上海交通大学
硕士学位论文
智能掺铒光纤放大器的关键技术研究
姓名：刘伟
申请学位级别：硕士
专业：信号与处理
指导教师：肖石林
20080101
智能掺铒光纤放大器的关键技术研究
摘要
掺铒光纤放大器（EDFA）作为光通信系统中的关键器件之一，其性能的优劣直接影响到网络通信的容量和质量。EDFA应用于网络中的不同位置，可起到线路放大、功率放大和前置放大的作用，相应的位置对EDFA的性能有不同的要求。智能EDFA 就是EDFA可以根据工作要求自动对内部参数做出调整，从而适用于各种应用场合，并具有良好的性能。EDFA智能化是放大器技术领域极具应用前景的发展方向，本文分析了智能EDFA的各项关键技术，提出了一种新的智能EDFA结构，进行了详细的仿真设计和性能研究。
本文的第一章对EDFA的发展背景作了概述。列举了与其类似的光纤放大器的特点；重点阐述了EDFA的发展过程以及使EDFA获得广泛应用的各项优点；分析了EDFA 当前的发展方向，并简要叙述了本文的研究内容。
本文的第二章介绍了智能掺铒光纤放大器的理论基础。网络应用对EDFA提出了各种不同的特性要求；为了更好的在设计中控制这些指标，选择符合实际应用的理论模型是很关键的，其中以Gile’s模型最为完善。通过数值求解，使用该模型可以得出不同结构以及结构参数下的EDFA工作性能。这些结构参数和性能指标的关系是本文所提的改进型智能EDFA的研究基础。
本文的第三章提出和研究了一种改进的智能EDFA。在智能EDFA光模块设计的过程中，EDFA的增益、噪声指数以及增益谱形是优化时的主要控制指标。仿真表明，对给定的输入，掺铒光纤存在一个最佳长度范围，输入不同长度则不同；对泵浦功率的仿真也有类似的结论。以此为依据，提出了一种新的智能EDFA结构，在判断好输入信号的类型后，通过可调光衰减器（VOA）控制进入放大器的输入信号功率，同时通过调整一、二级泵浦比例和用光开关选择不同长度的二级掺铒光纤，使EDFA始终拥有最优的性能和具有智能化的特点。使用该结构的EDFA具有很大的输入动态范围和稳定、平坦的输出特性，既可用于光前置放大，又可用于光功率放大和光线路
放大。
本文的第四章研究了智能EDFA的电路硬件以及软件控制技术。作为智能EDFA 的另一类关键技术，控制软件要完成对EDFA的工作状态的监测，根据输入光功率和工作要求调整泵浦功率、掺铒光纤长度和输入衰减量等参数；泵浦工作模式控制则有恒定电流、恒定功率、恒定增益、恒定输出等；泵浦温度和功率自动控制电路则是智能EDFA稳定工作的保障。
关键词：光纤放大器，智能EDFA，EDFA优化设计，增益，噪声指数，泵浦控制
STUDY ON KEY TECHNIQUES OF INTELLIGENT EDFA
ABSTRACT
Erbium doped fiber amplifier (EDFA) is one of key components used in fiber-optic communication systems, and its performance is closely related to the communication capacity and quality of fiber-optic networks. When utilized in different of situations, EDFA can serve as the line amplifier, power amplifier and pre-amplifier, and thereby the requirements of the performance are different. Intelligent EDFA is the EDFA that can adjust its internal parameters according to external work conditions to meet different performance requirements. In this thesis, several key techniques of intelligent EDFA are investigated, and a novel intelligent EDFA structure is proposed and numerically demonstrated.
In Chapter one, the background of EDFA is introduced. The characteristics of similar fiber-based amplifiers are enumerated. The development and the advantages of EDFA are summarized in detail. The current development directions are analyzed. Then the contents of this thesis are described.
In Chapter two, the theory of intelligent EDFA is discussed. Different requirements on performance of EDFA are broughtened by network applications. In order to control the parameters in EDFA design, it is important to choose the theory model that fits practical application, and Gile’s model is the perfect one. With this model, the performance of EDFA can be obtained for different structures with different parameters through numerical solution. The relations between structural parameters and performance states are the theoretical foundation of the novel intelligent EDFA proposed in this thesis.
In Chapter three, a novel intelligent EDFA is proposed and investigated. The gain, noise figure and gain spectrum are the main parameters in optimizing in the design of intelligent EDFA. Simulation shows that, for a given input, there is an optimal length for Erbium doped fiber. Similar results are made by the simulation of the power of pump. Based on these results, we proposed a novel intelligent EDFA structure. After judging the type of input signal, the intelligent EDFA’s optimal performance is achieved according to three methods, i.e. adjusting the variable optical attenuator to control input signal power, adjusting the ratio of pump power between the first and second stage, and choosing different length of second stage erbium doped fiber of EDFA. The simulation results show
that the intelligent EDFA with this structure has steady and smooth output character within large input dynamic range.
In Chapter four, the techniques of intelligent EDFA’s circuit and software are studied. The control of hardware and software is another key technique of intelligent EDFA. It is necessary for the control software to carry out the monitoring of work status of EDFA and the adjusting of pump power, length of Erbium doped fiber, and attenuation amount. The working modes include constant current, constant power, constant gain, and constant output. The circuits for automatic control of pump temperature and power are the guarantee of steady work of intelligent EDFA.
