【正文】 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EDFA的主要性能要求 133 光通訊系統(tǒng)和放大器設(shè)計軟件——OptiSystem 15 獨(dú)特優(yōu)勢 15 應(yīng)用領(lǐng)域 15 功能說明 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 21 模型設(shè)計布局圖 21 研究分析 22 EDFA的優(yōu)缺點 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。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。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，會發(fā)生非線性效應(yīng)喇曼散射。這種光放大器已開始商品化了，不過相當(dāng)昂貴。這種光放大器雖然已實用了，但產(chǎn)量很小。于是，人們設(shè)想，是否用光放大器直接進(jìn)行光信號放大，以實現(xiàn)全光通信。光放大器主要有兩類：光纖光放大器和半導(dǎo)體光放大器。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)體光放大器的一個突出特點。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(dǎo)模嚴(yán)格的無反射條件。目前，實現(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。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而非稀有元素。在半導(dǎo)體中電子的能級限制在導(dǎo)帶和價帶兩個帶內(nèi)，在導(dǎo)帶中電子充當(dāng)移動載流子，在價帶中空穴充當(dāng)載流子。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(dǎo)致的受激輻射。一個帶隙Ex把處在下面的導(dǎo)帶和上面的價帶分開，這樣，從一個能帶轉(zhuǎn)移到另一個能帶內(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在導(dǎo)帶中產(chǎn)生電子，而在價帶中留下空穴，然后電子和空穴都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(fù)合。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。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。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。光纖放大器作為整個系統(tǒng)的一個功能模塊，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。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。EDFA是目前及未來一段時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。隨城域網(wǎng)建設(shè)的興起，光放大器在低價領(lǐng)域必有一番作為[3]。應(yīng)當(dāng)說，頻率和波長是緊密相關(guān)的，頻分也即波分，但在光通信系統(tǒng)中，由于波分復(fù)用系統(tǒng)分離波長是采用光學(xué)分光元件，它不同于一般電通信中采用的濾波器，所以我們?nèi)詫烧叻殖蓛蓚€不同的系統(tǒng)。因而，使用術(shù)語密集波分復(fù)用（ DWDMDense Wavelength Division Multiplexing），與此對照，還有波長密度較低的WDM系統(tǒng)，較低密度的就稱為稀疏波分復(fù)用（CWDMCoarse Wave Division Multiplexing）。光波長轉(zhuǎn)換單元（OTU）將非標(biāo)準(zhǔn)的波長轉(zhuǎn)換為ITUT所規(guī)范的標(biāo)準(zhǔn)波長，系統(tǒng)中應(yīng)用光/電/光（O/E/O）的變換，即先用光電二極管PIN或APD把接收到的光信號轉(zhuǎn)換為電信號，然后該電信號對標(biāo)準(zhǔn)波長的激光器進(jìn)行調(diào)制，從而得到新的合乎要求的光波長信號。光放大器不但可以對光信號進(jìn)行直接放大，同時還具有實時、高增益、寬帶、在線、低噪聲、低損耗的全光放大器，是新一代光纖通信系統(tǒng)中必不可 少的關(guān)鍵器件?？康退俾氏赂叩慕邮侦`敏度（ 優(yōu) 于 50dBm）仍能正常工作。