（通信与信息系统专业论文）掺er光纤的研究与应用.pdf

i e 哀窑道太堂亟堂焦论塞生塞煎噩 中文摘要 摘要：随着稀土掺杂光纤和密集波分复用( d w d m ) 光纤通信技术的发展与 应用，研究各种结构新颖和s 波段的掺铒光纤放大器( e d f a ) 技术成为当前光纤 与光电子技术领域发展的一个非常熏要的方向。e d f a 具有噪声低、增益高、带宽 大、泵浦效率高和稳定的工作性能等优点，广泛地应用于各种光通信系统中特别 是波分复用( w d m ) 系统中。但是随着w d m 系统以及d w d m 系统传输信道的 不断增加和传输码速的不断提高，如何利用现有的光纤带宽，进一步提高通信容 量。满足这种日益膨胀的要求，已经成为光纤通信研究追逐的目标。石英光纤的 低损耗窗口是1 4 5 0 1 6 5 0 n m ，但是c 波段的e d f a 和l 波段的e d f a 只覆盖了 1 5 3 0 1 6 1 0 n m 的范围。开发并使用s 波段的光放大器是充分利用光纤的带宽和提 高系统容量的有效途径之一。 本文首先对掺铒光纤放大器的发展史和国内外的研究进展进行了介绍，分析 了已有的几种主要光放大器的结构和优缺点，在此基础上对基于g i l e s 模型和s 波 段的掺铒光纤放大器和设计方案进行了较为深入和详细的研究，主要工作包括： 1 、详细的介绍了掺铒光纤放大器的发展历史以及在实际当中的应用，总结了 其优点和缺点。 2 、全面的分析了掺铒光纤放大器的工作原理和结构特征，对比和分析了掺铒 光纤的不同制作方法和优缺点，同时对掺铒光纤在不同泵浦波长情况下的能级跃 迁过程进行了比较。 3 、对e d f a 的能缴模型进行了详细的剖析，对其模型的数值模拟方法进行了 详细的推导和分析，在此基础上引用g i l e s 模型，并应用该模型对e d f a 的a s e 特性进行了深度的研究。 4 、从高浓度的掺铒光纤放大器出发，总结和分析了各种常见的猝灭理论模型， 对掺铒光纤放大器猝灭理论模型提出。些完善的方案。 5 、对s 波段的光放大器的国内外发展现状做了详细的分析和研究，分析了当 今的一些s 波段光放大器的原理，在此基础上对s 波段的掺铒光纤放大器进行了 模型的完善，并进行了仿真、分析和总结。 关键词：掺铒光纤放人器；密集波分复用：猝灭模型；s 波段 分类号：t n 2 5 3 a b s t r a c t ：w i t ht h er a p i dd e v d o p m c n ta n d a p p l i c a t i o n so f r a r e e a r t l ac i o p , x l f i b e rm a dt h cd w d m t e e l m o l o g y i no p t i c a lf i b e rc o m m u n i c a t i o n s ，e d f aw i t hv a r i o u s n o v e ! s t r n _ e t u r e sa n ds - b a n db 啪eah o ta n dk e yr e s e a r c hf i e l di no p t o e l e c t r o n i e d e v i c e d u et ot h ea d v a n t a g e so f l o wn o i s e , b i gp l u s , l a r g eb a n d w i d t h , h i 9 1 lp u m p i n g e f f i c i e n c ya n dg o o dw o r kp c d b 衄峨i t i sa p p l i e d w i d e l yi nv a r i o u sf i b e r c o m m u n i c a t i o ns y s t e ms p e c i a l l yi n t h ew d m s y s t e m h o w e v e r , w i t h t h et r a n s m i s s i o n c h a n n e l si n c r e a s i n ga n dt h et r a n s p o r tc o d es p e e di m p r o v i n go f t h ew d ma n dd w d m s y s t e m s , i m p r o v i n gc o m m u n i c a t i o nc a p a b i l i t yf a r t h e rt om e e tt h ee x p a n d i n g i n c r e a s i n g l yd e m a n dh a sb e e nt h eg o a lf o rf i b e rc o m m u n i c a t i o nr e s e a r c ht op u r s u e t h e l o wu l l a g ew i n d o wo f q u a r t zf i b e rr a n g e sf r o m1 4 5 0 n mt o1 6 5 0 h m , b u te d f ai nca