电子12111240108王健掺铒光纤放大器的设计讲解.docx
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电子12111240108王健掺铒光纤放大器的设计讲解
东北石油大学
课程设计
课程光电子技术基础课程设计
题目掺铒光纤放大器的设计
学院电子科学学院
专业班级电子科学与技术
学生姓名王健
学生学号120901240108
指导教师
2016年3月4日
东北石油大学课程设计任务书
课程光电子技术基础课程设计
题目掺铒光纤放大器的设计
专业电子科学与技术姓名王健学号120901240108
主要内容、基本要求、主要参考资料等
1、主要内容：
通过学习光纤放大器的原理，设计一个能够对波长为1.55
的掺铒光纤放大器。
2、基本要求
要求在论文中写出掺铒光纤放大器的工作原理，结构与特性，以及优点与实际中的应用等。
3、参考文献：
[1]刘增基，周洋溢.光纤通信[M].西安:
电子科技大学出版社.2002.
[2]雷肇棣.光纤通信基础[M].西安:
电子科技大学出版社.1999.
[3]马养武.光电子学（第2版）[M].杭州：
浙江大学出版社.2003
完成期限2016.2.29~2016.3.6
指导教师
专业负责人
2016年3月6日
目录
第1章概述1
1.1研究意义1
1.2发展趋势及其前景1
第2章掺铒光纤放大器工作原理3
2.1掺铒光纤放大器的介绍3
2.2EDFA的优缺点5
第3章掺铒光纤放大器的设计7
3.1EDFA设计指标7
3.2EDFA参数设计7
结论9
参考文献10
第1章概述
掺铒光纤放器，即在信号通过的纤芯中掺入了铒离子Er3+的光信号放大器，1985年英国南安普顿大学首先研制成功的光放大器，它是光纤通信中最伟大的发明之一。
掺铒光纤是在石英光纤中掺入了少量的稀土元素铒离子的光纤，它是掺铒光纤放大器的核心。
光纤放大器是光纤通信系统对光信号直接进行放大的光放大器件，在使用光纤的通信系统中，不需要将光信号转换为电信号，直接对光信号进行放大的一种技术。
1.1研究意义
众所周知，现今是信息时代，社会信息化进程正在逐渐的深入，整个社会受信息运行的影响也随之越来越大，随着因特网的普及和网上应用，使人们对一些新型信息服务的需求越来越迫切，例如家庭办公、远程教育、电子商务等，因此这就需要用到功能强大的通信网络，光纤通信作为一种理想的通信手段，具有了诸如较大的通信容量、较长的无中继通信距离、良好的保密性等许多的优点，这使得光纤通信取代其它通信手段是一种必然的趋势。
在光放大器中，掺铒光纤放大器，即EDFA，的技术比较成熟，自身性能较好，所以它的应用比较广泛。
它具有高增益、低噪声、输出功率大、串话小，对温度偏振不敏感，藕合效率高，易与传输光纤藕合连接，损耗低，不易自激，对信号速率和格式透明，并具有几十纳米的放大带宽等优点。
由于它几乎接近完美的特性及半导体泵浦源的使用，导致了它在波分复用系统中的广泛应用，随着光纤通信向速度更快、带宽更大方向的发展，随之对掺铒光纤放大器的性能也有着更高的要求。
1.2发展趋势及其前景
掺铒光纤放大器的研究始于60年代早期，E.Snitzer发现掺铒玻璃对1.50微米波长的激光有放大作用，提出了掺杂光纤放大器的设想，但由于当时未能解决热淬灭效应问题,而且随后出现了半导体光放大器，使得掺铒光纤放大器的研究停滞不前。
