（物理电子学专业论文）掺铒光纤放大器工作机理及特性的研究及其泵浦光源电路的设计.pdf

摘要 自1 9 7 0 年以来，光纤通信以惊人的速度发展着，已成为当今信息产业的 支柱。掺铒光纤放大器的研制成功被认为是光电子领域的一项重大的技术突 破，成为光纤通信系统中最杰出和最成功的技术之一。可以说，没有掺铒光纤 放大器就没有光纤通信的现状。 本文主要从理论上研究分析了掺铒光纤放大器的基本原理并且在实践上 完成了其泵浦光源电路的设计和调试，并组成e d f a 光路进行了一系列的测试 分析工作。 1研究分析了e d f a 的工作机理、各项特性( 如增益特性，噪声特性等 以及e d f a 的构成) ，为e d f a 的研制应用提供一定的理论依据。 2 理论上阐述了e d f a 泵浦光源配套电路的原理，在实践上设计并制作 调试了可实用化的泵浦光源的驱动电路及温度控制电路，试验表明l d 的工 作状态安全稳定，避免了l d 因过压，浪涌等造成的损害，并能保证l d 在 恒温下工作。 3 提出了完善e d f a 泵浦光源配套电路的一些方案，如自动功率控制电 路，自动增益控制电路，是否对输入光信号进行光放大的判定机制，改用 贴片元器件以使电源更加小型化等，并对其中的一些方案给出了具体的设 计方法。 4 将调试成功的e d f a 泵浦源驱动电路和其他必要的器件( 掺铒光纤，隔 离器，耦合器等) 组成实际的e d f a ，进行了各项参数的具体测量分析，如 不同条件下的增益，噪声等，从实践的角度上分析说明了e d f a 的工作原 理和各项特性，同时也说明了所设计制作好的e d f a 泵浦源驱动电路可以 稳定的正常的工作，可实用化。 关键词：光纤通信，波分复用，光时分复用，掺铒光纤放大器，半导体激光器 驱动电路，自动温度控制，自动功率控制。 a b s t r a c t f i b e rc o m m u n i c a t i o ns y s t e mh a sg o tar a p i dd e v e l o p m e n tu n t i l1 9 7 0a n dp l a y s a ni m p o r t a n tr o l ei ni n f o r m a t i o ni n d u s t r yn o w t h ea p p e a r a n c eo fe d f a i st a k e na s ai m p o r t a n tt e c h n o l o g i c a lb r e a k t h r o u g hi nt h ef i e l do f o p t o _ e l e c t r o n i c sa n db e c o m e o n eo ft h em o s ts u c c e s s f u la n do u t s t a n d i n gt e c h n o l o g i e s i tc a nb es a i dt h a tn o e d f a ，r i op r e s e n ts t a t u so f o p t i c a lf i b e rc o m m u n i c a t i o n i nt h i sd i s s e r t a t i o n ，t h ep n n c i p l eo fe d f ai ss t u d i e di nt h e o r y ，t h ec i r c u i to f t h el i g h ts o u r c ea sap u m pi sd e s i g n e da n dd e b u g g e di np r a c t i c ea n d as e r i a l so f t e s t s a n d a n a l y s e s a r em a d ea f t e ra ne d f as t r u c t u r ei sc o m p l e t e d 1 p r i n c i p l e s ，c o n s t r u c t i o n a n dc h a r a c t e r i s t i c so fe d f a ，s u c ha sg a i n ， n o i s ec h a r a c t e r i s t i c s ，h a v eb e e na n a l y s e da n db e c o m et h ef u n d a m e m o fr e s e a r c ha n da p p l i c a t i o no f e d f ai ns o m ed e g r e e 2 p r i n c i p l e s o f t h ec i r c u i to fe d f a p u m p i sa n a l y s e di nt h e o r y t h ed r i v e c i r c u i ta n da t ca r er e a l i z e di np r a c t i c et om a k el d w o r km o r e s t a b l y 3s