（光学专业论文）全光增益钳制掺铒光纤放大器增益和噪声指数的实验研究.pdf

上海交通大学硕士学位论文 中文摘要 全光增益钳制掺铒光纤放大器的增益和噪声指数性能研究全光增益钳制掺铒光纤放大器的增益和噪声指数性能研究 摘摘 要要 掺铒光纤放大器(edfa)具有噪声低、增益高、带宽大、泵浦效率 高和工作性能稳定等优点，是目前最为成熟的光放大器，已经广泛地 应用于各种光通信系统，特别是波分复用(wdm)系统中。用于 wdm 系 统中的 edfa 基本要求是具有动态增益钳制和增益平坦功能；同时随 着 wdm 系统传输信道的不断增加和传输速率的不断提高， 要求不断提 高 edfa 的放大带宽，c 波段（1525nm1560nm）edfa 已经不能满足 传输要求，因此 l 波段（1565nm1610nm）edfa 以及 cl 波段 edfa 的相关研究变得越来越重要。本论文主要围绕 edfa 的增益钳制、提 高工作带宽、提高增益效率、降低噪声指数等方面进行实验研究，研 制具有实用化水平的 edfa。 本文从 edfa 的基本理论模型出发， 导出其相关工作特性如增益、 工作带宽、噪声指数、增益钳制等。基于这些工作特性的优化，我们 进行了六项实验研究，包括 c 波段、l 波段 edfa 全光增益钳制，l 波 段增益效率提高，cl 波段 edfa 全光增益钳制，降低放大器噪声指 数等方面，旨在开发适用于 dwdm 系统的高性能 edfa。本文第一章从 光通信对光放大器的需求出发，介绍了各种类型光放大器以及 edfa 的应用和发展历程； 第二章详细介绍了 edfa 的理论模型和工作原理， 并由此导出其相关工作特性和基本结构。第三章介绍了 edfa 的主要 v 上海交通大学硕士学位论文 中文摘要 技术及其结构，包括增益钳制技术、增益平坦技术、l 波段增益提高 技术、宽带 edfa 技术等，并对各种技术进行了归纳。第四、五、六 章分别进行了六项实验研究。 第四章介绍了两种 c 波段全光增益钳制 结构， 第一种使用波长交错复用器形成激光振荡腔钳制增益同时降低 噪声指数； 第二种旨在解决双光栅增益钳制结构中增益难以调节的问 题，同时使用双通结构提高信号增益。第五章首先使用双通加光栅结 构提高 l 波段信号增益， 然后利用此结构和第四章的第一种全光增益 钳制结构实现 l 波段低噪声增益钳制 edfa。第六章首先采用并联结 构实现 cl 波段 edfa，同时在并联 edfa 前加前置预放 edfa 降低信 号噪声指数；然后在并联宽带 edfa 的基础上加上波长交错复用器形 成激光振荡腔，实现了低噪声的 cl 波段 edfa 全光增益钳制。最后 我们可以得到动态增益钳制区至10dbm，c 波段 l 波段的噪声指数 均约为 5db，放大波段为 15251610nm 的宽带 edfa。第七章对本论 文的研究工作进行了总结并提出以后的工作展望。 关键词：关键词：掺铒光纤放大器,c 波段 l 波段,增益钳制,增益平坦,噪声指 数,宽带 vi 上海交通大学硕士学位论文 英文摘要 the experiment research on gain and noise figure of all-optical gain-clamped erbium-doped fiber amplifiers the experiment research on gain and noise figure of all-optical gain-clamped erbium-doped fiber amplifiers abstract abstract erbium-doped fiber amplifier (edfa) has become the maturest optical amplifier and widely applied for the optical fiber communications systems, especially for dense wavelength division multiplexing (dwdm) system, because of its advantages such as low noise figure (nf), high gain, wide bandwidth, high pump efficiency and steady performance. the edfas applied in wdm systems must have the performance of dynamic gain control and gain equalization. with the ceaseless increasing of the number of wdm channels and the unceasing improvement of the transmission speed, the