n d l - b a n d l a i d o n l y o v e r1 5 3 0 - 1 6 1 0 n m d e v e l o p a n d m a k i n g u 辩o f e d f a i n s - b a n d i s o n e o f t h ea v a i l a b l ea p p r o a c h e st om a k ef u l ll j s eo f t h ef i b e rb a n d w i d t ha n di m p r o v et h e c a p a b i l i t yo f t h es y s t e m i nt h i st h e s i s ，t h es t a t u sa n dp r o g r e s s e so f e d f al t r l oi n t r o d u c e da n dt h e c o n f i g u r a t i o na n dp r i n c i p l eo f e x i s t i n ge d f aw e r ea n a l y z e da n dd i s c u s s e d , t h ee d f a b a s e do i lt h eg i l e sm o d e la n ds - b a n dw e l e d e e p l ys t u d i e di nd e t a i l s t h em a j o rw o r k s a n dr e s u l t so b t a i n e da 嬲f o l l o w i n g ： 1 i n t r o d u c e di nd e t a i l st h ed e v e l o ph i s t o r yo fe d f aa n di t sp r a c t i c a la p p l i c a t i o n , s u m m a r i z e di t sa d v a n t a g e sa n d d i s a d v a n t a g e s 2 m a i n l yf o c u s0 1 3 a n dd i s c u s st h ep r o r , e r t i e so fe d f a , c o n t r a s ta n da n a l y z et h e d i f f e r e n tf a e t u r em e t h o d s ，m e a n w h i l et h ec o n t r i b u t i o no fp u m pi nd i f f e r e n tw a v e l e n g t h w l 。l ea l s oa n a l y z e d 3 e n e r g yl e v e lm o d e lo fe d f aa n di t sn u m e r i c a lv a l u es i m u l a t i o nm e t h o d a n a t o m i z e di nd e t a i l ，c i t i n gg i l e sm o d e lo i lt h eb a s i sa n da p p l y i n gt h em o d e lt h ea s e c h a r a c t e r i s t i c o f e d f a i ss t u d i e d d e e p l y 4 b a s e do nh i g ht h i c k n e s se d f a , s u m m a r i z ea n da n a l y z ea l lk i n d so f a b r u p t l y p 盱i 姗t h e o r ym o d e l ，a n db r i n gf o r w a r ds 锄ep e r f e c ts c h e m e s 5 i n t r o d u c e dd e t a i l e di ns - b a n df i b e ra m p l i f i e ra ti l o m ea n da b r o a da n da n a l y s e d t t l e i rp r i n c i p l e , o nt h i sb a s i se d f am o d e lw c l ep e r f e c t e d , a n ds i m u l a t i o n , a n a l y s i sa n d s t n n m a t yw c l ed o n e k e y w o r d s ze d f a , d w d m , m o d e lo f q u e n c h i n g , s - b a n d c l a s s n 0 ：t n 2 5 3 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解北京交通大学有关保留、使用学位论文的规定。