【正文】 er amplifier. First, it is introduce the kinds of fiber amplifier. Secondly describes the history and development of erbium doped fiber amplifier, as well as working principle of the erbiumdoped fiber functions and the use of simulation software Optisystem are also introduced in this paper. It focuses on the amplification process of erbium doped fiber amplifier and studies and analyzes the problem that the channel gain erbiumdoped fiber amplifier is not flat.Keywords: Optisystem。 Erbiumdoped fiber amplifier目 錄1 緒論 1 光纖通信系統(tǒng)中放大技術(shù) 1 光纖放大器的分類(lèi) 1 半導(dǎo)體光放大器 2 光纖放大器 4 摻鉺光纖放大器的發(fā)展歷史 4 EDFA的發(fā)展方向 52 EDFA在密集波分復(fù)用系統(tǒng)中應(yīng)用 7 波分復(fù)用（WDM）的基本概念 7 波分復(fù)用系統(tǒng)的組成 7 EDFA在WDM系統(tǒng)中的應(yīng)用 8 WDM系統(tǒng)對(duì)EDFA的要求 8 密集波分復(fù)用（DWDM）原理概述 10 EDFA在密集波分復(fù)用（DWDM）系統(tǒng)中應(yīng)用的分析 11 EDFA在DWDM系統(tǒng)中的作用和應(yīng)用方式 11 DWDM中對(duì)EDFA的主要性能要求 133 光通訊系統(tǒng)和放大器設(shè)計(jì)軟件——OptiSystem 15 獨(dú)特優(yōu)勢(shì) 15 應(yīng)用領(lǐng)域 15 功能說(shuō)明 164 摻鉺光纖放大器的工作原理及放大分析 19 摻鉺光纖放大器的介紹 19 EDFA的放大原理 20 EDFA的基本性能 21 EDFA的放大設(shè)計(jì) 21 模型設(shè)計(jì)布局圖 21 研究分析 22 EDFA的優(yōu)缺點(diǎn) 31 EDFA的主要應(yīng)用形式 33 EDFA的增益特性 33結(jié) 論 36致 謝 37參考文獻(xiàn) 38附 錄 39附錄 A 英文原文 39附錄 B 中文翻譯 48理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文1 緒論 光纖通信系統(tǒng)中放大技術(shù) 光纖放大器的分類(lèi)光放大器的開(kāi)發(fā)成功及其產(chǎn)業(yè)化是光纖通信技術(shù)中的一個(gè)非常重要的成果，它大大地促進(jìn)了光復(fù)用技術(shù)、光孤子通信以及全光網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展。在此之前，傳送信號(hào)的放大都是要實(shí)現(xiàn)光電變換及電光變換，即O/E/O變換。光放大器主要有3種：光纖放大器、拉曼放大器以及半導(dǎo)體光放大器。每一種摻雜劑的增益帶寬是不同的。而喇曼光放大器則是利用喇曼散射效應(yīng)制作成的光放大器，即大功率的激光注入光纖后，會(huì)發(fā)生非線性效應(yīng)喇曼散射。由此不難理解，喇曼放大是一個(gè)分布式的放大過(guò)程，即沿整個(gè)線路逐漸放大的。這種光放大器已開(kāi)始商品化了，不過(guò)相當(dāng)昂貴。其工作帶寬是很寬的。這種光放大器雖然已實(shí)用了，但產(chǎn)量很小。而中繼器無(wú)一例外都是采用光 —電—光的轉(zhuǎn)換方式。于是，人們?cè)O(shè)想，是否用光放大器直接進(jìn)行光信號(hào)放大，以實(shí)現(xiàn)全光通信。