edfas are required more and more bandwidth, so the conventional wavelength band (c band, 1525nm1560nm) couldnt meet the need of the transmission, so the correlative research of the long wavelength band (l band, 1565nm1610nm) and c plus l band edfa becomes more and more important. the paper focuses on the experiment research about the dynamic gain control, improving the gain bandwidth, enhancing the gain efficiency and reduces the nf and so on, vii 上海交通大学硕士学位论文 英文摘要 and researching the practical edfas. the paper sets out from the fundamental theory model of the edfa, and educes its characteristics such as gain, bandwidth, nf and dynamic gain control. based on the optimization of these characteristics, we went on six experiment researches, including the all optical gain control of the c band and l band edfa and c plus l band edfa, the improvement of l band edfas gain efficiency, and reducing nf of these edfas. the purpose is researching the edfas with high performance applied for dwdm systems. the first chapter introduces all kinds of optical amplifiers and edfas application and development from the optical communications meet on optical amplifiers. the second chapter presents in detail edfas theory model and working principle, and then educes edfas working characteristics and basic configurations. in the third chapter, we introduce detailedly the edfas primary techniques and configurations such as dynamic gain control, gain equalization, the improvement of l band gain efficiency and wideband edfa, while induce all kinds of techniques. we present six experiment researches and its results in chapter 4, 5 and 6. the fourth chapter introduces two kinds of all optical gain control c band edfas. in the first configuration, we used an interleaver to form lasing cavity to clamp the gain and reduce nf, and in the second edfa, we solved the problem existing in the two fiber bragge gratings (fbgs) gain-clamped configuration, in which the viii 上海交通大学硕士学位论文 英文摘要 clamped-gain is difficult to tune, as well as we use the double-pass configuration to enhance the gain. in