Keywords: Optical fiber amplifier, Intelligent EDFA, Optimization of EDFA, Gain, Noise Figure, Pump control
上海交通大学
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学位论文作者签名：刘伟
日期：2008年3月18日
上海交通大学
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学位论文作者签名：刘伟指导教师签名：
日期：2008年3月18日日期：2008年3月18日
第一章绪论
1.1 概述
近十年来，社会信息化进程正逐渐深入到生活的每个角落，整个社会受信息运行的影响越来越大。随着Internet在全球范围内的普及，使人们对诸如家庭办公、电子商务、远程教育、交互式视频业务、网络多媒体影像等新型信息服务的需求越来越迫切，同时传统的通信业务也从电话、数据向音频、多媒体等宽带业务发展。因此功能强大的通信网络是信息社会必需的基础设施。光纤通信作为一种理想的通信手段，具有其它手段无法比拟的优点：由于光纤极高的传输带宽使通信容量大大提高；而极低的损耗也使无中继通信距离更长；良好的保密性，和光纤本身具有的低成本、体积小、重量轻等特性，使得网络易于搭建和维护。无论是长距离还是短距离的大容量有线通信，光纤通信取代其它通信手段是一种必然的趋势。
光纤通信发展到今天，经历了几个大的阶段[1~5]，传输光纤从多模到单模，通信窗口从早期的850nm、1300nm到1550nm波段，损耗和色散一直是限制光通信系统进行无中继长距离传输的限制因素。传统上，克服光纤损耗、增加传输距离的方法主要是在通信线路中建设大量的中继站，在中继站中需要对信号进行光电转换、电放大、再定时、脉冲整形以及电光转换等一系列处理。由于其对数据不透明、处理速度存在电子瓶颈等缺陷，使得这种方式不适于日益增长的通信需求。
补偿光纤损耗的最有效方法是用光放大器直接对光信号进行放大，人们加大了对各种光放大器的研究，终于在80年代末研制出了用于通信波段直接光放大的掺铒光纤放大器（EDFA），随之而来的是光纤通信技术的一场革命。EDFA具有高增益、宽频带、低噪声、结构简单、插入损耗低、增益特性于偏振无关等许多优良特性，它以直接光放大代替了传统的光电再生中继，克服了“电子瓶颈”效应，同时具有对光信号的传输速率和数据调制格式透明的特点。正因如此，EDFA一经出现就引起了高度的关注和研究，并在随后获得了广泛的应用，成为波分复用（WDM）系统中理想的中继放大设备。而随着光纤通信向速度更快、带宽更大方向发展，对光纤放大器的性能提出了许多新的要求，这就给光信研究人员带来了新的机遇和挑战。
1.2 光纤放大器
自从激光器在1960年被发明以来，为了获得更高的功率，人们对光放大器进行了大量的研究，发明了不同种类的放大器。根据作用机理和增益介质的不同有半导体激光放大器（SOA），光纤放大器等。其中半导体激光放大器由于采用波导结构，与光纤耦合匹配不好，耦合损耗大，对极化敏感，放大器增益线性度不佳，对于模拟信号会产生较大的失真，噪声系数大，使得SOA的应用受到了限制[6]。光纤放大器可分为非线性光纤放大器和掺稀土元素光纤放大器两种。
1.2.1 非线性光纤放大器
非线性光纤放大器根据放大机理不同有光纤拉曼放大器（FRA）、光纤布里渊放大器（FBA）和光纤参量放大器（FOPA）。
1）光纤拉曼放大器[7~10]
FRA是基于受激拉曼散射（SRS）机制的光放大器，此光放大技术是在近年来大功率半导体激光器研制成功后才真正走向实用的。SRS是非线性光学中一个很重要的非线性效应，利用这种效应在光纤中同时注入强泵浦光和弱的信号光，泵浦光能量的一部分转移到信号光束上，实现了光放大，在产生SRS效应时，泵浦光子一部分能量转化为分子振荡的形式被光纤吸收。
FRA可分为分立式FRA和分布式FRA，前者所用的光纤增益介质比较短，一般在10km以内，对泵浦功率要求很高，一般在几到十几瓦，可产生40dB以上的高增益，用来对信号光进行集中放大，主要用于EDFA无法放大的波段；后者所用的光纤比较长，一般为几十公里，泵源功率可降到几百毫瓦，主要辅助EDFA用于DWDM通信系统性能的提高，抑制非线性效应，降低信号的入射功率，提高信噪比，进行在线放大。由于FRA增益波长由泵浦光波长决定，不受其它因素限制，因此可为任何波长提供增益，这使得FRA可以在EDFA所不能放大的波段实现放大，并可在1292～1660nm 光谱范围内进行光放大，使用多个泵源还可得到比EDFA宽得多的增益带宽（后者由于能级跃迁机制所限，增益带宽只有80nm），这对于开发光纤的整个低损耗区1270～1670nm具有无可替代的作用。目前FRA通过与其它放大器的混合，已经在工作于1300nm附近的CATV网络和1550nm波段的WDM网络中获得了应用。
FRA具有带宽宽、增益高、噪声低、串扰小、温度稳定性好等特点；FRA的增益介质为光纤，因此与光纤系统有良好的兼容性。分布式FRA具有在线放大、延长传输距离、实现长距离无中继传输和远程泵浦的功能，尤其是适用于海底光缆通信等不方便设立中继器的场合；由于放大是沿着光纤分布作用而不是集中作用，所以输入光纤的光功率大为减少，从而非线性效应，尤其是四波混频效应大大减少，因此适用于大容量DWDM系统。FRA不足之处在于泵浦效率低，且单波长泵浦的FRA增益带宽较窄，为获得足够增益和带宽需要多个特大功率的泵浦激光器。
2）光纤布里渊放大器[11]
FBA的放大利用的是受激布里渊散射（SBS）。SBS是与SRS类似的一个非线性效应，只不过SRS参与作用的是光学声子，SBS则是声学声子。在泵浦光与信号光同时传输于一根光纤时，SBS使部分泵浦光子转移为信号光子，发生转移时泵浦光子余下能量变为一个声学声子被光纤吸收。由于声学声子较光学光子能量低很多，造成SBS 的频移量远小于SRS，故FBA与FRA的工作特性有很大的不同：FBA要产生放大作用，信号光必须与泵浦光传输方向相反，即反向泵浦；FBA频移量远小于FRA，且与泵浦光频率有关，同时FBA的增益带宽非常窄（小于100MHz）；FRA的增益效率很高，低的泵浦功率可获得较高的增益。
正因为FBA的这些特点，使得其不适用于网络中的多信道放大；可以作为可调谐窄带光学滤波器，通过调谐泵浦激光的频率，对不同频率的信号光放大，用于WDM 系统中的信道选择。
3）光纤参量放大器[12]
光纤参量放大器是利用四波混频效应而实现光放大的。假设输入信号频率为ωs,输入泵浦频率为ωp，在累计相位匹配条件下，一个频率为ωp的光子消失变成频率为ωs和（2ωp-ωs）的两个光子，则信号光子数增加，强的泵浦光可以使弱的信号光得到放大。参量放大的效率取决于累计的相位匹配程度和泵浦强度；在相位匹配条件下，FOPA的带宽与泵浦波长、功率和光纤特性有关，泵浦越高、光纤非线性系数越大、零色散处色散斜率越小，得到的FOPA带宽越大。
FOPA具有如下特点：理论上不会产生ASE噪声，是理想的放大器；频移大，使泵浦波长的选择更灵活；相位匹配要求FOPA需采用高双折射的保偏光纤作为介质，
同时对偏振敏感；在较低功率的单波长泵浦下带宽很小，必须采用多波长大功率泵浦；多波长放大时，不易获得平坦的增益。由于研究起步较晚，FOPA目前还处于实验研究阶段，离实用还有较大距离，但其在低噪声放大和透明波长变换等领域有很好的应用前景。
