【導(dǎo)讀】光纖通信就是利用光纖來傳輸攜帶信息的光波以達(dá)到通信的目的。信容量大、傳輸速率高、使用壽命長，等諸多特點(diǎn)。因而得到了普遍的應(yīng)運(yùn)，其中光放。大器是光纖系統(tǒng)中的重要組成部分。光纖放大器是指運(yùn)用于光纖通信線路中，實(shí)現(xiàn)信號(hào)。放大的一種新型全光放大器。本論文介紹了摻鉺光纖放大器的相關(guān)理論。首先對(duì)光纖放大器的種類進(jìn)行大致的簡。介紹又介紹了仿真軟件Optisystem的使用及功能。重點(diǎn)關(guān)注了摻鉺光纖放大器的放大過。程以及對(duì)摻餌光纖放大器各信道增益不平坦問題進(jìn)行了初步研究并分析。

　　

【正文】 離器 ——用于抑制光的來回反射 ， 保證放大器工作穩(wěn)定。 耦合器 ——用于將信號(hào)光和泵浦光耦合到摻鉺光纖中。 控制電路 ——從放大器輸出端抽取監(jiān)測(cè)信號(hào) ， 對(duì)放大器的泵浦光功率 及輸入信號(hào)光等進(jìn)行調(diào)節(jié)、控制增益的大小 ， 保證輸出信號(hào)的穩(wěn)定。 光濾波器 ———帶寬為 1 nm 以下的窄帶光濾波器 ， 用于消除放大器的自發(fā)輻射光 ， 以降低放大器的噪聲。 理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 20 圖 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(hào)光在摻鉺光纖中傳輸與 Er3+離子相互作用產(chǎn)生的。在摻鉺光纖中注入足夠強(qiáng)的泵浦光，就可以將大部分處于基態(tài)的 Er3+離子抽運(yùn)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。由于 Er3+離子在亞穩(wěn)態(tài)上能級(jí)壽命較長，因此，很容易 在亞穩(wěn)態(tài)與基態(tài)之間形成粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，即處于亞穩(wěn)態(tài)的 Er3+粒子數(shù)比處于基態(tài)的 Er3+粒子數(shù)多。當(dāng)信號(hào)光子通過摻鉺光纖，與Er3+離子相互作用發(fā)生受激輻射效應(yīng)，產(chǎn)生大量與自身完全相同的光子，這時(shí)通過摻鉺光纖傳輸?shù)男盘?hào)光子迅速增多，產(chǎn)生信號(hào)放大作用；只有少數(shù)處于基態(tài)的 Er3+離子對(duì)信號(hào)光子產(chǎn)生受激吸收效應(yīng)，吸收光子 [9]。如圖 所示 。 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(jí) 圖 圖 Er3+能級(jí)圖 理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 21 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。 EDFA 的增益大小與多種因 素有關(guān)，增益一般為 15dB~40dB。 輸出功率特性： EDFA 的最大輸出功率常 3dB 飽和輸出功率來表示。 3dB 飽和輸出功率是指當(dāng)飽和增益下降 3dB 時(shí)所對(duì)應(yīng)的輸出功率，該參數(shù)反映了 EDFA 的最大功率輸出能力， EDFA 的飽和輸出特性與泵浦功率大小、摻鉺光纖長短有關(guān)。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。 噪聲特性： EDFA 的輸出光中，除了有信 號(hào)光外，還有被放大的噪聲。 EDFA 的噪聲主要有 4 種：信號(hào)光的散粒噪聲；被放大的自發(fā)輻射光 ASEde 散粒噪聲；自發(fā)輻射 ASE 光譜與信號(hào)光之間的差拍噪聲；自發(fā)輻射 ASE 光譜間的差拍噪聲 [10]。 EDFA 的放大設(shè)計(jì) 模型設(shè)計(jì)布局圖 如圖 所示 。 圖 EDFA 增益平坦優(yōu)化設(shè)計(jì)布局圖 理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 22 研究分析 首先我們對(duì) 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 。 