【文章內(nèi)容簡介】 碲 化物摻 鉺 光纖 。 Lband的 EDFA拓寬了光通信中的第三個窗口的可用波長，氟化物摻 鉺 光纖采用 1480nm泵浦可獲得 1530一 1560nm波段上相當平滑的增益譜， 碲化物摻 鉺 光纖可獲得高達 70nm的帶寬。以后對研究材料的目的是為了獲得具有更寬更平坦增益譜。 系統(tǒng)性能的研究 ： 石英基質(zhì)的摻 鉺 光纖的小信號增益譜在 1533nm和 1553nm處有兩個明顯峰 ， 在 1542nm處有一低谷，在 1529nm一 1561nm范圍內(nèi)其增益變化 可達十幾個 dB，這么簡單的 EDFA，顯然不能用于現(xiàn)代的光纖通信系統(tǒng)中，特別是 WDM系統(tǒng)中。因此要設(shè)計出實用的性能良好的 EDFA，必須對 EDFA的整體設(shè)計進行研究。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 。 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 。 通常 EDFA的帶寬為 30一 40nm,若要獲得超寬光帶寬 (optical band? 60nm)， 除了采用 碲 化物摻 鉺 光纖外 ， 還可有許多方法，如 把 Cband的 EDFA和 Lband的 EDFA集成在一起或把 Cband的 EDFA和光纖喇曼散射放大器聯(lián) 合 使用，這些措施都得到 75ｎｍ 以上的帶寬。 在光纖通信系統(tǒng)的設(shè)計中，光放大器有四種應(yīng)用方式，如圖 。在長距離通信系統(tǒng)中，光放大器的一個重要應(yīng)用就是取代電中繼器。只要系統(tǒng)性能沒被色散效應(yīng)和放大自發(fā)輻射噪聲所限制，這種取代就可以進行。在多信道光波系統(tǒng)中，使用光放大器特別具有吸引力，因為光 — 電 — 光中繼器要求在每個信道上使用各自的接收機和發(fā)射機。對復(fù)用信道進行解復(fù)用，這是一個相當昂貴、麻煩的變換過程。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。用光放大器取代光 — 電 — 光中繼器就稱為在線放大器。光放大器的另一種應(yīng)用是把它插在光發(fā)射機之后，來增強光發(fā)射機功率，稱這樣的放大器為功率放大器或功率增強器。使用功率發(fā)大器可增加傳輸距離 10~100km，其長短與放大器的增益和光纖損耗有關(guān)。為了提高接收機的靈敏度，也可以在接收機之前插入一個光放大器，對微弱光信號進行預(yù)放大，這樣的放大器稱為前置放大器，它也可以用來增加傳輸距離。光放大器的另一種應(yīng)用是用來補償局域網(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)大學理學院 2021 屆畢業(yè)設(shè)計 (論文 ) 8 點數(shù)，特 別是在總線拓撲結(jié)構(gòu)的情況下。此外，光放大器還有另一種應(yīng)用，這就是在光交換系統(tǒng)中的應(yīng)用。這種放大器亦稱為功率放大器。在光波系統(tǒng)中，不同的應(yīng)用對光放大器有不同的要求。 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。 本課題的研究方法： 本課題主要是通過大量模擬仿真不同結(jié)構(gòu)的 L 波段摻鉺光纖放大器 ，對 L 波段摻鉺光纖放大器 的特性模擬 ，最后根據(jù)模擬結(jié)果進行分析總結(jié)。 Tx Rx Tx Rx Tx Rx Tx Rx A 光纖 A A A A 湖北工業(yè)大學理學院 2021 屆畢業(yè)設(shè)計 (論文 ) 9 2 摻鉺光纖放大器的基本理論 EDFA 具有高增益、高功率和寬帶的特性，是它成長為長途光纖通信系統(tǒng)中近乎理想的放大器，是迄今各類光放大器中最具發(fā)展前景的一種，并 給光纖通信技術(shù)帶來多方面的巨大變革。 在傳統(tǒng)的光纖通信系統(tǒng)中 ,光信號在光纖中傳輸時 ,不可避免的存在著一定的損耗和色散 ,損耗導(dǎo)致光信號能量的降低 ,色散導(dǎo)致光脈沖展寬 ,因此 ,每隔一段距離就需要設(shè)置一個中繼器 ,以便對信號進行放大和再生中繼續(xù)傳輸。解決這一問題的常規(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?。