【正文】 信號放 大，以實現(xiàn)全光通信。經過多年的不懈努力，各種各樣的光放大器終于問世了。 在光通信技術的發(fā)展進程中，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)明最為激動人心。它使光通信技術產生了革命性 的變化：用相對簡單價廉的光放大器，代替長距離光纖通信系統(tǒng)中傳統(tǒng)使用的復 雜昂貴的光 — 電 — 光混合式中繼器，從而可實現(xiàn)比特率及調制格式的透明傳輸， 升級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)學院畢業(yè)設計（論文） 摻鉺光纖放大器的原理與應用 4 WDM 技術的珠聯(lián)璧合， 奠定了高速大容量 WDM 光通信系統(tǒng)與網絡大規(guī)模應用的基礎。 光放大器主要有兩類：光纖光放大器和半導體光放大器。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（如受激拉曼散 射，受激希里淵散射等）的光放大器。半導體光放大器主要是行波半導體激光放大器。 半導體光放大器 1 半導體光放大器的結構：半導體光放大器是一種把發(fā)光器件一一半導體激光器結構作為放大裝置使用的器件 , 因為具有能帶結構 , 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體材料的組成可以使波長使用范圍超過 100nm, 這是半導體光放大器的一個突出特點。半導體光放大器由有源區(qū)和無源區(qū)構成 ,有源區(qū)為增益區(qū) , 使用 Inp 這樣的半導體材料制作 , 與半導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置單層或多層介質層。 以平面波人射單層介質層時 , 抗反射膜的條件相對于厚度為 1/4 波長。實際的放大器 , 傳輸光是數(shù)微米的點光 ,可以研究假想波導模嚴格的無反射條件。 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構。 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 , 可以引人運用窄條結構使激活波導光路近似正方形斷面形狀的方法和施加抗張應 力 , 以增大 TM 波增益的應變量子阱結構。 目前 , 實現(xiàn)偏振無關半導體光放大器的方法有很多種 , 如張應變量子阱結構、應變補償結構、同時采用張應變量子阱和壓應變量子阱的混合應變量子阱結構等。采用脊型波導結構的應變量子阱光放大器基本結構圖。有源區(qū) 4C3T 采用混合應變量子阱結構 , 即 4 個壓應變量子阱 , 3個張應變量子阱 , 壓應變和張應變量子阱之間用與 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 , 采用標準的光刻、 反應離子刻蝕、濕法腐蝕、蒸發(fā)、濺射等工藝制作脊型波導結構。 無錫科技職業(yè)學院畢業(yè)設計（論文） 摻鉺光纖放大器的原理與應用 5 2 半導體光放大器的原理 :半導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特性和激光腔的特性。 它雖也是粒子數(shù)反轉放大發(fā)光但發(fā)光的媒介是非平衡載流子即電子空穴對而非稀有元素。 半導體的發(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)光是指用半導體的光吸收作用來產生非平衡載流子 , 實際上 是一種光向另一種光轉換的過程。 電致發(fā)光是指用電學方法將非平衡載流子直接注人到半導體中而產生發(fā)光 , 這常借助于 PN 結來完成。 在半導體中電子的能級限制在導帶和價帶兩個帶內 , 在導帶中電子 充當移動載流子 , 在價帶中空穴充當載流子。 半導體在外界激發(fā)下 , 可將價帶中的電子激發(fā)到導帶中 , 同時在價帶中留下空穴 , 所產生的電子和空穴分別躍遷到導帶底和價帶頂 , 這一過程只與晶格交換能量而不產生光發(fā)射 , 稱為無輻射躍遷 , 與此同時 , 導帶底的電子還要躍遷到價帶頂與空穴復合 , 并同時發(fā)射光子 , 二者形成動態(tài)平衡 , 與 熱平衡狀態(tài)下的情況不同 , 這時的電子和空穴為非平衡載流子 , 載流子的分布不再是費米統(tǒng)計分布。 由于電子從導帶底躍遷到價帶 頂?shù)臅r間常數(shù)即輻射壽命與無輻射躍遷的時間常數(shù)相比相對較長 , 所以可以認為電子和空穴各自保持熱平衡狀態(tài) , 對載流子的這種準平衡狀態(tài)分別用準費米能級和來表示。半導體的輻射躍遷包括自發(fā)躍遷和受激躍遷兩個過程。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)與空穴復合 , 同時發(fā)射一個光子 , 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理想的光子相互作用后導致的受激輻射。 這兩個過程類 似于摻餌光纖放大器 (EDFA)中的自發(fā)輻射和受激輻射過程。 半導體在外界激勵下會產生非平衡載流子 , 半導體在泵浦光激勵下怎樣產生光放大為 ?了盡可能簡單 , 假設半導體在 0 K, 費米能級在禁帶的中間位置 , 因此在 Ep 以下的每個有效能級上被電子充滿 , 則半導體將吸收子。 如果半導體未受光泵浦激勵 , 則半導體將吸收光子 , 其實半導體的兩個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。 一個帶隙Ex把處在下面的導帶和上面的價帶分開 , 這樣 , 從一個能帶轉移到另一個 能 帶內所發(fā)生的能量改變至少是 Eg, 因此 , 若 hvE 則半導體吸收光子 , 當吸收了 泵浦光子后就會在導帶中產生電子 , 而在價帶中留下空穴 , 然后電子和空穴都 無錫科技職業(yè)學院畢業(yè)設計（論文） 摻鉺光纖放大器的原理與應用 6 迅速向能帶的最底點弛豫 , 并通過發(fā)射一個能量為禁帶寬度能量的光子復合。 