（光学工程专业论文）l带掺铒光纤放大器的研究.pdf

华中科技大学硕士学位论文 摘要 在光通信系统特别是密集波分复用系统中，掺铒光纤放大器( e d f a ) 已经成为不 可或缺的重要单元。c 岫a n de d f a 早已成熟和商品化，但是随着计算机网络以及新的数 据业务的飞速发展，现有的c 波段已不能满足需求，因此人们丌始把通信波段向l 波 段延伸，l 波段放大器的研究目益显现出其重要性。 在l 波段放大器的实现方案中：喇曼光纤放大器由于泵浦功率较高而带来成本问 题；采用其它的基底材料如氟化物或碲化物基光纤放大器又难以与常规石英材料连接， 导致较大的插入损耗。因此，研究人员逐步将实现的方向转变为利用e r 3 + 增益移位实 现l 波段放大。本文主要围绕l 波段e d f a 进行了理论和实验方面的研究。 本文详细介绍了在光纤放大器的理论计算中使用最为广泛的g i l e s 模型，并运用 g i l e s 模型对l _ b a n de d f a 特性进行了研究。通过l - b a n de d f a 数值仿真，模拟了信号 光、泵浦光、前向a s e 、后向a s e 功率沿光纤长度方向的演变等，作者认为高噪声、低 增益以及本征平坦特性，并根据特性分析结果，分别说明铒光纤、泵浦源以及无源器 件对l - b a n de d f a 性能的影响，以期望对今后的设计提供帮助。 作者根据高增益、低噪声设计原则以及尽量简化泵浦、电路、温度等控制问题为 出发点，基于商用角度，设计l 吨a n de d f a 光路结构，并对设计方案的重要指标( 如： 增益、噪声指数、增益不平坦度等) 进行了测试验证。 关键词：l 波段掺铒光纤放大器噪声指数增益平坦自发辐射 华中科技大学硕士学位论文 a b s t r a c t e d r h a sb e c o m ea ni n d i s p e n s a b l ee l e m e n ti no p t i c a lc o m m u n i c a t i o ns y s t e m ， e s p e c i a l l yi nt h ed e n 3 ew a v e l e n g md i v i s i o nm u i t i p l c x i n g ( d w d m ) s y s t e m c b a n de d f a h a sb e e nm a t l l r ea t l dc o m m e r c i a l i z e df o ral o n gt i m e ，b u tw i t h 也er a p i dg r o w i n go fi n t e m e t a n dn e wd a t as e r v i c e ，m ec o r e m i o n a lb a n dc a i ln o ts a t i s 匆t h ec 印a c i t yd e m a n d a sar e s u l t p e o p l e 姗eb e g l l i lt o u t n i z el o n g w a v e l e n g t l lb a n d s t u d yo nl - b a l l de d f a1 1 a sb e e n s h o w i r 培e v e 卜i n c r e a s i n gi m p o r t a n c e r 锄a n o p t i c a l 锄p l i f i e r h a sh i 曲e rp r i c eb e c a u s eo fp u m pp o w e lt h e b a s e m e n tu s e d o t h e rm a t e r i a l ss u c ha sn u o r i d eo rt e u u r i u mi sd i m c u l tt oc o 衄e c tw i t l lc o n v e m i o n a l 丘b e r l e a d i n gt ob i g g e rl o s s e so ft h em s e n i o n m a n yr e s e a r c h e r sg r a d u a l l yu s eg a i n s l l i 船d e d f a i nt h i sp 印e r ，t l l e o r e t i c a la n d e x p e t i m e n t a ls m d y o nl - b a n de d f a 、a sp r e s e n t e d t h eg i l e sm o d e l ，w h i c hi st l l em o s tw i d e l yu s e di ne d f a sn u m e r i c a ls t i m u l a t i o n ，i s d e 血c e d t h ec 1 1 a r a c t c r i s t i c so fl - b a l l de d f aa r es t u d i e d t t l r o u 曲n u