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掺铒光纤放大器的原理与应用

毕业设计（论文）报告

题目掺铒光纤放大器的原理与应用

系别尚德光伏学院

专业应用电子技术（光电子技术方向）班级0903

学生姓名刘钰华

学号090264

指导教师

2012年4月

掺铒光纤放大器的原理与应用

摘要:

光纤通信就是利用光纤来传输携带信息的光波以达到通信的目的。

光纤通信具有通信容量大、传输速率高、使用寿命长,等诸多特点。

因而得到了普遍的应运，其中光放大器是光纤系统中的重要组成部分。

光纤放大器（简写OFA）是指运用于光纤通信线路中，实现信号放大的一种新型全光放大器。

本论文介绍了掺铒光纤放大器（简写EDFA）的相关理论。

首先对光纤放大器的种类进行大致的简介，其次阐述了掺铒光纤放大器的历史和发展，以及对掺铒光纤放大器工作原理进行了介绍。

重点关注了掺铒光纤放大器在现代光纤通信系统中的应运。

关键字：

光纤、光纤通信、掺铒光纤放大器、应运

Principlesandapplicationsoftheerbium-dopedfiberamplifier

Abstract：

OpticalFiberCommunication,istheuseofopticalfibertotransmitlightwavescarryinformationinordertoachievethepurposeofcommunication.Largecapacityopticalfibercommunicationwiththecommunication,transmissionrate,longlifeandmanyotherfeatures.Andsoitgenerallyshouldbeshipped,inwhichopticalfiberamplifierisanimportantcomponentofthesystem.Fiberamplifierisusedinopticalfibercommunicationlines.Anewtypeofsignalamplificationtoachieveall-opticalamplifiers.

Thispaperdescribestheerbium-dopedfiberamplifiertheories.First,erbium-dopedfiberamplifiergeneralintroductiontothehistoryandtypesofopticalamplifiersanderbium-dopedfiberamplifieroperatingprinciplewasintroduced.Focusontheerbium-dopedfiberamplifierinamodernopticalfibercommunicationsystemshouldbeshipped.

Keywords:

Fiber、OpticalFiberCommunication、Erbium-dopedfiber、amplifierShouldbeshipped

前言1

第一章绪论2

1.1光纤通信系统中放大技术3

1.1.1光纤放大器的分类3

1.1.2半导体光放大器4

1.1.3光纤放大器6

1.2掺铒光纤放大器的发展历史6

1.3EDFA的发展方向8

第二章掺铒光纤放大器的工作原理及性能参数10

2.1掺铒光纤放大器的介绍10

2.1.1EDFA放大器的组成10

2.1.2EDFA的放大原理11

2.1.3EDFA的基本性能12

2.2EDFA的优缺点12

2.3EDFA的主要应用形式.14

2.4EDFA的增益特性15

第三章EDFA在密集波分复用系统中应用与研究18

3.1波分复用（WDM）的基本概念18

3.1.1波分复用系统的组成18

3.1.2EDFA在WDM系统中的应用19

3.1.3WDM系统对EDFA的要求19

3.1.4密集波分复用（DWDM）原理概述21

3.2EDFA在密集波分复用（DWDM）系统中应用的分析22

3.2.1EDFA在DWDM系统中的作用和应用方式22

3.2.2DWDM中对EDFA的主要性能要求24

第四章总结27

致谢28

参考文献

前言

人类传播信息方式是多种多样的。

用光来传递信息也是很早之前就有的。

远在周代我国就有了烽火传递信息的方法，烽火作为一种原始的声光通信手段，服务于古代军事战争。

从边境到国都以及边防线上，每隔一定距离就筑起一座烽火台。

内储柴草，当敌人入侵时，便一个接一个地点燃起烽火报警，各路诸侯见到烽火，马上派兵相助,抵抗敌人。

现如今用光纤来传递信息已成为非常重要的信息传递方式。

在光纤通信系统中光放大又是一个非常重要的环节。

光放大器是可将微弱的光信号直接进行光放大的器件。

它的出现使光纤通信技术产生了质的飞跃；它使光波分复用技术，光孤子通信技术迅速成熟并得于商用，同时他为未来的全光通信网奠定了扎实的基础，成为现代和未来光纤通信系统中不可少的重要器件。