圖 未經(jīng)過 EDFA 的 16 信道光譜圖 由上圖可以看出未經(jīng)過放大的 的光譜 是 平坦的光譜圖，下面我們來觀察未經(jīng)過 參數(shù)設(shè)置直接 進(jìn)行 放大的光譜圖是什么樣子。如圖 所示。 理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 23 圖 未經(jīng)過設(shè)置參數(shù)而放大后的光譜圖 下面分別對(duì) 未經(jīng)過參數(shù)設(shè)置放大器 放大后的噪聲及光譜進(jìn)行觀察 分析。 如圖 與。 理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 24 圖 未經(jīng)過參數(shù)設(shè)置放大后的噪聲 由上圖可以看出噪聲的波動(dòng)在 65dbm——25dbm 之間，波動(dòng)比較強(qiáng)烈對(duì)最后結(jié)果影響比較大。 理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 25 圖 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(dòng)在 6dbm——4dbm 之間。雖然實(shí)現(xiàn)了放大，但是增益不是十分平坦。 我們?cè)O(shè)定最終優(yōu)化的目標(biāo)為 16 個(gè)信道的增益在一平坦曲線上， 因此 優(yōu)化參數(shù)框設(shè)置圖 。 對(duì)于優(yōu)化設(shè)置的一些說明： Main：優(yōu)化方式為 “Gain Flatten”增益平坦方式，所要優(yōu)化達(dá)成的目標(biāo)為 “Exact”，優(yōu)化循環(huán)數(shù)為 60，有其他參數(shù)限制條件。 如 圖 所示。 理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 26 圖 EDFA 增益的多參數(shù)優(yōu)化參數(shù)設(shè)置 Parameters：在本項(xiàng)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。 如圖 所示。 理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 27 圖 MPO 中要優(yōu)化的參數(shù) Result：這里要設(shè)定我們希望最后優(yōu)化完成的目標(biāo)，在本例中為 16 個(gè)信道的增益平坦一致為 23dB，如圖 所示。 圖 MPO 中的最后要達(dá)到的 16 信道增益平坦目標(biāo)設(shè)定 選擇運(yùn)行對(duì)話框中的優(yōu)化（ Optimization）并運(yùn)行，可看到運(yùn)行優(yōu)化的過程如圖 理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 28 所示 。 圖 EDFA 增益的優(yōu)化進(jìn)程 我們可以用光譜儀（ OSA）對(duì)經(jīng)過 EDFA 前后的 16 個(gè)信道的光信號(hào)做檢測(cè)分析，從以上結(jié)果分析可以很清楚的得到經(jīng)過 OptiSystem 的計(jì)算機(jī)輔助優(yōu)化后，信號(hào)的增益在一個(gè)平坦的曲線上，這可從為經(jīng)過 EDFA 的光譜圖（圖 ）和經(jīng)過 EDFA 的光譜圖（圖）的比較看出；優(yōu)化的結(jié)果 是十分成功的，這為我們提供了對(duì)所要設(shè)計(jì)的元件參數(shù)的改進(jìn)和優(yōu)化指明了方向。 理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 29 圖 經(jīng)過 參數(shù)設(shè)置 EDFA 的光譜圖（綠色曲線為存在的噪聲） 理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 30 圖 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(dòng)在 72dbm 與 62dbm 之間，相對(duì)而言波動(dòng)比較小對(duì)最后的輸出光譜圖影響比較小。 理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 31 圖 經(jīng)過 EDFA 的光譜圖（不考慮噪聲只看信道光譜 ） 由上圖可以看出經(jīng)過參數(shù)設(shè)置放大器的 16 信道光譜圖波動(dòng)在 20dbm 與 25dbm 之間，相對(duì)比較平坦。 