【正文】 研究，正式揭開發(fā)展光纖通信的序幕。到 1979年在 m? 波長上光纖損耗降低到 ，這已接近了石英光纖理論上的損耗極限。鑒于光纖具有的頻帶寬，容量大，傳輸損耗低，不易受電磁干擾，保密性強，重量低，易彎曲以 及制造光纖的 2SiO 材料自然界有取之不盡的源泉等一系列優(yōu)點，所以光纖通信的出現(xiàn)被認為是通信史上一次根本性變革，光纖通信已成為通信系統(tǒng)的主流。 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。在 1978年，出現(xiàn)了商用的短波長 (? 砷化稼激光器 )多模光纖系統(tǒng)，無中繼距離僅在 lOkm左右，這就是第一代光纖通信系統(tǒng)，但此波長處光纖的損耗和色散都較大。雖然光纖的零色散就位于 ? 上，但在此波長上光纖的損耗仍限制通信的中繼距離，光纖的最小損耗位于 m? 處， m? 單模光纖通信是第三代光纖通信系統(tǒng)，現(xiàn)己在公用通信網(wǎng)上得到大規(guī)模應(yīng)用。隨著技術(shù)的不斷發(fā)展，全光通信已成為通信發(fā)展的必然趨勢。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?，對電信號進行再生、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。因此，最理想的中繼放大是光一光直接放大，不需要經(jīng)過光一電一光轉(zhuǎn)換過程。 光放大器 主要包括 半導(dǎo)體激光放大器和光纖 型 放大器 兩類。其中摻鉺光纖放大器（ EDFA）技術(shù)已變得相當成熟并商用化。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。 為了提高增益帶寬，在半導(dǎo)體光放大器放大芯片的兩個解理端面上，蒸鍍抗反射膜已降低端面放射系數(shù)。行波型放大器的帶寬比法布里 —泊羅型的放大器大三個數(shù)量級，可達 10THz。 半導(dǎo)體光放大器的優(yōu)點：尺寸小，為 ~1mm；增益高，為 15~30dB；頻帶寬，為 50~70nm,其工作波段可覆蓋 m? 和 m? 波段，這是摻鉺光纖放大器所無法做到的。 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 5dB左右。由于放大芯片的有源區(qū)截面形狀近似為矩形，放大器對兩個正交的偏振模式將具有不同的光增益作用，也就是說，它的增益與信號的偏振態(tài)有關(guān)。 基于非線性效應(yīng)光纖放大器 非線性光纖放大器是利用光纖的三階非線 性光學(xué)效應(yīng) —— 受激喇曼散射（ SRS）和受激布里淵散射（ SBS）等產(chǎn)生的增益機制而對光信號進行放大的。它們都是借助泵浦光子與光纖中的分子體系互相作用，吸收泵浦光子能量后的分子處于某一高振動能級，該能級不穩(wěn)定，當它向比原來振動能級能量高的某個振動能級躍遷時，便將散射出一個比泵浦光子能量低的斯托克斯光子。 這兩種光放大器相類似，都必須有泵浦光的注入。不同之處如下： （ 1）在 FRA中，泵浦光和信號光可以同向傳輸或反向傳輸，有時還可以用兩個方向的泵浦光，而 FBA只能反向（逆向）泵浦。也就是說， SBS 的斯托克斯平移量要比 SRS 小三個數(shù)量級，且與泵浦光波長有關(guān)。 （４） FBA的 增益帶寬相當窄，一般只有 ２０～２００ Ｍ Hz；而ＦＲＡ的增益帶寬可達６Ｔ Hz，可與行波型半導(dǎo)體放大器相比。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。但 FRA具有的頻 帶寬、增益高、輸出功率大、效應(yīng)快等優(yōu)點仍存在吸引力，可作為寬光譜的波分復(fù)用系統(tǒng)的放大器。此時，光纖既是增益媒質(zhì)，同時又是傳輸媒質(zhì)；既產(chǎn)生增益，有存在損耗，增益補償損耗，實現(xiàn)光纖通信系統(tǒng)凈增益為零的無損透明傳輸。 ＦＢＡ的缺點是工作帶寬窄，也限制了它在光纖通信系統(tǒng)中的應(yīng)用。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行放大。 摻稀土元素光纖放大器 摻雜光纖放大器是利用在光纖中摻雜物質(zhì)引起的增益機制實現(xiàn)光放大的。至今用作摻雜的物質(zhì)均為鑭（ La）系稀土元素，如鉺（ Er）、釹（ Nd）、鐠（ Pr）、鈥（ Ho）、銩 （ Tm）、和鐿（ Yb）等，可用于實現(xiàn)不同波長（覆蓋從可見光到紅外光，直到 m? ）的光放大器。 在摻雜光纖放大器中，備受重視并率先達到應(yīng)用水平的是摻鉺光纖放大器（ EDFA—— Erbium Doped Fiber Amplifier）。 EDFA 的研制成功被視為光纖通信技術(shù)的第三次飛躍。 EDFA的主要優(yōu)點如下： （ 1）工作波長 ~ m? 在范圍，與光纖最小損耗窗口一致。 （ 3）所需泵浦功率低，僅數(shù)十毫瓦；泵浦效率高。 （ 4）結(jié)構(gòu)簡單，易于傳輸光纖耦合，耦合效率極低，約 。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)的信道間串擾。在 m? 處的增益帶寬約為 35nm，若每路占 5GHz帶寬，可同時放大 1000 路以上信號。增益特性與光纖的偏振態(tài)無關(guān)，對溫度不敏感，與信號的傳輸方向無關(guān)，與 泵浦源的大小和頻譜關(guān)系不大。 光纖放大器的研究最早是在六十年代中期。 1969年， .H olst和 Snitzer利用光纖放大器，提高了探測器的靈敏度。直到八十年代，一直受冷落的光纖放大器又重新得到重視，這是因為，能在傳輸線路上直接放大光信號的光纖放大器，一直是人們多年探索追求的目標。