近年来，包括有线电视在内的光纤通信系统，由于光纤干线的普及，由于光纤干线的普及为了，适应通信容量的扩大和远距离传输网络高功能化的需要，波分复用（WDM）技术有了新的发展。

但在WDM系统中，最有力的关键技术，就是光纤放大器的实用化。

众所周知，在光纤线路中，最有影响的指标一是色散，另是衰减损耗。

关于色散问题将另外探讨。

衰减是指光信号在光纤内传输过程中，产生的光功率损耗而言。

衰减量是将每1km产生的损耗,用dB表示之值，0.2dB／km,3dB。

例如单模光纤约为0.2dB／km，大约传输15km时损耗达3dB。

为了实现远距离的光信号传系统中，首先在CATV系统中，应用光纤放大器的是工作在光损耗最小的1.5μm波域的掺铒光纤放大器（EDFA）,但在通信系统中，由于早期铺设的光纤条件的限制，利用1条光纤传的高速信号比较复杂，但如利用2.5Gbps×4的四波WDM传输，则很容易实现。

因此,从90年代后期起WDM的发展，也推动了EDFA的进步。

目前，1.5μm的EDFA波域，除了早期的1530～1560nmEDFA之外，还出现了拓宽波域的增益位移（GS）型EDFA（1570～1600nm）。

另外，在CATV系统中应用最多的1.3μm波长的单模光纤（SMF）系统中，由于波长色散甚小即使不作色散补偿，也能传输高至10Gbps的优点，一直受到业界的重视。

但由于1.3μm的SMF传输损耗较大（一般为0.30dB／km）。

所以只适用于近、中距离传的远距离传输。

今后，随着1.3μm的远距离传输需要增加，新问世的1.3μm波域的掺谱光纤放大器（EPFA）也成了业界关心的热点。

近年，由于因特网的爆发式增长，为了有效的利用光普波长资源，在开发太比秒级（1Tbp）的高速信号中，高密度波分复用（DWDM）又称密集波分复用技术的发展，也促进了1.4μm波域的利用。

为此目的研制的掺铥光纤放大器（TDFA）的实用化也是业界关心的产品。

还有，应用光纤拉曼现象的拉曼光纤放大器，随着WDM技术的应用，又重新抬头，在实现超宽波域达100nm放大方面颇具特点。

本文拟就掺铒光纤放大器（EDFA）的原理及应用发展动向作一综述。

第一章绪论

1.1光纤通信系统中放大技术

1.1.1光纤放大器的分类

　光放大器的开发成功及其产业化是光纤通信技术中的一个非常重要的成果，它大大地促进了光复用技术、光孤子通信以及全光网络的发展。

顾名思义，光放大器就是放大光信号。

在此之前，传送信号的放大都是要实现光电变换及电光变换，即O/E/O变换。

有了光放大器后就可直接实现光信号放大。

光放大器主要有3种:

光纤放大器、拉曼放大器以及半导体光放大器。

光纤放大器就是在光纤中掺杂稀土离子（如铒、镨、铥等）作为激光活性物质。

每一种掺杂剂的增益带宽是不同的。

掺铒光纤放大器的增益带较宽，覆盖S、C、L频带;掺铥光纤放大器的增益带是S波段;掺镨光纤放大器的增益带在1310nm附近。

而喇曼光放大器则是利用喇曼散射效应制作成的光放大器，即大功率的激光注入光纤后，会发生非线性效应?

