【正文】 耦合系數(shù)來(lái)反映這一影響。 基態(tài)能級(jí) 1E 上的粒子吸收泵浦光功率后，躍遷到激發(fā)態(tài)能級(jí) 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)。 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(chǎng)的能量密度湖北工業(yè)大學(xué)理學(xué)院 2021 屆畢業(yè)設(shè)計(jì) (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。 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(xiě)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。 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(jiàn)的方法。例如， EDF 的長(zhǎng)度，光場(chǎng)和 ?3Er 離子在 EDF橫截面上的分布，泵浦的方向，以及它對(duì)信號(hào)光和泵浦光是否為單模工作等等。 EDFA 的理論分析是對(duì)它的性能研究和設(shè)計(jì)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(jì)算相當(dāng)?shù)膹?fù)雜。 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。泵浦源都可以用半導(dǎo)體激光器來(lái)實(shí)現(xiàn)。在理想的系統(tǒng)中 ,處于激發(fā)態(tài)的電子 ,在受到外來(lái)的光子作用時(shí) ,向低能級(jí)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(lái)的光子繼續(xù)向更高的能級(jí)躍遷 ,這就是激發(fā)態(tài)吸收 (Excited State Absorption ,ESA) 。這些方案都存在泵浦效率低和泵浦源體積大的問(wèn)題 ,不適合在光纖通信中應(yīng)用。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湖北工業(yè)大學(xué)理學(xué)院 2021 屆畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 12 當(dāng)泵浦源足夠強(qiáng)時(shí) ,便在 2E 能級(jí)上聚集起足夠的粒子 ,在 2E 和 1E 能級(jí)之間形成粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布 ,這時(shí)便對(duì)信號(hào)具有放大作用。 3E能級(jí)上的電子主要通過(guò)無(wú)輻射躍遷的形式 ,迅速轉(zhuǎn)移到 2E 能級(jí)上 , 3E 能級(jí)最好能有較大的寬度 ,以充分利用寬帶泵浦源的能量來(lái)提高泵浦效率 。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(jí)作為 3E 。這就是能夠放大的信號(hào)光波長(zhǎng)范圍。 圖 光纖鉺離子的能帶圖 [4] 參與激光放大過(guò)程的只有三個(gè)能帶 (見(jiàn)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(jí)。如圖 ,圖中左邊的 2/114I 是通過(guò)量子力學(xué)解出的原子核外電子能級(jí) , 2/154I 是 ?3Er 的基態(tài) (各能級(jí)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 ) 。但由于光纖基質(zhì)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的本地場(chǎng)的影響 ,對(duì)鉺離子產(chǎn)生微擾 ,使其譜線(xiàn)分開(kāi) ,這就是斯塔克效應(yīng)。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?，F(xiàn)在 EDFA 已用于光纖通信和光纖有線(xiàn)電視網(wǎng) ,為光纖通信的更新 換代開(kāi)辟了新途徑。摻鉺光纖放大器的工作波長(zhǎng)為 m ,用 ?2Ar 粒子激光器作泵浦源 ,在 3m長(zhǎng)的光纖中可以得到 。早在 1964年人們就開(kāi)始研究光纖放大器。 當(dāng)作前置放大器使用時(shí)，采用前 向 泵浦方式較好 。 對(duì)不同的應(yīng)用場(chǎng)合應(yīng)采用不同的泵浦方式。半導(dǎo)體激光器的發(fā)展對(duì)摻鉺 光纖放大器的發(fā)展起著重要推動(dòng)作 用。沒(méi)有泵浦源為鉺離子 提供能最，產(chǎn)生受激輻射，就不可能實(shí)現(xiàn)光放大 。 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 。 圖 典型 摻 鉺 光纖放大器的基木結(jié)構(gòu)圖。隨著摻鉺光纖放大器的實(shí)用化 ,愈來(lái)愈多的用在數(shù)字光纖傳輸系統(tǒng)中 ,它給原來(lái)的數(shù)字光纖傳輸系統(tǒng)帶來(lái)了新的發(fā)展。它可以使對(duì)光信號(hào)的放大和再生中繼不再經(jīng)過(guò)光 — 電轉(zhuǎn)換。