m e r i c a ls t i m u l a t i o nt o l _ b a i l de d f a ，t h ea u 1 0 rs t i m u l a t st h ec h a n g eo fp u m pp o w e r ，s i g n a lp o w e r ，a s e 十p o w e r a i l da s e p o w e r 、v i t he d f1 e n g t ha 1 1 dt h i n k st h a tl - b a n de d f ah a sh i 曲n o i s ya n dl o wn a t g a i n t l l r o u g hc h a r a c t e ra n a l y s i st l l ea u t h o rd e s c r i b e st h er 0 1 e so f e r b i u mf i b e r ，p u m ps o u r c e s a l l dp a s s i v ed c v i c e st ol - b a l l de d f a p e r f b r i n a n c e t h i sc o n t r i b u t e st om en e x tw o r k t h ea u t h o rd e s i g n st h el l i g h g a i n ，l o w n o i s el - b a n de d f ab a s e do n l ec o m m e r c i a l u s e s i ti se 船yt oc o n t m lf o rp 岫p ，c i r c u i t sa n dt e m p e r a t u r e t h ea 1 1 t h o ra l s ot e s t ss o m ek e y i n d i c a t o r s ，南re x 蛳p l eg a i n ，n o i s ef i g w ea i l dg a i nn 咖e s s k e yw o r d s ：l - b a l l de r b i 啪一d o p e df i b e ra m p l m e r n o i s ef i g u r e g a i nf l a t n e s s s p o n t a n c o u se m i s s i o n i i 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。尽我所知，除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体 已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，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： 日期：护彩年4 月扣日 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，即：学校有权保 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 人授权华中科技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。 保密口，在年解密后适用本授权书。 本论文属于 。 不保密皤。 ( 请在以上方框内打“”) 学位敝作者虢卞补 指删嗽： 日期：c ：b o 年年月弓口日 粥撕胁 曰期：如d 彳年4 月弓口同 华中科技大学硕士学位论文 1 1引言 1 绪论 随着计算机网络以及新的数据业务的飞速发展，人们对通信系统容量的需求增长 很快，大约两年就要翻一番。如何提高现有光纤通信系统的容量以满足这种目益膨胀 的需求，已成为光通信领域的研究热点。 目前，实现系统扩容的途径主要有三条：( 1 ) 提高单信道传输率：( 2 ) 减小信道 间隔( 即在有限的带宽范围内增加信道数目) ：( 3 ) 充分利用光纤宽带传输潜力，增加 可用带宽。其中，如把每个信道的数据传输速率从2 5 g s 提高到1 0 g s ，会增大色散对 系统的影响，从而对系统的色散管理和补偿的要求提高，使系统成本提高，同时偏振 模色散、高阶色散等不利的影响也将突显。雨信道间隔的减小将会伴生非线性效应的 增强，包括光纤非线性效应引起的自相位调制( s p m ) 、交叉相位调制( x p m ) 、受激喇 曼散射( s r s ) 、受激布里渊散射( s b s ) 、四波混频( f w m ) 等影响，其中s r s 和f l l v m 对w 蜊系统的影响最大。光纤中的功率密度越大，信道数越多，信道间隔越小，则非 线性影响会越大：另外，小的信道间隔还要求系统元件具有严格的波长稳定性，同样 也会带来系统成本的上升。