喇曼散射。

在不断发生散射的过程中，把能量转交给信号光，从而使信号光得到放大。

由此不难理解，喇曼放大是一个分布式的放大过程，即沿整个线路逐渐放大的。

其工作带宽可以说是很宽的，几乎不受限制。

这种光放大器已开始商品化了，不过相当昂贵。

半导体光放大器（S0A）一般是指行波光放大器，工作原理与半导体激光器相类似。

其工作带宽是很宽的。

但增益幅度稍小一些，制造难度较大。

这种光放大器虽然已实用了，但产量很小。

迄今为止的光纤通信系统，为了拓长通信距离都需在通信线路中设置一定数量的中继器，以便使衰减的光信号强度得到补充。

而中继器无一例外都是采用光—电—光的转换方式。

中继器的这种工作模式带来了不少问题，如使得成本高，系统复杂，可靠性降低等。

于是，人们设想，是否用光放大器直接进行光信号放大，以实现全光通信。

经过多年的不懈努力，各种各样的光放大器终于问世了。

在光通信技术的发展进程中，不断取得新的突破，其中尤以光放大器，特别是掺铒光纤放大器（EDFA）的发明最为激动人心。

它使光通信技术产生了革命性的变化：

用相对简单价廉的光放大器，代替长距离光纤通信系统中传统使用的复杂昂贵的光—电—光混合式中继器，从而可实现比特率及调制格式的透明传输，升级换代也变得十分容易，尤其是性能十分优秀的EDFA与WDM技术的珠联璧合，奠定了高速大容量WDM光通信系统与网络大规模应用的基础。

光放大器主要有两类：

光纤光放大器和半导体光放大器。

光纤放大器又分为两种，即掺稀土元素的光纤放大器和利用常规光纤的非线性效应（如受激拉曼散射，受激希里渊散射等）的光放大器。

半导体光放大器主要是行波半导体激光放大器。

1.1.2半导体光放大器

1半导体光放大器的结构：

半导体光放大器是一种把发光器件一一半导体激光器结构作为放大装置使用的器件,因为具有能带结构,所以其增益带宽比采用光纤放大器的宽。

另外,通过改变所使用的半导体材料的组成可以使波长使用范围超过100nm,这是半导体光放大器的一个突出特点。

半导体光放大器由有源区和无源区构成,有源区为增益区,使用Inp这样的半导体材料制作,与半导体激光器的主要不同之处是SOA带抗反射涂层,以防止放大器端面的反射,排除共振器功效。

抗反射涂层就是在端面设置单层或多层介质层。

以平面波人射单层介质层时,抗反射膜的条件相对于厚度为1/4波长。

实际的放大器,传输光是数微米的点光,可以研究假想波导模严格的无反射条件。

去除端面反射影响的另一种方法,也可以采用使端面倾斜的方法和窗结构。

把光放大器作为光通信中继放大器使用,入射光的偏振方向是无规则的,最好是偏振波依赖性小的放大器。

为了消除这种偏振波依赖性,可以引人运用窄条结构使激活波导光路近似正方形断面形状的方法和施加抗张应力,以增大TM波增益的应变量子阱结构。

目前,实现偏振无关半导体光放大器的方法有很多种,如张应变量子阱结构、应变补偿结构、同时采用张应变量子阱和压应变量子阱的混合应变量子阱结构等。

采用脊型波导结构的应变量子阱光放大器基本结构图。

有源区4C3T采用混合应变量子阱结构,即4个压应变量子阱,3个张应变量子阱,压应变和张应变量子阱之间用与LPN晶格匹配的宽的IaGaAsp垒层隔开上下波导层分别为波长1.15um的IaGaAsP匹配材料包层为p型Inp,接触层为重P型掺杂IaGaAsP材料,材料的外延法生长过程中,n型掺杂源为硅烷,p型掺杂源为二甲基锌材料；生长完成后,采用标准的光刻、反应离子刻蚀、湿法腐蚀、蒸发、溅射等工艺制作脊型波导结构。

2半导体光放大器的原理:

半导体光放大器的原理与掺稀土光纤放大器相似但也有不同,其放大特性主要取决于有源层的介质特性和激光腔的特性。

它虽也是粒子数反转放大发光但发光的媒介是非平衡载流子即电子空穴对而非稀有元素。

半导体的发光可根据激发方式的不同分为光致发光、电致发光和阴极发光等。

光致发光是指用半导体的光吸收作用来产生非平衡载流子,实际上是一种光向另一种光转换的过程。

电致发光是指用电学方法将非平衡载流子直接注人到半导体中而产生发光,这常借助于PN结来完成。

在半导体中电子的能级限制在导带和价带两个带内,在导带中电子充当移动载流子,在价带中空穴充当载流子。

半导体在外界激发下,可将价带中的电子激发到导带中,同时在价带中留下空穴,所产生的电子和空穴分别跃迁到导带底和价带顶,这一过程只与晶格交换能量而不产生光发射,称为无辐射跃迁,与此同时,导带底的电子还要跃迁到价带顶与空穴复合,并同时发射光子,二者形成动态平衡,与热平衡状态下的情况不同,这时的电子和空穴为非平衡载流子,载流子的分布不再是费米统计分布。