EDFA 的優(yōu)缺點(diǎn) EDFA 之所以得到迅速的發(fā)展 ，源于它一系列突出的優(yōu) 點(diǎn) 。 (1) EDFA 工作波長與光纖最小損耗窗口一致恰好落在最佳 波長區(qū) (1300~1600nm)。 (2) 因?yàn)?EDFA 的主體也是一段光纖，它與線路光纖的耦合損耗很小，甚至可達(dá)到，耦合效率高。因?yàn)槭枪饫w型放大器，易于與傳輸光纖耦合連接，也可以用熔接在一起，熔接后反射損耗小。 (3) 能量轉(zhuǎn)換效率高。激光工作物質(zhì)集中在光纖芯子中，且集中在光纖芯子中的近軸部分，餌信號(hào)光和泵浦光也是在光纖的近軸部分最強(qiáng)，這使得光與媒質(zhì)的作用很充分 ；理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 32 再加之有較長的作用長度，因而有較高的轉(zhuǎn)換效率。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(shí)，增益效率可達(dá) 11dB/mW， 用 1480nm光源泵浦時(shí)為 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%。 (4) 增益高、噪聲低、輸出功率大。增益約為 2040dB。輸出功率在單光譜時(shí)可達(dá)14dBm，而在雙泵浦時(shí)可達(dá) 17dBm，甚至 20dBm。噪聲指數(shù)低，一般為 4～ 7dB。 (5) 頻帶寬，在 1310nm 和 1550nm窗口各有 2040nm 帶寬，可以進(jìn)行多信道傳輸，便于擴(kuò)大傳輸容量，從而節(jié)省成本費(fèi)用，對(duì)比特率高于 。 (6) 與半導(dǎo)體激光放大器不同， EDFA 的增益特性與光纖極化狀態(tài)無關(guān)，放大特性與光信號(hào)的傳輸方向也無關(guān)，當(dāng)光纖放大器內(nèi)無隔離器時(shí)，可以實(shí)現(xiàn)雙向放大 ； 在多信道應(yīng)用中可以進(jìn)行無串話傳輸 ； (注：所謂極化光纖 (Poled Fiber) 是指對(duì)熔石英光纖外加直流強(qiáng)電場(chǎng)進(jìn)行極化 ， 以及其它附加工藝處理后 (如升溫 ， 紫外照射 ， 激光注入等 )， 具有永久二階非線性光學(xué)效應(yīng) (例如電光效應(yīng) ， 倍頻效應(yīng)等 ) 的一種光纖功能器件。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。這些都使它在許多領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景。例如：在高速光纖通訊領(lǐng)域 ， 可作為光纖調(diào)制器 ， 可調(diào)制相位和偏振態(tài) ， 在適當(dāng)?shù)慕Y(jié)構(gòu)下 ， 還可調(diào)制振幅 ，也可作為高速光開關(guān) ； 在非線性光學(xué)領(lǐng)域 ， 可作為光學(xué)參量頻率轉(zhuǎn)換器件 ， 光子對(duì)放大器 ， 例如利用三波混頻 ， 以擴(kuò)展高功率二極管激光器的波長范圍 ； 在光纖傳感領(lǐng)域 ， 其可調(diào)制特性 ， 可作為本征光纖傳感器 ， 測(cè)量電壓等參量 ； 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。 (7) 增益特性穩(wěn)定。 EDFA 對(duì)溫度不敏感，在 100℃ 范圍內(nèi)，增益特性保持穩(wěn)定。 (8) 中繼器只有低速電子裝置和幾個(gè)無源器件，所以結(jié)構(gòu)簡單，可靠性高，體積小。 (9) 可以同時(shí)傳輸模擬信號(hào)和數(shù)字信號(hào)，高比特率信號(hào)和低比特率信號(hào)。當(dāng)系統(tǒng)擴(kuò)容時(shí)，可以只改動(dòng)端機(jī)而不改動(dòng)線路。對(duì)不同傳輸速率的數(shù)字體系具有完全的透明度，與準(zhǔn)同步數(shù)字體系 (PDH)和同步數(shù)字體系 (SDH) 的各種速率兼容，調(diào)制方案可以任意選擇。 (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(duì)海底電纜和絕緣特性 的要求 ： 在放大器級(jí)聯(lián)使用中可以自動(dòng)補(bǔ)償線路上損耗的增加，使系統(tǒng)經(jīng)久耐用。 