要求EDFA的增益足夠高，噪聲系數(shù)則越小越好。EDFA作為功率放大器時，裝在光發(fā)送機(jī)之后，對光源發(fā)出的光信號進(jìn)行放大，以補(bǔ)償無源光器件的損耗和提高發(fā)送光功率。如果希望進(jìn)一步增大帶寬，以利用波長資源，則必須開發(fā)新型的光放大器。雖然增益差值不大，但當(dāng)多個EDFA級聯(lián)應(yīng)用時，這種增益差值會線性積累，嚴(yán)重時，信號到達(dá)接收端后，有些高增益信道的接收光功率過大使接收機(jī)過載，而某些低增益信道的接收光功率過小而達(dá)不到接收機(jī)靈敏度。增益均衡技術(shù)可以分為固定式的和動態(tài)的。通過多個長周期的光柵組合，可以構(gòu)成具有與EDFA增益波長特性相反的增益均衡器?？煞譃闉V波器型和本征型兩類。（3）EDFA增益特性的優(yōu)化技術(shù)。在發(fā)送端，除了傳輸信號的工作波長外，系統(tǒng)還發(fā)送另一個波長作為飽和波長。在某些情況下，光放大器的輸出功率非常高，可能非常接近光纖安全功率的極限。 密集波分復(fù)用（DWDM）原理概述DWDM 技術(shù)是利用單模光纖的帶寬以及低損耗的特性，采用多個波長作為載波，允許各載波信道在光纖內(nèi)同時傳輸。同樣，在光纖通信系統(tǒng)中也可以采用光的頻分復(fù)用的方法來提高系統(tǒng)的傳輸容量。人們通常把光信道間隔較大（甚至在光纖不同窗口上）的復(fù)用稱為光波分復(fù)用（WDM），再把在同一窗口中信道間隔較小的DWDM稱為密集波分復(fù)用（DWDM）。 EDFA在密集波分復(fù)用（DWDM）系統(tǒng)中應(yīng)用的分析 EDFA在DWDM系統(tǒng)中的作用和應(yīng)用方式EDFA是目前光放大器市場的主流品種，在DWDM系統(tǒng)、接入網(wǎng)和有線電視領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，在CATV系統(tǒng)中通常作為功率放大器以提高發(fā)射機(jī)的功率，使發(fā)射機(jī)覆蓋的用戶數(shù)大大增加，也可作為光纖線路的中繼放大器，以補(bǔ)償光分路器及線路損耗，使傳輸距離大大增加。即如果線路上已采用摻鉺光纖放大器做功率放大器，那么，不管它需要傳輸數(shù)字信號還是傳輸模擬信號，不必改變摻鉺光纖放大器線路設(shè)備。 實踐證明，使用摻鉺光纖放大器的光纖干線傳輸，經(jīng)過近千公里的傳輸后的誤碼率人能達(dá)到 。 前置放大器 把摻鉺光纖放大器置于光接收機(jī)關(guān)監(jiān)測器前面。線路放大器的顯著優(yōu)點是增益高，通常大于30dB。在光纖用戶網(wǎng)中，雖然用戶系統(tǒng)的距離較短，但是用戶網(wǎng)的分子太多，光線干線中的光信號功率要進(jìn)行眾多的分配，甚至是多級進(jìn)行分配?！　。↙ineAmplifier），處于功率放大器之后，用于周期性地補(bǔ)償線路傳輸損耗，一般要求比較小的噪聲指數(shù)，較大的輸出光功率。對于一個N個放大器的級聯(lián)系統(tǒng)，每一級放大器將前一級的ASE噪聲放大G倍，同時疊加上本身產(chǎn)生的ASE噪聲，噪聲逐級積累，于是，光信噪比（OSNR）將逐級劣化。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。結(jié)合其它Optiwave產(chǎn)品和工業(yè)中主要電子設(shè)計軟件的工具，使OptiSystem加快您的產(chǎn)品投放市場的速度和減小回報周期。 功能說明：1 Component Library(元件庫)OptiSystem元件庫包含數(shù)百給元件，使你可以輸入從實際設(shè)備中測得的參數(shù)。3 混合信號表示（Mixed signal representation）OptiSystem為元件庫里光信號和電信號處理混合信號方程。還包括WDM分析工具列出信號功率、增益、噪聲圖、以及每個信道的OSNR。7 用子系統(tǒng)分等級模擬（Hierarchical simulation with subsystems）為使模擬工具更加靈活高效，有必要提供在不同層面的模擬，包括系統(tǒng)、子系統(tǒng)和元件層面。在使用腳本頁（script page ）時腳本語言可以操作和控制OptiSystem，包括計算、Layout創(chuàng)建和數(shù)據(jù)處理。10 報告頁面（Report page）一個用戶定制的報告頁面允許顯示在設(shè)計中的設(shè)定的任何參數(shù)和可用結(jié)果。成本數(shù)據(jù)可以輸出到其它軟件或電子表格中。13 Optisystem的新特征新版本的OptiSystem在基于FTTx的無源光網(wǎng)絡(luò)（PON）、光無線通信（OWC）、和光纖廣播系統(tǒng)（ROF）方面的設(shè)計得到了一系列的加強(qiáng)。