充分挖掘光纤的潜在带宽资源，将传输波段由传统的波段 ( c o n v e n t i o n a lb a n d ，c b a n d ：1 5 3 0 1 5 6 0 n m ) 荐日长波段( l o n g w a v e l e n g t hb a n d ， l - b a n d ：1 5 7 0 一1 6 l o n m ) 延伸，不存在前面两种方法所必须面对的技术问题，也就成 为系统扩容、升级更直接、更根本性的方法。根据i t u t 规定，光纤通信窗口大致可 以分为s + 、s 、c 、l 、l + 五个波段，各波段对应的波长范围见表卜1 。 表卜1 各通信波段使用的光放大器 波段波分范围放火器 s + 1 4 5 0 1 4 8 0 n mt d f a ，f r a s1 4 8 0 1 5 2 0 n mg s t d f a ，f r a c1 5 3 0 1 5 6 5 n me d f a l1 5 7 0 1 6 1 0 n mg s e d f a ，f r a ，碲化物( 氟化物) e d f a l +1 6 1 0 1 6 4 0 m f i 认，氟化物e d f a 华中科技大学硕士学位论文 与扩展系统传输带宽相应的是对系统器件性能的改进，即系统中各器件必须适用 于l 波段信号而不是仅仅适用于c 波段信号。这其中核心器件就是l 波段放大器，它 的可实现性决定着宽带w d m 传输系统是否能够实现以及性能的优劣。 实现l 波段放大1 1 】的一种方法是利用喇曼光纤放大器( r a m a nf i b e ra m p l i f i e r ， f r a ) ，由于增益波长由泵浦波长决定，理论上可以放大光纤可利用带宽范围内任意波 长，因此也可实现l 波段的光放大。同时，由于光纤喇曼放大器的增益介质是光纤本 身，从而可对信号光进行在线放大，光纤各处的功率均较小，大大较低了光纤非线性 效应的干扰。但由于光纤喇曼放大器要求较高的泵浦光功率( 大于1 w ) 等原因，使其 成本高居不下，限制了它的实际应用，目前只用于e d f a 无法放大的波段，或作为分布 式光纤放大器与e d f a 组合成混合放大器，提高系统传输性能。另一种方法就是采用 其它的基底材料如氟化物或碲化物基的掺铒光纤放大器，虽然具有高增益、低噪声的 优势，但由于其基质不同，难以与常规石英光纤连接，导致较大的插入损耗；另外， 氟化物或碲化物基的掺铒光纤具有较高的非线性系数，在w d m 系统中引起交叉相位调 制与四波混频效应远高于基于石英光纤的掺铒光纤放大器。相对而言，在目前所有实 现l 波段放大的方案中，充分利用硅基掺铒光纤本身的8 0 n m 的放大带宽，使e r 3 + 的增 益谱向长波长方向移动，即从c 波段移动到l 波段，成为实现l 波段光放大的主要途 径。同时，l 一波段e d f a 可以大量借鉴c 一波段e d f a 成熟技术及工艺，使得其成为最直 接可行的方案。 1 2l - b a l l de d f a 研究进展 1 9 9 0 年，英国的m a s s i c o t t 等人1 2 】研究发现，通过控制e d f 的长度，使铒离子的 粒子反转度稳定在较低的程度( o 4 ) ，可实现l 波段的放大，在1 5 7 0 n m 1 6 1 0 n m 范围内增益高于2 5 d b 。这种增益位移e d f a ( g a i n s h i f t e de d f a ，g s e d f a ，也称为 l _ b a n de d f a ) 的增益谱虽然位于4 1 1 3 ，2 4 1 1 5 2 能级辐射跃迁的带尾，e r ”吸收和发射系 数小，但是本征增益谱平坦，增益起伏1 d b 的带宽范围可达3 0 n m ，增益高于2 4 d b 【3 】。 要使粒子反转度保持在较低的水平，最简单直接的方法就是增加光纤长度，因此 在同掺杂浓度下，l - b a n de d f a 使用的纤长一般为c 岫a n de d f a 长度的4 5 倍。由于 l _ b a n d 信号波长远离铒离子的辐射峰值波长，吸收、发射系数较小，同时铒纤长度较 2 华中科技大学硕士学位论文 长，导致光纤背景损耗和放大自发辐射( a m p l i f i e ds p o n t a n e o u se m i s s i o n ，a s e ) 能 量的积累都增大，所以l _ b a n de d f a 的泵浦转换效率( p u m pc o n v e r t i o ne f f i c i e n c y ， p c e ) 较低，噪声指数( n o i s ef i g u r e ，n f ) 较高。因此，许多的研究工作集中在改善 l 咄a n de d f a 的这两大性能上。 这两个问题的解决得益于对1 5 3 0 n m 波段泵浦效率的研究。由于不同泵浦波长在饱 和泵浦条件下得到的上能级粒子反转度量子极限不同，因此相对于常见的9 8 0 m 泵源 和1 4 8 0 n m 泵源，波长更长的1 5 3 0 n m 波段泵浦源能达到更低的上能级粒子反转度 ( o 3 5 o 4 ) ，而这一点恰好满足实现e d f 增益位移要求。此外，由于铒离子的吸收 峰在1 5 3 0 n m 附近，因此1 5 3 0 n m 波段激光作泵源比9 8 0 n m 和1 4 8 0 n m 的泵源具有更高 的泵浦效率。