由于电子从导带底跃迁到价带顶的时间常数即辐射寿命与无辐射跃迁的时间常数相比相对较长,所以可以认为电子和空穴各自保持热平衡状态,对载流子的这种准平衡状态分别用准费米能级和来表示。

半导体的辐射跃迁包括自发跃迁和受激跃迁两个过程。

自发辐射跃迁是指占据高能态的电子可以自发地跃迁到低的空能态与空穴复合,同时发射一个光子,这一过程称为自发辐射发光受激辐射跃迁是指与一个理想的光子相互作用后导致的受激辐射。

这两个过程类似于掺饵光纤放大器（EDFA）中的自发辐射和受激辐射过程。

半导体在外界激励下会产生非平衡载流子,半导体在泵浦光激励下怎样产生光放大为?

了尽可能简单,假设半导体在0K,费米能级在禁带的中间位置,因此在Ep以下的每个有效能级上被电子充满,则半导体将吸收子。

如果半导体未受光泵浦激励,则半导体将吸收光子,其实半导体的两个能带所扮演的角色类似于EDFA中的能带E1和E2所起的作用,只是它的能带比EDFA的能带更宽。

一个带隙Ex把处在下面的导带和上面的价带分开,这样,从一个能带转移到另一个能带内所发生的能量改变至少是Eg,因此,若hv>E则半导体吸收光子,当吸收了泵浦光子后就会在导带中产生电子,而在价带中留下空穴,然后电子和空穴都迅速向能带的最底点弛豫,并通过发射一个能量为禁带宽度能量的光子复合。

如果泵浦源的强度越来越大,电子将会趋向于累积在导带的底部,空穴趋向于累积在价带的顶部,直到电子空穴对的产生和复合达到动态平衡为止。

如果假设带内驰豫过程比带间复合速率快得多,那么可以利用准费米能级Epn和Epp来描述电子空穴的数目。

于是导带底和Epn之间的每个态都被添满,而价带顶和之间的所有态都是空的,从而实现光放大。

通过适当的选择半导体材料,就可获得能使发射或吸收波长处于光通信所需要的范围（如1300nm或1550nm）内的带隙。

1.1.3光纤放大器

光纤放大器不但可对光信号进行直接放大，同时还具有实时、高增益、宽带、在线、低噪声、低损耗的全光放大功能，是新一代光纤通信系统中必不可少的关键器件；由于这项技术不仅解决了衰减对光网络传输速率与距离的限制，更重要的是它开创了1550nm频段的波分复用，从而将使超高速、超大容量、超长距离的波分复用（WDM）、密集波分复用（DWDM）、全光传输、光孤子传输等成为现实，是光纤通信发展史上的一个划时代的里程碑。

在目前实用化的光纤放大器中主要有掺铒光纤放大器（EDFA）、半导体光放大器（SOA）和光纤拉曼放大器（FRA）等，其中掺铒光纤放大器以其优越的性能现已广泛应用于长距离、大容量、高速率的光纤通信系统、接入网、光纤CATV网、军用系统（雷达多路数据复接、数据传输、制导等）等领域，作为功率放大器、中继放大器和前置放大器。

　光纤放大器一般都由增益介质、泵浦光和输入输出耦合结构组成。

目前光纤放大器主要有掺铒光纤放大器、半导体光放大器和光纤拉曼放大器三种，根据其在光纤网络中的应用，光纤放大器主要有三种不同的用途：

在发射机侧用作功率放大器以提高发射机的功率；在接收机之前作光预放大器以极大地提高光接收机的灵敏度；在光纤传输线路中作中继放大器以补偿光纤传输损耗，延长传输距离。

1.2掺铒光纤放大器的发展历史

掺铒光纤放大器（ErbiumDopedFiberAmplifier，缩写为EDFA）是90年代开始在光纤传输系统中应用的新型器件，它的推广应用为光纤通信技术带来了一场革命。

