【正文】 信號(hào)放 大，以實(shí)現(xiàn)全光通信。經(jīng)過多年的不懈努力，各種各樣的光放大器終于問世了。 在光通信技術(shù)的發(fā)展進(jìn)程中，不斷取得新的突破，其中尤以光放大器，特 別 是摻鉺光纖放大器（ EDFA）的發(fā)明最為激動(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)簡單價(jià)廉的光放大器，代替長距離光纖通信系統(tǒng)中傳統(tǒng)使用的復(fù) 雜昂貴的光 — 電 — 光混合式中繼器，從而可實(shí)現(xiàn)比特率及調(diào)制格式的透明傳輸， 升級(jí)換代也變得十分容易， 尤其是性能十分優(yōu)秀的 EDFA 與 無錫科技職業(yè)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 摻鉺光纖放大器的原理與應(yīng)用 4 WDM 技術(shù)的珠聯(lián)璧合， 奠定了高速大容量 WDM 光通信系統(tǒng)與網(wǎng)絡(luò)大規(guī)模應(yīng)用的基礎(chǔ)。 光放大器主要有兩類：光纖光放大器和半導(dǎo)體光放大器。光纖放大器又分為 兩種，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)體激光放大器。 半導(dǎo)體光放大器 1 半導(dǎo)體光放大器的結(jié)構(gòu)：半導(dǎo)體光放大器是一種把發(fā)光器件一一半導(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) , 所以其增益帶寬比采用光纖放大器的寬。另外 , 通過改變所使用的半導(dǎo)體材料的組成可以使波長使用范圍超過 100nm, 這是半導(dǎo)體光放大器的一個(gè)突出特點(diǎn)。半導(dǎo)體光放大器由有源區(qū)和無源區(qū)構(gòu)成 ,有源區(qū)為增益區(qū) , 使用 Inp 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 帶抗反射涂層 , 以防止放大器端面的反射 , 排除共振器功效?？狗瓷渫繉泳褪窃诙嗣嬖O(shè)置單層或多層介質(zhì)層。 以平面波人射單層介質(zhì)層時(shí) , 抗反射膜的條件相對(duì)于厚度為 1/4 波長。實(shí)際的放大器 , 傳輸光是數(shù)微米的點(diǎn)光 ,可以研究假想波導(dǎo)模嚴(yán)格的無反射條件。 去除端面反射影響的另一種方法 , 也可以采用使端面傾斜的方法和窗結(jié)構(gòu)。 把光放大器作為光通信中繼放大器使用 , 入射光的偏振方向是無規(guī)則的 , 最好是偏振波依賴性小的放大器。 為了消除這種偏振波依賴性 , 可以引人運(yùn)用窄條結(jié)構(gòu)使激活波導(dǎo)光路近似正方形斷面形狀的方法和施加抗張應(yīng) 力 , 以增大 TM 波增益的應(yīng)變量子阱結(jié)構(gòu)。 目前 , 實(shí)現(xiàn)偏振無關(guān)半導(dǎo)體光放大器的方法有很多種 , 如張應(yīng)變量子阱結(jié)構(gòu)、應(yīng)變補(bǔ)償結(jié)構(gòu)、同時(shí)采用張應(yīng)變量子阱和壓應(yīng)變量子阱的混合應(yīng)變量子阱結(jié)構(gòu)等。采用脊型波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的應(yīng)變量子阱光放大器基本結(jié)構(gòu)圖。有源區(qū) 4C3T 采用混合應(yīng)變量子阱結(jié)構(gòu) , 即 4 個(gè)壓應(yīng)變量子阱 , 3個(gè)張應(yīng)變量子阱 , 壓應(yīng)變和張應(yīng)變量子阱之間用與 LPN晶格 匹配的寬的 IaGaAsp壘層隔開上下波導(dǎo)層分別為波長 的 IaGaAsP 匹配材料 包層為 p 型 Inp, 接觸層為重 P型摻雜 IaGaAsP材料 , 材料 的外延法生長過程中 , n 型摻雜源為硅烷 ,p 型摻雜源為二甲基鋅材料；生長完成后 , 采用標(biāo)準(zhǔn)的光刻、 反應(yīng)離子刻蝕、濕法腐蝕、蒸發(fā)、濺射等工藝制作脊型波導(dǎo)結(jié)構(gòu)。 無錫科技職業(yè)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 摻鉺光纖放大器的原理與應(yīng)用 5 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)特性和激光腔的特性。 它雖也是粒子數(shù)反轉(zhuǎn)放大發(fā)光但發(fā)光的媒介是非平衡載流子即電子空穴對(duì)而非稀有元素。 半導(dǎo)體的發(fā)光可根據(jù)激發(fā)方 式的不同分為光致發(fā)光、電致發(fā)光和陰極發(fā)光等。光致發(fā)光是指用半導(dǎo)體的光吸收作用來產(chǎn)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 , 這常借助于 PN 結(jié)來完成。 在半導(dǎo)體中電子的能級(jí)限制在導(dǎo)帶和價(jià)帶兩個(gè)帶內(nèi) , 在導(dǎo)帶中電子 充當(dāng)移動(dòng)載流子 , 在價(jià)帶中空穴充當(dāng)載流子。 