直到80年代中期，南安普敦大学的研究人员通过改进的化学气相沉积法（MCVD）成功研制出了掺铒光纤,并在之后制作出了利650nm波长50mW的红染料激光器为泵浦的EDFA具有25dB的小信号增益；几乎同时贝尔实验室的研究人员也制出了不同波长泵浦源的EDFA，获得了约22dB的小信号增益，对该EDFA的测试结果表明,其多信道放大时不存在串扰现象、增益与偏振无关，用于实际传输系统时具有极小的误码率。
1988年1480nm的大功率半导体激光器的研制成功，解决了之前泵浦设备过于庞大不适于应用的问题。
1989年日本的NTT公司首先使用1480nm的半导体激光器作为泵浦源获得成功以及同年召开的光放大及应用会议（OAA）标志着EDFA的应用研究推向新的阶段。
EDFA技术于90年代初走向成熟并被迅速投入商业应用。
随后的研究继续更深入的展开，目标都是使EDFA有更好的工作特性。
两个大的方面，一是对EDF材料的研究,为了获得更平坦的增益、更大的带宽；另一个是从系统的角度考虑。
EDFA是将来很长一段时间内光纤通信系统中最具实用的价值无源光器件之一,掺铒光纤放大器的应用将推动高速光通信的发展,将在未来的高速全光通信系统中扮演重要的角色。
掺铒光纤放大器在常规光纤数字通信系统中应用，可以省去大量的光中继机，而且中继距离也大为增加，这对于长途光缆干线系统具有重要意义。
其主要应用有：
1、可作光距离放大器。
传统的电子光纤中继器有许多局限性，如数字信号和模拟信号相互转换时，中继器要作相应的改变；设备由低速率改变成高速率时，中继器要随之更换；只有传输同一波长的光信号，且结构复杂、价格昂贵等。
掺铒光纤放大器则克服了这些缺点，不仅不必随信号方式的改变而改变，而且设备扩容或用于光波分复用时，也无需更换。
2、可作光发送机的后置放大器及光接收机的前置放大器。
作光发送机的后置放大器时，可将激光器的发送功率从0db提高到+10db。
作光接收机的前置放大器时，其灵敏度也可大大提高。
因此，只需在线路上设1-2个掺铒放大器，其信号传输距离即可提高100-200km。
此外，掺铒光纤放大器待解决的问题。
掺铒光纤放大器的独特优越性已被世人所公认，并且得到越来越广泛的应用。
但是，掺铒光纤放大器也存在着一定的局限性。
比如，在长距离通信中不能上下话路、各站业务联系比较困难、不便于查找故障、泵浦光源寿命不长，随着光纤通信技术的不断进步，这些问题将会得到完满的解决。
第2章掺铒光纤放大器工作原理
2.1掺铒光纤放大器的介绍
2.1.1EDFA放大器的组成
石英光纤掺稀土元素，如Nd、Er、Pr、Tm等，后可构成多能级的激光系统，在泵浦光作用下使输入信号光直接放大。
提供合适的反馈后则构成光纤激光器。
掺Nd光纤放大器的工作波长1060nm及1330nm，由于偏离光纤通信最佳宿口及其他一些原因，其发展及应用受到限制。
EDFA及PDFA的工作波长分别处于光纤通信的最低损耗（1550nm）及零色散波长（1300nm）窗口，TDFA工作在S波段，都非常适合于光纤通信系统应用。
尤其是EDFA，发展最为迅速，已实用化在掺铒光纤发展的基础上，不断出现许多新型光纤放大器，例如，以掺铒光纤为基础的双带光纤放大器（DBFA）,是一种宽带的光放大器，宽带几乎可以覆盖整个波分复用（WDM）带宽。
类似的产品还有超宽带光放大器（UWOA），它的覆盖带宽可对单根光纤中多达100路波长信道进行放大。
掺铒光纤放大器的主要组成部分，如图2.1所示:
图2.1EDFA的结构
（1）掺铒光纤：
是EDFA的主体，在石英基质中掺入饵离子制成。
