掺饵光纤放大器的原理及其应用本科毕业设计论文.doc

摘 要IAbstractII1引言12受激辐射光放大理论23掺饵光纤放大器系统组成34掺饵光纤放大器原理44.1掺饵光纤44.2泵浦光源44.3光隔离器44.4光耦合器54.5光滤波器55掺饵光纤放大器应用65.1掺饵光纤放大器在密集波分复用中的应用65.2固定增益光放大器与自动增益调整光放大器性能比较65.3掺铒光纤放大器与喇曼光纤放大器的联合使用76总结8致 谢9参考文献10摘 要本文从理论上研究了掺饵光纤放大器的原理，通过对泵浦放大理论的分析、光耦合理论的分析、光滤波理论的分析以及光隔离器的分析，深入研究了光放大器系统的构建理论基础，并从应用的角度，剖析了掺饵光纤放大器的优点以及应用前景，提出改进型的掺饵光纤放大器系统。 关键词：掺饵光纤放大器；泵浦；光耦合；光滤波；光隔离AbstractThe paper theoretically study of the effects of the fiber amplifier bait the principle of pump the analysis of the theory, light amplification coupling theory analysis, light filtering the analysis of the theory and the isolation of the light analysis, a deep research on the construction of the light amplifier system theory basis, from the point of view of the application, and analyzes the advantages of optical fiber amplifier mixed the bait and application prospect of the bait, and puts forward the improved with fiber amplifier system.Keywords: mixed bait fiber amplifiers; Pump; Optical coupling; Light filtering; Light isolation1引言光纤通信网络中由于光在传输过程中的损耗和色散，使长距离光纤通信受到限制。目前光纤损耗的典型值在1.3um波段为0.35dB,在1.55um波段为0. 25dB。光纤损耗限制了光纤无中继传输距离(50- 100km )。延长通信距离的方法是采用中继站。以前大量应用光-电-光中继,即首先将光信号转换为电信号,在电信号上进行放大、再生、重定时等信息处理后,再将电信号转换为光信号,经光纤传送出去。这样,光-电-光中继需要光接收机和光发射机来进行光-电和电-光转换,设备复杂,成本昂贵,维护运转不便。近几年发展起来的光放大器,尤其是掺铒光纤放大器(EDFA),可使光信号直接在光域进行放大,无须转换成电信号进行信息处理,即用全光中继来代替光-电-光中继,使成本降低,设备简化,维护运转方便。光放大器有半导体光放大器（SOA）、非线性光纤放大器(受激拉曼散射光纤放大器和受激布里渊散射光纤放大器)、掺杂光纤放大器。掺杂光纤放大器是利用稀土金属离子作为激光工作物质的放大器,有铒(Er)、钕(Nd)、镨(Pr)、铥(Tm )等。容纳杂质的光纤叫做基质光纤,可以是石英光纤,也可以是氟化物光纤,这类光纤放大器统称为掺稀土离子光纤放大器(REDFA )。其中,掺铒光纤放大器的工作波段在1.5um,与光纤的最低损耗窗口一致。现在光通信的发展趋势逐渐由单独使用固定增益的EDFA到使用增益自动的EDFA，再到EDFA与喇曼光纤放大器的联合使用。