实验【4 也证实1 5 3 0 n m 波段激光是l _ b a n de d f a 更理想的泵浦源，这种泵 浦条件下的e d f a 不仅具有更高的增益和p c e ，而且n f 也得到了改善。 然而在1 5 3 0 n m 波段目前还没有实用的泵浦光源，因此在实际使用的l - b a n d e d f a 中仍使用9 8 0 n m 和1 4 8 0 n ml d 做泵源。既然使用1 5 3 0 n m 是提高l 波段增益实现l 波段 e d f a 的有效方法，因此面对不具备成熟的1 5 3 0 n m 波段泵浦源客观事实，研究的思路 又转向如何通过已有条件实现1 5 3 0 n m 波段泵浦的方向上，而此方向的突破得益于 j f m a s s i c o t t 等人的工作【5 】o 他们在实验中发现1 4 8 0 册和1 5 3 0 n m 波段之间的能量转 移效率高达8 1 。之后很快【3 】便提出一种用1 4 8 0 n m 作为主泵浦源( 8 2 m w ) ，1 5 5 5 n m 辅助 泵浦( 1 m w ) 的方法。该方法泵浦的l 岫a n de d f a 在1 5 7 0 m 的小信号增益达3 1 d b ，在 1 5 7 0 n m 1 6 0 5 n m 范围内的增益高于2 4 d b ，n f 小于5 d b ，接近1 4 8 0 n m 泵浦的理论噪声 极限。其实验测试装置如图卜l 所示。 图卜1 采用1 5 5 5 n m 激光器作为辅助泵浦的实验框圈 华中科技大学硕士学位论文 将1 5 3 0 n m 波段激光作为种籽泵光的混合注入法m 】这种方法是将短波长泵源 ( 9 8 0 n 1 i l 或1 4 8 0 咖) 和功率很小的1 5 3 0 n m 波段种籽泵光从输入端共同注入，混合光在 e d f 前端共同传输过程中，迅速实现短波泵光能量向长波种籽泵光的转移，使1 5 3 0 n m 波段种籽泵光得到放大，转而成为e d f 的主要泵源，从而提高了l 岫a n d 增益及p c e 且 同时降低了n f ，图卜2 是一个简单的原理应用图。 1 4 8 0 n m ，或9 8 0 n m1 5 5 0 n m 激光器( c 一波段“种 泵浦激光器子”) 图卜2 一个简单的c _ b a n d “种子”技术方案 然而混合注入法要求系统提供产生种籽泵光的激光器，这使得整个放大器复杂化， 成本提高，不利于实际应用。因此如何在不附加任何外部激光器的条件下仍然实现高 效泵浦的l _ b a n de d f a 成为新的研究课题。 在r p a s c h o t t a 等人工作【8 】的启发下这个问题得到解决。r p a s c h o t t a 等人在研究 掺镱光纤放大器特性时发现，光纤处于较低的上能级粒子反转度条件下，利用被认为 有害的反向a s e 可以有效地提高系统增益并改善系统噪声。因此在l - b a n de d f a 中也 开始展开对反向a s e 的研究，发现在反向a s e 处于1 5 3 0 n 波段，正是理想的种籽泵源 波段。因此如果能够利用反向a s e ，应该和上文所讲述的混合注入法一样能够有效提高 系统性能，实验证明确实如此。1 9 9 8 年n i l s s o n 的实验中【9 ，反向a s e 经过反射而和 泵浦光同向进入l 波段e d f ，在减少了8 0 a s e 损耗、抑制短波段增益的同时提高系 统平均增益约4 d b ，提高饱和输出功率约1 4 d b m ，实验装置如图卜3 所示；接着1 9 9 9 年j u h a nl e e 等人在实验中【1 0 】直接利用反向a s e 作为一段e d f 的泵浦源，充分利用 其辅助泵浦作用，得到使p c e 提高了一倍同时增益提高4 d b 的结果。 4 5 ； 日 旺一 一对帅上 日5 ； 华中科技大学硕士学位论文 f i e 船 图卜3a s e 反射注入的l b a n de d f a 结构 当然，除泵浦源对l - b a n de d f a 的性能有影响外，掺铒光纤( e d f ) 的其他参数如 掺杂浓度、截止波长、数值孔径等对其性能也有影响【1 1 】。使用高掺杂、低损耗的e d f ， 可以减少所需光纤的长度，降低吸收损耗和后向a s e 的累积，因此能够提高l 咄a n de d f a 的性能。现在，掺杂浓度为1 9 0 0 p p m 的e d f ( 普通e d f 的掺杂浓度为3 0 0 5 0 0 p p m ) 已 经可用，其损耗与普通e d f 相比没有大的增加，更高掺杂浓度的光纤也已有研制。 1 3 l - b a n d e d f a 应用 人们对l _ b a n de d f a 的研究，目的是为了充分利用现有的通信带宽资源，即将c 带与l 带放大器连用，构成宽带放大器。在设计宽带放大器时，总是希望能以尽量简 单的结构产生最让人满意的结果 1 2 】。 由于对a s e 作用的重新认识和充分利用，实现了不附加任何外部激光器而得到高 效高增益l 波段e d f a 的目标，优化了系统结构，解决了困扰l 波段e d f a 增益小、噪 声大的技术问题，使l 波段放大器技术指标逐渐接近实用而能够和c 波段放大器一起 组合使用，从而实现性能优良的宽带( c + l 波段) e d f a 系统。 