【正文】 DM 并和 ISO 做成組件 。 將 EDF中傳播的光 (包括抽運(yùn)光、信號(hào)光和放大自發(fā)輻射光 )在頻域上劃分成中心頻率為 kv ,光束帶寬為 kv? ，沿 +z方向和 z方向傳輸?shù)墓馐?，則第 k級(jí)信號(hào)光束的增益由下式給出： ])()e x p [ ( 2 LlaNgaG kavkkk ???? （ 311） 湖北工業(yè)大學(xué)理學(xué)院 2021 屆畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 18 式中， dzzNLN Lav )(1 0 22 ??為整根光纖中的平均粒子反轉(zhuǎn)度； ka 和 kg 分別為吸收系數(shù)和增益系數(shù)；為光纖的本征損耗； )(2 zN 定義為上能級(jí) ?3Er 離子的線密度 )(2zn 與摻 ?3Er 離子線密度 tn 之比； L為 EDF的長(zhǎng)度 。 研究發(fā)現(xiàn)，通過(guò)控制摻鉺光纖 (EDF)的長(zhǎng)度，使鉺離子的粒子數(shù)分布反轉(zhuǎn)穩(wěn)定在較低的程度，可實(shí)現(xiàn) L波段的光放大，稱為 L波段 EDFA(或 GSEDFA， Gain— Shifted EDFA)。在忽略反射光影響的行波放大器中，同向泵浦時(shí)的信湖北工業(yè)大學(xué)理學(xué)院 2021 屆畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 16 號(hào)光和泵浦光功率傳輸方程分別為 )(1221112221 NNAhWhANWhANWdzdP ssss ???? ??? (2315) PPP hANWdzdP ?1?? (2316) 式中， 2aA ?? 為光纖光芯的橫截面積；傳輸方程忽略光纖的損耗。從 EDFA的工作原理知道，泵浦幾率很高， 3E 能級(jí)上的粒子少，可忽略由 3E 向的微弱的自發(fā)輻射和受激輻射，有 13WWP? ，即 PPpPP AhPW ???? (236) 式中， pP 為泵浦光功率； P? 為泵浦光子能量。 用光子流密度作為外界光的量度，其定義是單位時(shí)間通過(guò)垂直于光子流方向的單位面積上的光子數(shù)，用光強(qiáng)表示可寫成 ?hI?? [1/ ( 2ms? )] (231) 假設(shè)光強(qiáng)在光纖的截面上分布均勻，則 API? (232) 故 ?AhP?? (233) 式中， P 為光纖中的光功率； A 為纖芯的截面積。 1. 48μ m的優(yōu)點(diǎn) :它和信號(hào)光的波長(zhǎng)接近 ,因而 m 的單模光纖對(duì)信號(hào)光和泵浦光都是單模傳輸 ,可用單模光纖制成定向耦合器 ,將信號(hào)光和泵浦光低損耗導(dǎo)湖北工業(yè)大學(xué)理學(xué)院 2021 屆畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 13 入光纖。在這些頻帶中選用泵浦波長(zhǎng)的原則是要求泵浦效率高 ,當(dāng)然還必須有相應(yīng)波長(zhǎng)的大功率激光器作泵浦源 , 都利用過(guò) ,但是這些激光器都是氬離子激光器、 Nd這就是能夠放大的信號(hào)光波長(zhǎng)范圍。在制造光纖時(shí)摻入一定量的三價(jià)鉺離子 ?3Er ,就可以形成摻鉺光纖。 當(dāng)作前置放大器使用時(shí)，采用前 向 泵浦方式較好 。 圖 摻鉺光纖放大器的基本結(jié)構(gòu) [4] 湖北工業(yè)大學(xué)理學(xué)院 2021 屆畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 10 下面 重點(diǎn)講泵浦源的問(wèn)題 。解決這一問(wèn)題的常規(guī)方法是采用光 — 電 —光中繼器 ,這種光 — 電 — 光的變換和處理方式在一定程度上已滿足不了現(xiàn)代傳輸?shù)囊?。光放大器的另一種應(yīng)用是用來(lái)補(bǔ)償局域網(wǎng)（ LAN）的分配損耗，分配損耗常常限制網(wǎng)絡(luò)的節(jié)湖北工業(yè)大學(xué)理學(xué)院 2021 屆畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 8 點(diǎn)數(shù)，特 別是在總線拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的情況下。