（2）泵浦光源：
泵浦光用于供给掺铒光纤中铒粒子的能量，使其吸收能量跃迁到亚稳态能级。
（3）隔离器：
用于抑制光的来回反射，保证放大器工作稳定。
（4）耦合器：
用于将信号光和泵浦光耦合到掺铒光纤中。
（5）控制电路：
从放大器输出端抽取监测信号，对放大器的泵浦光功率及输入信号光等进行调节、控制增益的大小，保证输出信号的稳定。
（6）光滤波器：
带宽为1nm以下的窄带光滤波器，用于消除放大器的自发辐射光，以降低放大器的噪声。
2.1.2EDFA的放大原理
EDFA的放大作用是通过1550nm波段的信号光在掺铒光纤中传输与Er3+离子相互作用产生的。
在掺铒光纤中注入足够强的泵浦光，就可以将大部分处于基态的Er3+离子抽运到激发态上，处于激发态的Er3+离子又迅速无辐射地转移到亚稳态上。
由于Er3+离子在亚稳态上能级寿命较长，因此，很容易在亚稳态与基态之间形成粒子数反转，即处于亚稳态的Er3+粒子数比处于基态的Er3+粒子数多。
当信号光子通过掺铒光纤，与Er3+离子相互作用发生受激辐射效应，产生大量与自身完全相同的光子，这时通过掺铒光纤传输的信号光子迅速增多，产生信号放大作用；只有少数处于基态的Er3+离子对信号光子产生受激吸收效应，吸收光子。
如图2.2所示：
图2.2Er3+能级图
2.1.3EDFA的基本性能
1、增益特性：
增益特性表示了光放大器的放大能力，定义为输出功率和输入功率之比。
EDFA的增益大小与多种因素有关，增益一般为15dB~40dB。
2、输出功率特性：
EDFA的最大输出功率常3dB饱和输出功率来表示。
3dB饱和输出功率是指当饱和增益下降3dB时所对应的输出功率，该参数反映了EDFA的最大功率输出能力，EDFA的饱和输出特性与泵浦功率大小、掺铒光纤长短有关。
泵浦光功率越大，3dB饱和输出功率越大；掺铒光纤长度越长，3dB饱和输出功率也越大。
3、噪声特性：
EDFA的输出光中，除了有信号光外，还有被放大的噪声。
EDFA的噪声主要4种：
信号光的散粒噪声；被放大的自发辐射光ASE的散粒噪声；自发辐射ASE光谱与信号光之间的差拍噪声；自发辐射ASE光谱间的差拍噪声。
2.2EDFA的优缺点
EDFA之所以得到迅速的发展源于它一系列突出的优点。
1、EDFA的工作波长与光纤最小损耗窗口一致，恰好落在最佳波长区，即1300-1600nm的波长区。
2、因为EDFA的主体也是一段光纤，它与线路光纤的耦合损耗很小，甚至可达到0.1dB，耦合效率高。
因为是光纤型放大器，易于与传输光纤耦合连接，也可以用熔接在一起，熔接后反射损耗小。
3、能量转换效率高。
激光工作物质集中在光纤芯子中，且集中在光纤芯子中的近轴部分，饵信号光和泵浦光也是在光纤的近轴部分最强，这使得光与媒质的作用很充分；再加之有较长的作用长度，因而有较高的转换效率。
所需泵浦光功率较低，泵浦效率却相当高，用980nm光源泵浦时，增益效率可达11dB/mW，用1480nm光源泵浦时为5.1dB/mW；泵浦功率转换为输出功率的效率和吸收效率高于80%。
4、增益高、噪声低、输出功率大。
增益约为20-40dB。
输出功率在单光谱时可达14dBm，而在双泵浦时可达17dBm，甚至20dBm。
噪声指数低，一般为4～7dB。
5、频带宽。
在1310nm和1550nm窗口各有20-40nm带宽，可以进行多信道传输，便于扩大传输容量，从而节省成本费用，对比特率高于2.5Gb/s的系统有利。