光放大器的出現(xiàn)改變了這種狀況 , 特別是 1989年誕生的摻鉺光纖放大器代表的光放大器技術(shù)是光纖通信技術(shù)上的一次革命。它可以使對光信號的放大和再生中繼不再經(jīng)過光 — 電轉(zhuǎn)換。特別是摻鉺光纖放大器使信號光在光纖中直接得到增強和放大 ,這使得通信成本降低 ,設(shè)備簡化 ,運行維護方便。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。 EDFA 的基本結(jié)構(gòu) 摻 鉺 光纖放大器主要 由 摻 鉺 光纖 (EDF)、 泵浦源和相關(guān)的光無源器件組成，其中光無源器件有光波分復(fù)用器 (WDM)、光隔離器 (ISO)、光纖連接器 (FC/PC)和光 耦合 器 (Coupler)。 圖 典型 摻 鉺 光纖放大器的基木結(jié)構(gòu)圖。 WDM的作用是將信號光與泵浦光 耦合 進入 摻鉺 光纖，光隔離器是 防止 光路中的反向光對摻 鉺 光纖放大器中產(chǎn)生不良的干擾 。 圖 摻鉺光纖放大器的基本結(jié)構(gòu) [4] 湖北工業(yè)大學理學院 2021 屆畢業(yè)設(shè)計 (論文 ) 10 下面 重點講泵浦源的問題 。 泵浦源是供給摻 鉺光纖放大器能量的重要部件。沒有泵浦源為鉺離子 提供能最，產(chǎn)生受激輻射，就不可能實現(xiàn)光放大 。 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。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。 光纖放大器的泵浦方式有 三 種 :前向泵浦、后向泵浦和雙向泵浦，如圖 中，信號光和泵浦光沿同一方向傳輸 ； 在后向泵浦中，信號光和泵浦光沿相反方向傳輸 ； 雙向泵浦則是泵浦光沿兩個方向同時進入光纖放大器 。 對不同的應(yīng)用場合應(yīng)采用不同的泵浦方式。當放大器作功率放大器使用時 .采用后向泵浦方式較好 。 當作前置放大器使用時，采用前 向 泵浦方式較好 。 圖 a）前置泵浦型； b）后向泵浦型； c）雙向泵浦型 [5] EDFA 的工作原理 摻鉺光纖放大器是將摻鉺光纖在泵浦源的作用下形成的光纖放大器。早在 1964年人們就開始研究光纖放大器。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)大學理學院 2021 屆畢業(yè)設(shè)計 (論文 ) 11 1986年才開始實際使用。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 。用摻鉺光纖放大器放大 ,當時光纖通信的1. 5μ m的工作波長 ,引起了全世界的興趣?，F(xiàn)在 EDFA 已用于光纖通信和光纖有線電視網(wǎng) ,為光纖通信的更新 換代開辟了新途徑。鉺的原子序數(shù)為 68 ,原子量 167. 2 ,價電子 3 ,屬鑭系元素。在制造光纖時摻入一定量的三價鉺離子 ?3Er ,就可以形成摻鉺光纖。由于摻鉺離子分散基質(zhì)之中 ,它屬于分立能級。但由于光纖基質(zhì)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的本地場的影響 ,對鉺離子產(chǎn)生微擾 ,使其譜線分開 ,這就是斯塔克效應(yīng)。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 ,就形成了準能帶。如圖 ,圖中左邊的 2/114I 是通過量子力學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結(jié)果 ) 。右邊 980nm表示在該能級上的電子躍遷到基態(tài)發(fā)出的光波長 。 圖 光纖鉺離子的能帶圖 [4] 參與激光放大過程的只有三個能帶 (見圖 ) , 1E 相應(yīng)于 2/154I ,為基態(tài) , 2E 相應(yīng)于 2/134I ,為受激輻射的高能級。受激輻射躍遷所產(chǎn)生的光子波長為λ = ch ( 2E 1E ) = 1520～ 1570nm。這就是能夠放大的信號光波長范圍。 3E 是泵浦的 高能級。泵浦光的泵浦作用發(fā)生在 3E 與 1E 之間 ,泵浦頻率為 f = ( 3E 1E ) / h ,可以選擇不同的能級作為 3E 。