【正文】 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，從而可實現(xiàn)比特率及調(diào)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(xué)院畢業(yè)設(shè)計（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)。 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 , 因為具有能帶結(jié)構(gòu) , 所以其增益帶寬比采用光纖放大器的寬。 以平面波人射單層介質(zhì)層時 , 抗反射膜的條件相對于厚度為 1/4 波長。 為了消除這種偏振波依賴性 , 可以引人運用窄條結(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)。 無錫科技職業(yè)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（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。 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。半導(dǎo)體的輻射躍遷包括自發(fā)躍遷和受激躍遷兩個過程。 如果半導(dǎo)體未受光泵浦激勵 , 則半導(dǎo)體將吸收光子 , 其實半導(dǎo)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。于是導(dǎo)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。 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。 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。 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。在工程實踐中已采用過這兩種成功的方法 。 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（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，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 機架內(nèi)、 CATV 機盒內(nèi)、 DWDM 系統(tǒng)機架內(nèi)。 FRA:寬帶、低噪聲、抑制非線 性、提高傳輸距離，進行色散補償?shù)龋貙⒊蔀橄乱淮夥糯笃鞯闹髁?。提供合適的反饋后則構(gòu)成光纖激光器。類似的產(chǎn)品還有超寬帶光放大器 (UWOA)，它的覆蓋帶寬可對單根光纖中多達 100 路波長信道進行放大。 無錫科技職業(yè)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 摻鉺光纖放大器的原理與應(yīng)用 11 (4)耦合器 —— 用于將信號光和泵浦光耦合到摻鉺光纖中。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)上，處于激發(fā)態(tài)的 Er3+離子又迅速無輻射地轉(zhuǎn)移到亞穩(wěn)態(tài)上。 無錫科技職業(yè)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 摻鉺光纖放大器的原理與應(yīng)用 12 1 5 2 0 1 5 7 0 n m1 0 m s1 4 8 0 n m9 8 0 n m4I1 1 / 24I1 3 / 24I1 5 / 2E r + 3 的 能 級 圖 圖 23： Er3+ 能級圖 EDFA 的基本性能 (1)增益特性：增益特性表示了光放大器的放大能力，定義為輸出功率和輸入功率之比。泵浦光功率越大， 3dB 飽和輸出功率越大；摻鉺光纖長度越長， 3dB 飽和輸出功率也越大。 之所以得到迅速的發(fā)展， EDFA 之所以得到迅速的發(fā)展，源于它一系列突出的優(yōu)點。 (3) 能量轉(zhuǎn)換效率高。 (4) 增益高、噪聲低、輸出功率大。 (5) 頻帶寬，在 1310nm 和 1550nm 窗口各有 2040nm 帶寬，可以進行多 信道傳輸，便于擴大傳輸容量，從而節(jié)省 成本費用，對比特率高于 統(tǒng)有利。 極化光纖器 件是一種新型的全玻璃光纖有源器件 , 它充分利用了①熔石英光纖優(yōu)良的透明性和很低的群速色 極化光纖器件 散； ②與晶體材料的非線性光學(xué)器件或電光器件相比 , 它的制造成本很低 , 易集成化和封裝簡便；③具有較 高的光學(xué)損傷閾值；④具有較高的可靠性和較低的插入損耗。 帶有布拉格反射光柵的、集成化的電光有源光纖傳感器在替代現(xiàn)有傳感器上是非常吸引人的。 (9) 可以同時傳輸模擬信號和數(shù)字信號，高比特率信號和低比特率信號。 