掺铒光纤主要在1.55um波段的应用的有源光纤的研究基础上发展起来的。

前期的工作是研究光纤激光器和研究掺稀土元素光纤，后来发现了在光纤中掺铒元素能够实现放大的作用，其工作波长对应于光纤的1.55um传输波长，人们用掺铒光纤制作成功掺铒光纤放大器。

何谓CATV用掺铒光纤放大器？

它的应用状况如何？

　在近几年来，光纤CATV系统特别是1500nm光纤CATV系统包括模拟系统和数字系统在我们国家迅速发展，掺铒光纤放大器在光纤CATV系统中也得到了广泛应用。

功率放大器是在CATV系统的前端将发射机的输出光放大后再进行分配，以供各方向的光纤干线传输用。

功率放大器与功率分配器也可考虑做成两段重复使用。

从远离前端处将光纤干线分支时，可在分支前面接入掺铒光纤放大器，作为线路放大器，以补偿分支损耗。

在光纤传输网络管理中如何实现对掺铒光纤放大器的监控。

　光纤放大器作为整个系统的一个功能模块，纳入网管系统的方法一般有两种：

其一是通过光纤放大器的232C接口电路将光纤放大器的性能参数和告警信息传输给网管系统，进行统一管理，显示和处置。

其二是由光纤放大器的开关量信息接口向网管系统送开关量信息进行管理显示。

在工程实践中已采用过这两种成功的方法。

何谓DWDM用增益平坦掺铒光纤放大器？

它的应用状况如何?

　采用在1550nm窗口附近的密集型WDM技术是扩大现有光纤通信能力的最有效的方法。

增益平坦型光纤放大器是DWDM传输系统的关键部件，可以十分有效地解决由于光波分复用/解复用带来的插入损耗，使WDM系统的中继问题变得十分简单。

由于EDFA具有40nm的工作带宽，它可以同时放大多个波长不同的光信号，因此它可以十分方便地应用于DWDM系统中，补偿各种光衰耗。

模块是集成化的掺铒光纤放大器（如图1-1所示），

图1-1：

EDFA内部方块图

分为光电一体EDFA模块和光增益模块两种，其具有体积小、功耗低、使用方便等特点，可以根据用户使用的情况十分方便地安装在各种各样的应用系统中，如SDH机架内、CATV机盒内、DWDM系统机架内。

1.3EDFA的发展方向

EDFA的发展方向EDFA从C波段（conventionalband）1530～1560nm（常规的ED-FA）向L波段（longwavelengthband）1570～1605nm发展，可采用掺铒氟化物光纤放大器（EDFFA），带宽可达75nm；采用碲化物EDFA，带宽可达76nm；采用增益位移掺铒光纤放大器（GS-EDFA），通过控制掺铒光纤的铒粒子数反转程度，可在1570～1600nm波段实现放大，它与普通的EDFA组合，可得到带宽约80nm的宽带放大器；采用覆盖C波段和L波段的超宽带光放大器（UWOA），可用带宽80nm，能在单根光纤上放大100多路波长信道；采用常规EDFA和扩带光纤放大器（EBFA）组成的基于掺铒光纤的双带光纤放大器（DBFA），工作波长为1528～1610nm；将局部平坦的EDFA与光纤拉曼放大器串联使用，可获得带宽高于100nm的超宽带增益平坦放大器；EDFA应具有动态增益平坦特性的小型化、集成化方向发展。

EDFA是目前及未来一段时间放大器的主要选择，在骨干网和城域网/接入网中发挥着关键性作用。

但EDFA级联噪声大以及带宽受限，它与DRA混合使用，在长距离、大容量传输中是当前的一种优秀方案。

FRA:

宽带、低噪声、抑制非线性、提高传输距离，进行色散补偿等，必将成为下一代光放大器的主流。

城域网/接入网中光放大器目前具有竞争力的技术为MiniEDFA、EDWA和SOA技术，这种低价放大器正在标准化。

随城域网建设的兴起，光放大器在低价领域必有一番作为。

第二章掺铒光纤放大器的工作原理及性能参数

2.1掺铒光纤放大器的介绍

2.1.1EDFA放大器的组成

词名：

掺铒光纤放大器；英文名：

ErbiumDopedFiberAmplifier；

缩写：

EDFA

来历：

Er-DopedFiberAmplifier