chapter 5, we firstly used double-pass and incorporating a fbg technique to enhance l band gain efficiency and then combined with the first configuration of the chapter 4 to realize low nf all optical gain control l band edfa. in sixth chapter, first of all, we used the parallel configuration to design a c plus l band edfa, and then inserted a preamplifier in front of the wideband edfa to reduce nf. based on the parallel wideband edfa, we used an interleaver to form lasing cavity. finally we realized an low nf all optical gain control c plus l band edfa, in which the dynamic gain control regime is up to -10dbm, the nfs of c band and l band are respectively about 5.0db and 5.2db, the amplifier working wavelength band is from 1525nm to 1610nm. in the last chapter, we concluded our researches and prospected our future research fields. key words: erbium-doped fiber amplifier (edfa), conventional wavelength band (c band), long wavelength band (l band), gain control, gain equalization, noise figure (nf), wideband ix 上海交通大学上海交通大学 学位论文原创性声明学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下， 独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本 论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。 对本 文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。 本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：义理林 日期： 2005 年 1 月 22 日 iii 上海交通大学上海交通大学 学位论文版权使用授权书学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定， 同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版， 允许论文被查阅和借阅。 本人授权上海交通大学可以将本学位论文的 全部或部分内容编入有关数据库进行检索， 可以采用影印、 缩印或扫 描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密保密，在 年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密 不保密。 （请在以上方框内打“”） 学位论文作者签名：义理林 义理林 指导教师签名：詹黎詹黎 日期： 2005 年 1 月 22 日 日期：2005 年 1 月 22 日 iii 上海交通大学硕士学位论文 第一章 第一章 第一章 绪论 绪论 1.1 引言 1.1 引言 20 世纪 70 年代以来，在短短的 30 年中光纤通信已经取得了突飞猛进的进 展。回顾光纤通信的发展历程，可以看到光纤通信在提高传输速率或提高通信 容量上下了很大的功夫。目前 2.5gb/s 的系统已经商用化，10gb/s 的系统也已 投入使用，40gb/s 的系统也已经研制成功。如果采用波分复用(wdm)技术，一 根光纤同时传多个光载波，则可进一步提高通信容量。光纤通信研究的另一个 方向则是提高中继距离，采用的技术主要是提高接收机的灵敏度和提高入纤光 功率。提高接收灵敏度的最有效的方法是采用相干光通信方式，而提高入纤光 功率的最有效的方法是采用光放大器。 