光纤放大器论文.docx

1、光纤放大器论文哈 尔 滨 学 院 答 题 纸课程 光纤通信 20132014 学年第 1 学期课程代码 40425012 专业班级 电气自动化10-1班 姓名： 黄任军 学号： 10043112 成绩 评阅人 检查项目权重得 分(1)选题意义：文献分析是否透彻，选题是否为研究领域的前沿或热点话题。20(2)学术价值和应用价值：论文结构是否合理，概念是否准确，论证是否合乎逻辑；分析问题是否有一定的深度，解决问题是否有一定的创新。40(3)论文摘要：摘要能否简要地阐明研究目的、方法、范围、结果及结论。20(4) 论文格式：论文格式符合要求。10(5)文献引用：文献格式是否规范，引用是否够全面。10

2、合计100哈 尔 滨 学 院 2013-2014 学年第_1_学期 考试时间共 分钟课程名称 光纤通讯 课程代码 40425012 课程班号 电子10-1 信息10-1 共4页 -考试要求：结合所学光纤通讯的课程内容，写一篇科技论文。选题范围：1、 从光纤通讯技术中的某一具体技术的现状及发展；2、 光纤通信技术的某一具体应用；3、 光纤通信的应用现状及发展趋势。论文要求：1、 对光纤通信有整体认识，选题适当。2、 阅读10篇以上的相关方向论文，认真理解论文。3、 要求论文结构合理，概念准确，论证合乎逻辑；分析问题有一定的深度，解决问题有一定的创新。4、 要求文献格式规范，文献引用全面（一般至少

3、引用5篇文献，对于综述性论文至少引用10篇文献）5、 论文字数要求：摘要：150300字；正文：5000字左右。6、 版面A4双面打印。页眉为：学号 姓名页脚为：第*页 共*页光纤通信技术 光纤放大器光导纤维通信简称光纤通信，原理是利用光导纤维传输信号，以实现信息传递的一种通信方式。实际应用中的光纤通信系统使用的不是单根的光纤，而是许多光纤聚集在一起的组成的光缆。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。名 称：光纤放大器关键字：光纤放大器 EDFA 半导体放大器 光纤曼放大器摘要：光放大器

4、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、光弧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、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

5、。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。1.引 言无线光通信是以激光作为信息载体，是一种不需要任何有线信道作为传输媒介的通信方式。与微波通信相比，无线光通信所使用的激光频率高，方向性强(保密性好)，可用的频谱宽，无需申请频率使用许可；与光纤通信相比，无线光通信造价低，施工简便、迅速。它结合了光纤通信和微波通信的优势，已成为一种新兴的宽带无线接

6、人方式，受到了人们的广泛关注。但是，恶劣的天气情况，会对无线光通信系统的传播信号产生衰耗作用。空气中的散射粒子，会使光线在空问、时间和角度上产生不同程度的偏差。大气中的粒子还可能吸收激光的能量，使信号的功率衰减，在无线光通信系统中光纤通信系统低损耗的传播路径已不复存在。大气环境多变的客观性无法改变，要获得更好更快的传输效果，对在大气信道传输的光信号就提出了更高的要求，一般地，采用大功率的光信号可以得到更好的传输效果。随着光纤放大器(EDFA)的迅速发展，稳定可靠的大功率光源将在各种应用中满足无线光通信的要求。2.光纤放大器的发展方向由于超高速率、大容量、长距离光纤通信系统的发展，对作为光纤通信

7、领域的关键器件光纤放大器在功率、带宽和增益平坦方面提出了新的要求，因此，在未来的光纤通信网络中，光纤放大器的发展方向主要有以下几个方面： (1)EDFA从C-Band向L-Band发展； (2)宽频谱、大功率的光纤拉曼放大器； (3)将局部平坦的EDFA与光纤拉曼放大器进行串联使用，获得超宽带的平坦增益放大器； (4)发展应变补偿的无偏振、单片集成、光横向连接的半导体光放大器光开关； (5)研发具有动态增益平坦技术的光纤放大器； (6)小型化、集成化光纤放大器。 随着新材料、新技术的不断突破，光纤放大器在12921660nm波长范围内获得带宽为300nm超宽带将不是梦想，Tbit/sDWDM光

8、网络传输系统将一定会实现。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。光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、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

9、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（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。3.光纤放大器原理及分类3.1 EDFA的原理EDFA的泵浦过程需要使用三能级系统，在掺铒光纤中注入足够强的泵浦光，就可以将

10、大部分处于基态的Er3+离子抽运到激发态，处于激发态的Er3+离子又迅速无辐射地转移到亚稳态。由于Er3+离子在亚稳态能级上寿命较长，因此很容易在亚稳态与基态之间形成粒子数反转。当信号光子通过掺铒光纤时，与处于亚稳态的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。Er3+离子处于亚稳态时，除了发生受激辐射和受激吸收以外，还要产生自发辐射(ASE)，它造成EDFA的噪声。掺铒光纤放大器(EDFA)具有增益高、噪声低、频带宽、输出功率高、连接损耗低和偏振不敏感等优点，直接对光信号进行放大，无需转换成电信号，能够保证光信