1.2.2 掺稀土光纤放大器
在光纤制作过程中，通过特殊工艺，在光纤中掺入一定浓度的稀土元素，如镨、铒等离子，相应得到掺镨光纤、掺铒光纤等。这些光纤中的稀土元素离子在受到泵浦光激励后从低能级越迁到亚稳态，在有信号光输入时产生受激辐射，形成对信号光的相干放大，这种放大器实际上是一种没有谐振结构的激光器。
掺稀土元素放大器根据所掺的稀土元素的不同，有掺镨光纤放大器（PDFA）、掺铥光纤放大器（TDFA）和掺铒光纤放大器（EDFA）等，分别工作于不同的波段[13~18]。
1）掺镨光纤放大器
掺镨光纤放大器工作于普通光纤的零色散波长附近的1310nm波段窗口，对现代光通信系统的升级扩容具有重要意义，实验中得到的传输比特率可达10GB/s。由于受激发射发生在镨的两个激发态之间，PDFA泵浦效率很低，典型值小于0.2dB/mW。但由于使用的掺杂光纤与石英光纤熔接困难，插入损耗大；掺镨光纤本身强度差、制造困难，同时PDFA温度稳定性不好。这些特性限制了其实际应用。
2）掺铥光纤放大器
掺铥光纤放大器工作于1450nm附近波段，利用低粒子反转和使用较长的光纤产生增益位移，可以在整个S波段实现高增益的放大。有实验获得了大于25dB的小信号增益。为了提高放大效率，采用了在氟化物玻璃光纤中掺入铥元素的方法，实验证明可获得高于40％的转换效率。TDFA可以得到大的饱和输出功率，同时增益与偏振无关，噪声指数也较低，可小于7dB。但是TDFA也具有没有合适波长的泵浦源，与硅光纤熔接困难等缺点。随着研究的深入，TDFA一定可以在WDM通信扩容中获得应用。
3）掺铒光纤放大器
掺铒光纤放大器工作于1550nm窗口（C波段），通过增益位移的方法也可以工作于1600nm附近（L波段）。以掺铒石英光纤为增益介质，易于与普通石英光纤熔接。由于其处于通信中的低损耗窗口（0.2dB/km），与WDM系统兼容，使其成为掺稀土光纤放大器中应用最广泛的放大器。EDFA可与其他放大器组合，例如EDFA与FRA组合放大，有研究实现了32×40GB/S、250公里的无中继传输。
将上述各种工作于不同波段的光纤放大器进行组合，有可能使WDM系统能有近400nm的可用带宽。随着光放大器技术的不断发展，各种放大器的美好应用前景都将成为现实。
1.3 掺铒光纤放大器的发展、特点及应用
掺铒光纤放大器在光通信网络中获得了广泛的应用，是因为其具有其他类型的放大器所不具有的优点。
1.3.1 掺铒光纤放大器的发展
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用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，如何使EDFA 具有更好的实用性，如采用不同的结构、对EDFA进行自动增益控制等[19~22]。
在材料的研究方面[23,24]，先后出现了铒铝共掺光纤放大器，氟化物基掺铒光纤放大器，碲化物基掺铒光纤放大器。其中铒铝共掺可以降低荧光淬灭效应的影响，提高掺铒光纤中的铒离子浓度，同时对C波段的增益峰具有平坦作用，加大平坦增益带宽，这种光纤已经在实际中得到了大量应用。对氟化物基掺铒光纤放大器的研究发现，其具有更大的平坦增益带宽；然而由于噪声系数大、氟化物基光纤制造困难、与石英光纤熔接困难等特点，使其还需进一步的研究才能走向实用。碲化物基掺铒光纤放大器最初于OFC’97上被日本学者提出，由于增大了铒离子的受激发射截面，降低了噪声指数，使其在近70nm的带宽内具有不小于20dB的增益，通过增益平坦滤波后放大带宽内增益波动小于1.5dB，而且放大器中使用的光纤制作工艺相比于普通掺铒光纤简单；只是由于碲化物基质的非线性系数较高，不利于在WDM系统中的应用，同时与石英光纤熔接困难也是其缺点之一；故该种放大器也未达到商用化的标准。
在对系统的研究方面，对多级放大、双波段放大、双程放大等结构做了研究[25~32]，进一步提高EDFA的增益、降低噪声、增加带宽；同时为了EDFA更好的应用于DWDM 系统，在EDFA中加入了用于增益谱平坦和动态增益控制的器件。多级放大就是将多个单级放大器级联，具有了高的增益；有研究人员，在两级采用不同增益谱的EDFA，获得了较为平坦的增益特性；将C和L波段的EDFA级联，则获得了大带宽的EDFA。双波段放大是将工作于不同波段的放大器并联，获得大的增益带宽，而双程放大则是使信号光通过同一段掺铒光纤两次，能得到更高的增益。对于静态增益谱平坦，主要是采用加入滤波器的方法，用于平坦的滤波器有薄膜滤波器、光纤光栅滤波器、M-Z滤波器等。动态增益控制方面，则先后提出了电反馈增益控制和全光自动增益控制的结构。电反馈通过监视输入输出光功率，然后通过控制泵浦功率、调节控制信号光强度、改变信号衰减值等反馈机制来调节增益；这种结构具有实现简单、锁定范围宽等特点，但是响应速度有限。全光增益箝制技术的原理是通过光反馈使某个波长的ASE噪声光形成增益控制信号,并使掺铒光纤中的粒子数反转程度箝制在一个固定的水平,从而保持EDFA 的增益固定；这种方式响应速度快，但是动态范围小，通常会带来附加的噪声。
1.3.2 掺铒光纤放大器的特点和应用
EDFA 的研制成功，是光通信发展的一个“里程碑”。它的出现打破了光纤通信传输距离受光纤损耗的限制，使全光通信距离延长至上千公里，为光纤通信带来了革命性的变化。EDFA有着一些超越其它放大器的优点：
1）通常工作在1530～1565nm光纤损耗最低的窗口。被EDFA放大的光在光纤中的传输损耗小，提高了中继距离。
2）增益高，在较宽的波段内提供平坦的增益，是WDM理想的光纤放大器。
3）噪声系数低，接近量子极限，各个信道间的串扰极小，可级联多个放大器。
4）放大频带宽，能在同一根光纤中传输几十甚至上百个信道。
5）增益饱和的恢复时间长，各个信道间的串扰极小。
5）可同时传输模拟和数字信号，放大特性与系统比特率和数据格式无关。，
6）输出功率大，增益对偏振不敏感。
7）结构简单，与普通传输光纤易耦合。
由于具有以上多种优点，EDFA具有广泛的应用前景。其在网络系统中主要应用如下：
1）接收机前置放大。
EDFA在接收机的分波器前，线路放大器之后，用于信号放大；提高接收机的灵敏度，改善最小探测功率(在光信噪比满足要求情况下，较大的输入功率可以压制接收机本身的噪声，提高接收灵敏度)。要求噪声指数很小，对输出功率没有太大的要求。因为在通常的探测系统中，接收机灵敏度受到器件本身和其后电子线路所产生的热噪声的限制。而若使用EDFA作为前置放大器，不但可以抑止这种热噪声，而且提供了大的信号增益和宽的带宽。
2）功率放大器。
处于合波器之后，用于对合波以后的多个波长信号进行功率提升，然后再进行传输，由于合波后的信号功率一般都比较大，所以，对一功率放大器的噪声指数、增益要求并不是很高，但要求放大后，有比较大的输出功率，在用于有线电视传输时，则要求对SBS抑制好、非线性失真小。光功率放大器用来补偿光纤传输损耗和系统中各器件的插入损耗，或将大功率的EDFA作为光发送机的末级功率放大器，以增加光发送机的发送功率，延长无中继传输距离。
3）光中继放大。
用于周期性地补偿线路传输损耗，一般要求比较小的噪声指数，较大的输出光功率。传统的中继站采用的是复杂的转换，由于EDFA的频带宽，放大过程完全在光域内进行具有对调制格式、码率、码型全透明的特点，用EDFA作中继器可以避免做光—电—光转换，因而除具有成本和功耗都低的优点之外，还具有当系统的传输速率与调制方式需要改变时，仅需要改变光发射与接收端机，而线路可基本维持不变、易于升级的特点。