另外，在传统的光纤通信系统中，为了克服光纤损耗对信号传输的影响， 还需要每隔一定距离对衰减了的光信号进行再生中继。即用光电探测器将光信 号转变为电信号并经过判决和整形再生出完整的电信号比特图案，再用该电信 号调制注入型激光器将其转换为光信号继续进行传输。通常的普通单模光纤通 信系统所需的中继距离为 3060km。这种结构的光纤通信系统对长距离信号传 输存在几个明显的不足：（1）由于沿途需要设置很多中继站并采用很多电子和 光电子器件，极大的增加了系统的建设以及运行和维护成本，同时也降低了系 统的可靠性；（2）由于中继器中电子电路响应速度和带宽的限制，使得对利用 原有系统进行高速率信号传输受到“电子瓶颈”的影响而变得十分困难；（3） 建造多波长中继器的复杂性使得利用 dwdm 技术对系统进行大规模扩容升级 几乎不可能实现。如果能够不经过光电和电光转换而直接对衰减了的光信号进 行带宽放大，则上述问题均可以得到解决。因此，对各种光放大技术的研究对 光纤通信系统的发展具有十分重要的意义。 1.2 用于光通信领域的各种类型光放大器性1.2 用于光通信领域的各种类型光放大器性1-2 光放大器是光学领域最令人振奋的发现之一，这几乎是继单模光纤以后最 重要的一个发现。高性能光学放大器的应用对光通信系统中的发展具有革命性 的影响。这一影响的第一个阶段带来了无中继海底传输系统，其传输速率/距离 1 上海交通大学硕士学位论文 第一章 高达 100tbs/s.km。第二个阶段是波分复用系统的使用，因为一个光放大器可放 大多路信号，所以具有巨大的经济效益。第三个阶段则当属光学技术在寻址及 网络中的应用。图 1.1 是一幅比较有代表性的光通信系统工作图，从中可以看 出光放大器用于光传输系统放大的功能。 fig. 1.1 the schematic diagram of the optical fiber communications system 3 图 1.1 光通信系统示意图 3 光放大器可按器件特性分为非线性的（光纤拉曼放大器、光纤布里渊放大 器和光纤参量放大器）和线性的（半导体光放大器及掺杂稀土元素光放大 器）。下面分别介绍这些类型的光放大器。 1光纤拉曼放大器（fiber raman amplifier, fra）。 fra 的原理是利用泵浦光能量激发引起的光纤中受激拉曼散射（stimulated raman scattering, srs），使能量从泵浦波长转移到信号波长。光纤芯材料的振 动谱决定了 raman 频移。如果信号光的工作波长确定，便可计算出泵浦光的最 佳波长。如果泵浦光波长合适，则 fra可对任意波长的光进行放大。 fra 的增益介质是普通单模光纤，对于一些特定用途，也可使用特殊设计 的光纤以提高放大效果。fra 有集中式和分布式两种类型。集中式 fra 所用的 光纤比较短，泵浦功率要求比较高，可产生 40db 以上的高增益。分布式 fra 所用的光纤比较长，泵浦功率可降到几百毫瓦。分布式 fra 主要用于在线放 大，沿通信光纤输入泵浦功率，不断补充因传输衰减的信号能量。fra 的低噪 声也是它的一大优点。 2 上海交通大学硕士学位论文 第一章 但喇曼放大需要较高的泵浦功率，而且在对光信号进行放大的同时也将导 致其他非线性效应对光信号传输的影响。fra 的高成本在一定程度上限制了其 在通信中的实用化。 2光纤布里渊放大器(fiber brillion amplifier, fba)。 fba的工作原理与 fra很相似，唯一区别是在 fba中，光放大是通过受 激布里渊散射（stimulated brillion scattering, sbs），而不是 srs 实现的。fba 也利用了光泵浦，一部分泵浦光通过 sbs 变成信号光。从理论上讲，每个泵浦 光光子产生一个信号光光子，其余能量产生一个声子。实际上，泵浦光受到以 声速沿光纤传播的声波的散射。除了相同点外，sbs 和 srs 主要有三个区别： （1）sbs 只对与泵浦光相反方向传输的信号光进行放大（反向泵浦）。（2） stokes 频移（即信号光与泵浦光之间的频率差）比 srs 小三个数量级（约为 10ghz）。（3）sbs的增益谱很窄，只有不到 100mhz。 fba 的放大倍数很高，泵浦光只有 5mw 时，增益可达 25db。fba 的带 宽由光纤芯材料中声子的热分布决定，小于 100mhz。这要求使用的泵浦光和 信号光的带宽必须很窄（100mhz），每个通道之间间隔 10ghz，精度为几 mhz。只有一些特殊应用场合才能满足这一条件。 fba 的带宽如此之窄，使它们不适合做光波系统中的功率放大器、前置放 大器以及在线放大器。然而，这种特性在多信道系统中可作为信道选择器：泵 浦光传播方向与多信道光方向相反，调整泵浦光频率正好比待选择的信道高布 里渊频移。借助泵浦激光器的调谐，就可以选择性的放大不同的信道。 