只要系統(tǒng)性能沒(méi)被色散效應(yīng)和放大自發(fā)輻射噪聲所限制，這種取代就可以進(jìn)行。以后對(duì)研究材料的目的是為了獲得具有更寬更平坦增益譜。另一個(gè)方向是 EDFA整體性能的研究，目標(biāo)是在現(xiàn)有的 EDF材料基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)出符合現(xiàn)代光纖通信系統(tǒng)要求的性能良好的 EDFA。 到八十年代中期，這種局面得到了轉(zhuǎn)機(jī)。 湖北工業(yè)大學(xué)理學(xué)院 2021 屆畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 6 光纖放大器的唯一一個(gè)缺點(diǎn)是不能與其他器件集成，這將限制它在光電集成中的應(yīng)用。用 m? 的 LD 泵浦時(shí)，泵浦效率為 11dB/mW，用 m? 的泵浦時(shí)，為 dB/mW；泵浦功率轉(zhuǎn)換輸出信號(hào)功率的效率為 %；當(dāng)泵浦光功率為 60mW 時(shí)，吸收功率為 88%。主媒光纖一般是石英光纖，也可以是氟化物光纖。在長(zhǎng)距離通信中，每隔幾十千米需要再注入泵浦功率，構(gòu)成分布式級(jí)聯(lián)光纖喇曼放大。 （ 3）因此， FRA所需要的泵浦光功率閾值（為 ~1W）高于 FBA的泵浦光功率閾值（為１～１０ｍｗ）。把基于 SRS 機(jī)制的光放大器稱為光纖喇曼放大器（ FRA—— Fiber Raman Amplifier）；基于 SBS 機(jī)制的光放大器則稱為光纖布里淵放大器（ FBA）。半導(dǎo)體光放大器的結(jié)構(gòu)與半導(dǎo)體激光器相似，所不同的是兩端面吳反射膜，或者雖有反射膜，但反射率很低。光纖型放大器有光纖喇曼放大器（ FRA） 、光纖布里淵放大器 (FBA)、和摻雜光纖放大器（如 EDFA） 等幾種。目前通信的研究熱點(diǎn)是長(zhǎng)距離、大容量、超高速的光纖通信系統(tǒng)，其中光纖放大器和 DWDM起著極其重要的作用。目前的研究水平可達(dá)到 。1880年電話發(fā)明家貝爾 (A. G. Bell)發(fā)明了光學(xué)電話，以陽(yáng)光為光源，用硒晶體作光接收器件，成功地進(jìn)行了距離達(dá) 200米遠(yuǎn)的大氣傳輸通信實(shí)驗(yàn)，貝爾的實(shí)驗(yàn)奠定了當(dāng)今光通信的基礎(chǔ)。 通過(guò)模擬不同結(jié)構(gòu)的Ｌ波段摻鉺光纖放大器，得到了 不同的 系統(tǒng)增益特性 及其他性能指標(biāo)。 本 論文在前人的基礎(chǔ)上，對(duì) 提高 L 波段 EDFA 的增益效率 進(jìn)行了系統(tǒng)的研究 和模擬仿真 。我國(guó)古代記載的漢武帝時(shí)代利用烽火臺(tái)的烽火向遠(yuǎn)處報(bào)警的方式，就是最早的光通信。到 1979年在 m? 波長(zhǎng)上光纖損耗降低到 ，這已接近了石英光纖理論上的損耗極限。雖然光纖的零色散就位于 ? 上，但在此波長(zhǎng)上光纖的損耗仍限制通信的中繼距離，光纖的最小損耗位于 m? 處， m? 單模光纖通信是第三代光纖通信系統(tǒng)，現(xiàn)己在公用通信網(wǎng)上得到大規(guī)模應(yīng)用。 光放大器 主要包括 半導(dǎo)體激光放大器和光纖 型 放大器 兩類。行波型放大器的帶寬比法布里 —泊羅型的放大器大三個(gè)數(shù)量級(jí)，可達(dá) 10THz。 基于非線性效應(yīng)光纖放大器 非線性光纖放大器是利用光纖的三階非線 性光學(xué)效應(yīng) —— 受激喇曼散射（ SRS）和受激布里淵散射（ SBS）等產(chǎn)生的增益機(jī)制而對(duì)光信號(hào)進(jìn)行放大的。也就是說(shuō)， SBS 的斯托克斯平移量要比 SRS 小三個(gè)數(shù)量級(jí)，且與泵浦光波長(zhǎng)有關(guān)。