电子12-1-120901240108-王健-掺铒光纤放大器的设计

1东北石油大学课程设计2016年3月4日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2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1.55m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3目录第1章概述.........................................................11.1研究意义.................................................11.2发展趋势及其前景.........................................1第2章掺铒光纤放大器工作原理.......................................32.1掺铒光纤放大器的介绍.....................................32.2EDFA的优缺点............................................5第3章掺铒光纤放大器的设计.........................................73.1EDFA设计指标............................................73.2EDFA参数设计............................................7结论...............................................................9参考文献...........................................................10光电子技术基础课程设计1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光电子技术基础课程设计2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。光电子技术基础课程设计3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。光电子技术基础课程设计42.1.2EDFA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。光电子技术基础课程设计52.2EDFA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