【正文】 反轉(zhuǎn)時，同向泵浦發(fā)生在放大器的末端（輸出端），而反向泵浦則發(fā)生在放大器的始端（輸入端）。但從噪聲特性角度考慮，該長度并非最佳。由于 泵浦時，泵浦的高能級和放大器的高能級處于同一能帶中，更難以實現(xiàn)粒子數(shù)的完全反轉(zhuǎn) )0( 1?N ， 因此，其 噪聲系數(shù)要比 泵浦時要更大些。 在接收機(jī)前面加入光放大器后，產(chǎn)生的附加噪聲主要源于 ASE 噪聲和信號光的差拍噪聲。其定義為放大器的輸入信噪比與輸出信噪比之比，即 outin(SNR)(SNR)?FN （ 3215a） 或 outin(S N R)(S N R)lg10?FN （ 3215b） 式中的 SNR 都指在接收機(jī)中的光電檢測器將光信號轉(zhuǎn)變成電信號的信噪比， in(SNR) 表示沒有放大器時的光電流信噪比， out(SNR) 表示加上放大器后的光電流信噪比。飽和增益 satG 所對應(yīng)的輸出光功率稱為飽和輸出功率 satoutP 。信號光功率隨放大器長度的變化滿足 )()( zPwgdzdP ? （ 326） 式中， )(zP 為 z點處的光功率。為說明這個問題，以均勻展寬二能級系統(tǒng)增益介質(zhì)模型為例，這種介質(zhì)的增益系數(shù)可寫成， satPPTwwgzwg /)(1),( 22200 ???? （ 321） 式中， 0g 為增益峰值，其值由泵浦強(qiáng)度決定； w 為入射光角頻率； 0w 為增益介質(zhì)躍遷的中心角頻率； P 為信號光功率； satP 為飽和功率，取決于增益介質(zhì)差數(shù)，例如介質(zhì)的自發(fā)輻 射壽命 )/1( 21A??? 和躍遷截面 ? 等， ? 也稱為粒子數(shù)馳豫時間，其值取決于增益介質(zhì)的摻雜特性并在 100ps~10ms 范圍內(nèi)變化； 2T 為增益介質(zhì)的偶極子弛豫時間（非輻射弛豫時間），其值一般很小，為 ~1ns。 ESA效應(yīng)對 L波段 EDFA 信號放大的這種削弱作用在結(jié)構(gòu) I和結(jié)構(gòu) II的比較數(shù)據(jù)中都得到驗證。 湖北工業(yè)大學(xué)理學(xué)院 2021 屆畢業(yè)設(shè)計 (論文 ) 19 測試框圖如圖 。 采用優(yōu)化后的式(312)進(jìn)行數(shù)值仿真可以大大減小 1 600 nm 以上波長的數(shù)值計算的誤差 。光纖長度的增加使光纖的損耗隨之增加，另外較小的吸收和發(fā)射截面將導(dǎo)致后向放大自發(fā)輻射 (ASE)噪聲的積累，消耗了泵浦功率，同時也降低了放大器的粒子反轉(zhuǎn)度水平，使噪聲指數(shù) (NF)增大 。雖然混略了 AES，但計算結(jié)果和實驗結(jié)果仍基本吻合。 a? 和 e? 均為波長的函數(shù)，并與基質(zhì)光纖的摻雜有關(guān)，在一般情況下， ae ??? ，即 湖北工業(yè)大學(xué)理學(xué)院 2021 屆畢業(yè)設(shè)計 (論文 ) 15 2112 WW ? 。受激躍 遷截面 ? 可通過實驗測定，在計算光纖放大器的粒子數(shù)反轉(zhuǎn)和增益中更直接、方便，故常用 ? 來代替 B表示物質(zhì)的特性。這是由于 EDFA得工作過程本身就很復(fù)雜，除了具有泵浦躍遷、受激吸收、受激輻射和自發(fā)輻射四個光放大器基本過程外，它的工作狀態(tài)還受制于放大器本身為摻鉺光纖這一特征。泵浦效率η p 可以用來衡量泵浦的有效性 ,其表達(dá)式如下 : η p = 放大器增益 (dB) / 泵浦功率 (mW) 選用泵浦頻帶的另一個重要因素是無激發(fā)態(tài)吸收。在外界泵浦源的作用下 ,基態(tài) 4I15/ 2 上的粒子吸收泵浦源的能量而躍遷到 3E 能級上。