半導(dǎo)體在外界激發(fā)下 , 可將價(jià)帶中的電子激發(fā)到導(dǎo)帶中 , 同時(shí)在價(jià)帶中留下空穴 , 所產(chǎn)生的電子和空穴分別躍遷到導(dǎo)帶底和價(jià)帶頂 , 這一過程只與晶格交換能量而不產(chǎn)生光發(fā)射 , 稱為無輻射躍遷 , 與此同時(shí) , 導(dǎo)帶底的電子還要躍遷到價(jià)帶頂與空穴復(fù)合 , 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 , 載流子的分布不再是費(fèi)米統(tǒng)計(jì)分布。 由于電子從導(dǎo)帶底躍遷到價(jià)帶 頂?shù)臅r(shí)間常數(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 , 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)平衡狀態(tài)分別用準(zhǔn)費(fèi)米能級(jí)和來表示。半導(dǎo)體的輻射躍遷包括自發(fā)躍遷和受激躍遷兩個(gè)過程。自發(fā)輻射躍遷是指占據(jù)高能態(tài)的電子可以自發(fā)地躍遷到低的空能態(tài)與空穴復(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)光受激輻射躍遷是指與一個(gè)理想的光子相互作用后導(dǎo)致的受激輻射。 這兩個(gè)過程類 似于摻餌光纖放大器 (EDFA)中的自發(fā)輻射和受激輻射過程。 半導(dǎo)體在外界激勵(lì)下會(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 ?了盡可能簡單 , 假設(shè)半導(dǎo)體在 0 K, 費(fèi)米能級(jí)在禁帶的中間位置 , 因此在 Ep 以下的每個(gè)有效能級(jí)上被電子充滿 , 則半導(dǎo)體將吸收子。 如果半導(dǎo)體未受光泵浦激勵(lì) , 則半導(dǎo)體將吸收光子 , 其實(shí)半導(dǎo)體的兩個(gè)能帶所扮演的角色類 似于 EDFA中的能帶 E1 和 E2 所起的作用 , 只是它的能帶比 EDFA 的能帶更寬。 一個(gè)帶隙Ex把處在下面的導(dǎo)帶和上面的價(jià)帶分開 , 這樣 , 從一個(gè)能帶轉(zhuǎn)移到另一個(gè) 能 帶內(nèi)所發(fā)生的能量改變至少是 Eg, 因此 , 若 hvE 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 無錫科技職業(yè)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 摻鉺光纖放大器的原理與應(yīng)用 6 迅速向能帶的最底點(diǎn)弛豫 , 并通過發(fā)射一個(gè)能量為禁帶寬度能量的光子復(fù)合。 如 果泵浦源的強(qiáng)度越來越大 , 電子將會(huì)趨向于累積在導(dǎo)帶的底部 , 空穴趨向于累 積在價(jià)帶的頂部 , 直到電子空穴對(duì)的產(chǎn)生和復(fù)合達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡為止。 如果假設(shè)帶 內(nèi)馳豫過程比帶間復(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。 通過適當(dāng)?shù)倪x擇半導(dǎo)體材料 , 就可獲得能使發(fā)射或吸收波長處于光通信所需要的范圍 (如 1300nm或 1550nm)內(nèi)的帶隙。 光纖放大器 光纖放大器不但可對(duì)光信號(hào)進(jìn)行直接放大，同時(shí)還具有實(shí)時(shí)、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(guān)鍵器件；由于這項(xiàng)技術(shù)不僅解決了衰減對(duì)光網(wǎng)絡(luò)傳輸速率與距離的限制，更重要的是它開創(chuàng)了 1550nm 頻段的波分復(fù)用，從而 將使超高速、超大容量、超長距離的波分復(fù)用 （ WDM）、密集波分復(fù)用（ DWDM）、全光傳輸、光孤子傳輸?shù)瘸蔀楝F(xiàn)實(shí)，是光纖通信發(fā)展史上的一個(gè)劃時(shí)代的里 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）、半導(dǎo)體光放大器（ 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(xiàn)已廣泛應(yīng)用于長距離、大容量、高速率的光纖通信系統(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。 光纖放大器一般都由增益介質(zhì)、泵浦光和輸入輸出耦合結(jié)構(gòu)組成。目前光纖放大器主 要有摻鉺光纖放大器、半導(dǎo)體光放大器和光纖拉曼放大器三種，根據(jù)其在光 纖網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用，光纖放大器主要有三種不同的用途：在發(fā)射機(jī)側(cè)用作功率放大器以提高發(fā)射機(jī)的功率；在接收機(jī)之前作光預(yù)放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補(bǔ)償光纖傳輸損耗，延長傳輸距離。 摻鉺光纖放大器的發(fā)展歷史 摻鉺光纖放大器 (Erbium Doped Fiber Amplifier ，縮寫為 EDFA)是 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)用為光纖通信技術(shù)帶來了一場革命。