l 一波段e d f a 与c 一波段e d f a 组合，应用于w d m 系统可提供常规e d f a 两倍带宽的增 益，成倍地提高系统的传输容量陋17 1 。 e d f e d f 图卜4 典型的串联结构e d f a 华中科技大学硕士学位论文 早期的宽带e d f a 一般采用典型的串联或并联结构1 9 1 。串联式结构比较简单，只 需把两个e d f a 用隔离器连接起来即可，如图卜4 所示；而并联结构是采用w d m 耦合器 将两个波段信号分离之后分别放大，如图卜5 所示。显然在串联结构中，无论是c 波 段信号还是l 波段信号，都经过对方的放大部分，而c 波段信号在通过l 波段e d f 的 过程中，不可避免的发生类似混合注入法的能量转移过程，因而c 波段信号所受的影 响较大，针对同路传输中c - b a l l d 信号被后级吸收这一问题，m k a r a s e k 和m m e n i f 于 2 0 0 1 年9 月提出了一种c _ b a n d 旁路的串联结构c + l i b a i l d e d f a 【2 0 】，如图1 6 所示。在 第一段掺铒光纤c b a n d 信号得到充分的放大，第一段掺铒光纤完成c _ b a n d 信号的全 部放大以及l - b 锄d 信号的部分放大，放大后的输出经过一个c lw d m 将两个波段的 信号分开，l - b a n d 信号进入第二段掺铒光纤继续放大，而c - b a n d 信号被旁路至第二段 掺铒光纤的输出端经另一个c lw d m 和再次放大后的l _ b a i l d 信号汇合、输出。文献 报导的结果表明：这种结构极大的提高了放大器的泵浦效率，以及缩短了所用l b a n d 掺铒光纤的长度2 1 ，2 2 1 。 图卜5 典型的并联结构e d f a e d f l 劾f 图卜6c + l b a n d 旁路串联结构e d f a 6 华中科技大学硕士学位论丈 相比而言，并联结构复杂但具有自身优点，一方面，并联结构可以保证各波段信 号放大的独立性，另一方面也允许在各支路内进行增益控制。但是由于输入的不同波 段信号在进入放大系统之前必须经过耦合器分离，耦合输入损耗将导致系统n f 的恶 化，特别是在小信号输入的情况下更加明显，这影响了并联式结构系统的性能，因此 目前并联式结构中往往加入一个预放大级，输入信号经过预放才进行分离，有效的减 小了耦合器件性能对系统噪声的影响。可以看到在串联结构和并联结构自身的不断优 化的过程中两种结构逐渐趋同，呈现出串并联同时存在的混联特征。 近年来，随着l 咄a n de d f a 技术的不断成熟和完善，利用其实现c + l 波段和带宽 更宽的s + c + l 一三波段的w d m 传输的报道也越来越多。充分利用光纤丰富的带宽资源， 实现多窗口超宽带光纤通信成为必然趋势。 1 4 课题来源与关键技术 本文的选题来源是国家高技术研究发展计划( 8 6 3 计划) 项目“超宽带( s + c + l 波段) 光纤放大器”。该项目主要实现方法是将信号解复用为s _ b a n d 、c - b a n d 、l - b a n d 三个 子带，各自放大后，再复用至一根光纤中传输。其中l 咱a n de d f a 的研究成为关键子 项目。 作者在广泛查阅国内外文献基础上，对l _ b a n de d f a 的工作原理和特点进行深入 细致的分析，并通过大量的仿真与实验，解决l - b a n de d f a 研制中如下关键技术： ( 1 ) 建立以g i l e s 模型为理论依据的数值仿真，模拟出l - b a n d 凹f a 中信号光、 泵浦光、前向a s e 、后向a s e 的变化及不同信号光在一定泵浦功率下随e d f 长度的变化 曲线，为l - b a n de d f a 本征增益平坦特性提供了合理的解释；并通过仿真说明铒纤、 泵浦波长以及无源器件( 以i s o 为例) 对l - b a n de d f a 性能的影响。 ( 2 ) 设计简单、高效、新颖的l _ b a n de d f a 光路结构。 ( 3 ) 构建测试平台，对l _ b a n de d f a 重要指标，如：增益、噪声指数等进行测试， 并对测试结果进行分析，提出今后将继续的工作。 7 华中科技大学硕士学位论文 2l _ b a n d e d f a 理论模型 2 1e d f a 的工作原理 e d f a 是光纤通信发展史上的重要发明之一，2 0 世纪9 0 年代开始在光纤传输系统 中应用，它的推广应用为光纤通信技术带来了一场革命。e d f a 与其他光放大器比较， 具有输出功率大、增益高、工作带宽宽、与偏振无关、噪声系数低、放大特性与系统 比特率、数据格式无关等特点，它已成为新一代大容量、高速率光纤通信系统中不可 缺少的关键器件之一。 