4）应用于光孤子通信。
EDFA因为它的宽带宽、高增益和高脉冲饱和能量成为目前首选的超短光脉冲放大器。光孤子通信能克服光纤色散对传输带宽的限制，实现超大容量的光纤通信，损耗会使光孤子的能量随着传输距离下降，而EDFA则是一种较为理想的能量补偿手段，适宜在光孤子通信系统中做孤子能量补偿放大器，实现超长距离孤子传输。
5）应用于各种分配网络。
除了在光通信线系统之中应用外，EDFA还能有效的用于有线电视广播网和局域用户环路网、光纤到户（FTTH）等光通信系统中，随着光纤CATV系统的规模不断扩大，链路的传输距离不断增加。1550nm系统因其在光纤中的衰耗较小而逐渐成为主流。EDFA在1550nm光纤CATV系统中的应用简化了其系统结构，降低了系统成本，加快了光纤CATV的发展。将EDFA用在CATV光发射机后及链路中可以提高光功率弥补传输线路衰耗，补偿光功率分配带来的功率损失。使用性能良好的EDFA可将模拟CATV系统的链路长度扩展到接近200km, EDFA级联数目达到4级，使众多用户共用一个前端和发射机，大大降低系统运营成本。
1.4 掺铒光纤放大器的发展方向和本文的研究内容
作为通信系统中的关键设备之一，网络容量的扩大和传输比特率的提高，各种网络的升级，对EDFA的研制提出了新的要求，目前EDFA主要研究方向有：
1.宽带化。
随着WDM系统的不断发展，需要对现有的通信系统扩容以满足通信业务量与日俱增的需要。给通信系统增容的直接方法就是扩展通信波段的带宽，而实现宽带EDFA 又是拓展通信带宽的一项重要技术。从早期具有30nm带宽的C一波段EDFA，到放大带宽达80nm的C+L超宽带EDFA，超宽带放大器将是未来EDFA研究领域的一个重要课题。
2.智能化。
随着EDFA研究的进一步深入和应用要求EDFA功能的不断完善，出现了能够自动对增益进行调整的所谓智能化EDFA。这类EDFA包括自动增益控制(AGC)，自动功率控制 (APC)，自动泵浦功率控制 (APPC)和自动泵浦电流控制(APCC)等功能放大器。智能化的EDFA可以根据系统中变化，使自身的功率状态作出相应的改变，因此可以为系统应用提供很大的方便。
3．采取措施补偿光纤色散和非线性效应对系统性能的影响。
由于EDFA能够提供足够的增益，使得信号的传输距离大大延长，但是随着信号功率的不断提高，光纤色散和非线性效应对系统性能的影响变得突出起来。已提出的补偿方案主要有:色散补偿光纤DCF、反色散光纤RDF、预碉啾、频谱反转、色散管理传输法等。
4．EDFA 增益的平坦。
在WDM-EDFA系统中，除了噪声积累外，其增益不平坦和随之而来的自滤波效应将导致信道间功率弥散，影响系统的性能。目前改善的方法主要有通过预均衡、改善掺杂、增加滤波器等方法。
5．消除光浪涌。
EDFA的动态增益变化较慢，在输入信号能量跳变的瞬间将产生光浪涌，即输出光功率出现尖峰，EDFA级连时现象更为明显，容易造成光连接器等器件的端面损坏。通常通过控制EDFA泵浦功率来消除光浪涌。
6．放大器的各部分尽可能的小型化、集成化。许多公司推出的EDFA越来越小，在OFC'2003会议上，巴掌大小的EDFA己经出现。EDFA集成化是新型EDFA实用化的一个关键步骤，现有的EDFA还会向便于使用的方向进一步地发展下去。
可见，智能化是EDFA发展的方向之一。本文对智能EDFA的各项关键技术作了研究，提出了一种新的智能EDFA结构并做了详细的仿真设计。
第二章介绍了设计EDFA所需的理论基础。包括其放大机理、放大的基本结构；以及EDFA设计时必须加以控制的各项重要指标；并对EDFA的理论模型作了介绍，以理论为基础对EDFA的性能作了定性分析。
第三章是智能EDFA光模块设计的过程。在仿真结果的基础上，对影响EDFA稳态特性的各个参数作了探讨，得出了设计EDFA参数选择的一些基本原则；再对单级结构的智能EDFA作了优化设计，优化后的智能EDFA具有了较为理想的工作性能；在此基础上提出了一种新的智能EDFA结构，并进行了优化设计，给出了设计过程。
第四章是EDFA的控制部分。控制流程分别是软件的控制流程和泵浦控制流程；对泵浦控制电路做了详细的分析。
本论文所阐述的智能EDFA设计的相关方面，以及提出的新智能EDFA结构，具有一定的参考和应用价值。
第二章 智能掺铒光纤放大器的理论基础
2.1 掺铒光纤放大器的工作原理
掺铒光纤放大器是利用受激辐射实现光放大的，实际应用中不同的放大器结构有不同的性能。
2.1.1 EDFA 的放大机理
EDFA 的放大过程，实际上类似于激光的产生过程，即铒离子在粒子数反转分布下受激辐射的过程，放大的三个关键过程示意图如图2.1。铒离子一般状态下是处于基态或低能态1E 的。当它吸收一个能量适当的光子νh 后，会上升到激发态或高能态2E 。1E 和2E 之间的能量差正好等于所吸收的光子的能量νh ，νh E E =?12其中h 为普朗克常数，为被吸收的光子或光波的频率。使原子从低能态上升到高能态的过程叫泵浦或抽运。这种通过吸收光子即用光来进行抽运的方法叫光泵浦。处于高能态的原子是不稳定的，它会跃迁返回低能态。返回的方式可能是无辐射跃迁，其多余的能量以热或声子的形式而不是以光的形式释放出来;也可能是辐射跃迁，其多余的能量是以光子或光波的形式向外释放的，也就是说，在跃迁返回时将向外发射一个光子νh ，其能量为两能态之间的能量差。
辐射跃迁有两种方式，一种是自发辐射，一种是受激辐射。所谓自发辐射，是指在没有任何外界因素影响的情况下，处于高能态的原子经过一段时间后会自然而
（c ）受激辐射 （b ）自发辐射
（a ）受激吸收图2.1放大的三个关键过程
Fig2.1 Three process of amplification E1 E2 E1 E2 E1 E2
然的掉下来回到低能态而发射一个光子νh 。而所谓受激辐射，是指处于高能态2E 的原子在受到能量正好为12E E h ?=ν，入射光子的影响或诱发时，从高能态2E 跃迁返回低能态1E ，同时发射一个光子νh 。该受激辐射的光和入射光同频率、同相位，而且方向相同。这种辐射又称为相干辐射，利用这种受激辐射，输入一个光子，可以得到两个光子输出，于是使入射光得到了放大。
在热平衡下，处于激发态的电子密度很小。大部分入射光子被吸收掉，以至于受激辐射实际上可以忽略不计。只有当处于激发态的电子数量大于基态电子数量时，受激辐射才能超过光的吸收。这种情况称为粒子数反转。由于这是一种非平衡状态，因此必须通过各种“泵浦”技术来实现粒子数反转。
选用何种波长的泵浦、以及可以产生放大的波段都取决于增益介质的能级结构。对于掺铒光纤放大器而言，增益介质为纤芯中掺稀土元素铒离子（Er 3+）的单模石英光纤。铒离子有许多吸收带，在这些吸收带上能吸收不同波长的光子，高能级与基态之间跃迁对应的吸收波长示意图如图2.2所示[33]。
由于每个能级的精细结构和均匀加宽的影响，实际产生受激发射或吸收时是以这些波长为峰值的吸收和发射光谱带。其中有一个自发辐射波长在1530nm 附近的能级具有较高的寿命（约10ms ），其它能级的寿命很短(微秒量级)，故其它高能带都用作泵浦带，而1530附近能级充当用于放大的亚稳态。而对应于807nm 、665nm 等附近的能带用于泵浦时，具有很强的激发态吸收（ESA ），造成了泵浦能量的浪费，而1480nm 和980nm 不存在ESA ，泵浦效率高，故目前仅使用1480nm 和980nm 波长激光器作为泵浦源。铒离子的简化能级图如图2.3所示。