6、与半导体激光放大器不同，EDFA的增益特性与光纤极化状态无关，放大特性与光信号的传输方向也无关，当光纤放大器内无隔离器时，可以实现双向放大；在多信道应用中可以进行无串话传输；具有永久二阶非线性光学效应，例如电光效应、倍频效应等，的一种光纤功能器件。
极化光纤器件是一种新型的全玻璃光纤有源器件，它充分利用了熔石英光纤优良的透明性和很低的群速色极化光纤器件散，与晶体材料的非线性光学器件或电光器件相比，它的制造成本很低，易集成化和封装简便，具有较高的光学损伤阈值，具有较高的可靠性和较低的插入损耗，这些都使它在许多领域有着广泛的应用前景。
7、增益特性稳定。
EDFA对温度不敏感，在100℃范围内，增益特性保持稳定。
8、中继器只有低速电子装置和几个无源器件，所以结构简单，可靠性高，体积小。
9、可以同时传输模拟信号和数字信号，高比特率信号和低比特率信号。
当系统扩容时，可以只改动端机而不改动线路。
对不同传输速率的数字体系具有完全的透明度，与准同步数字体系和同步数字体系的各种速率兼容，调制方案可以任意选择。
10、EDFA需要的工作电流比光一电一光中继器小，因此可以大大减小所需电流，从而降低了对海底电缆和绝缘特性的要求，即在放大器级联使用中可以自动补偿线路上损耗的增加，使系统经久耐用。
当然，EDFA也有其固有的缺点。
1、波长范围固定。
只能放大1550nm左右波长的光波，可以调节的波长范围有限。
2、增益带宽不平坦。
EDFA的增益谱宽大约40nm，但增益带宽不平坦。
在光纤通信系统中需要采取特殊手段来进行增益谱补偿。
3、附加的噪声使接收机灵敏度退化。
4、光纤的色散和非线性效应可以无阻碍地得到积累。
第3章掺铒光纤放大器的设计
3.1EDFA设计指标
3.1.1EDFA的增益
放大器的增G定义为放大器输出端Pout与输入端Pin。
连续信号功率的比值，放大器的增益与增益系数有关，增益系数则是随光纤长度变化的，并与输入功率、饱和光功率、中心频率、小信号增益系数等参数有关。
在放大器的系统设计时，为满足放大器的增益主要考虑掺铒光纤长度和泵浦光功率。
3.1.2噪声系数
放大器的噪声采用噪声系数NF来表示，它定义为输入信噪比与输出信噪比。
的比值经过分析综合，可得到结论，噪声系数与粒子反转差有关。
泵浦充分，粒子反转差大，则噪声系数就小。
充分的泵浦作用有利于减小噪声，在理想情况下，F的极限值为3dB。
放大器本身产生噪声，使信号的信噪比下降，造成对传输距离的限制。
光纤放大器的噪声主要来自于它的自发辐射ASE，它与被放大的信号在光纤中一起传输、放大，在检测器中主要检测的噪声有：
①自发辐射的散弹噪声；②宽带自发辐射自身的差拍噪声；③信号光与自发辐射的差拍噪声；④信号光的信号散弹噪声。
3.1.3饱和输出功率
增益饱和与饱和输出功率：
表示最大输出能力。
当输入光功率比较小时，增益G是一个常数，称为光放大器的小信号增益。
但当G增大到一定数值后，光放大器的增益开始下降，这种现象称为增益饱和。
当光放大器的增益降至小信号增益的一半，也就是用分贝表示为下降3dB时，所对应的输出功率称为饱和输出光功率，是放大器的一个重要参数，饱和输出功率用Pouts表示。
在小信号工作区，增益与信号光输入功率的大小无关，恒为常数，但是当输入功率大到超过小信号工作区时，增益讲随输入功率的增大而变化，出现增益饱和或压缩。
3.2EDFA参数设计
3.2.1掺铒光纤的长度
EDFA放大输入的光信号时，存在一最佳长度，超过此长度，增益将降低。