在這些分裂態(tài)之間的能級差與能級之間的能量差相比很小 ,就形成了準(zhǔn)能帶。隨著低損耗稀土摻雜光纖工作特性和制造技術(shù)的不斷發(fā)展 ,直到湖北工業(yè)大學(xué)理學(xué)院 2021 屆畢業(yè)設(shè)計 (論文 ) 11 1986年才開始實際使用。 以前曾經(jīng)有用閃光燈、 ?2Ar 離子激 光器、染料激光器、色心激光器作為摻鉺光纖放大 器的泵浦光源，但出于通信系統(tǒng)實際應(yīng)用的考慮，光纖器件采 用半導(dǎo)體 激光器作為泵浦光源更為合適，半導(dǎo)體激光器具有體積小、易于集成、高功率、高效率、功耗小、價 格便宜等優(yōu)點，是光纖放 大器最理想的泵浦光源。特別是摻鉺光纖放大器使信號光在光纖中直接得到增強(qiáng)和放大 ,這使得通信成本降低 ,設(shè)備簡化 ,運(yùn)行維護(hù)方便。在光波系統(tǒng)中，不同的應(yīng)用對光放大器有不同的要求。而光放 大器可以同時放大所有的信道，可省去信道解復(fù)用過程。所有的整體設(shè)計技術(shù)中兩個最為重要的技術(shù)是自動增益控制和增益譜的均衡 。另一種更為有效的是在石英光纖中湖北工業(yè)大學(xué)理學(xué)院 2021 屆畢業(yè)設(shè)計 (論文 ) 7 采用多組分共摻技術(shù)，如在摻 鉺 的同時摻人 22OP 或 32OAl 以提高 ?3Er 在這光纖中的溶解度。T貝爾實驗室首先研制出摻 鉺 光纖放大器 (EDFA),1989年日本 NT公司又首先用 m? 的InGaAsP半導(dǎo)體激光器成功地泵浦了 EDFA。 1969年， .H olst和 Snitzer利用光纖放大器，提高了探測器的靈敏度。噪聲系數(shù)為 3~4dB，接近量子極限；基本不會發(fā)生 FWM 等非線性效應(yīng)所引發(fā)的信道間串?dāng)_。 EDFA 的研制成功被視為光纖通信技術(shù)的第三次飛躍。例如在相干光纖通信系統(tǒng)中，可用ＦＢＡ有選擇的放大光載 波而不放大調(diào)制邊帶，用放大后的光載波作為本振光，實現(xiàn)零差檢測；在多路通信系統(tǒng)中，可湖北工業(yè)大學(xué)理學(xué)院 2021 屆畢業(yè)設(shè)計 (論文 ) 5 在接受短注入一泵浦光，與多信道光信號相反傳播，借助調(diào)節(jié)泵浦光頻率就可選擇不同信道的信號進(jìn)行放大。但需要的泵浦功率交高；由于放大器的單位長度增益系數(shù)很低，要獲得滿意的增益，并減少泵浦功率，需要很長的光纖；此外，ＦＲＡ的特性對光纖的偏正態(tài)也十分敏感。 這兩種光放大器相類似，都必須有泵浦光的注入。 半導(dǎo)體光放大器存在的主要缺點：①與光纖的耦合損耗大，可達(dá) 5dB左右。對于半導(dǎo)體激光放大器（ SOA）的研究，早在 1926年發(fā)明半導(dǎo)體激光器不久就已經(jīng)開始了。傳統(tǒng)的中繼放大是在光信號傳輸過程中，將光信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘枺瑢﹄娦盘栠M(jìn)行再生、整形和定時處理，恢復(fù)信號的形狀和幅度，然后再轉(zhuǎn)換回光信號沿光纖線路繼續(xù)傳輸。 1970年，美國貝爾實驗室的 ? 的 GaAIAs半導(dǎo)體激光器在室溫下實現(xiàn)連續(xù)振蕩，隨后，為配合光纖的長波長窗口 ( m? , m? , m? ),研制出 InGaAsP長波長激光器和發(fā)光二極管。 傳輸媒質(zhì)是光通信的另一大難題。 ２ .模擬仿真了 Ｌ波段雙級級聯(lián)雙程放大的放大器結(jié)構(gòu) 。 