當(dāng)然 EDFA 也有其固有的缺點。 EDFA 的增益譜寬大約 40nm，但增益帶寬不平坦。 EDFA 的主要應(yīng)用形式 . EDFA 在功能應(yīng)用上可以分為用作遠距離傳輸?shù)木€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。 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。強大的光信號使電子放大器的噪聲可以忽略，用 EDFA 作預(yù)放的光接收機具有更高的靈敏 度。 G=Pout /Pin (1) G=10lg(Pout /Pin ) (dB) (2) 應(yīng)用上面給出的理論模型可以用數(shù)值法進行計算，從而得出光纖放大器的特性，其中最主要的是增益及噪聲 特性。它的泵浦光波長為 ， 信號光波長為 181。可以這樣認為，當(dāng) 長度 L Lopt 時，泵浦光功率 Pp(z) Ppth，在整個長度的 EDF上，處處滿足放大條件，從而最大限度利用了泵浦 光功率。泵浦閾值功率 Ppth，只有 Pp Ppth 時， G ≥ 0,且L愈長， Ppth 愈高。(C) 1181。 (b) l0mW。W。W。W。 （ 5）取相同參數(shù)的摻餌光纖長度 20m，信號光功率為 1 181。(c) 20mW。 EDFA的泵浦方式對增益的影響：取摻餌光纖長度為 20m,摻雜粒子密度為 X 1024/m3，用 1480nm 的泵浦光進行激勵，對 1536nm 的信號 光進行放大 :(a)前向泵浦光激勵方式，前向泵浦光功率為 8mW。 由圖 24可知，前向泵浦光、反向泵浦光、雙向泵浦光三種激勵方式效果各不相同。其優(yōu)點是 :當(dāng)光信號放大到很強 時，泵浦光也強，不易達到飽和。 無錫科技職業(yè)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 摻鉺光纖放大器的原理與應(yīng)用 17 圖 24： 三種泵浦方式的 EDFA 無錫科技職業(yè)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 摻鉺光纖放大器的原理與應(yīng)用 18 第三章 EDFA 在密集波分復(fù)用系統(tǒng)中應(yīng)用與研究 波分復(fù)用（ WDM）的基本概念 波分復(fù)用系統(tǒng)的組成 光通信系統(tǒng)可以按照不同的方式進行分類。 波分復(fù)用是光纖通信中的一種傳輸技術(shù)，它利用了一根光纖可以同時傳輸多個不同波長的光載波的特點，把光纖可能應(yīng)用的波長范圍劃分成若干個波段，每個波段作一個獨立的通道傳輸一種預(yù)定波長的光信號。 這里可以將一根光纖看作是一個“多車道”的公用道路，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)于在該車道上加快行駛速 度來增加 單位時間內(nèi)的運輸量。 波分復(fù)用器可分為發(fā)端的光合波器。在目前實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）和光纖拉曼放大器（ FRA）等，其中 摻鉺光纖放大器以其優(yōu)越的性能被廣泛應(yīng)用于長距離、 大容量、高速率的光 纖通信系統(tǒng)中，作為前置放大器、線路放大器、功率放大器使用。但必須在 EDFA 之前下光路，而在 EDFA 之后上光 路。 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(zhuǎn)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。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(shù)下，能提供盡可能高的輸出光功率，必要時可用雙泵浦。 ② 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(nèi)，最大增益波長點的增益與最小增益波長點的增益之差。因此，要使各信道上的增益偏差處于允許范圍內(nèi)，放大器的增益就必須平坦。現(xiàn)階段實用化的固定式增益平坦技術(shù)主要有光纖光柵技術(shù)和介質(zhì)多層薄膜濾波器技術(shù)等。使用該技術(shù)，在 1528～ 1568nm 的 40nm 帶寬內(nèi)，可以實現(xiàn)增益偏差在 5％以內(nèi)的帶寬增益平坦的 EDFA。 濾波器型是在 EDFA 中內(nèi)插無源濾波器將 1530nm 的增益峰降低，或?qū)ｉT設(shè)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(jié)構(gòu)工藝都較復(fù)雜，附加損耗大，輸出功率會減小。 EDFA 的增益控制技術(shù)有許多種，典型的有控制泵浦源增益的方法， EDFA內(nèi)部的監(jiān)測電路通過監(jiān)測輸入和輸出功率的比值來控制泵浦源的輸出，當(dāng)輸入波長某些信號丟失時，輸入功率會減小，輸出功率和輸入功率的比值會增加，通過反饋電路，降低泵浦源的輸出功率，保持 (輸出／輸入 )增益不變，從而使 EDFA的總輸出功率減少，保持輸出信號電平的穩(wěn)定。