此時(shí)，光纖既是增益媒質(zhì)，同時(shí)又是傳輸媒質(zhì)；既產(chǎn)生增益，有存在損耗，增益補(bǔ)償損耗，實(shí)現(xiàn)光纖通信系統(tǒng)凈增益為零的無(wú)損透明傳輸。至今用作摻雜的物質(zhì)均為鑭（ La）系稀土元素，如鉺（ Er）、釹（ Nd）、鐠（ Pr）、鈥（ Ho）、銩 （ Tm）、和鐿（ Yb）等，可用于實(shí)現(xiàn)不同波長(zhǎng)（覆蓋從可見(jiàn)光到紅外光，直到 m? ）的光放大器。 （ 3）所需泵浦功率低，僅數(shù)十毫瓦；泵浦效率高。增益特性與光纖的偏振態(tài)無(wú)關(guān)，對(duì)溫度不敏感，與信號(hào)的傳輸方向無(wú)關(guān)，與 泵浦源的大小和頻譜關(guān)系不大。在這種情況下，有一部分研究者放棄了對(duì)光纖放大器的研究，而轉(zhuǎn)向改進(jìn)電再生和更靈敏的探測(cè)技術(shù)上。 對(duì) EDFA的研究基本上沿兩個(gè)方向同時(shí)進(jìn)行，一個(gè)方向是對(duì) EDF材料的研究，目的是研制出增益譜更寬更平坦的摻 鉺 光纖 。 Lband的 EDFA拓寬了光通信中的第三個(gè)窗口的可用波長(zhǎng)，氟化物摻 鉺 光纖采用 1480nm泵浦可獲得 1530一 1560nm波段上相當(dāng)平滑的增益譜， 碲化物摻 鉺 光纖可獲得高達(dá) 70nm的帶寬。在長(zhǎng)距離通信系統(tǒng)中，光放大器的一個(gè)重要應(yīng)用就是取代電中繼器。為了提高接收機(jī)的靈敏度，也可以在接收機(jī)之前插入一個(gè)光放大器，對(duì)微弱光信號(hào)進(jìn)行預(yù)放大，這樣的放大器稱為前置放大器，它也可以用來(lái)增加傳輸距離。 在傳統(tǒng)的光纖通信系統(tǒng)中 ,光信號(hào)在光纖中傳輸時(shí) ,不可避免的存在著一定的損耗和色散 ,損耗導(dǎo)致光信號(hào)能量的降低 ,色散導(dǎo)致光脈沖展寬 ,因此 ,每隔一段距離就需要設(shè)置一個(gè)中繼器 ,以便對(duì)信號(hào)進(jìn)行放大和再生中繼續(xù)傳輸。 WDM的作用是將信號(hào)光與泵浦光 耦合 進(jìn)入 摻鉺 光纖，光隔離器是 防止 光路中的反向光對(duì)摻 鉺 光纖放大器中產(chǎn)生不良的干擾 。當(dāng)放大器作功率放大器使用時(shí) .采用后向泵浦方式較好 。鉺的原子序數(shù)為 68 ,原子量 167. 2 ,價(jià)電子 3 ,屬鑭系元素。受激輻射躍遷所產(chǎn)生的光子波長(zhǎng)為λ = ch ( 2E 1E ) = 1520～ 1570nm。 圖 EDFA工作原理圖 [4] 從圖 nm數(shù)可以看出 ,鉺離子存在許多能級(jí) ,這些高能級(jí) (由于斯坦克效應(yīng) ,這些能級(jí)其實(shí)是能帶 )原理上都可以作為 3E 能級(jí) ,都可以用來(lái)泵浦 EDFA。 m 與 m 相比 ,增益高、泵浦效率高、噪聲小 ,具有很大的吸引力 ,是目前光纖放大器的首選波長(zhǎng)。為 了著重于物理內(nèi)涵，下面的討論只限于 m? 波長(zhǎng)、進(jìn)行同向泵浦的情形 。 具有實(shí)際意義的是在 3E 上的粒子非輻射躍遷到能級(jí) 2E 的幾率，用 PW 表示，稱為泵浦幾率（或泵浦率）。 在穩(wěn)態(tài)時(shí)，有 02 ?dtdN ，則方程的穩(wěn)定解為 21211 2 )( AWW NAWNPsts ???? (2311) 212 2)( AWW NWWNPstPs ???? (2312) 其中 tN 為總粒子密度 21 NNNt ?? (2313) 令 12 NNN ??? ，得粒子數(shù)反轉(zhuǎn)的速率方程為 21212 )( AWW NWWNPstP ????? (2314) 光纖放大系統(tǒng)的傳輸方程 由于受激輻射和吸收作用，使信號(hào)光功率和泵浦光功率沿放大器的長(zhǎng)度方向變化，用功率傳輸方程來(lái)描述這種變化規(guī)律。 L 波段 EDFA 的基本原理 C波段 EDFA 的工作波長(zhǎng)一般在 1530～ 1565 nm，對(duì)應(yīng)于 ?3Er 離子 2/1542/134 II ? 能級(jí)躍遷的發(fā)射 。 