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(mǎn)足不了現(xiàn)代傳輸?shù)囊蟆? Tx Rx Tx Rx Tx Rx Tx Rx A 光纖 A A A A 湖北工業(yè)大學(xué)理學(xué)院 2021 屆畢業(yè)設(shè)計(jì) (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(zhǎng)為長(zhǎng)途光纖通信系統(tǒng)中近乎理想的放大器，是迄今各類(lèi)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(lái)多方面的巨大變革。 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(jiǎn)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(jì) ； 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(lái)需要深入開(kāi)展的研究?jī)?nèi)容。這種放大器亦稱(chēng)為功率放大器。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(xiàn)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的情況下。使用功率發(fā)大器可增加傳輸距離 10~100km，其長(zhǎng)短與放大器的增益和光纖損耗有關(guān)。用光放大器取代光 — 電 — 光中繼器就稱(chēng)為在線(xiàn)放大器。對(duì)復(fù)用信道進(jìn)行解復(fù)用，這是一個(gè)相當(dāng)昂貴、麻煩的變換過(guò)程。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。 在光纖通信系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，光放大器有四種應(yīng)用方式，如圖 。 自動(dòng)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(shí)現(xiàn)增益譜均衡最常用的措施是采用均衡濾波器 。因此要設(shè)計(jì)出實(shí)用的性能良好的 EDFA，必須對(duì) EDFA的整體設(shè)計(jì)進(jìn)行研究。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。到目前為至，除了已有的 Cband（ 1528一 1560nm)上的 EDF，還研制出了 Lband(15701600nm)上的 鉺 纖、氟化物摻 鉺 光纖、 碲 化物摻 鉺 光纖 。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?？朔爽F(xiàn)象一種辦法是降低在石英光纖中 ?3Er 的濃度，濃度 ＜ 50ppm時(shí)可使熒光淬滅現(xiàn)象不出現(xiàn)，但這導(dǎo)致有源光纖的單位長(zhǎng)度增益降低。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。直至今天， EDFA 已經(jīng)在長(zhǎng)距離通信系統(tǒng)和海底跨洋通信系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用。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(diǎn)，整個(gè)國(guó)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(lái)了第二次革命。 1986年美國(guó) ATamp。 到八十年代中期，這種局面得到了轉(zhuǎn)機(jī)。研究者們先后提出了受激喇曼、受激布里淵等光纖放大器的方案，但是它們所需的泵浦功率很高，半導(dǎo)體激光器的功率水平不易達(dá)到。 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。 1964年 :和 雜光纖放大器的構(gòu)想，發(fā)現(xiàn)光纖中摻入稀土元素 Nd能夠?qū)崿F(xiàn)光放大，當(dāng)時(shí)他們是采用閃光燈泵浦，放大器工作在脈沖模式。 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。 （ 7）工作穩(wěn)定性好。 （ 6）帶寬很大。 （ 5）噪聲低。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%。 （ 2）增益高，為 20~30dB，有報(bào)道達(dá) 。 EDFA 的應(yīng)用不僅解決傳輸光纖 衰減的補(bǔ)償問(wèn)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。 EDFA是在 1985年由英國(guó)南安普頓大學(xué)的等人首先研制成功的，到 1988 年其技術(shù)已相當(dāng)成熟，并可提供實(shí)際使用。主媒光纖一般是石英光纖，也可以是氟化物光纖。放大器的特性主要由摻入的雜質(zhì)元素決定，而不是決定于主媒質(zhì)的光纖。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。但窄帶放大特性可作為一種選頻放大器。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。