如 果泵浦源的強度越來越大 , 電子將會趨向于累積在導帶的底部 , 空穴趨向于累 積在價帶的頂部 , 直到電子空穴對的產生和復合達到動態(tài)平衡為止。 如果假設帶 內馳豫過程比帶間復合速率快得多 , 那么可以利用準費米能級 Epn 和 Epp來描述 電子空穴的數(shù)目。于是導帶底和 Epn 之間的每個態(tài) 都被添滿 , 而價帶頂和之間的 所有態(tài)都是空的 , 從而實現(xiàn)光放大。 通過適當?shù)倪x擇半導體材料 , 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)內的帶隙。 光纖放大器 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；由于這項技術不僅解決了衰減對光網絡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?shù)瘸蔀楝F(xiàn)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(shù)據(jù)復接、數(shù)據(jù)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。 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(jù)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。 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)中應用的新型器件，它的推廣應用為光纖通信技術帶來了一場革命。摻鉺光纖主要在 波段的應用的有源光纖的研究基礎上發(fā)展起來無錫科技職業(yè)學院畢業(yè)設計（論文） 摻鉺光纖放大器的原理與應用 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實現(xiàn)放大的作用，其工作波長對應于光纖的 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)中也得到了廣泛應用。 功率放大器是在 CATV 系統(tǒng)的前端將發(fā)射機的輸出光放大后再進行分配，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使用。 從遠離前端處將光纖干線分支時，可在分支前面接入摻鉺光纖放大器，作為線路放大器，以補償分支損耗。在光纖傳輸網絡管理中如何實現(xiàn)對摻鉺光纖放大器的監(jiān)控。 光纖放大器作為整個系統(tǒng)的一個功能模塊，納入網管系統(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管系統(tǒng)，進行統(tǒng)一管理，顯示和處置。其二是由光纖放大器的開關量 信息接口向網管系統(tǒng)送開關量信息進行管理顯示。在工程實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？它的應用狀況如何 ? 采用 在 1550nm 窗口附近的密集型 WDM 技術是擴大現(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)的關鍵部件，可以十分有效地解 決由于光波分復用 /解復用帶來的插入損耗，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，它可以同時放大多個波長不同的光信號，因此它可以十分方便地應用于 DWDM 系統(tǒng)中，補償各種光衰耗。 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)學院畢業(yè)設計（論文） 摻鉺光纖放大器的原理與應用 8 圖 11： EDFA 內部方塊圖 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，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用系統(tǒng)中，如SDH 機架內、 CATV 機盒內、 DWDM 系統(tǒng)機架內。 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 75nm；采用碲化物 EDFA，帶寬可達 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)反轉程度，可在 1570～ 1600nm 波段實現(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 應具有動態(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間放大器的主要選擇，在骨干網和城域網 /接入網中發(fā)揮著關鍵性作用。但 EDFA 級聯(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，進行色散補償?shù)?，必將成為下一代光放大器的主流。城域網 /接入網中光放大器目前具有競爭力的技術無錫科技職業(yè)學院畢業(yè)設計（論文） 摻鉺光纖放大器的原理與應用 9 為 Mini EDFA、 EDWA 和 SOA 技術，這 種低價放大器正在標準化。隨城域網建設的興起，光放大器在低價領域必有一番作為。 無錫科技職業(yè)學院畢業(yè)設計（論文） 摻鉺光纖放大器的原理與應用 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 相關術語： Optical Amplifier 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