o m e p r o j e c t sa r ep r e s e n t e d t op e r f e c tt h ec i r c u i t ，s u c h 懿a p c 、a g c 、 t h em e c h a n i s mo fd e t e r m i n i n gw h e t h e rt oa m p l i f ys i g n a l so rn o ta n d a p p l y i n gt h em i c r ou n i t s t om a k et h ep o w e rs u p p l ys m a l l e r s o m e d e t a i ld e s i g n sa r eb r o u g h tf o r w a r da tt h es a m et i m e 4a ne d f ai sc o n s t r u c t e dw i mt h ec o m p l e t ep u m pa n do t h e rn e c e s s a r y c o m p o n e n t s ，s u c ha se d f , i s o l a t o r sa n dc o u p l e s ，a n dd e t a i l t e s t sa n d a n a l y s e s o fs o m ec h a r a c t e r i s t i c s ，s u c h a s g a i n s a n dn o i s eu n d e r d i f f e r e n tc o n d i t i o n s ，i sm a d e p r i n c i p l e sa n dc h a r a c t e r i s t i c so fe d f a i s s h o w ni np r a c t i c ew h i l et h ep u m p d r i v ec i r c u i ti sp r o v e dw e l l w o r k i n g a n d a p p l i c a b l e k e yw o r d s ：o p t i c a l f i b e rc o m m u n i c a t i o n ，w d m ，o t d m ，e r b i u m - d o p e df i b e r a m p l i f i e r , s e m i c o n d u c t o r l a s e r , d r i v ec i r c u i t a t c ，a p c 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得岙洼盘堂或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者繇瓷；镧签字吼沙年善月玎日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解基童盘茎有关保留、使用学位论文的规定a 特授权岙洼盘茎可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名 a 导师签名：矾书 签字日期：渺年? 月r 臼 签字日期：饥年石月z r 日 第罩绪论 第一章绪论 1 1 光通信系统发展简介 在七十年代初，美国康宁玻璃公司研制出损耗为2 0 r i b 的石英光纤，证明光 纤作为通信的传输媒介是大有希望的。同年，g a a l a s 异质结半导体激光器实现 了审温下的连续工作，为光纤通信提供了理想的光源。从此，便开始了光通信迅 速发展的时代。 与电缆传输相比，光纤通信具有如下主要优点： 1 传输损耗低，容量大。 2 尺寸小。重量轻，有利于敷设和运输。 3 抗电磁干扰性能好，适合应用于有强电干扰和电磁辐射的环境中，保密 性好。 4 酬高温、高压，抗腐蚀，不受潮，工作十分可靠。 5 光纤之间的串话小 6 制造光纤的主要材料是s i 0 2 ，是地球上蕴藏量最丰富的物质 因此，光纤通信的出现被认为是通信史上的一次根本性变革。 光通信由起步到逐渐成熟首先表现在光纤的传输质量大大提高，光纤的传输 损耗逐年下降。1 9 7 2 1 9 7 3 年，在o 8 5um 波段，光纤的传输损耗已下降到 2 d b k m 左右，与此同时，光纤的带宽不断增加。光纤的生产从带宽较窄的阶跃 型折射率光纤转向带宽较大的渐变型折射率光纤。另外，光源的寿命不断增加， 光源和光电检测的性能不断改善。光纤和光电器件的发展为光钎传输系统的诞生 创造了有利条件。到1 9 7 6 年，第一条速率为4 4 7 m b i t s 的光纤通信系统在美国 亚特兰大的地下管道中诞生。该系统经过现场试验和全面性能测试后，很快商用 化。8 0 年代是光纤通信大力发展的年代。在这个时期，光纤通信迅速由o 8 5ui l l 波段转向1 3um 波段，由多模光纤转向单模光纤。通过理论分析和实践摸索， 人们发现，在较长波段光纤的传输损耗可以达到更小的值。