电子101-05-张桂龙-掺饵光纤放大器的设计

东北石油大学课程设计2014年3月7日课程光电子技术课程设计题目掺铒光纤放大器的设计院系电子科学学院专业班级电子10-1学生姓名张桂龙学生学号100901240105指导教师东北石油大学课程设计任务书课程光电子技术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张桂龙学号100901240105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，以及优点与应用。3、参考文献：[1]刘增基，周洋溢著，光纤通信，西安电子科技大学出版社，2002.6.[2]雷肇棣著，光纤通信基础，电子科技大学出版社，1999.[3]马养武，包成芳，光电子学，浙江大学出版社，2003.3.完成期限2014.3.3~2014.3.7指导教师专业负责人2014年3月3日目录第1章概述..............................................................................................................................................................1第2章掺铒光纤放大器的原理............................................................................................................................2第3章掺铒光纤放大器的结构和特点..................................................................................................................73.1掺铒光纤放大器的结构.........................................................................................................................73.2掺铒光纤放大器的特点...........................................................................................................................8第4章掺铒光纤放大器的优点和应用................................................................................................................104.1掺铒光纤放大器的优点...........................................................................................................................104.2掺铒光纤放大器的应用...........................................................................................................................10第5章总结............................................................................................................................................................12参考文献..................................................................................................................................................................131第1章概述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。掺铒光纤放大器（EDFA，即在信号通过的纤芯中掺入了铒离子Er3+的光信号放大器）是英国南安普顿大学和日本东北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（Er）离子的光纤，它是掺铒光纤放大器的核心。从20世纪80年代后期开始，掺铒光纤放大器的研究工作不断取得重大的突破。WDM技术、极大地增加了光纤通信的容量。成为当前光纤通信中应用最广的光放大器件。2第2章掺铒光纤放大器的原理铒(Er)是一种稀土元素(属于镧系元素),原子序数是68,原子量为167.3。按常规电子能级的光谱命名方法，铒离子的电子能级如图1-1所示，描述铒离子Er3+的能级，用量子数S（电子轨道角动量的矢量加和）、L（电子自旋运动的矢量加和）、J(和再耦合，可得到总角动量)来表示。通常用大写的英文字母S、P、D、F、G、H、I、……分别表示L＝0，1，2，3，4，5，6，……的状态。将数值2s＋1写在L的左上角，这样的符号2s＋1L称为光谱项。用J表示光谱项中能级的进一步分裂。符号2s＋1LJ称为光谱支项。对铒离子Er3+，量子数分别为：3156,,22LSJ，则其光谱支项2s＋1LJ为4I15/2。。由下能级向上能级的跃迁则对应于光的吸收过程，而由上能级向下能级的跃迁则对应于光的发射过程。