L 波段 EDFA 的模型 EDFA 的放大過(guò)程可用均勻展寬的二能級(jí)模型來(lái)描述 。 圖 (a)采用熔融拉錐 WDM 。 圖 使用兩種結(jié)構(gòu)的增益比較結(jié)果 [12] 分析圖 (a)、 (b)不難發(fā)現(xiàn)，優(yōu)化后 (即考慮 ESA效應(yīng) )的增益仿真數(shù)據(jù)和實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)吻合湖北工業(yè)大學(xué)理學(xué)院 2021 屆畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 20 較好 。 本 文介紹了 L波段 EDFA 的基本原理，給出了它的理論模型，指出在 L波段 EDFA設(shè)計(jì)和制作過(guò)程中應(yīng)該考慮 ESA 問(wèn)題 。對(duì)于洛倫茲分布，增益帶寬為 湖北工業(yè)大學(xué)理學(xué)院 2021 屆畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 22 22Twg ?? （ 323） 或 212 Twv gg ?? ???? （ 324） 一般 2T 很小 ， 則算出的 gv? 很大 ， 這正是光纖通信系統(tǒng)（尤其是多信道復(fù)用系統(tǒng)）所期望的。顯然，增益飽和將限制放大器的放大能力。 湖北工業(yè)大學(xué)理學(xué)院 2021 屆畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 24 EDFA 的主要噪聲來(lái)源有信號(hào)光的散彈噪聲；信號(hào)光與放大自發(fā)輻射之間的差拍（拍頻）噪聲； ASE 本身不同頻率光波間的差拍噪聲以及 ASE 光的散彈噪聲。則式可寫成 fhvPin?? 2(SNR) in (3218) 求定放大后信號(hào)的信噪比，應(yīng)計(jì)及放大器中存在的 ASE 對(duì)接收機(jī)噪聲的影響。當(dāng) 2NN?? 時(shí)，即 1?spn 的完全粒子數(shù)反轉(zhuǎn)的理想放大器， 2?FN ，這個(gè)最小的噪聲系數(shù)稱為極限噪聲系數(shù)，即使此時(shí)放大后信號(hào)的信噪比也將降低二倍（ 3dB）。因此，噪聲系數(shù)就像放大器的增益一樣，與放大器的長(zhǎng)度 L和泵浦功率有關(guān)。因?yàn)樵陂L(zhǎng)波長(zhǎng)端的受激發(fā)射躍遷截面和受激吸收躍遷截面均比較大，使 spn 較小， FN 較低。 噪聲系數(shù)、增益和輸出功率是表征光放大器性能的三項(xiàng)主要參數(shù)。 在本章的計(jì)算中，我們把摻 鉺 濃度取為 325106 ?? m ，在這個(gè)濃度下，可以不考慮其它能量轉(zhuǎn)移過(guò)程的影響。圖 b 是在忽略 ASE 的情況下，信號(hào)功率分別為 、 和 時(shí)，計(jì)算得出的信號(hào)光沿光纖長(zhǎng)度的變化。 以上因素對(duì)放大器的性能都有影響 。 湖北工業(yè)大學(xué)理學(xué)院 2021 屆畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 28 圖 a 不同 泵浦功率下的最佳光纖長(zhǎng)度值 圖 b [7] （ 3） 光纖參數(shù) 光纖參數(shù)包括數(shù)值孔徑 NA、 摻雜半徑 a、 截止波 長(zhǎng) e? 、芯包折射率差△等等。因?yàn)楸闷止庠诠饫w中傳輸不斷被吸收，當(dāng)光纖超過(guò)某一長(zhǎng)度后，剩余的泵浦光被吸收，但不足以使粒子數(shù)反轉(zhuǎn)〔特別是對(duì)三能級(jí)系統(tǒng)，基態(tài)作為受激輻射躍遷的下能級(jí) )，這時(shí)光纖是衰減的。如湖北工業(yè)大學(xué)理學(xué)院 2021 屆畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 27 圖 是不考慮其它能量轉(zhuǎn)移過(guò)程時(shí)，增益隨摻 鉺 濃度變化的曲線， 增益隨摻 鉺 濃度的增加而線性增加。當(dāng)泵浦光功率不足以使整個(gè) EDFA 長(zhǎng)度上粒子數(shù)完全