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。 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 圖 , 3E 能級的壽命很短 ,而 2E 能級的壽命較長 ,大于 10ms ,屬于亞穩(wěn)態(tài)能級 ,容易積聚電子。湖北工業(yè)大學理學院 2021 屆畢業(yè)設(shè)計 (論文 ) 12 當泵浦源足夠強時 ,便在 2E 能級上聚集起足夠的粒子 ,在 2E 和 1E 能級之間形成粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布 ,這時便對信號具有放大作用。 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 ,這些高能級 (由于斯坦克效應(yīng) ,這些能級其實是能帶 )原理上都可以作為 3E 能級 ,都可以用來泵浦 EDFA。在這些頻帶中選用泵浦波長的原則是要求泵浦效率高 ,當然還必須有相應(yīng)波長的大功率激光器作泵浦源 , 都利用過 ,但是這些激光器都是氬離子激光器、 Nd YAG激光器。這些方案都存在泵浦效率低和泵浦源體積大的問題 ,不適合在光纖通信中應(yīng)用。泵浦效率η p 可以用來衡量泵浦的有效性 ,其表達式如下 : 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) 。很明顯 ,如果電子處在激發(fā)吸收帶時 ,它可以繼續(xù)吸收泵浦光子或信號光而向更高能級躍遷 ,這樣就降低了泵浦效率 ,并引起信號光衰減 ,因而泵浦源應(yīng)選在無激發(fā)吸收的頻帶 , m、1. 48μ m 泵浦對應(yīng)著無激發(fā)態(tài)吸收的 能帶 ,因而是備受重視的兩個波長。泵浦源都可以用半導(dǎo)體激光器來實現(xiàn)。 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。 1. 48μ m的優(yōu)點 :它和信號光的波長接近 ,因而 m 的單模光纖對信號光和泵浦光都是單模傳輸 ,可用單模光纖制成定向耦合器 ,將信號光和泵浦光低損耗導(dǎo)湖北工業(yè)大學理學院 2021 屆畢業(yè)設(shè)計 (論文 ) 13 入光纖。因此在低摻鉺光纖放大器中 ,應(yīng)用這一段的泵浦更為有利 ,因而得到了廣泛的開發(fā)、研究和應(yīng)用。 EDFA 的理論分析是對它的性能研究和設(shè)計優(yōu)化的基礎(chǔ)，已 經(jīng)發(fā)展了多種理論模型，但它們的分析和計算相當?shù)膹?fù)雜。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。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。因此，一般的分析方法無法求出解析解，只能通過數(shù)值計算求解。 摻鉺光纖放大系統(tǒng)的原子速率方程 借助速率方程分析 EDFA是一種常見的方法。為 了著重于物理內(nèi)涵，下面的討論只限于 m? 波長、進行同向泵浦的情形 。 用光子流密度作為外界光的量度，其定義是單位時間通過垂直于光子流方向的單位面積上的光子數(shù)，用光強表示可寫成 ?hI?? [1/ ( 2ms? )] (231) 假設(shè)光強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。由于受激躍遷幾率 W與成正比，其比例常數(shù) ? 表示為 ??W? ( 2m ) (234) ? 表示單位光子通量所引起的受激躍遷幾率，是表征物質(zhì)光特性的一個參量， ? 值大，說明同樣光強下的受激躍遷幾率高，其單位為 2m ，具有面積的量綱，故稱為受激躍遷截面。 用 12W 和 21W 分別代表受激吸收幾率和受激輻射幾率，它們都與入射光場的能量密度湖北工業(yè)大學理學院 2021 屆畢業(yè)設(shè)計 (論文 ) 14 V? 成正比，其比例系數(shù)即受激躍遷系數(shù) 12B 和 21B 表征物質(zhì)本身的特性。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。 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)。在上面討論中，已假定光在光纖截面