经过科学家和工程技 术人员的努力，很快在l - 3p m 和1 5 5h m 波段分别实现了损耗为o 5 d b k m 和 o 2 d b k m 的极低损耗的光纤传输。同时，石英光纤在1 3 1hm 波段时色度色散 为零，这就促使1 3um 波段单模光纤通信系统的迅速发展。各种速率的光纤通 信系统迅速建立起来，显示出光纤通信的优越性和强大的竞争力，并很快取代电 第章绪论 缆通信，成为电信网中重要的传输手段。 在8 0 年代，波分复用系统、光纤放大器等技术已受到人们的重视，投入大 量的人力和物力进行研究。8 0 年代末期，掺铒光纤放大器问世，它的优越性能 使其他类型的放大器望尘莫及，很快进入实用化阶段。由于掺铒光纤放大器工作 在1 5 5um ，而在这一波段光纤的损耗也最低，从而促使1 5 5 m 波段光纤通信 的更快的发展。 为了满足带宽和容量的需求，途径之一是提高单信道系统的速率，1 9 9 3 年 25 g b i t s 的系统已经实用化，1 9 9 5 年又推出1 0 g b i t s 的系统。但是，受到电子 速率瓶颈的限制，单信道速率达到4 0 g b i t s 以上很困难。另一条途径是发展波分 复用技术。由于般的掺铒光纤放大器的带宽仅有3 5 r i m 左右，必须把复用信道 集中在掺铒光纤放大器的带宽之内，也就是发展密集波分复用技术。这一技术在 9 0 年代很快实用化。随着掺铒光纤放大器的广泛应用和波分复用技术的成熟， 一一根光纤中已经能够传送几百g b i t s 到上t b i t s 的数字信息。传输系统容量的快 速增长带来的是对交换系统发展的压力和动力。通信网中交换系统的规模越来越 大，运行速率越来越高，未来的大型交换系统将需要处理总量达几百t b i t s 的信 息。但是目前的电子交换和信息处理网络的发展已经接近了极限。为了解决电子 瓯颈的限制问题，光子技术被引入交换系统，从而引发了全光通信网的发展。 目前的焦点是波分复用( w d m ) 全光通信网。它是利用单模光纤低损耗区 的巨大带宽，将不同频率( 波长) 的光信号混合在一起传输，这些不同波长的光 信号所承载的数字信号可以是相同速率，相同数据格式，也可以是不同速率，不 同数据格式。 盟c t o 鞫陟+ 卜降：器c t o c h = 立一 i 功f 光纤 功f ll j 土c h 图1 1 波分复用( w d m ) 原理图 图1 1 为w d m 通信的原理图。具有不同波长、各自载有信息信号的若干个 载波经由通道c h l 、c i - i ：、c h 3 c h 。等进入合波器，被耦合到同一根光纤中， 第一章绪论 再经过此条光纤长距离传输，到终端进入分波器，按波长将各载波分离，分别进 入各自通道c h l 、c h 2 、c h 3 c h 。并分别解调，从而使各自载荷的信息重现。 波分复用扩容方案可以通过增加新的波长，按照用户的需求确定网络容量，是 种可以将一根光纤当多根光纤来使用的十分有效的扩容方案，从而减轻点交换节 点的压力，很大程度上提高网络的传输容量和节点的吞吐容量。 光时分复用( o t d m ) 也是扩容的项重要的方案。 图l - ，为一种o t d m 系统的原理图。 图1 - 2 0 t d m 系统原理图 o t d m 是一种利用时间间隙来传送信息的技术，如图1 2 中所示，在发送端， 超短脉冲源每发送一个脉冲就对应产生一个时间间隙，脉冲经过光分路器分成n 柬，各支路电信号被调制在超短脉冲序列上，通过光延迟线阵列。该延迟线阵列 的第一路延迟时间为0 ，第二路延迟时间为t ，第三路延迟时间为2 t ，以次类推， 第n 路延迟时间为( n 1 ) t ，从而使各支路光脉冲精确的按预定的要求在时间上错 开，再经过光耦合器将这些支路光脉冲串复用在一起。接收端，首先恢复光时钟 信号，然后以一个光解复用器( 光控高速开关) 在时域上将支路信号分开，分别 送入接收端接收。由于要在光域上对信号进行处理、恢复时钟、识别信头及选出 第一章绪论 路序，都需要有全光逻辑和存储器件，而这些器件尚不成熟，这就限制了o t d m 的发展和应用。但由于o t d m 全光网相对于w d m 全光网来说有其独特的优点， 被认为是最终的网络解决方案之一。 实际上，方案之i 、白j 不是相互排斥的，实际的问题并不在于采取何种技术，而 在于如何选择一个技术，性能，价格均合理，利用现有的设备及技术，最大限度 提高光纤网络容量的综合方案。利用t d m 和w d m 两种技术的优点进行网络扩 容也是应用的方向。 可以看出，光通信的发展进程有以下几点趋势： 1 由短波长( 0 8 5p m ) 向长波长( 1 3ur n 和1 5 5 “m ) 发展 2 由多模光纤向单模光纤发展 3 由低速率向高速率发展 4 应用领域遍及市话，长途和接入网 5 新技术和新型器件层出不穷 我国光通信的发展状况大致如下：于7 0 年代初，我国已经开展了光纤通信 的研究。7 0 年代未，我国已能制造多模光纤( 衰减为4 d b k m ， = 1 3um ) ， 并能制造o 8 5um 波长的发光二极管和激光器以及s i a p d 雪崩二极管。并研制 了实验系统和线路，码率为8 m b i t s 。8 0 年代初，研制出长波长多模光纤、长波 长激光器和p i n f e t 光电检测组件并投入商用。