二二二二二二二 m 1 u ， 5 1 4 珈“ 6 j ，瑚“ jl 7 皑 9 8 口m 1 4 9 0 ml 、c l专 7 1 弱0 埘if 愤掣巍j l 弱0 m 4 s ，3 4 岛m 4 马n 4 i l l 乜 4 1 1 3 n 4 1 1 5 船 图2 1e r ”能级示意图 e d f a 是利用纤芯中的e r 3 + 的受激辐射获得对光信号的放大2 3 1 。e r 3 + 的能级图和吸 收发射光谱如图2 1 、图2 2 所示。e r 3 + 在未受任何光激励的情况下，处在最低能级( 基 态) 4 1 1 5 2 上；当泵浦光入射，e r 3 + 吸收泵浦光的能量，向高能级跃迁，泵浦光的波长 不同，粒子所跃迁到的高能级也不同( 见表2 1 ) 。例如当9 8 0 n m 泵浦时，e r 3 + 先跃迁 到激发态4 i m 上，再迅速以非辐射跃迁的形式转移到亚稳态4 i l 】，2 上，在该能级上， e r 3 + 有较长的寿命( 1 0 m s ) ，由于源源不断地进行泵浦，亚稳态上的e r 3 + 不断积累， 从而实现了粒子数反转。当1 5 5 0 n j i 】波段的信号光通过这段掺铒光纤时，亚稳态上的 粒子以受激辐射的形式跃迁到基态，并产生出和入射光信号中的光子一模一样的光子， 从而大大增加了信号光的光子数量，即实现了信号光在掺铒光纤的传输过程中的不断 华中科技大学硕士学位论文 放大。 图2 2e r 3 + 吸收与发射谱 表2 一l 跃迁表 泵浦光波长( n m ) 跃迁能级 1 4 8 0 4 1 1 s n 一4 il m 9 8 0 4 1 1 5 n 一4 i l l n 8 0 7 4 ii5 n 一4 1 9 2 6 5 5 4 1 1 m 一4 f 9 ，2 2 2l _ b a n de d f a 工作原理 和1 5 5 0 n m 的信号放大相类似，l - b a i l de d f a 也采用9 8 0 n m 和1 4 8 0 n m 两个泵浦带， 增益谱位于4 i 啪一4 1 1 5 ，2 能级跃迁辐射的带尾。 图2 3 显示了l - b a i l d 信号在掺铒光纤中被放大的过程。由于掺铒光纤对9 8 0 m 或 1 4 8 0 n m 泵浦光的吸收系数很大，泵浦光在靠近输入端的光纤段内很快被大量吸收；但 掺铒光纤对c _ b a n d 的发射系数远高于l _ b a n d 的相应值( 如图2 2 所示) ，因此，被吸 收的泵浦能量不能快速充分转换为l _ b a n d 信号光，而是大量转移为c _ b a n d 放大的自 发辐射( c a s e ) 。其中正向传输的c a s e 和l _ b a n d 信号一起继续沿掺铒光纤传输，并 被掺铒光纤再次吸收，成为后续光纤段内对l _ b a n d 信号光放大的二次泵浦源。靠近输 华中科技大学硕士学位论文 入端产生的c a s e 中还有相当部分反向传输的光，这部分光从信号的输入端泄漏离开 掺铒光纤，这成为l _ b a n de d f a 泵浦效率偏低的根本原因。 抽运光 信号光 掺铒光纤放大后的信号光 c 波段a s e 的产生l - 波段信号放大 图2 3l 咱a n d 信号放大的原理图 可见，对于l _ b a n d 凹f a 来说，抑制反向泄漏的c a s e 而充分利用正向传输c a s e 的二次泵浦作用是提高l _ b a n d 光放大泵浦效率的关键。 值得一提的是：在波长大于1 6 0 0 n m 的区域，由于4 1 1 3 ，2 4 1 9 2 激发态吸收( e s a ) 的 影响，l _ b a n de d f a 在长波长部分增益将会被削弱。 华中科技大学硕士学位论文 2 。 董，5 囊 争 警 5 0 1 波长( n m ) 3 辎 垛 g 薛 u j 图2 4e r 光纤的增益和损耗及e s a 吸收系数图 2 3 l - b a n de d f a 基本组成 l _ b a n de d f a 主要由掺铒光纤、泵浦光源、波分复用器( w d m ) 、隔离器( i s o ) 等 组成，如图2 5 所示。泵浦方式除了图中所示的前向泵浦外，还有反向泵浦和双向泵 浦。 虽然l - b a n de d f a 同c _ b a n de d f a 具有外观上基本相同结构，但如前述中提到的 l _ b a n de d f a 工作在e r 3 + 能级辐射跃迁的带尾j 具有较小的吸收和发射截面，必然导致 在器件参数的选择上存在一定差异。本文通过第三章重点对l b a n de d f a 特性进行分 析。 信号光输入 1 4 8 0 n m 或9 8 0 n m 泵浦激光器 图2 5l - b a n de d f a 结构示意图 的信号光输出 华中科技大学硕士学位论文 ( 1 ) 掺铒光纤 光纤放大器能够产生光放大作用的关键是具有增益放大特性的掺铒光纤，因而使 铒光纤的设计最优化是主要的技术关键。e d f a 的增益与许多参数有关，如铒离子浓度、 铒光纤长度、芯径以及泵浦光功率等。 ( 2 ) 泵浦源 对泵浦源的基本要求是高功率和长寿命，它是保障光纤放大器性能的基本因素。 掺铒光纤可以在几个波长上被有效地激励。最先突破的是采用1 4 8 0 n m 的i n g a a s 多量 子阱( m q w ) l d ，其输出功率可达1 0 0 m w 以上。