畢 業(yè) 設(shè) 計（論 文） 題 目 L 波段摻鉺光纖放大器的研究 姓 名 所在學(xué)院 理學(xué)院 專業(yè)班級 06 光信 1 學(xué) 號 指導(dǎo)教師 日 期 2021年 12月 15 日 湖北工業(yè)大學(xué)理學(xué)院 2021 屆畢業(yè)設(shè)計 (論文 ) I 摘 要 EDFA 作為光通信系統(tǒng)中的一個關(guān)鍵器件在光通信領(lǐng)域中扮演著十分重 要的角色。結(jié)果表明： 在小信號功率 （－３０ｄＢｍ） 輸入條件下、 nm1602~1568 波長范圍內(nèi)，放大器輸出增益都大于 同時增益平坦度優(yōu)于 。 1966年 7月，英籍華人科學(xué)家高餛 (K. C. Kao)博士和他的合作者霍克漢 (G. A. Hockhan)在倫敦電氣工程師協(xié)會 (IEE)會刊上發(fā)表題為《用于光頻的介質(zhì)纖維表面波導(dǎo)》的文章 ， 研究了石英玻璃的損耗機(jī)理是基于石英材料中的雜質(zhì)吸收，指出通過制造技術(shù)的改進(jìn)，石英玻璃可以制成損耗為 20dB/km 的通信光導(dǎo)纖維 (簡稱光纖 )，而當(dāng)時世界上最優(yōu)良的光纖損耗仍高達(dá) 1000dB/km,高餛的預(yù)見為光纖通信的發(fā)展指出 了方向。因此， 1976年后，光纖通信的發(fā)展進(jìn)入實用化階段，各種實用的光湖北工業(yè)大學(xué)理學(xué)院 2021 屆畢業(yè)設(shè)計 (論文 ) 2 纖通信系統(tǒng)陸續(xù)出現(xiàn)。這種光一電一光轉(zhuǎn)換的中繼器有許多缺點，如設(shè)備復(fù)雜，需要昂貴的脈沖限幅，重新定時和整形的電子器件以及光探測器件和光發(fā)射器件，系統(tǒng) 穩(wěn)定性和可靠性不高，對多信道的通信系統(tǒng)，設(shè)備更復(fù)雜，費(fèi)用更昂貴，而且電子線路的 1OGb/s的響應(yīng)極限已經(jīng)成為限制通信速率的“電子瓶頸”。然而，只是 80 年代在認(rèn)識到它將在光纖系統(tǒng)中具有廣泛應(yīng)用前景時，才對 SOA進(jìn)行了廣泛的研究和開發(fā)。這是它的最大弱點；②穩(wěn)定性差。泵浦光通過 SRS 或 SBS 過程將一部分光功率轉(zhuǎn)移給信號光，使信號光放大，同時將部分光功率轉(zhuǎn)換成分子振動（ SRS）或聲子（ SBS）。 一般認(rèn)為， FRA的泵浦效率低，需要的泵浦光功率高，用這樣大功率的半導(dǎo)體激光器作為泵浦源，不易實現(xiàn)，限制了它在光纖通信系統(tǒng)中的應(yīng)用。此外，它的高增益、低功率的放大性能使其可用作接收機(jī)的前置放大器，提高靈敏度。 EDFA 的應(yīng)用不僅解決傳輸光纖 衰減的補(bǔ)償問題，而且為光源的外調(diào)制、波分復(fù)用器、色散補(bǔ)償元件和光濾波器等一批光網(wǎng)絡(luò)器件的應(yīng)用提供了條件。 （ 6）帶寬很大。 到了七十年代，由于半導(dǎo)體激光器的發(fā)展，光纖放大器的研究逐漸被人遺忘， 以致停滯不前。半導(dǎo)體激光器泵浦的摻 鉺 光纖放大器一出現(xiàn)就顯現(xiàn)出它適合于通信系統(tǒng)的優(yōu)點，整個國際通信界為之震撼，它被公認(rèn)為光纖通信系統(tǒng)中最理想的光放大器，給光纖通信的發(fā)展帶來了第二次革命。目前，在 2SiO / 22OP 、光纖中 ?3Er 濃度可達(dá) l00ppm(Wt%)和在 2SiO / 32OAl ，光纖中 ?3Er濃度可達(dá) 1000ppm，而不產(chǎn)生熒光淬滅。 自動增益控制一般采用光電反饋增益控制和全光反饋增益控制 ； 實現(xiàn)增益譜均衡最常用的措施是采用均衡濾波器 。用光放大器取代光 — 電 — 光中繼器就稱為在線放大器。 