【正文】 摘 要光纖通信就是利用光纖來(lái)傳輸攜帶信息的光波以達(dá)到通信的目的。光纖通信具有通信容量大、傳輸速率高、使用壽命長(zhǎng)，等諸多特點(diǎn)。因而得到了普遍的應(yīng)運(yùn)，其中光放大器是光纖系統(tǒng)中的重要組成部分。光纖放大器是指運(yùn)用于光纖通信線路中，實(shí)現(xiàn)信號(hào)放大的一種新型全光放大器。本論文介紹了摻鉺光纖放大器的相關(guān)理論。首先對(duì)光纖放大器的種類進(jìn)行大致的簡(jiǎn)介，其次闡述了摻鉺光纖放大器的歷史和發(fā)展，以及對(duì)摻鉺光纖放大器工作原理進(jìn)行了介紹又介紹了仿真軟件Optisystem的使用及功能。重點(diǎn)關(guān)注了摻鉺光纖放大器的放大過(guò)程以及對(duì)摻餌光纖放大器各信道增益不平坦問(wèn)題進(jìn)行了初步研究并分析。關(guān)鍵字：Optisystem；光纖通信；摻鉺光纖放大器AbstractOptical fiber munication uses optical fiber to transmit information in order to achieve the purpose of munication. Optical fiber munication owns some advantages such as, the munication capacity, high transmission rate, long service life and so on. So it is widely used in optical amplifier and it is an important part of optical fiber systems. Fiber amplifier is a kind of signal amplifier, which is used in optical fiber munication lines to achieve a novel alloptical.This paper introduces a theory of erbium doped fiber amplifier. First, it is introduce the kinds of fiber amplifier. Secondly describes the history and development of erbium doped fiber amplifier, as well as working principle of the erbiumdoped fiber functions and the use of simulation software Optisystem are also introduced in this paper. It focuses on the amplification process of erbium doped fiber amplifier and studies and analyzes the problem that the channel gain erbiumdoped fiber amplifier is not flat.Keywords: Optisystem。Optical fiber munication。 Erbiumdoped fiber amplifier目 錄1 緒論 1 光纖通信系統(tǒng)中放大技術(shù) 1 光纖放大器的分類 1 半導(dǎo)體光放大器 2 光纖放大器 4 摻鉺光纖放大器的發(fā)展歷史 4 EDFA的發(fā)展方向 52 EDFA在密集波分復(fù)用系統(tǒng)中應(yīng)用 7 波分復(fù)用（WDM）的基本概念 7 波分復(fù)用系統(tǒng)的組成 7 EDFA在WDM系統(tǒng)中的應(yīng)用 8 WDM系統(tǒng)對(duì)EDFA的要求 8 密集波分復(fù)用（DWDM）原理概述 10 EDFA在密集波分復(fù)用（DWDM）系統(tǒng)中應(yīng)用的分析 11 EDFA在DWDM系統(tǒng)中的作用和應(yīng)用方式 11 DWDM中對(duì)EDFA的主要性能要求 133 光通訊系統(tǒng)和放大器設(shè)計(jì)軟件——OptiSystem 15 獨(dú)特優(yōu)勢(shì) 15 應(yīng)用領(lǐng)域 15 功能說(shuō)明 164 摻鉺光纖放大器的工作原理及放大分析 19 摻鉺光纖放大器的介紹 19 EDFA的放大原理 20 EDFA的基本性能 21 EDFA的放大設(shè)計(jì) 21 模型設(shè)計(jì)布局圖 21 研究分析 22 EDFA的優(yōu)缺點(diǎn) 31 EDFA的主要應(yīng)用形式 33 EDFA的增益特性 33結(jié) 論 36致 謝 37參考文獻(xiàn) 38附 錄 39附錄 A 英文原文 39附錄 B 中文翻譯 48理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文1 緒論 光纖通信系統(tǒng)中放大技術(shù) 光纖放大器的分類光放大器的開發(fā)成功及其產(chǎn)業(yè)化是光纖通信技術(shù)中的一個(gè)非常重要的成果，它大大地促進(jìn)了光復(fù)用技術(shù)、光孤子通信以及全光網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展。顧名思義，光放大器就是放大光信號(hào)。在此之前，傳送信號(hào)的放大都是要實(shí)現(xiàn)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(shí)現(xiàn)光信號(hào)放大。光放大器主要有3種：光纖放大器、拉曼放大器以及半導(dǎo)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(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寬，覆蓋S、C、L頻帶，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(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)喇曼散射。在不斷發(fā)生散射的過(guò)程中，把能量轉(zhuǎn)交給信號(hào)光，從而使信號(hào)光得到放大。由此不難理解，喇曼放大是一個(gè)分布式的放大過(guò)程，即沿整個(gè)線路逐漸放大的。其工作帶寬可以說(shuō)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(guò)相當(dāng)昂貴。半導(dǎo)體光放大器(S0A)一般是指行波光放大器，工作原理與半導(dǎo)體激光器相類似。其工作帶寬是很寬的。但增益幅度稍小一些，制造難度較大。這種光放大器雖然已實(shí)用了，但產(chǎn)量很小。 迄今為止的光纖通信系統(tǒng)，為了拓長(zhǎng)通信距離都需在通信線路中設(shè)置一定數(shù)量的中繼器，以便使衰減的光信號(hào)強(qiáng)度得到補(bǔ)充。而中繼器無(wú)一例外都是采用光 —電—光的轉(zhuǎn)換方式。中繼器的這種工作模式帶來(lái)了不少問(wèn)題，如使得成本高，系統(tǒng)復(fù)雜，可靠性降低等。于是，人們?cè)O(shè)想，是否用光放大器直接進(jìn)行光信號(hào)放大，以實(shí)現(xiàn)全光通信。經(jīng)過(guò)多年的不懈努力，各種各樣的光放大器終于問(wèn)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(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 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[1]。半導(dǎo)體光放大器主要是半導(dǎo)體激光放大器。 半導(dǎo)體光放大器半導(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(guò)改變所使用的半導(dǎo)體材料的組成可以使波長(zhǎng)使用范圍超過(guò)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(wú)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(zhǎng)。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(wú)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(wú)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(wú)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，接觸層為重P型摻雜IaGaAsP材料，材料的外延法生長(zhǎng)過(guò)程中，n型摻雜源為硅烷，p型摻雜源為二甲基鋅材料；生長(zhǎng)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)。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(lái)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(guò)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(lái)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(guò)程只與晶格交換能量而不產(chǎn)生光發(fā)射，稱為無(wú)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(wú)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)平衡狀態(tài)分別用準(zhǔn)費(fèi)米能級(jí)和來(lái)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(guò)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(guò)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(guò)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(guò)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(jiǎn)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，然后電子和空穴都迅速向能帶的最底點(diǎn)弛豫，并通過(guò)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(lái)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(guò)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(lái)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(guò)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(zhǎng)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(zhǎng)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(zhǎng)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(zhǎng)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(lái)了一場(chǎng)革命。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(lái)發(fā)現(xiàn)了在光纖中摻鉺元素能夠?qū)崿F(xiàn)放大的作用，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(lái)，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(guó)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[2]。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