信技術(shù))是很困難的，但基于道間隔較大(甚至在光纖不同窗口上)的復(fù)用稱為光波分復(fù)用(WDM),再為193.1THz(對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)1552.52nm),不同波長(zhǎng)的頻率間隔應(yīng)為100GHz波長(zhǎng)復(fù)用器復(fù)用在一起送入摻鉺光纖功率放大器(摻鉺光纖放大器主要用來彌補(bǔ)合波器引起的功率損失和提高光信號(hào)的發(fā)送功率),再將放大后的多路接收端經(jīng)光前置放大器(主要用于提高接收靈敏度，以大以后，送入光波長(zhǎng)分波器分解出原來的各路光信號(hào)。3.2EDFA在密集波分復(fù)用(DWDM)系統(tǒng)中應(yīng)用的分析3.2.1EDFA在DWDM系統(tǒng)中的作用和應(yīng)用方式器所不能比擬的，分述如下：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,不管它需是實(shí)現(xiàn)160—200km無中繼通信。如果有必要，還可將中繼距離延長(zhǎng)更號(hào)經(jīng)摻鉺光纖放大器放大后再由光檢測(cè)器檢測(cè)。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(yù)放大器的光接收機(jī)具有2.2線路放大器2.3用戶接入網(wǎng)中的光纖放大器總之，光線放大器在用戶接入網(wǎng)中主要是提高光信號(hào)的功率，即可以補(bǔ)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(shù)量以后，用