圖 光放大器的幾種應(yīng)用方式 [1] 論文內(nèi)容安排： 本論文第一章為緒論，簡單介紹了光放大器的發(fā)展歷程，以及摻鉺光纖放大器的研究進(jìn)展及應(yīng)用； 第二章介紹了 摻鉺光纖放大器 的基本理論，內(nèi)容包括 EDFA的基本結(jié)構(gòu) 、 EDFA的工作原理和 摻鉺光纖放大器理論模型 ； 第 三章介紹了 L 波段摻鉺光纖放大器的模擬仿真 ，研究了 L 波段 EDFA的輸出特性 ， L 波段摻鉺光纖放大器的優(yōu)化設(shè)計 ； 最后是結(jié)論和展望，總結(jié)本論文的主要工作，并提出將來需要深入開展的研究內(nèi)容。隨著摻鉺光纖放大器的實用化 ,愈來愈多的用在數(shù)字光纖傳輸系統(tǒng)中 ,它給原來的數(shù)字光纖傳輸系統(tǒng)帶來了新的發(fā)展。半導(dǎo)體激光器的發(fā)展對摻鉺 光纖放大器的發(fā)展起著重要推動作 用。摻鉺光纖放大器的工作波長為 m ,用 ?2Ar 粒子激光器作泵浦源 ,在 3m長的光纖中可以得到 。如圖 ,圖中左邊的 2/114I 是通過量子力學(xué)解出的原子核外電子能級 , 2/154I 是 ?3Er 的基態(tài) (各能級的間隔和由于微擾而產(chǎn)生的斯坦克效應(yīng)展寬的能帶寬度屬于量子力學(xué)結(jié)果 ) 。 3E能級上的電子主要通過無輻射躍遷的形式 ,迅速轉(zhuǎn)移到 2E 能級上 , 3E 能級最好能有較大的寬度 ,以充分利用寬帶泵浦源的能量來提高泵浦效率 。在理想的系統(tǒng)中 ,處于激發(fā)態(tài)的電子 ,在受到外來的光子作用時 ,向低能級躍遷而發(fā)出光子 ,但是還有一種可能就是它可以吸收外來的光子繼續(xù)向更高的能級躍遷 ,這就是激發(fā)態(tài)吸收 (Excited State Absorption ,ESA) 。例如， EDF 的長度，光場和 ?3Er 離子在 EDF橫截面上的分布，泵浦的方向，以及它對信號光和泵浦光是否為單模工作等等。 基態(tài)能級 1E 上的粒子吸收泵浦光功率后，躍遷到激發(fā)態(tài)能級 3E 的幾率 13W 為 PPPW ?? ??13 (235) 式中， P? 為受激吸收躍遷截面； P? 為泵浦光的光子流密度； P? 為鉺粒子與泵浦光的有效耦合系數(shù)。 能級 3E 上的粒子由于快速非輻射躍遷到而本身基本上是空的，因此，三能級系統(tǒng)可化簡為二能級系統(tǒng)。 湖北工業(yè)大學(xué)理學(xué)院 2021 屆畢業(yè)設(shè)計 (論文 ) 17 3 L 波段摻鉺光纖放大器的模擬仿真 L 波段摻鉺光纖放大器的優(yōu)化設(shè)計 隨著計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)及其它新的數(shù)據(jù)傳輸業(yè)務(wù)的飛速發(fā)展，進(jìn)一步提高通信容量，已成為光通信領(lǐng)域研究的熱點 。 解決這些問題 的一種辦法是采用一定長度的高摻雜、低損耗的 EDF。 NF(單位為 dB)由下式得到： ])()(1l g [10 hvSG hvSGNF sinsout ?? ??? (313) 式中， )( soutS ? 為輸出光譜在信號光波長處的 ASE光譜密度 (單位： W／ Hz)； )( sinS ? 為輸入光 位于信號光波長處的 ASE光譜密度 。 圖中，可調(diào)諧光源 (TLS)的輸出功率為 0 dBm，波長從 1565～ 1610 nm 按步長為 5 nm 變化， L波段 EDFA 的輸出進(jìn)入光譜儀 (OSA)進(jìn)行增益測試 。 圖 使用兩種結(jié)構(gòu)的噪聲指數(shù)比較結(jié)果 [12] 分析仿真的 NF數(shù)值 (圖 (a))、 (b))可知，優(yōu)化后 (即考慮 ESA 效應(yīng) )的 NF的仿真數(shù)據(jù)和實測數(shù)據(jù)吻合較好 。式 （