Er3+的吸收过程主要发生在以下能级之间:从基态4I15/2到4I9/2，对应800nm波长，从4I15/2到4I11/2，对应980nm波长，从4I15/2到4I13/2，，对应1480nm波长。Er3+的发射过程主要发生在从4I13/2到4I15/2能级，对应1530nm波长。图2-1铒离子的电子能级由图2-1可以看出，一些具有重要意义的跃迁过程主要是，铒离子的（光子）3吸收和（荧光）发射过程分别发生在下列能级之间：吸收过程：从基态4I15/2)1480.0(I)0.980(I)0.800(I13/2411/249/24波长对应波长对应波长对应nmnmnm荧光发射：从激发态4I13/24I15/2（对应1530nm波长）Er3+有许多不同的能级，而且容易受光纤基质的影响产生Stark分裂，形成准能带。参与光放大的主要有三个能级。其中4I15/2是基态能级(E1)；4I13/2为受激发射上能级，这个能级是一个亚稳能级(E2)，粒子具有较长的寿命（～10ms）；4I11/2是泵浦能级(E3)，其上的粒子可以以无辐射跃迁的形式极快地转移到4I13/2能级上。铒离子的三能级模型如图2-2所示：图2-2铒离子的三级能级图4I11/2-4I15/2能级之间的跃迁对应980nm的泵浦带，4I13/2－4I15/2之间的能级跃迁对应1520nm-1570nm的信号能带以及1460nm-1500nm的泵浦带。当采用1480nm泵浦时，掺铒光纤(EDF)相当于一个二能级系统，吸收和辐射跃迁只涉及基态能级4I15/2和激发态能级4I13/2。由于4I13/2处在亚稳态，因此很容易实现粒子数反转分布。采用1480nm泵浦的一个不利因素是存在泵浦波长上的受激辐射过程，这种过程将消耗处于激发态的粒子数，从而引起放大器增益、泵浦效率和噪声4特性的劣化。当采用980nm泵浦时，掺铒光纤是一个三能级系统:Er3+先从基态激发到泵浦能级上，然后很快衰变到上能级上。由于上能级处于亚稳态，粒子在该能级上的寿命很长，容易聚集很多粒子形成粒子数反转分布。在外部光激励下，Er3+就会以受激发射的方式从上能级衰变到下能级(基态)，并发射光子实现对入射光的放大，放大的光波长取决于上下能级的能级差。由于不存在泵浦波长上的受激辐射过程，因此与1480nm相比，采用980nm泵浦的EDFA将具有更好的泵浦效率和噪声特性。掺铒光纤之所以能放大光信号的基本原理在于Er3+吸收泵浦光的能量，由基态4I15/2跃迁至处于高能级的泵浦态，对于不同的泵浦波长电子跃迁至不同的能级，当用980nm波长的光泵浦时，Er3+从基态跃迁至泵浦态4I11/2。由于泵浦态上载流子的寿命时间只有1μs，电子迅速以非辐射方式又泵浦态衰变到亚稳态，在亚稳态上载流子有较长的寿命，在源源不断的泵浦下，亚稳态上的粒子数积累，从而实现了粒子数反转分布,如图2-3所示。图2-4所示的是掺铒光纤的放大器。图2-3在泵浦光激发下实现粒子数反转分布5图2-4掺铒光纤的放大器当有1.55μm信号光通过已被激活的掺铒光纤时，在信号光的感应下，亚稳态上的粒子以受激辐射的方式跃迁到基态。对应于每一次跃迁，都将产生一个与感应光子完全一样的光子，从而实现了信号光在掺铒光纤的传播过程中不断放大，如图2-5所示。图2-6所示的是掺铒光纤的放大器。图2-5在信号光的激励下实现光的放大6图2-6掺铒光纤的放大器7第3章掺铒光纤放大器的结构和特点3.1掺铒光纤放大器的结构掺铒光纤放大器是由一段掺铒光纤(几十米左右长的掺铒石英光纤，芯径3-5μm,掺杂浓度25～1000x10-6)、泵浦光源(800nmLD阵列、980nm和1480nmLD)、光耦合器以及光隔离器等组成。信号光与泵浦光在掺铒光纤内可以在同一方向（同向泵浦）、相反方向（反向泵浦）或两个方向（双向泵浦）传播，当信号光与泵浦光同时注入到掺铒光纤中时，铒离子在泵浦光的作用下激发到高能级上，并很快衰变到亚稳态能级上，形成粒子数反转，在入射信号光作用下回到基态时发射对应于信号光的光子，使信号得到放大，单向泵浦如下图所示：图3-1掺铒光纤放大器单向泵浦方式结构图输入端的光隔离器用于阻止反向的放大的自发辐射(ASE)沿光纤返回，输出端的隔离器用于防止可能的反馈以避免放大器发生自激。泵浦源一般为具有高可靠性和高输出功率的半导体激光二极管，它可以提供数十至数百mw的输出功率。光耦合器用于将不同波长的泵浦光与1550nm波段的信号光一起耦合至8铒光纤内为前向（同向）泵浦掺铒光纤放大器，表示信号光和泵浦光同向进入掺铒光纤。光隔离器用于隔离反馈光信号，提高稳定性。这种结构噪声特性较好；后向（反向）泵浦掺铒光纤放大器，表示信号光和泵浦光从两个不同方向进入掺铒光纤。这种结构具有较高的输出信号功率，但噪声特性较差；双向泵浦掺铒光纤放大器，表示两个泵浦光从两个相反方向进入掺铒光纤。这种结构具有的输出信号功率最高，噪声特性也不差。EDFA噪声低、增益特性好、带宽大，泵浦效率高，工作性能稳定，技术成熟，在现代长途高速光通信系统中备受青睐。目前，“掺铒光纤放大器(EDFA)+密集波分复用(DWDM－DenseWavelengthDivisionMultiplexing)+非零色散光纤(NZDF－ZeroDispersionFiber)+光子集成(PIC－PhotonicIntegratedCircuit)正成为国际上长途高速光纤通信线路的主要技术方向。注：DWDM-激光的波长按照比特位并行传输或者字符串行传输方式在光纤内传送数据。首先把引入的光信号分配给特定频带内的指定频率（波长，lambda），然后把信号复用到一根光纤中去，采用这种方式就可以大大增加已铺设光缆的带宽。3.2掺铒光纤放大器的特点(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(1300-1600nm):(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