在這種情況下，有一部分研究者放棄了對光纖放大器的研究，而轉(zhuǎn)向改進電再生和更靈敏的探測技術(shù)上。英國南安普頓大學(xué) (Southampton)由 David 研究，發(fā)現(xiàn) 鉺 離子作為激活介質(zhì)，可以在 m? 波長上實現(xiàn)光增益，這正是通信系統(tǒng)的低損耗窗口。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。很 快世界各國的研究者們紛紛投入對EDFA的研究，其發(fā)展迅速，于 1990年實現(xiàn)商用。 對 EDFA的研究基本上沿兩個方向同時進行，一個方向是對 EDF材料的研究，目的是研制出增益譜更寬更平坦的摻 鉺 光纖 。以下為人們在這兩個不同方向的研究工作 : 材料方面的研究 ： ?3Er 在石英光纖中溶解度低會引 起熒光淬滅，使得熒光輻射強度大大減弱。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。早期對共摻技術(shù)的研究主要是著眼于提高光纖中?3Er 的摻雜濃度，而后來對材料的研究更注重如何提高光放大器的帶寬。 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。 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。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 。 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。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。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。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。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。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。在光波系統(tǒng)中，不同的應(yīng)用對光放大器有不同的要求。 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)。 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。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。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。 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)。 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 。 泵浦源是供給摻 鉺光纖放大器能量的重要部件。 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。 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 。當放大器作功率放大器使用時 .采用后向泵浦方式較好 。 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。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。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。鉺的原子序數(shù)為 68 ,原子量 167. 2 ,價電子 3 ,屬鑭系元素。由于摻鉺離子分散基質(zhì)之中 ,它屬于分立能級。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。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 。受激輻射躍遷所產(chǎn)生的光子波長為λ = ch ( 2E 1E ) = 1520～ 1570nm。 3E 是泵浦的 高能級。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 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。 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。 YAG激光器。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。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。 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。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。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。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。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 。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。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。