在光通信技術(shù)的發(fā)展進(jìn)程中，不斷取得新的突破，其中尤以光放大器，特別是摻鉺光纖放大器（EDFA）的發(fā)明最為激動(dòng)人心。光放大器主要有兩類(lèi)：光纖光放大器和半導(dǎo)體光放大器。半導(dǎo)體光放大器主要是半導(dǎo)體激光放大器。另外，通過(guò)改變所使用的半導(dǎo)體材料的組成可以使波長(zhǎng)使用范圍超過(guò)100nm，這是半導(dǎo)體光放大器的一個(gè)突出特點(diǎn)?？狗瓷渫繉泳褪窃诙嗣嬖O(shè)置單層或多層介質(zhì)層。實(shí)際的放大器，傳輸光是數(shù)微米的點(diǎn)光，可以研究假想波導(dǎo)模嚴(yán)格的無(wú)反射條件。把光放大器作為光通信中繼放大器使用，入射光的偏振方向是無(wú)規(guī)則的，最好是偏振波依賴性小的放大器。目前，實(shí)現(xiàn)偏振無(wú)關(guān)半導(dǎo)體光放大器的方法有很多種，如張應(yīng)變量子阱結(jié)構(gòu)、應(yīng)變補(bǔ)償結(jié)構(gòu)、同時(shí)采用張應(yīng)變量子阱和壓應(yīng)變量子阱的混合應(yīng)變量子阱結(jié)構(gòu)等。有源區(qū)4C3T采用混合應(yīng)變量子阱結(jié)構(gòu)，即4個(gè)壓應(yīng)變量子阱，3個(gè)張應(yīng)變量子阱，接觸層為重P型摻雜IaGaAsP材料，材料的外延法生長(zhǎng)過(guò)程中，n型摻雜源為硅烷，p型摻雜源為二甲基鋅材料；生長(zhǎng)完成后，采用標(biāo)準(zhǔn)的光刻、反應(yīng)離子刻蝕、濕法腐蝕、蒸發(fā)、濺射等工藝制作脊型波導(dǎo)結(jié)構(gòu)。它雖也是粒子數(shù)反轉(zhuǎn)放大發(fā)光但發(fā)光的媒介是非平衡載流子即電子空穴對(duì)而非稀有元素。光致發(fā)光是指用半導(dǎo)體的光吸收作用來(lái)產(chǎn)生非平衡載流子，實(shí)際上是一種光向另一種光轉(zhuǎn)換的過(guò)程。在半導(dǎo)體中電子的能級(jí)限制在導(dǎo)帶和價(jià)帶兩個(gè)帶內(nèi)，在導(dǎo)帶中電子充當(dāng)移動(dòng)載流子，在價(jià)帶中空穴充當(dāng)載流子。由于電子從導(dǎo)帶底躍遷到價(jià)帶頂?shù)臅r(shí)間常數(shù)即輻射壽命與無(wú)輻射躍遷的時(shí)間常數(shù)相比相對(duì)較長(zhǎng)，所以可以認(rèn)為電子和空穴各自保持熱平衡狀態(tài)，對(duì)載流子的這種準(zhǔn)平衡狀態(tài)分別用準(zhǔn)費(fèi)米能級(jí)和來(lái)表示。自發(fā)輻射躍遷是指占據(jù)高能態(tài)的電子可以自發(fā)地躍遷到低的空能態(tài)與空穴復(fù)合，同時(shí)發(fā)射一個(gè)光子，這一過(guò)程稱為自發(fā)輻射發(fā)光受激輻射躍遷是指與一個(gè)理想的光子相互作用后導(dǎo)致的受激輻射。半導(dǎo)體在外界激勵(lì)下會(huì)產(chǎn)生非平衡載流子，半導(dǎo)體在泵浦光激勵(lì)下怎樣產(chǎn)生光放大為了盡可能簡(jiǎn)單，假設(shè)半導(dǎo)體在0 K，費(fèi)米能級(jí)在禁帶的中間位置，因此在Ep以下的每個(gè)有效能級(jí)上被電子充滿，則半導(dǎo)體將吸收子。一個(gè)帶隙Ex把處在下面的導(dǎo)帶和上面的價(jià)帶分開(kāi)，這樣，從一個(gè)能帶轉(zhuǎn)移到另一個(gè)能帶內(nèi)所發(fā)生的能量改變至少是Eg，因此，若hvE則半導(dǎo)體吸收光子，當(dāng)吸收了泵浦光子后就會(huì)在導(dǎo)帶中產(chǎn)生電子，而在價(jià)帶中留下空穴，然后電子和空穴都迅速向能帶的最底點(diǎn)弛豫，并通過(guò)發(fā)射一個(gè)能量為禁帶寬度能量的光子復(fù)合。