3光纤参量放大器(fiber parameter amplifier, fpa)。 fpa 也是基于非线性光学效应的光放大器，它利用的是高效率的四光子混 频（four photon mixing，fpm）。频率为 s 的信号光和频率为 p 的泵浦光混 和调制光纤折射率，产生频率为 ps 的第三个光波，并且形成边带 ( pp ) s 。一个边带与频率为 s 的信号光重叠，信道得到放大；而第二个 边带即频率为2 ips =的第四个光波，将成为闲置光，可以应用于透明波 长交换。 参量过程的效率取决于四个光波通过非线性介质时严格的相位保持和泵浦 3 上海交通大学硕士学位论文 第一章 强度。理论研究表明，在相位匹配条件下。参量放大的带宽取决于泵浦波长和 功率、光纤非线性系数和光纤的色散特征，泵浦功率越高，光信号的非线性系 数越大，在零色散处的色散斜率越小，参量放大带宽越大。实验结果表明，单 波长泵浦的高非线性系数的参量放大带宽可以达到208nm，而在同样条件下， fra的带宽只有100nm。fpa于fra相比，具有更高的增益和更宽的带宽，泵 浦效率较高，具有透明波长变换功能。 但是fpa若是使用普通的单模光纤作为增益介质则所需的光纤长度很长； 单波长泵浦下平坦增益带宽很窄；仍然需要大功率的泵浦源；参量过程需要严 格的控制所设计的光波的相位。可用于光通信领域的fpa研究相对起步较晚， 目前还处于实验室研究阶段，它的发展前景还取决于它的研究进展。 4半导体光放大器(semiconductor optical amplifier, soa)。 soa与半导体激光器的工作原理相似，都由电流对载流子提高激励；soa 实际上是偏置电流靠近振荡阈值但在阈值之下、腔体没有或有很少光反馈的激 光二极管，其放大特性主要取决于有源层的特性和激光腔的特性。 soa具有高达3035db的增益，除具输入输出端存在总共810db的耦 合损耗外，还有2225db的增益，而且既可以工作在1310nm窗口也可工作在 1550nm窗口。另外行波放大器有很高的相应带宽可以对窄带至几个ps的超窄 光脉冲进行放大。soa的另一个重要优点是可以与光发射机、光接收机等器件 单片集成。 但soa有严重的缺点，首先是增益受偏振态影响很大；另外由于载流子寿 命较短（200ps），信道间的交叉串绕较大；耦合损耗较大，使得soa的噪声 指数（noise figure，nf）增大，一般在69db。正是由于soa这些严重的缺 点，其商用化受到了很大的限制。 5稀土掺杂光纤放大器（rare earth-doped fiber amplifier）。 稀土掺杂光纤放大器是利用掺杂在光纤芯层中的稀土金属离子的能级跃迁 实现对光信号的放大。由于稀土离子的能级结构使得其在适当的泵浦条件下可 以对通信波段上的光信号提供增益，通过在光纤中掺入稀土元素可以制成稀土 掺杂光纤。采用mcvd、ovd或vad等光纤生产工艺均可将稀土离子掺入石英 光纤之中。其中er3+离子掺杂光纤具有特别重要的意义。这是因为其基态与第 一激发态之间的辐射跃迁恰好位于1.55um的光纤最低损耗窗口，同时，采用 4 上海交通大学硕士学位论文 第一章 980nm或1480nm的半导体激光器进行泵浦可以获得很高的泵浦效率，因此长期 以来对掺铒光纤放大器（erbium-doped fiber amplifiers，简称edfa）的研究受 到了特别的重视并率先达到实用化水平。 edfa用于光纤通信系统具有别的光放大器无法比拟的诸多优点： （1） 增益与入射光的偏振特性无关； （2） 采用980nm或1480nm激光二极管进行泵浦可以获得将近100%的量 子效率，edfa可以达到很高的增益和饱和输出功率以及极低的放 大器噪声； （3） edfa与光纤系统完全匹配，因而具有极低的插入损耗（0.1db）； （4） edfa在1.55um处的带宽增益约为35nm，可以在1.55um窗口对多 个波长通道同时进行放大； （5） 掺铒光纤具有很低的非线性响应速度，因而在铒光纤内基本不会发 生fwm等非线性效应所导致的通道间串扰。 这些优点使得edfa成为长途光纤通信系统中近乎理想的光学放大器，并 给光纤通信系统带来了多方面的巨大变革。在1.55um窗口利用edfa和 dwdm技术可以使光纤的通信容量获得成百倍的提高。 其它掺杂光纤放大器包括工作在12601330nm的掺镨（pr）光纤放大 器、工作在13001420nm的掺钕（nd）光纤放大器、工作在14201520nm 的掺铥（tm）光纤放大器等。另外，除了硅基掺铒光纤放大器外，还有氟化物 碲化物基的掺铒光纤放大器，它们有不同硅基edfa的特点。虽然这些掺杂光 纤放大器还没有达到实用化的水平，但对于开发石英光纤潜在的400nm （12501650nm）低损耗窗、扩大未来通信系统的带宽，研究并合理结合各种 掺杂光纤放大器具有重要意义。目前稀土掺杂光纤放大器正朝着更宽和更卓越 的性能方向发展。 