在武汉建立了1 3 3 k r n 的短波长 和长波长的实用化光缆市内线路，码率为8 m b i t s 和3 4 m b i t s 并于1 9 8 2 年投入 使用。8 0 年代末，研制出单模光纤和1 4 0 m b i t s 光纤通信系统并投入商用生产。 现在，国内己广泛使用光纤通信，并已有一定规模的光纤通信产业。随着w d m 光传输系统的进一步推广和普及，对节点的吞吐能力提出了更高的要求。同时i p 技术、a t m 技术、i po v e rs d h 、i p o v e rw d m 等业务的发展将会引发对通信容 量的更大需求，并可能导致电信传送网络的变革。而且，在光纤干线网基本建成 以后，光纤接入网的建设已经提到日程，无源光网络、有源光网络和光纤同轴混 合网的研究都在进行中。 1 2 掺铒光纤放大器( e d f a ) 简介 1 2 1e d f a 的开发和发展 在光纤通信体统中，传统的o e o 中继方式的成本随着传输速率的增加迅速 增加，人们一直在寻找用光放大的方法来代替传统的中继方式，并延长传输距离。 第一章绪论 光放大器能直接放大光信号，对信号的格式和速率具有高度的透明性，使得整个 系统更加简单和灵活。至今研究出的光放大器有两大类，即光纤放大器和半导体 放大器，每类又有几种不同的应用结构和形式，如图1 3 所示。 光放大器 r 、p 4 i _ 半导体光放大器l 瞄豫瓦 l 光纤放大器 掺稀土元素光纤放大器 法布里一泊罗型( f p a ) 行波式：t w l a 5 5 0n m 光纤放大器 如：掺铒光纤放大器( e d f a ) 1 3 1 0n m 光纤放大器 如：掺镨光纤放大器( p d f a ) 撇性光学放大器 篇鬻蒜。8 黧， 图1 3 光纤放大器的类型 相比之下，掺铒光纤放大器得到了最为广泛的应用，在w d m 系统中，使用 最多的也是掺铒光纤放大器。 图表l 一4 为几种光放大器的一些具体特性的比较 图表1 _ 4 几种光放大器的比较 激励上作输出噪声与常规与光偏稳定 光放大器类型原理激励功率 方式长度 光功率特性 光纤耦台振关系性 非线性光学光学非线性数百毫瓦 光数千米2 0 d b m好容易大好 f 喇曼) 放大器( 喇曼) 效应到数瓦 l半导体1 0 0 m 辊子数反转电数百毫瓦 0 d b m差很难太差 i m m 圯艘大器 数毫瓦 掺稀土数米到 粒了数反转光到数十毫1 0 d b m好容易无好 光纤放大器 数十米 凡 行波光放大器的基本概念在1 9 6 2 年首次被g e u s i c 和s c o v i l 引入。不久，1 9 6 4 年由e s n i t z e r 发明了光纤放大器。他展示了工作在1 0 6 l am 的掺钕光纤放大器。 所采用的光纤芯径为1 0 t , tm ，包层为o 7 5 到1 5 m m ，典型长度为l m ，光纤末端 打磨成一个角度，以产生激光振荡，此项技术二十年后仍然被使用。对于在 第一章绪论 通信中的应用以及由于自发辐射产生的噪声在s n i t z e r 的论文中都有提及。它的 出现，被认为是自应用于通讯的硅玻璃光纤出现以来的又一场革命。掺稀土元素 的单模光纤首次出现在1 9 8 3 年，是采用气相沉积法( m c v d ) 研制的。1 9 8 7 年， 英国南安普敦大学和a t & t 的贝尔实验室研制出了掺铒光纤放大器，其工作波 长正好为光纤损耗最小的1 5 5p m 窗口。这独特的优点使其很适用于光纤通信系 统中作功率放大，中继放大和前置放大，并可与光无源器件结合以补偿它们的损 失，从而使各种光无源器件的功能充分得到发挥。南安普敦大学使用的泵浦光源 是工作波长6 5 0 n m 的氩离子激光器，a t & t 用的是工作波长为5 1 4 n m 的氨离子 激光器。在s n i t z e r 证明1 4 8 p1 1 1 是对于工作在1 5 3 pm 到1 5 5 um 范围的e d f a 较为合适的泵浦波长之后，1 9 8 9 年，研制出了用激光二极管泵浦的可实用化的 e d f a 。可以说，从1 9 8 9 年开始，e d f a 对于新一代高容量的海底和陆地光网络 通信起了巨大的推动作用。第一次将e d f a 置于海底传输光缆中的测试进行于 1 9 8 9 年。几年后，商用的放大器上市并且被主要的通信公司安装采用。由于9 8 0 n m 和1 4 8 0 n m 半导体激光泵浦的掺铒光纤放大器具有增益高、频带宽、噪声低、效 率高、连接损耗低、偏振不敏感等特点，在9 0 年代初得到了飞速的发展，成为 当时光放大器的主要研究方向，极大的推动了光纤通信技术的发展。1 9 9 3 年， 美国首次用于实际光纤工程。从此以后掺铒光纤放大器的研究在多个方面展开， 建立了多种理论分析模型，提出了增益均衡和扩大增益带宽的方案和方法，进行 了多种系统应用研究，同时进行了氟化玻璃铒光纤放大、分布式光纤放大器和双 向放大器的研究，使得掺铒光纤放大器及其应用得到了飞速的发展。 1 2 2 系统应用方式： 在光通信系统中，e d f a 有三种基本的应用方式，分别是前置放大器，功率 放大器和中继放大器。它们对放大器的性能有不同的要求。 