12受激辐射光放大理论在石英光纤的纤芯中掺入三价稀土金属铒元素，这种光纤在泵浦光的激励下形成粒子数反转分布，然后在信号光的作用下产生受激辐射，放出与信号光完全相同的光子形成光的放大。图1受激辐射光放大原理受激辐射光放大原理如图1所示：其中能级E1代表基态，能量最低；能级E2代表亚稳态；能级E3代表激发态，能量最高。若泵浦光的光子能量等于能级E3与E1之差，掺杂离子吸收泵浦光后，从基态E1升至激发态E3。但是铒离子在激发态是不稳定的，激发到E3的铒离子很快就通过自发辐射跃迁到亚稳态E2。若信号光的光子能量等于能级E2与能级E1的能量之差，这时处于亚稳态的铒离子通过受激辐射返回到基态E1，并把释放的能量加到信号光的光子上，从而实现信号光的放大。2在光纤通信系统中,随着传输速率的增加,传统的0/E/0中继方式的成本迅速增加,用光放大的方法来替代传统的中继方式,光放大器直接放大光信号,使得整个系统更加简单和灵活,EDFA是目前及未来一段时间的主要选择.EDFA以掺铒光纤作为增益介质,利用980nm和1480nm泵浦作为泵浦光源,使铒离子Er3+粒子数反转,信号光入射使亚稳态Er3+粒子受激辐射,产生信号放大.EDFA主要优点是增益高、噪声低、输出功率大、连接损耗低、高泵浦光子效率,且工作波长在1.531.56Lm范围(C波段),与光纤最小损耗窗口一致.EDFA主要由掺铒光纤、泵浦光源、光耦合器、光隔离器以及光滤波器等组成,它的放大能力的好坏主要取决于其增益特性.随着传输距离的延长,在传输光纤上需要增加更多级的EDFA,这时,增益值的控制显得更加重要.另外,EDFA的带宽还不够大,只利用了光纤低损耗窗口的一部分,而WDM长距离传输系统要求放大器能对S+C+L三波段同时放大且增益平坦.目前,对于宽带宽的DWDM,光放大方式已由单一的放大模式向混合放大模式发展,如把拉曼放大器和EDFA结合可组成混合放大器4.3掺饵光纤放大器系统组成掺饵光纤放大器根据泵浦光源的特点可分为：同相泵浦、反相泵浦、双相泵浦方式。系统组成如图2所示。其中，其中双向泵浦方式的放大效率最好，同向泵浦方式的噪声最低。如图2所示，掺饵光纤放大器主要由光隔离器、光耦合器、光滤波器和掺饵光纤组成。输入小信号的光信号通过隔离器进入系统，经过掺饵光纤的放大，以及相应的耦合滤波，得到放大了的光信号输出。现代技术中通常将此设计为集成放大器。3图2掺饵光纤放大器系统组成4掺饵光纤放大器原理4.1掺饵光纤掺铒光纤是一种向常规光纤的石英玻璃基质中掺入微量铒元素的特种光纤，它是一种主动光纤。掺入铒元素是为促成被动的传输光纤变为有放大能力的主动光纤。这种光纤的新特性-激光特性、光放大特性等与铒离子的性质密切相关。44.2泵浦光源当泵浦光射入，铒原子中电子吸收泵浦光的能量，向高能级跃迁。处于高能级的粒子是不稳定的，它会通过非发光跃迁迅速跳到寿命较长的亚稳态能级上。而515, 532, 650, 807, 980, 以及1480nm的光都可以作为泵浦光。由于980nm和1480nm的泵浦没有激发态吸收，因此通常其作为EDFA 的泵浦。54.3光隔离器光隔离器是一种只允许单向光通过的无源光器件，其工作基于法拉第旋转的非互易性6。图4为光隔离器的结构与工作原理图。对于正向入射的信号光，通过起偏器后成为线偏光，法拉第旋磁介质与外磁场一起使信号光的偏转方向右转，并恰好低损耗通过与起偏器成放置的检偏器。对于方向光，出检偏器的线偏振光经过旋转介质时，偏转方向也有旋转，从而使反向光的偏振方向与起偏器方向正交，完全阻断了反向光的传输。图4光隔离器4.4光耦合器单根理想波导，所有的传播模式之间、传播模式与辐射模之间满足正交关系，模式之间没有能量耦合。但是，任何实际光波导都不是理想波导，在非理想情形下，例如波导的损耗、几何形状的微笑形变、波导周围有其他导波结构或障碍物存在，都会导致光波导模式之间的相互耦合。