6掺铒波导放大器（erbium-doped waveguide amplifier, edwa）。 掺铒波导放大器是继掺铒光纤放大器、半导体光放大器研制成功以来又一 种具有发展前途的光放大器。edwa由内嵌制作在掺铒玻璃基片上的光波导组 成，光波导结构能够将泵浦光能量约束在截面积非常小、长度较长的区域内， 从而提高泵浦光功率密度和有效作用长度，得到很高的单位长度激光增益，约 为光纤结构的100倍。edwa与edfa原理相似，不同的是一个增益介质为掺 5 上海交通大学硕士学位论文 第一章 铒波导，一个为掺铒光纤。掺铒波导中，铒离子浓度大，比一般掺铒光纤的浓 度高100倍左右，几厘米到几十厘米长度就可实现10db以上的增益，但过高的 掺铒浓度会引起诸如成对诱发猝灭等效应，使泵浦效率下降，实验证明增益值 为23db/cm为佳。 edwa继承了edfa的优点：噪声指数低、极化相关性小以及无通道间串 绕。同时，edwa不需要数以米计的掺铒光纤，结构紧凑，很适合于有限空间 内的应用。目前最小的edwa模块可以在1535nm波长窗口上获得15db的增 益，其体积只有130mm11 6 2。对于oem用户来说，他们可以很容易的将 edwa装入自己的产品中，形成基于edwa的系列产品。对于未来的发展，掺 铒波导制造技术还是一个比较高的门槛。 edwa也有不足之处：其制造工艺和集成工艺都还存在缺点，无集成隔离 器使尺寸不能够更小，在系统运行中对有源器件的温度湿度控制增加了成本。 1.3 掺铒光纤放大器的应用1.3 掺铒光纤放大器的应用245 edfa工作在1550nm窗口，该窗口光纤损耗系数较1310nm低，已商用的 edfa噪声低，增益曲线好，放大器带宽大，与波分复用（wdm）系统兼容， 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倍受青 睐。目前，“掺铒光纤放大器（edfa）+密集波分复用（dwdm）+非零色散 光纤（nz-dsf）+光子集成（pic）”正成为国际上长途高速光纤通信线路的 主要技术方向。 1.3.1 基本应用形式 1.3.1 基本应用形式 具体的应用形式有以下几种： 1.3.1.1 作为光功率放大器（booster amplifier） 1.3.1.1 作为光功率放大器（booster amplifier） 其结构示意图见图1.2。将光纤放大器放在发射端光源之后，放大输入到光 纤的光功率。利用这类光纤功率放大器，可以提高光纤通信系统发射端实际进 入光纤中的光功率，减轻了对光源输出功率要求高的压力，也解决了将高功率 的光从光源有效的注入光纤的耦合问题。此种情况的edfa应工作于深饱和 区，必要时使用双泵浦源，以便提高发送功率，延长传输距离。对于光纤功率 6 上海交通大学硕士学位论文 第一章 放大器，是将它放在光发射器之后，目的是要获得高的输出光功率，以增加发 射端光实际进入传输光纤内的光功率。 传输光纤 光纤功 率放大光发射端机 光接收端机 fig. 1.2 edfa served as the optical booster amplifier 图 1.2 edfa 作光纤功率放大器 1.3.1.2 作为光前置放大器（preamplifier） 1.3.1.2 作为光前置放大器（preamplifier） 其结构示意图见图1.3。将光纤放大器放在接收端光电探测器的前面，在 光电探测器进行光电转换之前先对传输光纤中来的光信号进行放大，一般工作 于小信号状态。这类光纤前置放大器，由于是将它放在光电探测器的前面，光 电探测器及其后面的电子放大器的热噪声不会引入其中被放大，因此，利用这 类光纤前置放大器，可以提高光纤通信系统接收端的信噪比。对于作为光前置 放大器的光纤放大器，是将它放在光纤通信系统的接收端之前使用。 光纤前 置放大光接收端机 光发射端机 传输光纤传输光纤 fig. 1.3 edfa served as the optical preamplifier 图 1.3 edfa 作光纤前置放大器 1.3.1.3 作为在线（in-line）放大器或中继放大器 1.3.1.3 作为在线（in-line）放大器或中继放大器 “在线”放大是指将edfa直接插入到光纤传输链路中对信号进行中继放大 的应用形式，可广泛用于长途通信、越洋通信等领域，一般工作于近饱和区。 利用这类光纤在线放大器，可以取代传统的光-电-光中继器，从而实现全光学 光纤通信。其结构示意图见图1.4。对于作为光在线放大或光中继放大的光纤放 大器，是将它放在传输线的中间来使用的，目的是在传输路途上对光信号进行 放大。 7 上海交通大学硕士学位论文 第一章 在传输距离不太长的情况下，如150300km，在线路上只设12个掺铒光纤 放大器作光放大的中继站，可以采用1480nm光泵从端站远距泵入，做到室外 无源，这可以用来跨江湖海峡。 