理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 33 當(dāng)然 EDFA 也有其固有的缺點(diǎn) ： (1)波長范圍固定。只能放大 1550nm左右波長的光波，可以調(diào)節(jié)的波長范圍有限。 (2) 增益帶寬不平坦。 EDFA 的增益譜寬大約 40nm，但增益帶寬不平坦。在光纖通信系統(tǒng)中需要采取特殊手段來進(jìn)行增益譜補(bǔ)償。 (3) 附加的噪聲使接收機(jī)靈敏度退化。 (4) 光纖的色散和非線性效應(yīng)可以無阻礙地得到積累。 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。 (1)功率放大器把 EDFA 置于光發(fā)射機(jī)半導(dǎo)體激光器之后，光信號(hào)經(jīng) EDFA 放大后進(jìn)入光纖線路，從而使光纖傳輸?shù)臒o中繼距離增大，可達(dá) 200km以上。具有輸出功率大、輸出穩(wěn)定、噪聲小、增益頻帶寬、易于監(jiān)控等優(yōu)點(diǎn)。 (2)線路放大器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。 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。 (3)前置放大器處于分波器之前，線路放大器之后，用于信號(hào)放大，提高接收機(jī)的靈敏度。 EDFA 具有接近量子極限的低噪聲優(yōu)點(diǎn)，因而可用作接收機(jī)的前置放大器以提高接收靈敏度，要求噪聲指數(shù)很小，對(duì)輸出功率沒有太大的要求。把EDFA 置于光接收機(jī) PIN 光檢側(cè)器的前面，來自光纖的信號(hào)經(jīng) EDFA 放大后再由 PIN 檢測(cè)。強(qiáng)大的光信號(hào)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。如果綜合上述各種應(yīng)用，一個(gè) EDFA 用作接收機(jī)前置放大器，另一個(gè) EDFA用作發(fā)送機(jī)的功率提升放大器，就可以實(shí)現(xiàn)長距離的無中繼傳輸。這類系統(tǒng)主要用于海底光纖通信系統(tǒng) [11]。 EDFA 的增益特性 增益 G 是 指輸出信號(hào)光功率 Pout 與輸入信號(hào)光功率 Pin 之比，一般以分貝 (dB)來表示。 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(jì)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。首先分析EDFA 的增益特性。 EDFA 的增益特性與餌離子濃度的纖芯內(nèi)徑向分布、纖芯尺寸、放大器長度及泵浦功率等有關(guān)。 EDFA 的放大特性的放大特性 。 理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 34 （ 1）摻餌光纖放大器小信號(hào)增益 G 與泵浦功率 Pp 以及光纖長度 l的關(guān)系曲線。它的泵浦光波長為 ，信號(hào)光波長為 181。m，采用典型的光纖參數(shù)。用泵浦光功率Pp 做參變量，給出了增益 G (dB)與光纖長度 1之間的關(guān)系曲線。對(duì)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(shí)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(gè)最佳長度 (Lopt ) ， 這時(shí)增益最大?？梢赃@樣認(rèn)為，當(dāng)長度 L Lopt 時(shí)，泵浦光功率 Pp(z) Ppth，在整個(gè)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。當(dāng)長度 L Lopt 時(shí)，泵浦光功率 Pp(z) Ppth，信號(hào)光不但沒有得到放大而且被吸收，造成增益反而下降。還可得知， Lopt 與輸入泵浦光功率有關(guān)，泵浦光功率越大， Lopt 也越長以光纖長度 1做參變量給出了增益G 與泵浦功率凡之間的關(guān)系。開始時(shí) G 隨著 PP 的增加而指數(shù)增加，但當(dāng) PP 到一定大小時(shí)， G 趨向飽和。泵浦閾值功率 Ppth，