图2.2 铒离子不同能级间受激吸收的波长
Fig2.2 Wavelenth of stimulated absorption in erbium levels 665nm
使用发射980nm 光子的泵浦激光器去激励铒离子时，铒离子中的电子从基态跃迁到泵浦能级，如图2.3中的跃迁过程①所示。这些受激离子从泵浦带到亚稳带衰变（弛豫）得非常快（大约在1s μ内），如图中跃迁过程②所示。在衰变过程中，多余的能量以声子的形式释放，或者等价地认为在光纤内产生了机械振动。在亚稳态能带中，激发态离子的电子将移至能带的底端，在这里，人们使用荧光时间来表征这个过程，这个时间长达10ms 左右。
另一种可能的泵浦波长是1480nm ，这些泵浦光子的能量很接近信号光子能量，只是要稍高一些。吸收一个1480nm 的泵浦光子，会直接把一个电子从基态激发到很少被粒子占据的亚稳态能级的顶部，如图2.3中跃迁过程③所示，然后这些电子又将移向粒子数较多的亚稳态的较低端（跃迁过程④）。位于亚稳态的电子，在没有外部激励光子流时，一部分会衰变回到基态，如图中跃迁过程⑤所示。这种现象是所谓的自发辐射，自发辐射会导致放大器的噪声。
当其能量相当于从基态到亚稳态间带隙能量的信号光子流通过这种器件时，会产生两种类型的跃迁。第一，处在基态的离子将吸收一部分处部光子，因此这些离
413/
I 415/I 411/I 基态能带 图2.3 3Er +离子的简化能级图和各种跃迁过程 Fig2.3 Various transitions between simplified 3Er +energy levels
实验十二掺铒光纤放大器（EDFA）的性能测试 一、实验目的 1. 了解掺铒光纤放大器（EDFA）的工作原理、基本结构及相关特性； 2. 测试掺铒光纤放大器（EDFA）的各种参数，并根据测量的参数计算增益、输出饱和功率和噪声系数； 二、实验原理 在光纤放大器实用化以前，为了克服光纤传输中的损耗，每传输一段距离都要进行“再生”，即把传输后的弱光信号转换成电信号，经过放大、整形后，再去调制激光器，生成一定强度的光信号，即所谓的O—E—O光电混合中继。但随着传输码率的提高，“再生”的难度也随之提高，于是中继部分成了信号传输容量扩大的“瓶颈”。光纤放大器的出现解决了这一难题，其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；由于这项技术不仅解决了损耗对光网络传输速率与距离的限制，更重要的是它开创了C＋L波段的波分复用，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（Erbium-Doped Fiber Amplifier，EDFA）、半导体光放大器（SOA）和光纤喇曼放大器（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。在系统中EDFA有三种基本的应用方式：功率放大器（Power booster-Amplifier）、中继放大器（Line-Amplifier）和前置放大器（Pre-Amplifier）。它们对放大器性能有不同的要求，功放要求输出功率大，前放对噪声性能要求高，而中放两者兼顾。 1．掺铒光纤放大器的工作原理 Er3+能级图及放大过程：掺铒光纤放大器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到不同的能级，当用980nm波长的光泵浦时，如图15-1所示，Er＋3从基态跃迁至泵浦态4I11/2。由于泵浦态上的载流子的寿命只有1μs，电子迅速以非辐射方式由泵浦态豫驰至亚稳态，在亚稳态上载流子有较长的寿命，在源源不断的泵浦下，亚稳态上的粒子不断累积，从而实现粒子数反转分布。当有1550nm的信号光通过已被激活的铒光纤时，在信号光的感应下，亚稳态上的粒子以收集受激辐射的方式跃迁到基态，同时释放出一个与感应光子全同的光
东北石油大学课程设计 2014年3月7日
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苗培梓学号100901240106 主要内容、基本要求、主要参考资料等 1、主要内容： 的掺铒光纤放通过学习光纤放大器的原理，设计一个能够对波长为1.55m 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 年月日
第1章概述 掺铒光纤放大器，即在信号通过的纤芯中掺入了铒离子Er3 + 的光信号放大器，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用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
现代通信光电子学实验报告 实验名称：测量掺铒光纤放大器放大特性 学生姓名： 学号： 同组学生姓名：何子力 实验日期：2017.5.14 报告提交日期：2017.5.28
目录 一、实验目的和要求 (1) 二、实验内容和原理 (2) 2.1 掺铒光纤放大器的工作原理 (2) 2.2 增益特性分析 (5) 三、主要仪器设备 (6) 四、操作方法与实验步骤 (6) 五、实验结果记录 (9) 六、实验结果分析 (12) 七、结论与思考 (15) 八、参考资料 (16) 九、附件 (16)
一、实验目的和要求 1、了解掺铒光纤放大器的工作原理 2、理解惨耳光纤放大器（EDFA）的基本结构和功能； 3、测试掺铒光纤放大器（EDFA）的各种参数并通过测量的参数计算增益， 输出饱和功率，噪声系数 4、了解影响掺铒光纤放大器放大率的因素 5、了解怎样使用实验仪器 6、确定掺铒光纤放大器工作的临界状态，绘制放大特性曲线 二、实验内容和原理 在光纤放大器实用化以前，为了克服光纤传输中的损耗，每传输一段距离都要进行“再生”，即把传输后的弱光信号转换成电信号，经过放大、整形后，再去调制激光器，生成一定强度的光信号，即所谓的O—E—O光电混合中继。但随着传输码率的提高，“再生”的难度也随之提高，于是中继部分成了信号传输容量扩大的“瓶颈”。光纤放大器的出现解决了这一难题，其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；由于这项技术不仅解决了损耗对光网络传输速率与距离的限制，更重要的是它开创了C＋L波段的波分复用，从而将使超高速、超大容量、超长距离的波分复用、密集波分复用、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。
实验十二掺铒光纤放大器实验 实验目的： 1. 理解掺铒光纤放大的原理； 2. 学习Optisystem 软件的使用； 3. 加深对光放大技术的认识。 实验仪器： 1. Optisystem 软件 实验原理： 1. EDFA的概念 EDFA采用掺铒离子单模光纤为增益介质，在泵浦光作用下产生粒子数反转，在信号光诱导下实现受激辐射放大。 信号光与波长较其为短的光波(泵浦光)同沿光纤传输，泵浦光的能量被光纤中的稀土元素离子吸收而使其跃迁至更高能级，并可通过能级间的受激发射转移为信号光的能量。信号光沿光纤长度得到放大，泵浦光沿光纤长度不断衰减。 泵浦波长可以是520、650、800、980、1480nm,波长短于980nm的泵浦效率低，因而通常采用980和1480nm泵浦。