最佳长度与输入泵浦光功率、输入信号光功率、AsE功率、铒离子浓度、光场与铒离子浓度分布的重叠积分程度等因素有关。
确定掺铒光纤长度：
一种方法是通过速率方程可求得最佳长度的理论值，在此基础上，通过OTDR等方法逐步逼近实际的最佳值；另一种方法则是给出增益与光纤长度的关系，再利用微分求导，则得到增益最大的光纤长度。
3.2.2掺铒光纤波导参数
波导参数的设计主要考虑：
数值孔径、纤芯半径、截止波长、掺铒半径、剖面分布等因素，具体的参数设计是基于对EDFA特性的不同要求而提出的。
3.2.3泵浦光功率
为了能在整段掺铒光纤上实现粒子数反转，则在掺铒光纤某一长度处的输出泵浦光功率应大于或等于局部粒子数反转的阈值泵浦功率。
在增益一定的情况下，泵浦光功率在很大程度上决定了掺铒光纤的长度。
3.2.4泵浦光源
泵浦光源是EDFA的重要组成部分，EDFA对泵浦光源有两个基本要求：
首先，泵浦源的发射波长应对应于掺铒光纤的峰值吸收带；其次，要有较大的输出功率。
通常从小信号增益、输出功率、噪声系数等方面考虑。
结论
光纤通信已成为当今信息社会不可缺少的神经系统，而光源作为光纤通信系统的核心技术，其理论和实验方面的研究有着十分重要的意义。
以掺铒光纤为主要核心的掺铒光纤放大器和掺铒光纤光源自1987年以来一直是光纤通信领域的研究热点。
现在已经商用化的高浓度掺铒光纤很多，而且近几年的价格下降较快。
C波段光源已经非常成熟化，目前主要的研究L波段和C+L波段的宽带光源。
而且未来的光纤光源是以更高功率，更宽更平坦光谱，超连续、多波长的方向发展。
1、概要介绍了掺铒光纤放大器的研究背景，包括掺铒光纤放大器的特点、应用、发展前景以及研究的必要性；
2、对掺铒光纤放大器研制过程中的主要光电器件从原理及性能等方面作了系统的描述。
主要包括掺铒光纤的基本概念及参数，铒离子能级间跃迁原理，掺铒光纤的熔接问题；
3、运用的理论分析，介绍了掺铒光纤放大器的基本原理，同时在此基础上，对掺铒光纤放大器的参数进行了详细的介绍。
参考文献
［1］梁柱，宁国斌，金光勇.LD泵浦高频YAG激光器.长春理工大学学报.2002
［2］周炳琨，高以智等.激光原理。
北京：
国防工业出版社.2007.
［3］克希耐尔W.固体激光工程.北京:
科学出版社.2002.
［4］吕百达.固体激光器件.北京:
北京邮电大学出版社.2001
［5］傅竹西.固体光电子学.合肥：
中国科学技术大学出版社.2004.
［6］郭培源，付扬.光电检测技术与应用.北京：
北京航空航天大学出版社.2006.
东北石油大学课程设计成绩评价表
课程名称
光电子技术基础课程设计
题目名称
掺铒光纤放大器的设计
学生姓名
王健
学号
120901240108
指导教师姓名
职称
序号
评价项目
指标
满分
评分
1
工作量、工作态度和出勤率
按期圆满的完成了规定的任务，难易程度和工作量符合教学要求，工作努力，遵守纪律，出勤率高，工作作风严谨，善于与他人合作。
20
2
课程设计质量
课程设计选题合理，计算过程简练准确，分析问题思路清晰，结构严谨，文理通顺，撰写规范，图表完备正确。
45
3
创新
工作中有创新意识，对前人工作有一些改进或有一定应用价值。
5
4
答辩
能正确回答指导教师所提出的问题。
30
总分
评语：
指导教师：
年月日
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