用该波长泵浦增益系数较高，且e d f a 的 吸收带宽与实用化的i n g a a s 激光器相匹配。而9 8 0 n m 波长泵浦具有泵浦效率高，噪 声低的特点，也已被广泛使用。 ( 3 ) 波分复用器 印f a 中波分复用器的作用是使泵浦光与信号光进行耦合。对它的要求是插入损耗 低，因而适用的w d m 主要有熔融拉锥型光纤耦合器和干涉滤波型耦合器。前者具有更 低的插入损耗和制造成本；后者具有十分平坦的信号频带和出色的偏振无关特性。 ( 4 ) 光隔离器 在输入、输出端插入光隔离器是为了抑制光路中的反射，保证系统工作稳定可靠， 降低噪声。对隔离器的基本要求是插入损耗低、反向隔离度大。 2 4l _ b a n de d f a 理论模型 g i l e sc r 等人提出来的g i l e s 模型口4 1 是在光纤放大器的理论计算中运用得最 为广泛的模型。在此模型中，采用的是二能级系统近似( 只考虑4 1 1 5 ，2 和4 1 1 3 ，2 ) 。因为对 于9 8 0 n m 吸收带，4 i l l ，2 能级的离子平均寿命极短，其中很大部分以非辐射方式快速转 移到亚稳态4 i m ，以致4 i 能级上的反转粒子数可以忽略。而且，采用9 8 0 n m 泵浦的 放大器中，当平均泵浦功率小于1 w 时，二能级模型也很适用 2 4 】。 假设光纤中有k 种不同波长的光共同传输，则速率方程为： 警= 莩与廿旗扩军号：加卜丝盟 ， 玎，( r ，妒，= ) = 肝l ( ，砂，z ) + 门2 ( r ，z ) ( 2 2 ) 1 2 华中科技大学硕士学位论文 其中a 为光纤中传输的某一波长的光功率，矗为归一化光强，d 融、僦分别为吸 收截面和发射截面，n ，和h z 为基态和激发态的粒子数密度， 为普朗克常量，f 为亚 稳态能级寿命。当( 2 1 ) 式对时间的微分等于零时( 婴：o ) ，转化为稳态条件下的模 d f 型。 而光纤中的光束传输方程为： 警2 抄加如旗一 伢。， 一搬 j 肛( ，庐) n - ( ，妒，z ) ，删( a ( z ) ) 当玳= 1 时表示光束为前向传输，姗一1 时为后向传输。 脚饶对a s e 有贡献， 为噪声项，由于光纤中的基模仅存在两种偏振态，因此取m = 2 。 又光纤的基本特性可用吸收谱口和增益谱g ：来表征，它们表示为粒子数及光场分 布的函数为： 蕊= 僦j j “( r ，庐) 所( r ，妒，z ) 删 o 0 2 f o g ：= 鳓p ( r ，庐) 胁( ，z ) 砌彬 ( 2 4 ) 如果铒离子均匀分布在纤芯中心半径为b 的圆形掺杂区域内，则有： m = 函仉mg ：= 僦r 帕( 2 5 ) 这里n 为铒离子横向分布函数与光场的重叠积分，即 则此时，传输方程( 2 3 ) 可化为： 警= 警晔砌州m 。， + 毫严攀删 新加的如项为光纤的背景损耗，当光纤o h 一含量较高，或在掺杂较低的分布式放 1 3 删p k。 hr，o = l = 华中科技大学硕士学位论文 大器中，厶比较明显。当n ：= o 时，传输方程以( 球+ 如) 的速度指数衰减；n ：= 础时， 以( g ：一厶) 指数增加。而由稳态条件，解( 2 一1 ) 可得 似咖胁蛊 1 + ；型吾型r ( 2 7 ) 方程( 2 6 ) 、( 2 7 ) 又称为放大器的“空间模型”，通过标准的数值积分方法可以对 它们进行数值求解。如果忽略a s e ，则可令噪声项为零；当引入有效噪声带宽执，则 传输方程中加入了前向和后向a s e 。脚的典型值为2 0 0 2 0 0 0 g h z ，与光纤的成分和 工作条件有关。 由于l - b a n de d f a 需考虑信号带e s a 效应：它主要影响1 6 0 0 1 7 0 0 n m 波长带，此 时增益系数会由于e s a 的存在被削弱为( g ：一) 。口尸为表征激发态自吸收的系数。 这样可以大大减小1 6 0 0 n m 附近波长数值计算的误差。 假设光纤中铒离子分布辐射对称，且从r = 0 处渐减，则等效掺杂半径6 咿为： 蜘 z 腊r 咖r s ， 平均掺杂密度为： m ( ，蚴胁却 聆( z ) = 盟孑 i _ 1 ，2 ，t ( 2 9 ) 而均匀掺杂时，胁= ，( o ) ，6 咿= 6 。即为上文( 2 5 ) ( 2 7 ) 所描述的情形。 令非均匀掺杂时重叠积分为： 2 芝6 如( ，) h 一( 州5 ，z ) 砌铆 n ，f f z l = 旦l 一 ( 2 1 0 ) 可以得到此时速率方程为： 等= 莩絮等i 一莩黑警鬲一詈 c z - 如果铒离子很好地限制在光场中，h 、n ，：便近似相等并可以以一常量n 代替。 华中科技大学硕士学位论文 这样，利用重叠积分进行简化，“空间模型”可化为： 一 v 旦竺 詈= 毒 胁1 + y ! ! ! 竺星2 争 撕f 孕：撕( 蕊+ g ：) 竺a + “曙：竺肌 眦嘛一姗( + 厶) n ( 2 1 3 ) 其中，每= ，尸( 珊+ g ：) ，矗瑰它可以通过测量放大器的饱和输出功率得到， 矽： ! 型! ( 2 1 4 ) “ ( d 减+ 西 ) 1 1 7 a e 为有效纤芯截面，因此乐：丝竺。 