當(dāng)線路的多波長信 號恢復(fù)時，飽和波長的輸出功率會相應(yīng)減少，這種方法直接控制飽和波長激光器的輸出，速度較控制泵浦源要快一些。對鏈路切斷情況下可能引起的強烈“浪涌”效應(yīng)更應(yīng)加以重視，必須保證系統(tǒng)能夠及時關(guān)閉泵浦源和系統(tǒng)，以防止對系統(tǒng)造成損。即在同一根電纜中同時傳輸若干個頻率不同 的信號，接收端根據(jù)各載波頻率的不同利用帶通濾波器濾出每一個信道的信 號。 由于目前一些光器件（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， 但基于目前的器件水平，已可以實現(xiàn)相隔光信道的頻分復(fù)用。 DWDM 系統(tǒng)的構(gòu)成，發(fā)送端的光發(fā)射機發(fā)出波長 不同而精度和穩(wěn)定度滿足一定要求的光信號，經(jīng)過光波長復(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合波器引起的功率 損失和提高 光信號的發(fā)送功率），再將放大后的多路光信號送入光纖傳輸， 中間可以根據(jù)情況決定有或沒有光線路放大器，到達接收端經(jīng)光前置放大器 （主要用于提高接收靈敏度，以便延長傳輸距離）放大以后，送入光波長分 波器分解出原來的各路光信號。應(yīng)用范圍包括干線高速光通信系統(tǒng)、海纜系統(tǒng)、本地網(wǎng)、用戶接入網(wǎng)、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 如下： 摻鉺光纖放大器可用作數(shù)字、模擬以及相干光通信的功率放大器。 摻鉺光纖放大器做功 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(shù)字、模擬活二者混合的數(shù)據(jù)格式，特別適合光纖傳輸網(wǎng)絡(luò)升級。如果采用飽和功率為 18dBm 的放大器，可是實現(xiàn) 160— 200km無中繼通信。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)放大器的光接收機具有較高的靈敏度，其靈敏度甚至不亞于相干光接收機的。使用線路放大器必須解決遠程監(jiān)控問題，國際標(biāo)準(zhǔn)化組織已制定出多種無錫科技職業(yè)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 摻鉺光纖放大器的原理與應(yīng)用 24 監(jiān)控標(biāo)準(zhǔn)，可以按照標(biāo)準(zhǔn)進行遠程監(jiān)控。為此，需要將光信號進行放大，這就需要光纖放大器。 摻鉺光纖放大器在密集波分復(fù)用系統(tǒng)中的應(yīng)用主要是補償傳輸中的光纖損耗，根據(jù)放大器在系統(tǒng)中的位置及作用，可以分成以下三種類型： （ boosterAmplifier），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(shù)、增益要求并不是很高，但要求放大后，有比較大的輸出功率。 摻鉺光纖放大器除了放大輸入的光信號之外，還產(chǎn)生 ASE 噪聲，可以等效成一個理想的增益為 G的放大器，和一個功率為 Pase 的噪聲源相疊加。另外，在系統(tǒng)設(shè)計中，除了選擇中繼距離外，選用噪聲指數(shù)小的摻鉺光纖放大器也是提高光信噪比的一種有效的方法。因此，線路放大器必須具有增益鎖定功能，保證在輸入是大信號和小信號時，增益都是一樣的，即每個信道的輸出光功率在輸入信道增減時都保持恒定。C波段光源已經(jīng)非常成熟化，目前主要的研究 L波段 和 C+L波段的寬帶光源。 （ 2）對摻鉺光纖放大器研制過程中的主要光電器件從原理及性能等方面作了系統(tǒng)的描述。 本論文設(shè)計在袁芬老師的悉心指導(dǎo)和嚴(yán)格要求下業(yè)已完成，從課題選擇到具體的寫作過程，論文初稿與定稿無不凝聚著袁芬老師的心血和汗水，在我的畢業(yè)設(shè)計期間，袁芬老師為我提供了種種專業(yè)知識上的指導(dǎo)和一些富于創(chuàng)造性的建議，袁老師一絲不茍 的作風(fēng)，嚴(yán)謹求實的態(tài)度使我深受感動，沒有這樣的幫助和關(guān)懷和熏陶，我不會這么順利的完成畢業(yè)設(shè)計。 我還要感謝同組的各位同學(xué)以及我的各位 室友，在畢業(yè)設(shè)計的這段時間里，你們給了我很多的啟發(fā)，提出了很多寶貴的意見，對于你們幫助和支持，在此我表示深深地感謝！ 無錫科技職業(yè)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 摻鉺光纖放大器的原理與應(yīng)用 29 參考文獻 [1] 孫學(xué)康 ,張金菊等 .光纖