掺铒光纤放大器在现代光纤通信系统中的应用

掺铒光纤放大器在现代光纤通信系统中的应用作者:厥类摘要光纤通信，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（OpticalFiberAmpler，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的相关理论。首先对掺铒光纤放大器的历史进行大致的简介，以及对光放大器的种类和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AbstractOpticalFiberCommunication,istheuseofopticalfibertotransmitlightwavescarryinformationinordertoachievethepurposeofcommunication.Largecapacityopticalfibercommunicationwiththecommunication,transmissionrate,longlifeandmanyotherfeatures.Andsoitgenerallyshouldbeshipped,inwhichopticalfiberamplifierisanimportantcomponentofthesystem.Fiberamplifierisusedinopticalfibercommunicationlines.Anewtypeofsignalamplificationtoachieveall-opticalamplifiers.Thispaperdescribestheerbium-dopedfiberamplifiertheories.First,erbium-dopedfiberamplifiergeneralintroductiontothehistoryandtypesofopticalamplifiersanderbium-dopedfiberamplifieroperatingprinciplewasintroduced.Focusontheerbium-dopedfiberamplifierinamodernopticalfibercommunicationsystemshouldbeshipped.Keywords:FiberOpticalFiberCommunicationErbium-dopedfiberamplifierShouldbeshipped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。第一章掺铒光放大器的发展史及其介绍1.1掺铒光放大器的发展史.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(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、1999年，分子光电公司和蒂姆光子学公司制成首件掺饵波导放大器产品。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。（1）1.2对掺铒光纤放大器的介绍词名：掺铒光纤放大器；英文名：ErbiumDopedFiberAmplifier；缩写：EDFA来历：Er-DopedFiberAmplifier相关术语：OpticalAmplifier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为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。（2）下图为掺铒光纤放大器实物图图1-1掺铒光纤放大器第二章掺铒光纤放大器的工作原理及性能参数2.1EDFA放大器的组成.图2-1为EDFA的结构图图2-1EDFA的结构2.1.1一个典型的掺铒光纤放大器主要由以下几部分组成:(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。2.2EDFA的放大原理2.2.1EDFA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。2.2.2图2-2为Er3+能级图1520-1570nm10ms1480nm980nm4I11/21520-1570nm4I13/24I15/2Er+3的能级图图2-2Er3+能级图2.3.EDFA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的噪声主要有4种：信号光的散粒噪声；被放大的自发辐射光ASEde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。2.4EDFA的优缺点优点：(1)工作波长与光纤最小损耗窗口一致，可(2)耦合效率高。因为是光纤型放大器，易于光纤耦合连接，也可用熔接技术与传输光纤熔接在一起，损耗可降至0.1dB，这样的熔接反射损耗也很小，不易自激。(3)能量转换效率高。激光工作物质集中在光纤芯子，且集中在光纤芯子中的近轴(4)增益高，噪声低。输出功率大，增益可达40dB，输出功率在单向泵浦时可达14dBm双向泵浦时可达17dBm，甚至可达20dBm，充分泵浦时，噪声系数可低至3~4dB，串话也很小。(5)增益特性不敏感。首先是EDFA增益对温度不敏感，在100°C内增益特性持(6)可实现信号的透明传输，即在波分复用系统中可同时传输模拟信号和数字号，高速率信号和低速率信号，系统扩容时，可只改动端机而不改动线路。EDFA(1)波长固定，只能放大1.55μm左右的光波，换用不同基质的光纤时，铒离子(2)增益带宽不平坦，在WDM系统中需要采用特殊的手段来进行增益谱补偿。（4）第三章掺铒光纤放大器在密集波分复用系统中的应用EDFA是目前光放大器市场的主流品种，在DWDM系统、接入网和有线电视领域得到广泛应用，在CATV系统中通常作为功率放大器以提高发射机的功率，使发射机覆盖的用户数大大增加，也可作为光纤线路的中继放大器，以补偿光分路器及线路损耗，使传输距离大大增加。光纤放大器与其他放大器比较，具有输出功率大、增益高、工作带宽宽、与偏振无关、噪声指数低、放大特性与系统比特率、数据格式无关等特点，它已成为新一代光通信系统的关键器件之一。掺铒光纤放大器用在系统发射机输出短，提高发送功率，延长传输距离；用在光纤传输链路中，补偿光能量的损失，可增加传输距离；用在光接收机前，对信号进行预防大，可提高光接收机灵敏度。应用范围包括干线高速光通信系统、海缆系统、本地网、用户接入网、掺铒光纤放大器作为功率放大器有许多特殊功能是电子线路放大器所不能比拟的，分述如下：2.1.1掺铒光纤放大器可用作数字、模拟以及相干光通信的功率放大器。即如果线路上已采用掺铒光纤放大器做功率放大器，那么，不管它需要传输数字信号还是传输模拟信号，不必改变掺铒光纤放大器线路设备。2.1.2掺铒光纤放大器可传输不同的码率。如果需要扩容，由低码率改变为高码率时，不必改变掺铒光纤放大器线路设备。2.1.3掺铒光纤放大器做功率放大器，可在不改变原有噪声特性和误码率的前提下，直接放大数字、模拟活二者混合的数据格式，特别适合光纤传输网络升级。实现语音、图像、数据同网传输，不必改变掺铒光纤放大器线路设备。2.1.4一个掺铒光纤放大器可同时传输若干波长的光信号，即用光波复用扩容时，不必改变掺铒光纤放大器线路设备。2.1.5掺铒光纤放大器做功率放大器，不必经过光电转换可以直接对光信号放大，结构简单，成本低，性能稳定可靠。实践证明，使用掺铒光纤放大器的光纤干线传输，经过近千公里的传输后的误码率人能达到。如果采用饱和功率为18dBm的放大器，可是实现160—200km无中继通信。如果有必要，还可将中继距离延长更远。2.2前置放大器把掺铒光纤放大器置于光接收机关监测器前面。来自光纤的光信号经掺铒光纤放大器放大后再由光检测器检测。由于掺铒光纤放大器的信噪比由于电子放大器，所以用掺铒光纤放大器作预放大器的光接收机具有较高的灵敏度，其灵敏度甚至不亚于相干光接收机的。光纤2.3线路放大器把掺铒光纤放大器至于光纤传输线路中，将已被衰减了的小信号进行放大，可以大大延长传输距离，也成为中继放大器。线路放大器的显著优点是增益高，通常大于30dB。由于可以级联使用，特别适合海底远程通信和陆地超长距离传输使用。使用线路放大器必须解决远程监控问题，国际标准化组织已制定出多种监控标准，可以按照标准进行远程监控。2.4用户接入网中的光纤放大器光纤放大器在用户接入网中也占有重要地位。在光纤用户网中，虽然用户系统的距离较短，但是用户网的分子太多，光线干线中的光信号功率要进行众多的分配，甚至是多级进行分配。这样一来被分配到每个分支获得光信号就相当的弱，不能保证用户的终端设备