2. 掺铒光纤放大器的基本结构 掺铒光纤：当一定的泵浦光注入到掺铒光纤中时， Er3+从低能级被激发到高能级上，由于在高能级上的寿命很短，很快以非辐射跃迁形式到较低能级上，并在该能级和低能级间形成粒子数反转分布。 半导体泵浦二极管：为信号放大提供足够的能量，使物质达到粒子数反转。 波分复用耦合器：将信号光和泵浦光合路进入掺铒光纤中。 光隔离器：使光传输具有单向性，放大器不受发射光影响，保证稳定工作。 EDFA 的三种泵浦方式进行比较: 同向泵浦(前向泵浦)型：好的噪声性能 反向泵浦(后向泵浦)型：输出信号功率高 双向泵浦型：输出信号功率比单泵浦源高3dB ，且放大特性与信号传输方向无关 实验内容： 增益G 是描述光放大器对信号放大能力的参数。定义为： G 与光放大器的泵浦功率、掺杂光纤的参数和输入光信号有很复杂的关系。用Optisystem 软件完成如下测量。 1. 增益对输入光功率的依存关系 2. 增益G 与输入光波长的关系 3. 小信号增益随泵浦功率的关系 4. 小信号增益随EDF 长度的关系 实验报告要求： 根据实验内容，完成器件选择与数据测量，绘图并对实验现象进行分析。
光纤通信技术课程设计
掺铒光纤放大器(EDFA Erbium-Doped Fiber Amplifier)的设计 0概述 光线通信中采用光纤来传输光信号，一般它会受到两个方面的限制：损耗和色散。 就损耗而言，目前光纤的典型值在1.3um波段为0.35dB/km，在1.55um波段为0.20dB/km，由于光纤损耗的限制，所以在无中继传输距离一般为50—100km。20世纪80年代末期，波长为1.55um的摻铒光纤放大器（EDFA Erbium-Doped Fiber Amplifier）的研制成功并投入使用，打破了光纤通信传输距离受光纤色散和损耗的制约，使全光通信距离延长至几千公里，给光纤通信带来了革命性变化，把光纤通信技术推向一个新的高度，成为光纤通信发展史上一个重要的里程碑。 1 摻铒光纤放大器的工作原理 铒是一种稀土元素，原子序数三68，原子量为167.3。铒的自由离子具有不连续的能级，当Er3+被结合到硅光纤时，它们的每个能级被分裂为许多紧密相关的能级---能带。 而能带的作用是，第一：使EDFA对光信号的放大不只是单个波长而是一组波长的能力，即在一段波长范围内的光波长都可以得到放大；第二：避免了细调泵浦激光波长。 下图1是掺铒光纤放大器的工作原理，说明了光信号被放大的原因。EDFA采用掺铒离子单模光纤为增益介质，在泵浦光作用下产生粒子数反转，信号光诱导实现受激辐射放大。从图1可以看出，在掺铒光纤放大器中，铒离子有三个能级：能级1代表基态，能量是最低的；能级2是亚稳态，处在中间能级；能级3代表激发态，能量最高。 Er3+在未任何光激励的情况下，处于最低能级基态上。在泵浦光的作用下，当泵浦光的光子能量等于能级3和能级1的能量差时，电子不断从基态能级吸收泵浦光的能量跃迁到激发态，但是电子在激发态的生存期很短，而且激发态是很不稳定的，平均寿命为1us，电子迅速以“非辐射方式跃迁至亚稳态，在亚稳态上电子有较长的寿命，在源源不断的泵浦下，亚稳态上的粒子数积累，从而实现粒子数反转分布；铒离子被泵浦光不断地泵浦到亚稳态上，此时电子在亚稳态上生存期较长（~10ms），不断地积累实现粒子数反转分布。 图1
掺饵光纤放大器光纤通信课程设计
光纤通信课程设计题目：掺饵放大器 学院：物理与电子科学学院 年级专业： 08级电子<1>班 作者：侯进 学号： 200840620110 指导教师：刘广东
目录 概述 (3) 1. 铒离子的电子能级图 (3) 2. 掺铒光纤的光放大原理 (5) 3.掺饵光纤放大器的基本结构 (6) 4. 掺饵光纤放大器的特点 (7) 4.1 优点 (7) 4.2 缺点 (7) 5. 掺饵光纤放大器的应用 (8) 6. EDFA的增益特性 (8) 6.1 EDFA的放大特性 (8) 6.2 EDFA对增益的影响 (8) 7. 技术展望 (9) 参考文献 (9)
掺饵光纤放大器 概述 光纤通信中采用光纤来传输光信号，一般它受到两方面的限制:损耗和色散。就损耗而言，目前光纤损耗的典型值在1.3μm波段为0.35dB/km，在1.55μm波段为 0.20dB/km。由光纤损耗限制的光纤无中继传输距离为 50-100km. 90年代初期EDFA的研制成功，打破了光纤通信传输距离受光纤损耗的限制，使全光通信距离延长至几千公里，给光纤通信带来了深刻的变化。 一般，光放大器都由增益介质、泵源、输入输出耦合结构组成。根据增益介质的不同，目前主要有两类放大器，一类采用活性介质，如半导体材料和掺稀土元素的光纤。掺稀土光放大器，是在光纤芯层中掺入极小浓度的稀土元素，如饵、谱或铥等离子制作出相应的掺饵、掺镨或掺铥光纤。光纤中掺杂离子在受到泵浦光激励后跃迁到亚稳定的高激发态，在信号光诱导下，产生受激辐射，形成对信号光的相干放大。主要有: 掺铒光纤放大器（EDFA－Erbium Doped Fiber Amplifier）、掺镨光纤放大器(PDFA- Praseodymium Doped Fiber Amplifier) 和掺铥 光纤放大器 (TDFA- Thulium Doped Fiber Amplifier)
掺铒光纤放大器(EDFA)特性参数测量 一、实验目的 1.了解掺铒光纤放大器的工作原理及相关特性； 2.掌握掺铒光纤放大器性能参数的测量方法； 二、实验原理 掺铒光纤放大器(Er Droped Fiber Amplifier,EDFA)的出现是光纤通信发展史上一个重要里程碑。1986年英国南安普敦大学制作出了最初的掺铒光纤放大器。在此之前，由于不能直接放大光信号，所有的光纤通信系统都只能采用光-电-光中继方式。光纤放大器可直接放大光信号，这就可使光-电-光中继变为全光中继。这是一次极为重要的飞跃，把光通信推向了一个新的阶段，其意义可与当年用晶体管代替电子管相提并论。当作为掺铒光纤放大器泵浦源的0.98um和1.48um的大功率半导体激光器研制成功后，掺铒光纤放大器趋于成熟，进入了实用化阶段。掺铒光纤放大器的意义不仅在于可进行全光中继，它还在多方面推动了光纤通信的发展，引起了光纤通信的革命性变革。其中最突出的是在波分复用(WDM)光纤通信系统中的应用。波分复用是在一根光纤上传输多个光信道，从而充分利用光纤带宽，有效扩展通信容量的光纤通信方式。由于掺铒光纤放大器具有约40nm的极宽带宽，可覆盖整个波分复用信号的频带，因而用一只掺铒光纤放大器就可取代与信道数相应的光一电一光中继器，实现全光中继。这极大地降低了设备成本，提高了传输质量。这一优越性推动了波分复用技术的发展。现在EDFA+WDM已成为高速光纤通信网发展的主流，代表新一代的光纤通信技术。（1）EDFA的工作原理 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。EDFA利用了镧系元素的4f能级，图1是Er+3的能级图。在掺铒光纤中．由于石英基质的作用，4f的每一个能级分裂成一个能带。图中4I15/2能带称为基态；4I 能带称为亚稳态，在亚稳态上粒子的平均寿命时间达到10ms。4I11/2能带为13/2 泵浦态，粒子在泵浦态上的平均寿命为1us。除图中标出的吸收带外，Er+3还有800nm等其它吸收带。由于980 nm和1 480 nm大功率半导体激光器已完全商用化，并且泵浦效率高于其它波长，故得到了最广泛的应用。 掺铒光纤之所以能放大光信号的基本原理在于Er+3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