如果假設(shè)帶內(nèi)馳豫過(guò)程比帶間復(fù)合速率快得多，那么可以利用準(zhǔn)費(fèi)米能級(jí)Epn和Epp來(lái)描述電子空穴的數(shù)目。通過(guò)適當(dāng)?shù)倪x擇半導(dǎo)體材料，就可獲得能使發(fā)射或吸收波長(zhǎng)處于光通信所需要的范圍(如1300nm或1550nm)內(nèi)的帶隙。在目前實(shí)用化的光纖放大器中主要有摻鉺光纖放大器（EDFA）、半導(dǎo)體光放大器（SOA）和光纖拉曼放大器（FRA）等，其中摻鉺光纖放大器以其優(yōu)越的性能現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于長(zhǎng)距離、大容量、高速率的光纖通信系統(tǒng)、接入網(wǎng)、光纖CATV網(wǎng)、軍用系統(tǒng)（雷達(dá)多路數(shù)據(jù)復(fù)接、數(shù)據(jù)傳輸、制導(dǎo)等）等領(lǐng)域，作為功率放大器、中繼放大器和前置放大器。目前光纖放大器主要有摻鉺光纖放大器、半導(dǎo)體光放大器和光纖拉曼放大器三種，根據(jù)其在光纖網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用，光纖放大器主要有三種不同的用途：在發(fā)射機(jī)側(cè)用作功率放大器以提高發(fā)射機(jī)的功率；在接收機(jī)之前作光預(yù)放大器以極大地提高光接收機(jī)的靈敏度；在光纖傳輸線路中作中繼放大器以補(bǔ)償光纖傳輸損耗，延長(zhǎng)傳輸距離。前期的工作是研究光纖激光器和研究摻稀土元素光纖，后來(lái)發(fā)現(xiàn)了在光纖中摻鉺元素能夠?qū)崿F(xiàn)放大的作用，人們用摻鉺光纖制作成功摻鉺光纖放大器。功率放大器是在CATV系統(tǒng)的前端將發(fā)射機(jī)的輸出光放大后再進(jìn)行分配，以供各方向的光纖干線傳輸用。從遠(yuǎn)離前端處將光纖干線分支時(shí)，可在分支前面接入摻鉺光纖放大器，作為線路放大器，以補(bǔ)償分支損耗。光纖放大器作為整個(gè)系統(tǒng)的一個(gè)功能模塊，納入網(wǎng)管系統(tǒng)的方法一般有兩種：其一是通過(guò)光纖放大器的232C接口電路將光纖放大器的性能參數(shù)和告警信息傳輸給網(wǎng)管系統(tǒng)，進(jìn)行統(tǒng)一管理，顯示和處置。在工程實(shí)踐中已采用過(guò)這兩種成功的方法。增益平坦型光纖放大器是DWDM傳輸系統(tǒng)的關(guān)鍵部件，可以十分有效地解決由于光波分復(fù)用/解復(fù)用帶來(lái)的插入損耗，使WDM系統(tǒng)的中繼問(wèn)題變得十分簡(jiǎn)單。模塊是集成化的摻鉺光纖放大器。EDFA是目前及未來(lái)一段時(shí)間放大器的主要選擇，在骨干網(wǎng)和城域網(wǎng)/接入網(wǎng)中發(fā)揮著關(guān)鍵性作用。FRA：寬帶、低噪聲、抑制非線性、提高傳輸距離，進(jìn)行色散補(bǔ)償?shù)?，必將成為下一代光放大器的主流。隨城域網(wǎng)建設(shè)的興起，光放大器在低價(jià)領(lǐng)域必有一番作為[3]。如果按照信號(hào)的復(fù)用方式來(lái)進(jìn)行分類(lèi)，可分為頻分復(fù)用系統(tǒng)（FDMFrequency Division Multiplexing ）、時(shí)分復(fù)用系統(tǒng)（TDMTime Division Multiplexing）、波分復(fù)用系統(tǒng)（WDMWavelength Division Multiplexing）和空分復(fù)用系統(tǒng)（SDMSpace Division Multiplexing）。應(yīng)當(dāng)說(shuō)，頻率和波長(zhǎng)是緊密相關(guān)的，頻分也即波分，但在光通信系統(tǒng)中，由于波分復(fù)用系統(tǒng)分離波長(zhǎng)是采用光學(xué)分光元件，它不同于一般電通信中采用的濾波器，所以我們?nèi)詫烧叻殖蓛蓚€(gè)不同的系統(tǒng)。