摻鉺光纖主要在 波段的應(yīng)用的有源光纖的研究基礎(chǔ)上發(fā)展起來無錫科技職業(yè)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 摻鉺光纖放大器的原理與應(yīng)用 7 的。 前期的工作是研究光纖激光器和 研究摻稀土元素光纖，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，其工作波長對(duì)應(yīng)于光纖的 傳輸波長，人們用摻鉺光纖制作成功摻鉺光纖放大 器。何謂 CATV 用摻鉺光纖放大器？它的應(yīng)用狀況如何？ 在近幾年來，光纖 CATV 系統(tǒng)特別是 1500nm 光纖 CATV 系統(tǒng)包括模擬系統(tǒng)和數(shù)字系統(tǒng)在我們 國家迅速發(fā)展，摻鉺光纖放大器在光纖 CATV 系統(tǒng)中也得到了廣泛應(yīng)用。 功率放大器是在 CATV 系統(tǒng)的前端將發(fā)射機(jī)的輸出光放大后再進(jìn)行分配，以 供各方向的光纖干線傳輸用。功率放大器與功率分配器也可考慮做成兩段重復(fù)使用。 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)對(duì)摻鉺光纖放大器的監(jiān)控。 光纖放大器作為整個(gè)系統(tǒng)的一個(gè)功能模塊，納入網(wǎng)管系統(tǒng)的方法一般有兩種：其一是通過光纖放大器的 232C 接口電路將光纖放大器的性能參數(shù)和告警信息傳輸給網(wǎng)管系統(tǒng)，進(jìn)行統(tǒng)一管理，顯示和處置。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)量信息進(jìn)行管理顯示。在工程實(shí)踐中已采用過這兩種成功的方法 。何謂 DWDM 用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 決由于光波分復(fù)用 /解復(fù)用帶來的插入損耗，使 WDM系統(tǒng)的中繼問題變得十分簡單。 由于 EDFA 具有 40nm 的工作帶寬，它可以同時(shí)放大多個(gè)波長不同的光信號(hào)，因此它可以十分方便地應(yīng)用于 DWDM 系統(tǒng)中，補(bǔ)償各種光衰耗。 模塊是集成化的摻鉺光纖放大器 (如圖 11所示）， 無錫科技職業(yè)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 摻鉺光纖放大器的原理與應(yīng)用 8 圖 11： EDFA 內(nèi)部方塊圖 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)。 EDFA 的發(fā)展方向 EDFA 的發(fā)展方向 EDFA 從 C 波段 ( conventional band )1530～ 1560nm(常規(guī)的 EDFA)向 L 波 段 (long wavelength band)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 (GSEDFA)，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，可獲得帶寬高于 100nm 的超寬帶增 益平坦放大器； EDFA 應(yīng)具有動(dòng)態(tài)增益平坦特性的小型化、集成化方向發(fā)展。 EDFA 是目前及未來一段時(shí)間放大器的主要選擇，在骨干網(wǎng)和城域網(wǎng) /接入網(wǎng)中發(fā)揮著關(guān)鍵性作用。但 EDFA 級(jí)聯(lián)噪聲大以及帶寬受限，它與 DRA 混合使用， 在長距離、大容量傳輸中是當(dāng)前的一種優(yōu) 秀方案。 FRA:寬帶、低噪聲、抑制非線 性、提高傳輸距離，進(jìn)行色散補(bǔ)償?shù)?，必將成為下一代光放大器的主流。城域網(wǎng) /接入網(wǎng)中光放大器目前具有競爭力的技術(shù)無錫科技職業(yè)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 摻鉺光纖放大器的原理與應(yīng)用 9 為 Mini EDFA、 EDWA 和 SOA 技術(shù)，這 種低價(jià)放大器正在標(biāo)準(zhǔn)化。隨城域網(wǎng)建設(shè)的興起，光放大器在低價(jià)領(lǐng)域必有一番作為。 無錫科技職業(yè)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 摻鉺光纖放大器的原理與應(yīng)用 10 第二章 摻鉺光纖放大器的工作原理及性能參數(shù) EDFA 放大器的組成 詞名：摻鉺光纖放大器；英文名： Erbium Doped Fiber Amplifier ； 縮寫： EDFA 來歷： ErDoped Fiber Amplifier 相關(guān)術(shù)語： Optical Amplifier 石英光纖摻稀土元素 (如 Nd、 Er、 Pr、 Tm 等 )后可構(gòu)成多能級(jí)的激光系統(tǒng)，在泵浦光作用下使輸入信號(hào)光直接放大。提供合適的反饋后則構(gòu)成光纖激光器。摻 Nd 光纖放大器的工作波長為 1060nm 及 1330nm，由于偏離光纖通信最佳宿口及其他一些原因，其發(fā)展及應(yīng)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， TD