方程( 2 1 2 ) 与( 2 1 3 ) 中，瞅、g ；、乒、厶分别表示吸收系数、增益系数、饱和参 数和背景损耗，统称为g i l e s 参数，它们都是便于准确测量的参数，任何生产铒纤的 厂家都会直接或间接的给出这些参数。这样，只要知道了g i l e s 参数，就可对g “e s 模型准确求解。 由g i l e s 模型还可以对e d f a 中的噪声功率进行分析。由于粒子反转度随着放大 器光纤长度的改变而发生变化，因此计算较为复杂，并且需要通过积分来确定a s e 功 率和光谱。但在泵浦功率远大于信号功率和泵浦闽值功率时，可认为粒子数反转度为 一常数，且等于d 卸( a 和+ 却) ，此时粒子数反转处于泵浦吸收与受激辐射的平衡状态， 则在波长凡处，粒子反转系数脚为： 脚= ，一詈詈 _ l = 一譬等r c z m ， 在有效噪声带宽狮内，a s e 功率为： n 口= 2 脚( g 一。1 ) 自挑执 ( 2 1 6 ) 且对于正向和反向传输，脚与n 都具有相同的值。因此，只要知道g i l e s 参 数、舒，求出增益函，就能得到 m 。 华中科技大学硕士学位论文 3l _ b a n d e d f a 数值仿真 3 1l - b a i l de d f a 模拟设计软件 随着光通信技术的高速发展，以及器件、系统设计的复杂化，对相关的计算机模 拟软件产生了极大的需求。为迎合这种需求，在过去几年中，新型光学光通信模拟软 件获得了长足的进展和f i 益广泛的应用。一个优秀的光学光通信模拟软件可以大大加 快光通信器件、系统和网络的研发进程，显著地降低设计、实验和施工的费用。加拿 大0 p t i w a v e 公司是光纤通信领域中专业从事光通信系统、光纤与光予学元器件模拟设 计软件开发的世界著名公司，成功的推出针对不同需求的多种模拟设计软件，并于近 期频繁参展o f c 和e c o c 等会议，取得很大的反响。 0 p t i a m p l i f i e r 是o p t i w a v e 公司主要产品之一，主要用于模拟e d f a 和f r a ，从优 化相关的光学组件到评估系统预算及功率损耗都有涉及，如：应用于c a t v 或w d m 网络 的一级以及多级的e d f a 设计、反射式、分频式以及双向式放大器、增益锁定放大器、 线形以及环形的光纤激光器、a s e 宽频谱光源、仿真任何参数的自动化控制( 如自动增 益控制，自动功率控制，自动泵浦功率控制) 以及喇曼以及喇曼e d f a 混合式放大器 等。目前最新版本为o p t i a m p l i f i e r 4 0 。论文中的l - b a n de d f a 的数值模拟工作均是 基于这一专业模拟软件。其工作界面如图3 1 所示。 l _ b a n de d f a 数值仿真是在统一的近似理想条件下进行的，比如忽略了e d f 的焊接 损耗，隔离器的插损是波长无关的，大小为0 1 d b ，隔离度6 0 d b ，回波损耗6 0 d b 等等。 这样的前提条件不影响定性的分析，且更具普适性。在结合实验的时候，所进行的仿 真则根据实际器件的参数进行调整，以期与实际结果更为接近，从而指导实验的分析 和设计。 本文的分析和优化设计是基于g i l e s 模型进行的。在仿真中使用了高、低两种不 同掺杂浓度的铒纤。 主工作界面如图3 一l 所示。 1 6 华中科技大学硕士学位论文 图3 一l0 p t i a m p l i f i e r 4 0 主t 作界面 3 2l - b a n de 认放大特性 e d f 9 8 0 n mp u m p 图3 2 仿真l 岫a n de d f a 结构图 模拟结构如图3 2 所示。 模拟条件1 ：9 8 0 n m 前向泵浦，泵浦功率1 0 0 m w ，输入信号波长1 5 5 0 n m ，1 5 mc 波 段低掺杂e d f 。 1 7 华中科技大学硕士学位论文 模拟条件2 ：9 8 0 n m 前向泵浦，泵浦功率1 0 0 m w ，输入信号波长1 5 9 0 n m ，1 5 ml 波 段高掺杂e d f 。 说明：为了便于比较，使用相同的泵浦条件和相同的光纤长度，各无源器件的参 数设置相同。模拟结果如图3 3 、图3 4 所示。 0 0 二。 善 萎。 一1 0 一2 0 一3 0 4 0 s i g n a l 1 5 5 0 n m 一_ - - - - _ - - - - 。- 。_ 在 a 8 e _ 枷+ - 入厂日飞i 。一 以1 、 1 。、。 、。- 一一s i g n a l 。、- 。 f - 。- p u 呻 1 t 、_ 、 - - 一a s e + - 一a s e 一 o24681 01 21 4 d i s t a l l c e ( m ) 图3 - 4 信号光、泵浦光、前向a s e 、反向a s e 功率沿光纤长度方向的演变 从图3 4 中可以看出，9 8 0 n m 泵浦光在9 0 9 m 左右几乎耗尽，与c - b a n d 类似。 l _ b a n d 信号光在9 0 9 m 之后主要靠前向a s e 提供增益，1 5 9 0 n m 信号光在1 1 3 m 左右获 得最大的