掺铒光纤放大器和拉曼光纤放大器分析和比较摘要：光放大器技术是新一代光纤通信系统中一项必不可少的关键技术，目前几种主要的光放大器技术在工程应用中各有所长。此文介绍了光放大器技术的基本原理，并对现有主要几种光放大器技术在性能、应用和发展方向上进行了比较。 关键词：掺铒光纤放大器；光纤拉曼放大器 0、综述 20世纪90年代以来，Internet的普及发展和各种信息(如语音、图像、数据等)业务的快速增长，人们对现代通信系统提出了更高的要求。在市场需求的大力推动下，通信技术取得了长足的进步，其中光纤通信技术脱颖而出，以其高速优质的特点，一跃成为当今长距离、大容量传输干线的主流技术。但由于光纤损耗和非线性的影响，无中继传输距离成为制约系统容量和速率的瓶颈，而中继放大技术成了光通信领域的关键技术之一。传输系统中的光纤损耗使信号随传输距离呈指数衰减，极大地限制了通信传输跨距和网络的可扩展性，因此必须在通信线路上设置中继器对信号进行再生放大。在光放大器没有出现之前，光纤传输系统普遍采用光－电－光(OEO)的混合中继器，但这种中继方式存在“电子瓶颈”现象，在很大程度上限制了传输速率的提高，而且价格昂贵、结构复杂。20世纪80年代出现的光放大器技术具有对光信号进行实时、在线、宽带、高增益、低噪声、低功耗以及波长、速率和调制方式透明的直接放大功能，是新一代光纤通信系统中不可缺少的关键技术。此技术既解决了衰减对光网络传输距离的限制，又开创了1550nm波段的波分复用，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（1）。又由于此技术与调制形式和比特率无关，因而在光纤通信系统中得到了广泛应用。 1、光放大器分类及原理 光放大器(OA)一般由增益介质、泵浦光和输入输出耦合结构组成，其作用就是对复用后的光信号进行光放大，以延长无中继系统或无再生系统的光缆传输距离。一个好的光放大器应具有输出功率高、放大带宽宽、噪声系数低、增益谱平坦等特性。光放大器主要分为光纤型放大器（FA）和半导体放大器（SOA）两大类，其中光纤型放大器（FA）还可再分为掺稀土光纤放大器和常规光纤放大器，具体分类详见图1（2）.本文中，仅对掺铒光纤放大器(EDFA)和光纤拉曼放大器(FRA)作以介绍和分析。
实验二十掺铒光纤放大器（EDFA）的性能测试 一、实验目的 1.测试掺铒光纤放大器（EDFA）的各种参数，并根据测量的参数计算增益、输出饱和功率和噪声系数； 2.了解掺铒光纤放大器（EDFA）的基本结构和功能。 二、实验原理 在光纤放大器实用化以前，为了克服光纤传输中的损耗，每传输一段距离都要进行“再生”，即把传输后的弱光信号转换成电信号，经过放大、整形后，再去调制激光器，生成一定强度的光信号，即所谓的O—E—O光电混合中继。但随着传输码率的提高，“再生”的难度也随之提高，于是中继部分成了信号传输容量扩大的“瓶颈”。光纤放大器的出现解决了这一难题，其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；由于这项技术不仅解决了损耗对光网络传输速率与距离的限制，更重要的是它开创了C＋L波段的波分复用，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（Erbium-Doped Fiber Amplifier，EDFA）、半导体光放大器（SOA）和光纤喇曼放大器（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。在系统中EDFA有三种基本的应用方式：功率放大器（Power booster-Amplifier）、中继放大器（Line-Amplifier）和前置放大器（Pre-Amplifier）。它们对放大器性能有不同的要求，功放要求输出功率大，前放对噪声性能要求高，而线放两者兼顾。 3．掺铒光纤放大器的工作原理
实验十二掺铒光纤放大器实验 实验目的： 1. 理解掺铒光纤放大的原理； 2. 学习Optisystem 软件的使用; 3. 加深对光放大技术的认识。 实验仪器： 1. Optisystem 软件 实验原理： 1. EDFA 的概念 EDFA 采用掺铒离子单模光纤为增益介质，在泵浦光作用下产生粒子数反转，在信号光 诱导下实现受激辐射 放大。 1530nm-i 570nm 980nm or 」 信号光与波长较其为短的光波 （泵浦光）同沿光纤传输，泵浦光的能量被光纤中的稀土元 素离子吸收而使其跃迁至更高能级， 并可通过能级间的受激发射转移为信号光的能量。 信 号 光沿光纤长度得到放大，泵浦光沿光纤长度不断衰减。 泵浦波长可以是 520、650、800、980、1480nm,波长短于980nm 的泵浦效率低，因而 通常采用980和 1480nm Amplified output signal Fiber containing
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2. 掺铒光纤放大器的基本结构 Er-DOPED FIBER AMPLIFIER 掺铒光纤：当一定的泵浦光注入到掺铒光纤中时， 从低能级被激发到高能级上， 由 于在高能级上的寿命很短，很快以非辐射跃迁形式到较低能级上， 并在该能级和低能级间形 成粒子数反转分布。 半导体泵浦二极管：为信号放大提供足够的能量，使物质达到粒子数反转。 波分复用耦合器：将信号光和泵浦光合路进入掺铒光纤中。 光隔离器：使光传输具有单向性，放大器不受发射光影响，保证稳定工作。 EDFA 勺三种泵浦方式进行比较 ： 同向泵浦（前向泵浦）型：好的噪声性能 反向泵浦（后向泵浦）型：输出信号功率高 双向泵浦型：输出信号功率比单泵浦源高 3dB,且放大特性与信号传输方向无关 实验内容： 增益G 是描述光放大器对信号放大能力的参数。定义为： p G （dB ） 1Olog 10 s,out Fs,in G 与光放大器的泵浦功率、掺杂光纤的参数和输入光信号有很复杂的关系。 用Optisystem 软 件完成如下测量。 1. 增益对输入光功率的依存关系 2. 增益G 与输入光波长的关系 3?小信号增益随泵浦功率的关系 4?小信号增益随EDF 长度的关系 实验报告要求: 根据实验内容，完成器件选择与数据测量，绘图并对实验现象进行分析。 Pump L*MF Inpul Signal I Er^Dopfid Fiber Ootlc.1 PumpSlQn*! 器鶯呎 PT AfflplWied Signal ■ Optical IsoLatof