1 接收机前置放大：在接收机前放置e d f a ，可以提高接收机的灵敏度，改善 最小探测功率。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e d f a 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。要求有低的噪 声和高的信噪比。 2 功率放大器：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e d f a 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。要求e d f a 有高的饱和输出功率、好的 第一章绪论 抑制s b s 、小的非线性失真。 3 光中继放大：传统的中继站采用的是复杂的转换，由于e d f a 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 e d f a 作中继器可以避免做o f e o 转换，因而除成本和功耗都低以外，还在 于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。要求e d f a 有高的饱和输出光功率和低的噪声。 4 光孤子通信中孤子能量补偿放大器：e d f a 具有频带宽、功率大和放大超短 脉冲信号的能力，使得光孤子的长距离传输成为可能，光孤子通信的研究再 次见热潮。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，但损耗会使光孤子的能量随着传输距离下降，而e d f a 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。 1 2 3 系统应用中主要存在的问题： 1 补偿光纤色散和非线性效应对系统性能的影响。由于e d f a 能够提供足够的 增益，使得信号的传输距离大大延长，但是随着信号曲率的不断提高，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d c f 、反色散光纤r d f 、预啁啾、频谱反转、色散管理传 输法等。 2e d f a 增益的平坦化，克服随增益不平坦而带来的自滤波效应。在 w d m e d f a 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。 3 消除光浪涌。e d f a 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，e d f a 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e d f a 泵浦功率来消除光浪涌。 4 进一步提高泵浦光源l d 的输出功率，并且要保证足够长的寿命 5放大器的各部分尽可能的小型化 。 本文主要做的工作： 本文主要从理论上研究分析了掺铒光纤放大器的基本工作原理及其应用并 且在实践上完成了其泵浦光源电路的设计和调试，并将其组成实际的e d f a 光路 第一章绪论 进行了各项必要的测量和分析。 1 研究分析了e d f a 的工作机理、各项特性( 如增益特性，噪声特性等 以及e d f a 的构成) ，为e d f a 的研制应用提供一定的理论依据。 2 理论上阐述了e d f a 泵浦光源配套电路的原理，在实践上设计并制作调 试了可实用化的泵浦光源的驱动电路及温度控制电路，试验表明l d 的 工作状态安全稳定，避免了l d 因过压，浪涌等造成的损害，并能保证 l d 在恒温下工作。 3 提出了完善e d f a 泵浦光源配套电路的一些方案，如自动功率控制电路， 自动增益控制电路，是否对输入光信号进行光放大的判定机制，改用贴 片元器件以使电源更加小型化等，并对其中的一些方案给出了具体的设 计方法。 4 将调试成功的e d f a 泵浦源驱动电路和其他必要的器件( 掺铒光纤，隔 离器，耦合器等) 组成实际的e d f a ，进行了各项参数的具体测量分析， 如不同条件下的增益，噪声等，从实践的角度上分析说明了e d f a 的工 作原理和各项特性，同时也说明了所设计制作好的e d f a 泵浦源驱动电 路可以稳定的正常的工作，可实用化。 第二章掺铒光纤放大器的原理研究 第二章掺铒光纤放大器的原理研究 2 1 掺铒光纤放大功能的基本原理 在石英光纤的纤芯之中，如果掺入一些三价稀土金属元素，如铒，镨，钕等， 即形成了一种特殊的光纤，这种光纤在泵浦光的激励下可放大光信号，因此也被 成为有源光纤。目前应用最为广泛的是掺铒光纤放大器( e d f a ) 。 铒( e r ) 是一种稀土元素( 属于镧系元素) ，原子序数6 8 ，原子量1 6 7 3 。 在制造光纤的过程中，设法向其掺入一定量的三价铒离子( e r ”) ，便形成了掺 铒光纤。 掺铒离子的光谱特性是指铒离子的吸收和荧光特性，是分析和了解掺铒光纤 放大器特性的重要基础，放大器的增益谱特性、泵浦功率、泵浦波长、输出功率、 功率转换效率及噪声系数等，都与这一特性有关。 掺铒光纤是三能级系统。光放大利用了镧系元素的4 f 能级，图2 1 是e r 的能级图。