光接收端机 传输光纤 光纤中 继放大 传输光纤 光发射端机 fig. 1.4 edfa served as the optical in-line amplifier 图 1.4 edfa 作光纤中继放大器或在线放大器 1.3.2 wdm 系统中应用 1.3.2 wdm 系统中应用 中继光纤放大器特别适合作为多波长波分复用光纤通信系统中的中继放大 器使用，因为使用这种中继光纤放大器不必将各个波长的光信号分别调制出来 进行电放大，而只需直接将光纤放大器接入通信线路中，当各个波长的光信号 串行的通过光纤放大器时，各个波长的光信号将各自分别被光纤放大器放大， 这就大大的简化了系统，降低了成本，使波分复用光纤通信系统变得实际可 行。其结构示意图见图1.5。 edfa dwdm n 光接收 ， 2 n dwdm 光发送 fig. 1.5 edfa applied for dwdm fiber transmission systems 图 1.5 edfa 应用于 dwdm 光纤传输系统 为了确保wdm系统的传输质量，wdm系统中使用的edfa应具有足够 的带宽、平坦的增益、低噪声系数和高输出功率。特别是增益平坦度，这是 wdm传输系统对edfa的一个特殊要求。另一方面，应用于wdm系统的光 纤放大器较之单信道系统中的光纤放大器要求有更宽的带宽。 8 上海交通大学硕士学位论文 第一章 wdm系统是edfa的主要应用场所，因此目前edfa的研发主要集中在 与wdm系统要求相关的性能上。 1.3.3 用于光纤有线电视(catv)系统1.3.3 用于光纤有线电视(catv)系统 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，弥补链路衰 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。 近几年来，光纤catv系统特别是1550nm光纤catv系统（包括模拟系统和数 字系统）在我国迅速发展，掺铒光纤放大器在光纤catv系统中得到了广泛应 用。在catv设计最常用的树形分配网络中，系统的效率是由每个用户成本所 决定的，因此，采用edfa放大器提高光功率，就可以在原有发射设备基础 上，为更多的用户服务，从而降低发射机单位毫瓦的造价。 掺铒光纤放大器在光纤catv系统中的应用如图1.6所示。edfa的主要 作 用 是 补 偿 光 纤 传 输 损 耗 和 补 偿 光 分 路 器 的 分 支 损 耗 。 光 分 路 器 光 分 路 器 光发射机光发射机 光接收机光接收机 光 分 路 器 光 分 路 器 光 分 路 器 光 分 路 器 光接收机光接收机 光接收机光接收机 光接收机光接收机 光接收机光接收机 edfa1 edfa2 edfa3 edfa4 edfa1 edfa2 edfa3 edfa4 fig. 1.6 edfa applied in fiber catv systems 5 图 1.6 edfa在光纤catv系统中的典型应用 5 1.3.4 用于制作光纤激光器（fiber laser） 1.3.4 用于制作光纤激光器（fiber laser） 9 上海交通大学硕士学位论文 第一章 如果在光纤放大器的光纤芯的两端用特殊的光学方法制作成光栅反射器， 使光在光纤放大器的光纤内来回振荡放大，获得很高的增益，光纤放大器就变 成为光纤振荡器，这就是最近发展非常迅速的光纤激光器。其结构见图1.7。 激光输出 未转换的泵浦光线 反射镜反射镜 掺铒光纤 泵浦 fig. 1.7 the schematic diagram of the fiber laser 图 1.7 光纤激光器的基本结构示意图 光纤激光器具有很多优点和特点。首先，由于光纤激光器本质上是一种光 纤结构，因此它可以以较高的耦合效率与目前的光纤传输系统连接。第二，由 于光纤结构小巧便于操作，在医学的某些应用中是理想的，例如深入到人的胃 中。 光纤激光器可以提供许多输出波长，其中某些波长对于光通信是非常重要 的。输出波长由掺杂到纤芯中的稀土元素离子所决定。在光谱段上1330nm和 1550nm波长的输出是最重要的，因为它们对应于光通信的两个低损耗窗口。 1550nm的输出操作可以利用半导体器件作为泵浦源，因此意味着用较低的成本 即可实现有价值的激光输出。目前，利用光纤激光器得到了23um范围内的激 光谱线输出，这个波段的输出在更低损耗的中红外通信中有着潜在的应用价 值。 1.4 掺铒光纤放大器的研究历史及发展现状 1.4 掺铒光纤放大器的研究历史及发展现状 掺铒及其它稀土元素于光纤中的构想出现于60年代早期，美国光学公司 c.j.koesker 在研究含钕的光纤时发现它可以作为激光源及光放大。e.snitzer发 现掺铒玻璃对1.50微米的激光有放大作用。当时由于未能解决热猝灭效应问 题，没有引起人们的足够重视。直到19851986年间，英国southampton大学 d.payne等人对稀土元素的光纤重新进行探索，发现掺铒光纤可作为1.5微米波 长区的光放大器6。