7光耦合器是对光信号实现分路、合路、插入和分配的无源器件。光信号能量耦合的机理是随耦合器的种类而异的。4.5光滤波器光滤波器是用来进行波长选择的仪器，它可以从众多的波长中挑选出所需的波长，而除此波长以外的光将会被拒绝通过。它可以用于波长选择、光放大器的噪声滤除、增益均衡、光复用解复用。8常用的光滤波方式有：光栅分光滤波、棱镜分光滤波、干涉膜滤波和耦合模滤波。例如马赫一曾德（Mach-Zahnder，M-Z）干涉结构就可作光滤波器，如附图5所示。输入信号光功率经第一个3dB耦合器后，等分为和两部分。由于路程差不同，当到达第二个3dB耦合器时，相位差将决定合成后输出光的强度。同相加强，反相相消。因此，只要调整光波导的长度，便可选出所需要的波长。图5马赫-曾德尔干涉结构图5掺饵光纤放大器应用5.1掺饵光纤放大器在密集波分复用中的应用随着人们通信量要求的增大，密集波分复用（DWDM）应运而生。所谓密集波分复用是指在一根光纤中利用不同光波长相互独立互不干扰的原理，来传输多路不同光源的光信号，以达到扩展传输容量的目的。在DWDM中应该约束各信道信号的光波长，使其足够稳定，避免造成相邻信道干扰。另外在发端利用合波技术将来自不同光源不同波长的信号整合到一根光纤中进行传输，在收端利用分波技术将一根光纤中传输的光信号分解开来，送到各自相应的接收单元。由于光信号传送过程中存在衰减，故在很多场合下要用到掺铒光纤放大器对光信号进行放大。掺铒光纤放大器在DWDM的应用主要有几个地方：一是在光发射机后做功率放大器，增加需要传送的光信号功率；二是用于中继站，做光线路放大器，放大传送过程中衰减的光信号；三是用在光接收机前做前置放大器，可以提高光接收机接收灵敏度。95.2固定增益光放大器与自动增益调整光放大器性能比较在通常的DWDM设备中所用到的EDFA，都是增益固定的。在进行系统调试时往往要在EDFA前加一个光衰减器，来调整输入到EDFA中的光功率值，得到最佳的输出功率与最佳的工作状态。 在系统设备工作过程中由于不可避免的原因造成某一路或几路光信号的增减，进入EDFA放大的光信号将发生变化，从而经放大后输出的光功率也发生改变，这将会影响整个传输系统工作的稳定度。在DWDM设备中，光信号每经过一次放大其噪声也随着增加，还有EDFA的增益平坦度也是衡量的重要标准，以及接受端的误码率检测等等。如果整个系统工作不稳定，将影响各种指标的测试，也将影响到光信号传输的质。如果使用增益可以自动调整的EDFA设备，将会及时调整EDFA的输入光功率，使整个系统保持稳定。通常的自动增益调整的方法是，使用一个可变光衰减器检测输入光功率的变化情况，通过预先设置的调整参数相应的改变输入到EDFA的光功率大小，同时EDFA保持输出光功率的恒定，从而达到EDFA增益发生改变的目的，减少接收端的光信噪比由于光信道数的增减所造成的影响。5.3掺铒光纤放大器与喇曼光纤放大器的联合使用EDFA产品主要集中在C波段(15291564nm)和L波段(15691605nm)上，目前C波段的EDFA仍主宰着市场，但新的产品则已聚焦到L波段上。未来的发展对光纤放大器要求有更宽的传输带宽(12501650nm)。而此带宽范围内的喇曼光纤放大器正受到市场越来越大的注意，通常有分布式喇曼光纤放大器和分立式喇曼光纤放大器两类。与EDFA利用掺铒光纤作为它的增益介质不同，分布式喇曼放大器利用系统中的传输光纤作为它的增益介质。光纤喇曼放大器(FRA)是利用强泵浦光束通过光纤传输产生的受激喇曼散射。如果一个弱信号光与个强泵浦光同时在一根光纤中传输,并且弱信号光的波长在泵浦光的喇曼增益带宽内，则强泵浦光的能量通过受激喇曼散射转移到弱信号光中,使弱信号光得到放大,获得10dB左右喇曼增益。