在掺铒光纤中，由于石英基质的作用，4 f 的每一个能级分裂成一个能 9 8 图2 - 1e r 3 + 的能级图 4 i 】l ，2 o 15 7 0 r i m 4 1 1 5 ，2 带。图中4 i 眦能带称为基态；4 1 1 3 ，2 能带称为亚稳态，在亚稳态上粒子的平均寿 命时间达到1 0 m s ；4 i l l 尼能带成为泵浦态，粒子在泵浦态上的平均寿命为1ps 。 除图中标出的吸收带外，e ，还有8 0 0 r i m 和1 4 8 0 n m 等其他吸收带，例如4 1 9 2 ， 4 f 9 2 。 第二章掺铒光纤放大器的原理研究 图2 2 为以g e 0 2 - - s i 0 2 为宿主的掺e r 3 玻璃的吸收和荧光谱特性。 图中的荧光谱特性采用虚线来表示，由图可以看出电子能级跃迁与荧光峰 之间的对应关系。 能级的展宽对于光放大器来说是一个很有用的特性，因为这样可以增加被 放大信号光的频率或者波长的范围。由于9 8 0 n m 和1 4 8 0 r i m 光波的泵浦效率高于 名 占 、 唱 一 赢 霹 、 擎 馨 波长( r t l l t ) 图2 - 2 吸收和荧光谱特性 其他光波长的泵浦效率，故得到了广泛的应用，相应波长的大功率半导体激光器 已完全商用化。 掺铒光纤能够放大光信号的基本原理在于：铒离子在未受到任何激励的情况 下，处在最低能级4 i 眦( 基态) 上，当泵浦光入射，铒离予吸收泵浦光的能量， 南基态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能 级，当用9 8 0 r i m 波长的光泵浦时，e r 3 + 从基态跃迁至泵浦态4 i m 。由于泵浦态上 载流子的寿命只有lus ，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，亚稳态上的粒子数积累，从 而实现了粒子数分布反转。当有1 5 5um 信号光通过已被激活的掺铒光纤时，在 信号光的感应下，亚稳态上的粒子以受激辐射的方式跃迁到基态。对应于每一次 跃迁，都将产生一个与感应光子完全一样的光子，从而实现了信号光在掺铒光纤 的传播过程中的不断放大。在放大过程中，亚稳态的粒子也会以自发辐射的方式 第二章掺铒光纤放大器的原理研究 跃迁到基态，自发辐射产生的光子也会被放大，这种放大的自发辐射会消耗泵浦 功率并引入噪声。当用1 4 8 0 r i m 波长的光泵浦时，e ，从基态跃迁至该能带的上 部，然后粒子以非辐射方式迅速由泵浦态豫驰至亚稳态，积累于亚稳态。 2 。2 掺铒光纤放大器的结构 2 2 1 e d f a 的工作原理 e d f a 主要由掺铒光纤( e d f ) 、泵浦光源、耦合器、隔离器等部件组成， 结构如图2 3 所示。 图2 - 3e d f a 的基本结构 光耦合器：是对光信号实现分路、台路、插入和分配的无源器件，主要用于 数据母线和数据线路的光信号的分路和接入以及从光路上取出探测光，以了解发 光件和传输线路的特征和状态。在这里的作用是将信号光和泵浦光合在一起， 一般用波分复用器来实现。光耦合器大致可以分为四类：微元光件型、光纤成形 型、光纤对接耦合型和平面波导型。要求光纤耦合器插入损耗小，对偏振不敏感， 耦合效率高，耦合频带具有一定的宽度且耦合效率平坦。 光隔离器：是在光通路中防止光反射回光源，即只允许光单向传输的无源器 件。一般来说，光反射会干扰器件的正常输出，产生种种不利影响，如强度涨落、 噪声增加和频率漂移等。另一方面，输入端可能有因放大的自发辐射反向传播引 起的干扰，输出端可能有来自下端的逆向反射，如果输入端附近的反向a s e 光 的功率过大则会严重消耗反转的粒子，使得噪声系数增大，最大增益受到限制。 因此必须降低输入端附近的反向a s e 光功率。光隔离器在此的主要作用就是抑 制光反射，消除干扰，防止连接点上反射引起 激光振荡，以确保光放大器的 工作稳定。对光隔离器的要求是：插入损耗小于l d b ，与偏振无关，隔离度优于 4 0 d b 。 第二章掺铒光纤放大器的原理研究 泵浦光源：为光信号的放大提供能量，实现粒子数反转。如前面所述，9 8 0 n m 和1 4 8 0 r i m 的泵浦光波较其他泵浦波长有优势，且其l d 已经商品化，所以一般 承用9 8 0 n m 和1 4 8 0 n m 的半导体激光器做泵浦。9 8 0 r i m 泵浦源的吸收区为9 7 5 9 8 5 n m ，可用波长范围仅1 0 r i m 。在相同的泵浦条件下，9 8 0 n m 泵浦源在非饱和 区有高的增益系数，比1 4 8 0 r t m 泵浦源的增益大一倍，而且它的噪声系数可达3 d b 的量子限，适合于作高增益的前置放大泵浦源。1 4 8 0 n m 泵浦源的吸收区为1 4 5 0 1 4 8 5 n m ，有3 9 n m 波长范围可用。1 4 8 0 r i m 的光波泵浦所带来的噪声比9 8 0 n m 的 光波泵浦大，但相对于9 8 0 泵浦来说，目前1 4 8 0 n m 泵浦源能够提供更高的泵浦 功率，因此1 4 8 0 r i m 泵浦在实现高输出功率的放大器中得到应用。