一年后，他们用60mw的650nm红光燃料激光器作泵浦激 发掺铒光纤获得了25db的小信号增益。同年，贝尔实验室的d.desurvire等人 10 上海交通大学硕士学位论文 第一章 用100mw540nm绿光氩离子激光器作泵浦源，在铒光纤中获得了22.4db的小 信号增益。并对这种掺铒光纤放大器进行速率为2gb/s的传输数码的实验，测 得的误码率接近为零，还发现放大系数与信号光的极化方向无光。同时还进行 了多信道同时放大的实验，在一定的调制速率下不同信道信号之间未查到光串 绕现象7。由于当时采用的泵浦源较笨重复杂，不便用于实际的光纤通信系统 中。即使这样，这些研究已经极大的推动了edfa的研究和开发。 对edfa的研究基本上沿两个方向同时进行，一个方向是从性能角度出 发，对edfa的整体性能进行研究；另一个方面从实用角度出发，研发出更能 用于实际应用场合的edfa。以下为人们在这两个方面所做的一些研究。 性能角度。从性能角度出发，主要要求edfa输出功率高、噪声低、增益 平坦以及具有增益钳制功能、高的带宽。增益和噪声指数是edfa的两个重要 指标。提高输出功率、降低噪声指数，既可以通过增加泵浦功率或增加泵浦数 量以及掺铒浓度等结构设计方面实现，也可以通过改进提高连接工艺方面来降 低各部件损耗，从而提高输出功率降低噪声指数。目前输出功率达2w的 edfa已经商用化，噪声指数接近量子极限的edfa也研制成功。在所有这些 技术中，自动增益控制和增益平坦技术最为重要。为了增加edfa的带宽，l 波段(1570-1610nm)edfa以及cl波段edfa也是目前研究的重点。自动增 益控制一般采用电控制和全光控制两种8-10。2000年，uh-chan ryu等人在 journal of quantum electronics上对增益平坦技术做了详细归纳总结，主要包括 优化edf构成、在光路中加入滤波元件改变光路设计、改进泵浦/信号耦合器 的输入性能11。l波段的研究主要集中在提高l波段信号的增益效率上，目前 已经有包括c波段信号插入技术、ase反馈技术、双通技术等来改善l波段信 号增益效率12-14。将各个波段edfa连接起来，还可以实现超宽带的光放 大。最近，chien-hung yeh等人将s波段（14501530nm）、c波段（1530 1560nm）、l波段(1560-1610nm)edfa结合起来，实现了120nm的超宽带放大 15。关于这些技术及其构成我们会在第三章中做详细的介绍。 实用化角度。从edfa的实际应用考虑，主要要求edfa小型化、成本 低、即插即用、容易实现多通道的升级和扩容。灵活、易于升级、小型化易于 集成、成本低是作为产品的edfa需要考虑的主要因素。光通信发展的速度如 此之迅速，通信设备的更新换代的频率也不断加大，因此要求实用的edfa易 11 上海交通大学硕士学位论文 第一章 于升级；小型化、集成化是各类光电子产品的最终发展趋势，因此小型化 edfa成为实用edfa的研究重点；低成本是提高产品竞争力的又一大优势， 也是提高产品普及率的必要条件。目前，主要是各大通信公司进行实用化方面 的研究。小型化90608mm、超小型化704010mm，mini-edfa9060 8mm、ultra-miniedfa704010mm已经研制成功，而且成本控制在很低 的水平16。 1.5 本论文的主要研究工作1.5 本论文的主要研究工作 本文从理论和实验两个方面对掺铒光纤放大器进行了详细的介绍。首先从 edfa的二能级模型出发，分析推导edfa的工作原理及其特性。然后从 edfa的基本结构引出对edfa结构的优化设计和研发。在此基础上开展了c 波段edfa增益钳制、l波段edfa增益改善、l波段edfa增益钳制、cl 波段edfa以及降低edfa噪声指数等方面的实验研究。具体工作如下： 1第二章，首先从铒离子的能级出发介绍edfa的工作原理，然后从 edfa的基本理论出发，推导出edfa的基本工作特性，包括增益、噪声指 数、输出特性、带宽、增益钳制等。并对edfa的基本组成结构做了简单的介 绍。 2第三章详细介绍了edfa的各种主要技术及优化结构。主要包括增益钳 制技术、增益平坦技术、l波段信号增益增强技术、宽带技术等，并对各种技 术进行了归纳总结。 3第四章提出了两种新颖的全光增益钳制 edfa 结构，并且得到了实验验 证。第一种主要用于降低噪声指数，第二种旨在改善双光栅腔结构增益不可调 的问题。 4第五章介绍了一种l波段全光增益钳制结构。其中l波段信号增益效率 的提高通过双通结合光栅插入的方式，而使用一个波长交错复用器除了形成全 光增益钳制激光振荡腔外，还可以降低噪声指数。 5第六章主要集中在降低宽带edfa的低噪声以及实现宽带增益钳制。采 用在宽带edfa前端加入一预放小增益edfa的方式，可以实现低噪声指数的 宽带信号放大；另外，在并联式宽带edfa外加一光纤环形腔，可以形