16 光纖和放大器（Optical Fibers and Amplifiers）一個新的離散化參數(shù)用于寬帶采用信號，為摻雜放大器增益和布里淵計算提供了更好的性能、精度和收斂。先進(jìn)分析工具組（Advanced Analysis Toolsets）光子全參數(shù)分析器同時測量偏振模散射（PMD）和記錄多路徑。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(dá)100路波長信道進(jìn)行放大[8]。隔離器——用于抑制光的來回反射，保證放大器工作穩(wěn)定。 EDFA的結(jié)構(gòu) EDFA的放大原理EDFA的放大作用是通過1550nm波段的信號光在摻鉺光纖中傳輸與Er3+離子相互作用產(chǎn)生的。 Er3+能級圖 EDFA的基本性能增益特性：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。 EDFA增益平坦優(yōu)化設(shè)計布局圖 研究分析首先我們對未經(jīng)過摻餌光纖放大器進(jìn)行放大的光譜圖進(jìn)行觀察。 未經(jīng)過參數(shù)設(shè)置放大器后的光譜由上圖可以看出，經(jīng)過放大器后的16信道輸出光譜波動在6dbm——4dbm之間。 EDFA增益的多參數(shù)優(yōu)化參數(shù)設(shè)置Parameters：在本項中設(shè)置了需要優(yōu)化的參數(shù)，一為泵浦光源的功率，這里選擇0160mW，初始值為100；另一為摻鉺光纖的長度，范圍為140m，初始值為4m。 經(jīng)過參數(shù)設(shè)置EDFA的光譜圖（綠色曲線為存在的噪聲） 經(jīng)過參數(shù)設(shè)置放大器后的噪聲情況由上圖可以看出經(jīng)過參數(shù)設(shè)置放大器后的噪聲上下波動在72dbm與62dbm之間，相對而言波動比較小對最后的輸出光譜圖影響比較小。(2) 因為EDFA的主體也是一段光纖，它與線路光纖的耦合損耗很小，耦合效率高。所需泵浦光功率較低(數(shù)十毫瓦)，泵浦效率卻相當(dāng)高，用980nm光源泵浦時，增益效率可達(dá)11dB/mW， dB/mW；泵浦功率轉(zhuǎn)換為輸出功率的效率和吸收效率高于80%。噪聲指數(shù)低，一般為4～7dB。這些都使它在許多領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景。 (8) 中繼器只有低速電子裝置和幾個無源器件，所以結(jié)構(gòu)簡單，可靠性高，體積小。 (10) EDFA需要的工作電流比光一電一光中繼器小，因此可以大大減小所需電流，從而降低了對海底電纜和絕緣特性的要求：在放大器級聯(lián)使用中可以自動補(bǔ)償線路上損耗的增加，使系統(tǒng)經(jīng)久耐用。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(yuǎn)距離傳輸?shù)木€路放大器、用作光發(fā)射機(jī)輸出的功率放大器和用作接收機(jī)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(qiáng)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(jī)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(jìn)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。（1）摻餌光纖放大器小信號增益G與泵浦功率Pp以及光纖長度l的關(guān)系曲線。對一定的泵浦光功率，EDFA的增益開始隨著EDF的長度增長而增大，到某一長度時達(dá)到最大，然后隨著長度的進(jìn)一步增加，增益反而減小，可見有一個最佳長度(Lopt ) ，這時增益最大。開始時G隨著PP的增加而指數(shù)增加，但當(dāng)PP到一定大小時，G趨向飽和。信號光功率為1181。前向泵浦光功率分別取：(a) 15mW；(b) l0mW；(C)5mW。采用前向泵浦光激勵功率。W；(d) 500181。閾值功率(Ppth)主要由EDFA的長度決定，大的入射功率比小的更加容易飽和。泵浦光功率分別取：(a) 5mW；(b) l0mW；(c) 20mW；(d) 50mW。 (c)雙向泵浦光激勵方式，前向泵浦光功率為4mW，反向泵浦光功率為4mW。但由于吸收，泵浦光將沿光纖長度而衰減，這一因素使在一定長度上達(dá)到增益飽。如果提供部分前向泵浦，部分后向泵浦，則稱為雙向泵浦。現(xiàn)在已經(jīng)商用化的高濃度摻鉺光纖很多，而且近幾年的價格下降較快。（2）概括了一下?lián)金D光纖放大器在密集波分復(fù)用系統(tǒng)中的應(yīng)用及簡要分析。包括摻餌光纖放大器的組成、原理、基本性能以及對放大過程的研究分析。在此向孟老師表示深深的感謝和崇高的敬意！在臨近畢業(yè)之際，我還要借此機(jī)會向在這四年中給予我諸多教誨和幫助的各位老師表示由衷的謝意，感謝他們四年來的