1 4 8 0 r i m 泵浦 的另一个优点泵浦光能够在传送信号光的硅基光纤中以低的损耗进传输，因此泵 浦激光器可以放在离放大器较远的地方。这个特点在某些系统中被应用来避免在 传送线路中间放置任何的有源器件。对实用的e d f a 的泵浦l d 的基本要求是微 分效率高、稳定性与可靠性高、输出光束质量好，工艺成熟、成本低。关于泵浦 光源的具体的电路设计，在后面的章节有详细的讨论。 光滤波器：主要用于减低自发辐射( a s e ) 噪声对系统的影响。在受激辐射 过程中，有少部分粒子以自发辐射的形势跃迁到基态，产生带宽极宽且杂乱无章 的光子，并在传播中不断得到放大，消耗了部分泵浦功率，形成了自发辐射噪声， 因此，应增设光滤波器。基本要求为通带窄，中心波长应与信号光波长一致，插 入损耗小。 2 2 2 e d f a 的几种基本形式： f 1 ) 同向泵浦 这种泵浦方式也叫前向泵浦，结构如图2 3 所示，信号光和泵浦光从掺铒光 纤的同一端注入，在掺铒光纤中按相同的方向传送。其特点是噪声性能比较好。 f 2 ) 反向泵浦 图2 4 反向泵浦方式的e d f a 结构 第二章掺铒光纤放大器的原理研究 这种结构也称为后向泵浦，结构如图2 - 4 所示，泵浦光和信号光分别从掺铒 光纤的两端注入，在掺铒光纾中的传送方向相反。其特点是具有较高的输出信号 功率。 ( 3 1 双向泵浦 结构如图2 5 所示，使用两个泵浦源从掺铒光纤的两端同时注入泵浦光的方 式。其特点是具有更高的输出信号功率，最多可以比单向泵浦型多3 d b ，且放大 器的性能与信号的传输方向无关。 凡s 助f 信号光袖 光隔离嚣光耦台嚣厂k 、光摘台器光隔离磐光馥设器信号光铀曲 - = 兰芒三 _ ，虬2 气刮p 1 f t p i 夏俏光 f 1 口 l 量泊光 图2 5 双向泵浦方式的e d f a 结构 2 2 3e d f a 实用模块的典型结构 在e d f a 模块中，还配有泵浦源驱动电路和监控系统，这样才能使e d f a 功 能化，实用化。一般的实用化e d f a 模块的结构如图2 - 6 所示。 信号售人 控制总线 、， 图2 - 6 实用e d f a 模块的典型结构图 出 第二章掺铒光纤放大器的原理研究 从图中可以看出，一般的实用化e d f a 模块应该配备有电源、温度、泵浦 功率和信号功率控制电路。图中c 为光纤连接器，d 为光探测器，e d f 为掺铒 光纤，f 1 、f 2 为光滤波器，t 为光纤分支。由泵浦l d ，光隔离器，耦合器，e d f ， 滤波器构成基本的e d f a 光路结构。监控系统由温度、泵浦功率和信号功率控制 电路组成。对泵浦功率的控制是从泵浦l d 的输出泵浦光中提取光信号，由光探 测器探测接收将信号送至泵浦功率控制电路进行分析，确定泵浦l d 输出功率发 生何种变化从而对发出电源相应的调整信号以实现对泵浦l d 输出功率的控制。 对信号功率的控制是通过从如图所示e d f a 光路中的结点处提取信号光信号，经 滤波器滤波送至光探测器接收后，送到信号功率控制部分。信号功率控制部分对 信号光的功率进行分析确定信号光的变化状态，从而对电源发出相应控制信号以 实现对信号光功率的控制。温度控制部分则是从泵浦l d 直接提取信号，确定 l d 温度发生的变化，从而对l d 的温控设备进行相应的调整以实现对其温度的 控制。通常泵浦l d ，l d 的驱动电源以及温控部分被看为一个模块，如图中所 示相连。 2 3 掺铒光纤放大器的基本特性分析 2 3 1e d f a 的增益特性分析 e d f a 的增益是指输出与输入信号光功率电平之比。 f 1 1e d f a 的增益谱特性 波长l p m j 图2 7 纤芯掺锗的e d f a 的增益和吸收谱 第二章掺铒光纤放大器的原理研究 图2 8四种不同纤芯成分的e d f a 的增益谱 e d f a 的增益随着入射信号光波长的变化的特性称为增益谱特性，图2 7 是 纤芯掺锗的e d f a 的增益和吸收谱。增益谱相当宽，且具有双峰结构。增益谱的 形状和宽度对纤芯的组成成分是敏感的。 图2 8 所示的是四种不同纤芯成分的发射谱。图中可以看出，纯硅基光纤的 增益谱最窄，而掺杂了氧化铝后增益谱得到了很大的改善，展宽且平坦了许多。 e d f a 的增益谱特性主要决定于两个因素：( 1 ) e d f 的受激吸收和受激辐射截 面的线型。( 2 ) 沿e d f 长度方向上非均匀粒子反转引起的增益系数变化。因此， 除了与e d f 的材料有关外，还和其他许多因素有关，譬如铒离子掺杂浓度、掺 铒光纤的长度、铒光纤的芯径、信号光功率，泵浦功率等。此外，也与泵浦系统 是二能级还是三能碱有关，只有在三能级系统中才能实现完全粒子数反转。 在小信号放大的条件下，当忽略光纤的背景损耗时，e d f a 的增益可表示为 式( 2 1 ) ： 式中 g ( ：t , ) - - g + k ，0 ( o ) 】= g 一阮，0 0 ) 】 = 唧 爿销啡粕n 捌) ( 2 - 。 第二章掺铒光纤放大器的原理研究 p a l ) = 只( o ) e x p ( _ 爿。) 驴捌 笔群一掣 ( 2 2 ) ( 2 3 ) 在上面各式中，。，。为泵浦光和信号光的铒掺杂吸收系数，它们不同于 一，、 光纤本身的固有损耗。