11、号在最小失真情况下得到稳定的功率放大。3.2 EDFA的结构典型的EDFA结构主要由掺铒光纤(EDF)、泵浦光源、耦合器、隔离器等组成。掺铒光纤是EDFA的核心部件。它以石英光纤作为基质，在纤芯中掺人固体激光工作物质铒离子，在几米至几十米的掺铒光纤内，光与物质相互作用而被放大、增强。光隔离器的作用是抑制光反射，以确保放大器工作稳定，它必须是插入损耗低，与偏振无关，隔离度优于40 dB。3.3 EDFA的特性及性能指标增益特性表示了放大器的放大能力，其定义为输出功率与输入功率之比，Pout,Pin分别表示放大器输出端与输入端的连续信号功率。增益系数是指从泵浦光源输入1 mW泵浦光功率通过光纤放大

12、器所获得的增益。g0是由泵浦强度定的小信号增益系数，由于增益饱和现象，随着信号功率的增加，增益系数下降；Is，Ps分别为饱和光强和饱和光功率，是表明增益物质特性的量，与掺杂系数、荧光时间和跃迁截面有关。增益和增益系数的区别在于：增益主要是针对输入信号而言的，而增益系数主要是针对输入泵浦光而言的。另外，增益还与泵浦条件(包括泵浦功率和泵浦波长)有关，目前采用的主要泵浦波长是980 nm和1 480 nm。由于各处的增益系数是不同的，而增益须在整个光纤上积分得到，故此特性可用以通过选择光纤长度得到较为平坦的增益谱。3.4 EDFA的带宽增益频谱带宽指信号光能获得一定增益放大的波长区域。实际上的ED

13、FA的增益频率变化关系比理论的复杂得多，它还与基质光纤及其掺杂有关。在EDFA的增益谱宽已达到上百纳米而且增益谱较平坦。ED-FA的增益频谱范围在1 5251 565 nm之间。3.5 EDFA的级联结构EDFA对光信号功率的放大，特别在无线光通信大功率(瓦级)应用中，常常采用级联的方式，比如两级或者三级放大。之所以采用级联的方式，是因为在EDFA的掺铒光纤(EDF)中插入一个光隔离器，构成带光隔离器的两段级联EDFA，由于光隔离器有效地抑制了第二段：EDF的反向自发辐射(ASE)，使其不能进入第一段EDF，减少了泵浦功率在反向ASE上的消耗，使泵浦光子更有效地转换成信号光能量，从而可以明显改

14、善EDFA的增益、噪声系数和输出功率等特性。本文采用丽级级联放大，将12 mW的1 550 nm光信号，经EDFA放大到1 W左右。级联结构如图3所示。光信号由LD激光器产生，是已调制的信号，第一级放大采用单包层掺铒光纤放大器，980 nm单模半导体激光器作为泵浦源，将光功率放大到50 mW附近。第一级采用单模半导体激光器泵浦，先将光信号稳定可靠的放大到一定功率，保证了整个光信号的完整，又为下一级光放大提供了较高的光功率基础。第二级采用双包层光纤放大器，多模半导体激光器泵浦源将光功率放大到1 W左右。双包层光纤放大器纤芯比单包层纤芯大，泵浦功率可以有效地耦台到纤芯中，使第二级光信号的输出功率可

15、达到瓦级。3.6 影响增益的因素EDFA的增益与诸多因素有关，如掺铒光纤的长度，随着掺铒光纤长度的增加，增益经历了从增加到减少的过程，这是因为随着光纤长度的增加，光纤中的泵浦功率将下降，使得粒子反转数降低，最终在低能级上的铒离子数多于高能级上的铒离子数，粒子数恢复到正常的数值。由于掺铒光纤本身的损耗，造成信号光中被吸收掉的光子多于受激辐射产生的光子，引起增益下降。由上述讨论可知，对于某个确定的入射泵浦功率，存在着一个掺铒光纤的最佳长度，使得增益最大。EDFA的增益还跟输入光的程度、泵浦光功率及光纤中铒离子Er3+的浓度都有关系，如小信号输入时的增益系数大于大信号输入时的增益系数。当输入光弱时，高能位电子的消耗减少并可从泵激得到充分的供应，因而，受激辐射就能维持达到相当的程度。当输入光变强时，由于高能位的电子供应不充分，受激辐射光的增加变少，于是就出现饱和。泵浦光功率越大，掺铒光纤越长，3 dB饱和输出功率也就越大。其次与当Er3+的浓度超过一定值时，增益反而会降低，因此要控制好掺