分立式喇曼光纤放大器接近EDFA，使用纤芯较小的特殊光纤在放大器内部放大信号，分立式喇曼光纤放大器有着30dB左右的增益。 随着现代通信业的迅速发展，需要交换的信息量成指数增长，这就要求通信系统具备更高的传输容量，即通信线路要具备更大的带宽。实现宽带放大有两种思路：一种是完全由喇曼光纤放大器(FRA)实现，通过多泵浦的复用达到宽带放大的目的，泵浦越多则带宽越大，但泵浦数目的增多又给其实际应用带了困难，它不仅提高了系统的成本，同时使泵浦复用变得更加复杂，而且使得增益均衡的难度加大；另一种思路是利用业已成熟的掺铒光纤放大器(EDFA)技术，将FRA 和EDFA相结合构造宽带放大器，这样可大大减少所需泵浦数却能实现较大(80100nm)的带宽，且增益均衡也比较容易。现在已经不局限在将FRA和 EDFA简单的联合起来使用，而是利用分布式喇曼放大使用传输光纤的特性，将FRA和EDFA组合在一个模块中构成混合喇曼EDFA宽带光纤放大器。利用喇曼光纤放大器噪声系数很低甚至为复值的特性，不但改善了系统的光信噪比，增加DWDM系统传输的距离，也可以降低输入端的发送功率。106总结综上所述，通信技术变化日新月异，人们对信息交换速度也越来越高，这就需要超高速，大容量的通信设备满足人们日益增长的。EDFA 的诞生和发展在一定程度上满足了人们的上述需求，但是随着通信传输速率上升到40Gbit/s，甚至以后的Tbit/s 级别，DWDM从目前32波，40波的大规模商用到160波等等，这都要求更好性能的光放大器设备的。增益可以自动调整的EDFA和 FRA+EDFA 的组合的发展，必将推动全光通信网的开发和商用。另外，在此次掺饵光纤放大器的设计中，我通过查阅很多相关的中英文资料，上网搜索有关信息，学习未知领域的光学理论知识，掌握了设计光学系统的方法，增强了理论完整性和连贯性，对已学理论知识掌握得更加透彻。致 谢在这次的能力拓展训练中，我得到了来自本班多位同学的热情帮助，在这里感谢这些同学的辛勤付出，通过他们的帮助，更加透彻理解未知的理论知识，懂得处理论文格式以及要求，完成论文写作；另外也感谢学校给了我们这次实践所学知识的机会，通过此次的设计，增强了理论的完善性以及理解的深层性，同时通过查阅资料，熟悉了知识查阅的渠道；最重要的是感谢谢涛老师上课期间对我们专业知识的辛勤指导，以及写作论文之前给我们的讲解，带领我们入门解决光学问题。参考文献1 梁铨延物理光学（第3版）北京：电子工业出版社，2008.42 范志刚光电子测试技术（第2版）北京：电子工业出版社，2008.83 李玉权光波导理论与技术北京：人民邮电出版社，2002.12 4 安毓英光电子技术北京：电子工业出版社，2008.75 李承祖量子通信和量子计算长沙：国防科技大学出版社，2000.76 （美）Gerd Keiser光纤通信（第三版）李玉权，崔敏，蒲涛译北京：电子工业出版社，2002.57 范崇澄，彭吉虎导波光学北京：北京理工大学出版社，1988.38 Govind P.AgrawalNonlinear Fiber OpticsAcademic Press，Inc.19959 Robert W.BoydNonlinear OpticsAcademic Press，Inc.199210 Jianxun Hong and Yasufumi EnamiNumerical Solution of the Dynamics of Microring Resonator Modulators JIEEE PHOTONICS TECHNOLOGY LETTERS，2010.7，22(13):969-971本科生能力拓展训练成绩评定表姓 名性 别 男专业、班级能力拓展训练题目： 掺饵光纤放大器的原理及其应用能力拓展训练答辩或质疑记录：成绩评定依据：最终评定成绩（以优、良、中、及格、不及格评定）指导教师签字： 年 月 日