刁以) 为唯像截面比，等于! ：筹，其中吒) 、吒以) 分别 o a t 几j 为波长 处的受激辐射截面和受激吸收截面，可由试验测定。叩。) 、叩阮) 分别 为泵浦光和信号光的唯像截面比。p p ( o ) 和p p ( l ) 分别为单端泵浦时的输入和输出 端的归一化泵浦光功率，若p ，( o ) 大于p ，( l ) 则表示正向泵浦，g k ，p p ( o ) 】、 g 一 k ，p 。( l ) 分别表示在正向与反向泵浦时的增益。式2 - 1 显示，增益不仅与 泵浦波长、输入泵浦功率、铒光纤结构、长度和掺杂分布有关，而且正反向泵浦 时增益大小相等。根据上述的关系，则具体可以计算出增益谱的特性。 因为在一定波段内，不同波长的增益水平不同，因此e d f a 的增益成为波长 的函数。随着波分复用技术( w d m ) 的出现，e d f a 被用来同时放大许多个波 长。而且，e d f a 还被级联应用于累计超过1 0 0 0 公里的w d m 信号放大。如果 e d f a 的增益谱在w d m 信号的整个工作波段上不平坦，信道之间的增益只差几 个百分点，当信号到达接受端的时候，信道之间的能量差将变得很大，这将降低 整个系统的性能。因此，许多技术也被开发出来，来实现增益的平坦化，扩展可 用带宽，如到8 0 n m 。主要的方法有利用介质膜光滤波器、长周期光纤光栅、声 光调制滤波器、级联e d f a ，e d f a 和拉曼放大器混合使用等方法。 ( 2 ) e d f a 的增益与泵浦功率的关系 图2 - 9 所示的是铒光纤长度为1 4 m 时的增益特性。 图中可看出波长为1 5 3 0 r i m 和1 5 5 0 h m 的信号光的增益随着泵浦光的光功率 的变化情况。1 5 3 0 h m 和1 5 5 0 h m 是e d f a 所使用的两个具有代表性的主要的信 号光波长，入射的信号光均为小信号。小信号增益是指e d f at 作在线性范围内 时的增益。泵浦波长分别为9 8 0 n t o 和1 4 8 0 n m 。所用光纤为掺铝锗的掺铒光纤。 由图中可以看出，9 8 0 h m 的泵浦波长较1 4 8 0 h m 在高泵浦能量时能获得更高的增 益。这是因为9 8 0 h m 的泵浦波长较1 4 8 0 h m 可以实现更高的粒子反转。在高功率 泵浦下，1 5 3 0 n t o 的信号波所获得的增益要高于1 5 5 0 h m 。从图中还可以看出， 第二章掺铒光纤放大器的原理研究 莒 一 棚 餐 心 妊 图2 - 9 铒光纤长度为1 4 m 时的增益特性 1 5 5 0 r i m 信号波要达到增益阈值所需要的泵浦能量要小于1 5 3 0 r i m 。因为1 4 8 0 n m 泵浦的量子效率要高于9 8 0 h m 泵浦，所以增益阈值相对较低。从图中也可以看 出1 4 m 长度e d f a 的饱和特性，即泵浦功率增加很多，而增益基本保持不变。 ( 3 ) e d f a 的增益与输入光功率的关系 图2 1 0 为e d f a 的增益和输入光功率的曲线关系图。 国 v 捌 舅 输入地功率q b 曲 图2 1 0 输入光功率与增益的关系曲线图 从图中可以看出。当输入光功率较小的时候，g 近似为常数，即输入光功率 第二章掺铒光纤放大器的原理研究 和输出光功率成正比。此时的增益称之为光纤放大器的小信号增益，基本上是线 性的。当输入光功率增大到一定值的时候，再增大输入光功率，光纤放大器的增 益开始下降，这就是光纤放大器的饱和现象。其原因是放大信号消耗了高能级上 的粒子而泵浦源不能及时将其补充的缘故。当光纤放大器的增益降至小信号增益 下的3 d b 时所对应的输出功率称之为饱和输出功率。饱和输出功率随着泵浦光 功率的增加而增大。因此，当光纤长度一定时，为了增加光纤放大器的饱和输出 功率，有时采用双泵浦。 ( 4 ) e d f a 的增益与光纤长度的关系 图2 1 1 所示的是小信号增益随着光纤长度的变化而产生的变化情况。 光纤长度i ) 光拜长壅哪 图2 11 信号增益随着光纤长度的变化图 信号光波长分别为1 5 3 0 ，1 5 5 0 r i m ，泵浦光波长分别为9 8 0 r i m 和1 4 8 0 n m ， 泵浦功率均为4 0 m w ，入射信号光功率为- - 4 0 d b m 。 对于一定的泵浦光功率，如果掺铒光纤的长度超过了一定的范围，泵浦光功 率将消耗到阈值之下，其能量不足以使掺铒光纤中的粒子数反转，此时掺铒光纤 将消耗信号光功率，其增益系数变为负数，这样就存在一个可以获得最大增益的 最佳长度。 对1 5 5 0 r i m 的信号光波，在相同的泵浦功率下，1 4 8 0 n m 泵浦光较9 8 0 n m 泵 浦光能够达到更高的增益最大值。相对于9 8 0 r i m 的泵浦光来说，1 4 8 0 n m 的泵浦 光能够在较长的光纤中维持必需的粒子反转数水平，这是因为1 4 8 0 n m 泵浦具有 更高的量子效率，这使得信号光可以增强到更高的最大值。而对于1 5 3 0 n m 的信 号光来说，情况却相反。这是因为1 5 3 0 r m a 的信号波的放大需要更高的粒子反转 第二章掺铒光纤放大器的原理研究 数，受益于更高的粒子