光波分復(fù)用的實(shí)質(zhì)是在光纖上進(jìn)行光頻分復(fù)用（OFDM），只是因?yàn)楣獠ㄍǔ２捎貌ㄩL(zhǎng)而不用頻率來(lái)描述、監(jiān)測(cè)與控制。因而，使用術(shù)語(yǔ)密集波分復(fù)用（ DWDMDense Wavelength Division Multiplexing），與此對(duì)照，還有波長(zhǎng)密度較低的WDM系統(tǒng)，較低密度的就稱為稀疏波分復(fù)用（CWDMCoarse Wave Division Multiplexing）。而使用 DWDM 技術(shù)，類(lèi)似利用公用道路上尚未使用的車(chē)道，以獲取光纖中未開(kāi)發(fā)的巨大傳輸能力。光波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換單元（OTU）將非標(biāo)準(zhǔn)的波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換為ITUT所規(guī)范的標(biāo)準(zhǔn)波長(zhǎng)，系統(tǒng)中應(yīng)用光/電/光（O/E/O）的變換，即先用光電二極管PIN或APD把接收到的光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，然后該電信號(hào)對(duì)標(biāo)準(zhǔn)波長(zhǎng)的激光器進(jìn)行調(diào)制，從而得到新的合乎要求的光波長(zhǎng)信號(hào)。光合波器用于傳輸系統(tǒng)的發(fā)送端，是一種具有多個(gè)輸入端口和一個(gè)輸出端口的器件，它的每一個(gè)輸入端口輸入一個(gè)預(yù)選波長(zhǎng)的光信號(hào)，輸入的不同波長(zhǎng)的光波由同一輸出端口輸出。光放大器不但可以對(duì)光信號(hào)進(jìn)行直接放大，同時(shí)還具有實(shí)時(shí)、高增益、寬帶、在線、低噪聲、低損耗的全光放大器，是新一代光纖通信系統(tǒng)中必不可 少的關(guān)鍵器件。光監(jiān)控信道是為WDM的光傳輸系統(tǒng)的監(jiān)控而設(shè)立的?？康退俾氏赂叩慕邮侦`敏度（ 優(yōu) 于 50dBm）仍能正常工作。 EDFA在WDM系統(tǒng)中的應(yīng)用EDFA在WDM系統(tǒng)中可以作為前置放大器、線路放大器和功率放大器。要求EDFA的增益足夠高，噪聲系數(shù)則越小越好。一般工作在近飽和區(qū)，信號(hào)輸入功率約20dBm。EDFA作為功率放大器時(shí)，裝在光發(fā)送機(jī)之后，對(duì)光源發(fā)出的光信號(hào)進(jìn)行放大，以補(bǔ)償無(wú)源光器件的損耗和提高發(fā)送光功率。 WDM系統(tǒng)對(duì)EDFA的要求為了確保WDM系統(tǒng)的傳輸質(zhì)量，WDM系統(tǒng)中使用的EDFA應(yīng)具有足夠的帶寬、平坦的增益、低噪聲系數(shù)和高輸出功率。如果希望進(jìn)一步增大帶寬，以利用波長(zhǎng)資源，則必須開(kāi)發(fā)新型的光放大器。在WDM系統(tǒng)中，要求EDFA的GF越小越好。雖然增益差值不大，但當(dāng)多個(gè)EDFA級(jí)聯(lián)應(yīng)用時(shí)，這種增益差值會(huì)線性積累，嚴(yán)重時(shí)，信號(hào)到達(dá)接收端后，有些高增益信道的接收光功率過(guò)大使接收機(jī)過(guò)載，而某些低增益信道的接收光功率過(guò)小而達(dá)不到接收機(jī)靈敏度。使光纖放大器增益平坦的技術(shù)有兩種途徑：一是增益均衡技術(shù)；二是光纖技術(shù)。增益均衡技術(shù)可以分為固定式的和動(dòng)態(tài)的。增益均衡用的光纖光柵是一種長(zhǎng)周期光纖光柵。通過(guò)多個(gè)長(zhǎng)周期的光柵組合，可以構(gòu)成具有與EDFA增益波長(zhǎng)特性相反的增益均衡器。