一種稱(chēng)為分布式的 FRA，主要用于光纖傳輸系統(tǒng)中傳輸光纖損耗的分布式補(bǔ)償放大。 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(shí)現(xiàn)，限制了它在光纖通信系統(tǒng)中的應(yīng)用。 非線(xiàn)性光纖放大器的優(yōu)點(diǎn)：傳輸媒質(zhì)與放大線(xiàn)路同為一體，因而放大器與傳輸線(xiàn)路的耦合損耗小，噪聲低，增益穩(wěn)定性好。 （ 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）。 （ 2） FRA 要求泵浦光波長(zhǎng)比信號(hào)光波長(zhǎng)短一個(gè)斯托克斯位移（ Stokes Shift），對(duì) m? 和 m? 分別約為 80nm和 120nm；而 FBA雖然對(duì)光纖同樣要求泵浦光比信號(hào)光短一個(gè)斯托克斯位移，但該位移缺小的多，在 m? 和 m? 分別約為 。泵浦光通過(guò) SRS 或 SBS 過(guò)程將一部分光功率轉(zhuǎn)移給信號(hào)光，使信號(hào)光放大，同時(shí)將部分光功率轉(zhuǎn)換成分子振動(dòng)（ SRS）或聲子（ SBS）。湖北工業(yè)大學(xué)理學(xué)院 2021 屆畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 4 當(dāng)入射信號(hào)光子與斯托克斯光子的頻率相同時(shí)，將使處于高 振動(dòng)能級(jí)上的分子受激輻射出同相位的斯托克斯光子，實(shí)現(xiàn)光放大。把基于 SRS 機(jī)制的光放大器稱(chēng)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(chēng)為光纖布里淵放大器（ FBA）。同時(shí)增益對(duì)環(huán)境溫度也很敏感；③噪聲特性稍差，用半導(dǎo)體光放大器對(duì)多個(gè)波長(zhǎng)通道同時(shí)進(jìn)行放大時(shí)，其FWM等非線(xiàn)性效應(yīng)將引起通道間的串?dāng)_。這是它的最大弱點(diǎn)；②穩(wěn)定性差。此外，半導(dǎo)體光放大 器的功率消耗低，制作上可充分利用現(xiàn)有的半導(dǎo)體激光器技術(shù)，工藝成熟，且便于光集成。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。按照端面反射系數(shù)的大小，可將半導(dǎo)體光放大器分為兩類(lèi)：一類(lèi)為法布里 — 泊羅（ FP）半導(dǎo)體光放大器（ FPA），其端面的反射系數(shù)為 ~；另一類(lèi)為行波型光放大器（ TWA），其端面 的反射系數(shù)為 410? 左右。然而，只是 80 年代在認(rèn)識(shí)到它將在光纖系統(tǒng)中具有廣泛應(yīng)用前景時(shí)，才對(duì) SOA進(jìn)行了廣泛的研究和開(kāi)發(fā)。 湖北工業(yè)大學(xué)理學(xué)院 2021 屆畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 3 半導(dǎo)體激光放大器 所有靠近閾值但在閾值 以 下偏置的半導(dǎo)體激 光器都可以實(shí)現(xiàn)光放大，做成半導(dǎo)體激光放大器（ SOA）。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。光放大器應(yīng)運(yùn)而生。這種光一電一光轉(zhuǎn)換的中繼器有許多缺點(diǎn)，如設(shè)備復(fù)雜，需要昂貴的脈沖限幅，重新定時(shí)和整形的電子器件以及光探測(cè)器件和光發(fā)射器件，系統(tǒng) 穩(wěn)定性和可靠性不高，對(duì)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(xiàn)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”。 光纖制造技術(shù)已經(jīng)把光纖損耗降低到理論極限值，但在長(zhǎng)距離通信中，光纖損耗和色散仍不可避免，這就需要每隔一段距離增加一個(gè)再生中繼器來(lái)保證信號(hào)的傳輸質(zhì)量。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。第二代光纖通信系統(tǒng)出現(xiàn)在八十年代早期 ， 是長(zhǎng)波 m? 的多模光纖和單模光纖通信系統(tǒng)，無(wú)中繼距離達(dá) 40km。因此， 1976年后，光纖通信的發(fā)展進(jìn)入實(shí)用化階段，各種實(shí)用的光湖北工業(yè)大學(xué)理學(xué)院 2021 屆畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 2 纖通信系統(tǒng)陸續(xù)出現(xiàn)。在光波導(dǎo)技術(shù)快速發(fā)展的同時(shí)，與之相配合的半導(dǎo)體技術(shù) (它提供光纖通信所需的光源和光檢測(cè)器 )也相應(yīng)地發(fā)展起來(lái)，促成了光纖通信的實(shí)用化。目前的研究水平可達(dá)到 。 1976年以后各種實(shí)用的光纖通信系統(tǒng)相繼問(wèn)世。 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. Hockh