实验七掺铒光纤放大器（EDFA）的性能测试 一、实验目的 1.测试掺铒光纤放大器（EDFA）的各种参数，并根据测量的参数计算增益、输出饱和功率和噪声系数； 2.了解掺铒光纤放大器（EDFA）的基本结构和功能。 二、实验原理 在光纤放大器实用化以前，为了克服光纤传输中的损耗，每传输一段距离都要进行“再生”，即把传输后的弱光信号转换成电信号，经过放大、整形后，再去调制激光器，生成一定强度的光信号，即所谓的O—E—O光电混合中继。但随着传输码率的提高，“再生”的难度也随之提高，于是中继部分成了信号传输容量扩大的“瓶颈”。光纤放大器的出现解决了这一难题，其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；由于这项技术不仅解决了损耗对光网络传输速率与距离的限制，更重要的是它开创了C＋L波段的波分复用，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（Erbium-Doped Fiber Amplifier，EDFA）、半导体光放大器（SOA）和光纤喇曼放大器（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。在系统中EDFA有三种基本的应用方式：功率放大器（Power booster-Amplifier）、中继放大器（Line-Amplifier）和前置放大器（Pre-Amplifier）。它们对放大器性能有不同的要求，功放要求输出功率大，前放对噪声性能要求高，而线放两者兼顾。 3．掺铒光纤放大器的工作原理
毕业设计（论文）报告 题目掺铒光纤放大器的原理与应用 系别尚德光伏学院 专业应用电子技术（光电子技术方向）班级0903 学生姓名刘钰华 学号090264 指导教师
2012年4 月
掺铒光纤放大器的原理与应用 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（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(简写EDFA)的相关理论。首先对光纤放大器的种类进行大致的简介，其次阐述了掺铒光纤放大器的历史和发展，以及对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
Principles and applications of the erbium-doped fiber amplifier Abstract：Optical Fiber Communication, is the use of optical fiber to transmit light waves carry information in order to achieve the purpose of communication. Large capacity optical fiber communication with the communication, transmission rate, long life and many other features. And so it generally should be shipped, in which optical fiber amplifier is an important component of the system. Fiber amplifier is used in optical fiber communication lines. A new type of signal amplification to achieve all-optical amplifiers.
朱军，曹志刚，阮于华，俞本立 (安徽大学 光电信息获取与控制教育部重点实验室，安徽 合肥 230039) E-mail: zhuj@https://www.doczj.com/doc/337719355.html, 摘 要： 给出了一种全保偏掺铒光纤放大器。通过对放大器结构和光纤参数的优化，提高了泵浦效率、输出信噪比和输出功率，使放大器的输出性能达到最佳。实验表明，该放大器的输出功率可达105mW，偏振消光比在15dB以上，输出信噪比达到40dB以上。 关键词：掺铒光纤放大器 保偏 高功率 中图分类号：TN253 1. 引 言 随着光纤通信技术以及光纤传感技术的发展，特别是在一些相干通信和相干型传感系统当中，需要具有单频线偏振而且高功率输出的光源。一般保偏光纤激光器虽然可以满足线偏振输出，但功率上却很难达到要求。这种情况下，通过光放大器来提高功率是一个很好的方案，但普通掺铒光纤放大器由于在其放大过程中会改变激光的偏振状态，所以并不能满足要求，这就需要一种既能保持激光的偏振特性又可以实现高增益的光纤放大器。目前，国外已有相关机构展开了这方面的研究[1-2]，而此类研究在国内还未见到报道。本文在双向泵浦光纤放大器结构的基础上，利用保偏器件和保偏掺铒光纤，构建了一种全保偏掺铒光纤放大器，并且通过实验对放大器的结构以及光纤参数进行了优化，使放大器输出性能达到最佳。2. 实验装置 一般掺铒光纤放大器（EDFA）往往采用双向泵浦结构如图1所示，这种泵浦方式结合了同向泵浦和反向泵浦的优点，使泵浦光在掺铒光纤（EDF）中均匀分布，从而实现增益在EDF中的均匀分布。然而在小信号放大的EDFA中，输出端剩余的泵浦光功率一般仍然大于粒子数反转的阈值功率，似乎意味着增加EDF的长度仍可增大增益，但当EDF的长度增加到大于最佳长度，又会导致输入端附近的反向ASE功率大大增加，它又将以消耗反转粒子的方式阻碍增益的增加[3]。因此，采用这种双向泵浦结构虽然可以使增益在EDF中均匀分布，但是总的泵浦利用效率尚显不高。 图1 普通双向泵浦EDFA原理图 1本课题得到安徽省优秀青年科技基金（项目编号：04042045）资助。
光纤通信仿真实验
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实验一光通讯系统WDＭ系统设计 一.实验目的 １．了解光通讯系统WDＭ系统的组成； 2.学会掌握使用optisystem仿真软件; 二.实验原理 (1）WＤＭ系统的基本构成 WDM系统的基本构成主要分双纤单向传输和单纤双向传输两种方式。单向WＤM是指所有光通路同时在一根光纤上沿同一方向传送，在发送端将载有各种信息的具有不同波长的已调光信号通过光延长用器组合在一起，并在一根光纤中单向传输，由于各信号是通过不同波长的光携带的,所以彼此间不会混淆,在接收端通过光的复用器将不同波长的光信号分开,完成多路光信号的传输，而反方向则通过另一根光纤传送。双向WDM是指光通路在一要光纤上同时向两个不同的方向传输，所用的波长相互分开，以实现彼此双方全双工的通信联络。 (２）双纤单向ＷDM系统的组成 以双纤单向WDＭ系统为例,一般而言，WDM系统主要由以下5部分组成：光发射机、光中继放大器、光接收机、光监控信道和网络管理系统。 1.光发射机 光发射机是WDＭ系统的核心，除了对WＤM系统中发射激光器的中心波长有特殊的要求外,还应根据WＤM系统的不同应用（主要是传输光纤的类型和传输距离）来选择具有一定色度色散容量的发射机。在发送端首先将来自终端设备输出的光信号利用光转发器把非特定波长的光信号转换成具有稳定的特定波长的信号，再利用合波器合成多通路光信号，通过光功率放大器（BA)放大输出。 2.光中继放大器 经过长距离（80~１20ｋm）光纤传输后,需要对光信号进行光中继放大,目前使用的光放大器多数为掺铒光纤光放大器（EＤFA）。在WDM系统中必须采