動(dòng)態(tài)的增益均衡技術(shù)是指動(dòng)態(tài)增益可調(diào)的增益平坦濾波器技術(shù)，主要有法拉第旋轉(zhuǎn)體型增益可調(diào)濾波器技術(shù)、波導(dǎo)M—Z型增益可調(diào)型濾波器技術(shù)、陣列波導(dǎo)型動(dòng)態(tài)增益可調(diào)濾波器技術(shù)和聲光型動(dòng)態(tài)增益可調(diào)濾波器技術(shù)等?？煞譃闉V波器型和本征型兩類(lèi)。本征型是在EDFA中摻入別的雜質(zhì)(如摻鋁EDFA、摻釔EDFA)或改變EDF基質(zhì)(如氟化物EDFA、碲化物EDFA)。（3）EDFA增益特性的優(yōu)化技術(shù)。EDFA的增益控制技術(shù)有許多種，典型的有控制泵浦源增益的方法，EDFA內(nèi)部的監(jiān)測(cè)電路通過(guò)監(jiān)測(cè)輸入和輸出功率的比值來(lái)控制泵浦源的輸出，當(dāng)輸入波長(zhǎng)某些信號(hào)丟失時(shí)，輸入功率會(huì)減小，輸出功率和輸入功率的比值會(huì)增加，通過(guò)反饋電路，降低泵浦源的輸出功率，保持(輸出／輸入)增益不變，從而使EDFA的總輸出功率減少，保持輸出信號(hào)電平的穩(wěn)定。在發(fā)送端，除了傳輸信號(hào)的工作波長(zhǎng)外，系統(tǒng)還發(fā)送另一個(gè)波長(zhǎng)作為飽和波長(zhǎng)。當(dāng)線路的多波長(zhǎng)信號(hào)恢復(fù)時(shí)，飽和波長(zhǎng)的輸出功率會(huì)相應(yīng)減少，這種方法直接控制飽和波長(zhǎng)激光器的輸出，速度較控制泵浦源要快一些。在某些情況下，光放大器的輸出功率非常高，可能非常接近光纖安全功率的極限。ITUT建議規(guī)定：?jiǎn)温坊蚝下啡肜w最大光功率電平為+17dBm。 密集波分復(fù)用（DWDM）原理概述DWDM 技術(shù)是利用單模光纖的帶寬以及低損耗的特性，采用多個(gè)波長(zhǎng)作為載波，允許各載波信道在光纖內(nèi)同時(shí)傳輸。在模擬載波通信系統(tǒng)中，為了充分利用電纜的帶寬資源，提高系統(tǒng)的傳輸容量，通常利用頻分復(fù)用的方法。同樣，在光纖通信系統(tǒng)中也可以采用光的頻分復(fù)用的方法來(lái)提高系統(tǒng)的傳輸容量。與模擬的載波通信系統(tǒng)中的頻分復(fù)用不同的是，在光纖通信系統(tǒng)中是用光波作為信號(hào)的載波，根據(jù)每一個(gè)信道光波的頻率（或波長(zhǎng)）不同將光纖的低損耗窗口劃分成若干個(gè)信道，從而在一根光纖中實(shí)現(xiàn)多路光信號(hào)的復(fù)用傳輸。人們通常把光信道間隔較大（甚至在光纖不同窗口上）的復(fù)用稱為光波分復(fù)用（WDM），再把在同一窗口中信道間隔較小的DWDM稱為密集波分復(fù)用（DWDM）。ITUT 建議，DWDM （），不同波長(zhǎng)的頻率間隔應(yīng)為100GHz的整數(shù)倍（）。 EDFA在密集波分復(fù)用（DWDM）系統(tǒng)中應(yīng)用的分析 EDFA在DWDM系統(tǒng)中的作用和應(yīng)用方式EDFA是目前光放大器市場(chǎng)的主流品種，在DWDM系統(tǒng)、接入網(wǎng)和有線電視領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，在CATV系統(tǒng)中通常作為功率放大器以提高發(fā)射機(jī)的功率，使發(fā)射機(jī)覆蓋的用戶數(shù)大大增加，也可作為光纖線路的中繼放大器，以補(bǔ)償光分路器及線路損耗，使傳輸距離大大增加。摻鉺光纖放大器用在系統(tǒng)發(fā)射機(jī)輸出短，提高發(fā)送功率，延長(zhǎng)傳輸距離；用在光纖傳輸鏈路中，補(bǔ)償光能量的損失，可增加傳輸距離；用在光接收機(jī)前，對(duì)信號(hào)進(jìn)行預(yù)防大，可提高光接收機(jī)靈敏度。即如果線路上已采用摻鉺光纖放大器做功率放大器，那么，不管它需要傳輸數(shù)字信號(hào)還是傳輸模擬信號(hào)，不必改變摻鉺光纖放大器線路