特 授权北京交通大学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： 矽毒立 签字日期：阳0 年陟月26 日 ， 导师签名象崔 签字日期9 7 年肛月吵日 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，也不包含为获得北京交通大学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。 学位论文作者签名：乃雹速二签字日期：砂。7 年f2 ，月2 7 日 5 0 致谢 首先，在这里衷心感谢尊敬的导师魏淮教授，从论文的选题、理论分析、建 模仿真等，魏老师都悉心的、严谨的给予我指导，此外，在研究生的这几年学习 生涯中，魏老师对学生的谆谆教导、亲切关怀使学生百般感激。老师渊博的知识、 严谨的治学态度、宽厚的待人品德以及对国内外学术动态敏锐的洞察力，这一切 都使我受益匪浅、终生难忘。 此外，还要感谢我的舍友张继来和张应禄以及0 5 级光波班其他同学，他们无 私的帮助和不吝赐教让我在写论文过程中学到了很多新知识，少走了一些弯路。 在此再次向他们表达我的崇高敬意和感激之情。 还要感谢光波技术研究所的所有老师，他们提供我们如此优良的学习和科研 环境，如此浓厚的学习氛围和严谨治学的文化让我终身受益。 最后也感谢我的家人和朋友，他们的理解和支持使我能够在学校专心完成我 的学业。 第1 章绪论 传统的光纤通信仅限于石英光纤的几个所谓低损耗窗口，即8 5 0 n m 、1 3 1 0 r i m ， 和1 5 5 0 n m 波长的单路传输，增加系统容量的唯一方式是采用电时分复用( e 1 d m ) 技术提高光纤的传输速率9 0 年代初期，2 5 g b s 技术商用化，紧接着1 0 g b s 技 术进入试验系统，随后掺铒光纤放大器( e d f a ) 实用化，这些技术进步大大提高 了海底中继传输和陆地长途通信系统的容量，降低了成本。同时以光波分复用器 件产品的技术进步为背景，加上e t d m ，9 0 年代中期密集波分复用技术( d w d m ) 迅速实用化。今近几年来，伴随因特网爆炸性发展引起的数据通信量巨增，利用 d w d m 技术使系统大容量化进展惊人，2 5 g b s x 3 2 、2 5 g b s x 6 4 、2 5 g b s x l 2 8 路， 以及1 0 g b s x l 6 、1 0 g b s x 3 2 、1 0 g b s x 6 4 、1 0 g b s x 9 6 路系统相继进入商品市场。 4 0 g b s 技术可望很快实用化，大比特( n s ) 容量系统正在试验中，即将商品化。 在d w d m 的发展中，如果说光源与光接收器件在提高单路速率中起着关键作用 的话，那么波分复用解复用器、光放大器则在增加频道数量中发挥着核心作用。 二者的结合使目前的大容量宽带技术的发展如虎添翼。 1 1光放大器的发展简史 光放大器的发展最早可以追溯到1 9 2 3 年a 斯梅卡尔预示的自发喇曼散射。 1 9 2 8 年印度加尔各答大学的喇曼观测到自发喇曼效应。1 9 5 3 年约翰冯诺伊曼用 半导体作了首例光放大实验。1 9 6 2 年科学家利用激光作光源观测到受激喇曼效应。 同年有人发表了利用受激喇曼效应可制作光放大器的论文。1 9 6 4 年美国光学公司 首次演示了1 0 6 t m 纤维放大器。1 9 7 0 年美国和原苏联同时披露制成世界首件室 温下连续工作的半导体激光器。同年康宁公司制成低损耗光纤，使光纤的损耗首 次降到2 0 d b k m 以下。1 9 8 6 年，南安普顿大学同时制成了掺饵光纤放大器( e d f a ) 1 9 8 9 年安捷伦科技有限公司制成首件半导体光放大器( s e m i c o n d u c t o ro p t i c a l a m p l i f i e r ，s o a ) 产品。1 9 9 9 年分子光电子公司和蒂姆光子公司制成首件掺饵波 导放大器( e r b i u m d o p 。d w a v e g u i d e a m p l i f i e r ，e d w a ) 产品。在1 9 9 9 年l o 月举 办的日内瓦国际电信展览会上，朗讯公司展示了一种拉曼放大系统。2 0 0 1 年喇曼 放大器( r o m a n a m p l i f i e r ，r a ) 得以更广泛的应用 自从英国南安普顿大学的裴恩( d p a y n e ) 等科学家发现掺铒光纤可以作为 1 5 5 0 r i m 波长区的光放大器并实际研制出第一台具有2 5 d b 的小信号增益的掺铒 光纤放大器( e d f a ) 后，由于各国科学家的努力，今天的e d f a 大量商用于各类 光纤通信系统，极大的推动了光纤系统应用的发展，可以说e d f a 的出现是光纤 通信技术的一场大变革。由于e d f a 是直接对光信号进行放大，从而可以显著增 大中继距离，使超长距离传输成为可能，实行波分复用提高系统传输的前景更加 明朗；e d f a 在h f c ( 混合光纤同轴) 接入网中的应用，能有效补偿光功率分配 损耗，扩大覆盖范围，降低成本造价。总之，e d f a 商用化使光纤传输网补偿光 衰减，是实现高速率、覆盖面的超长距离和大通信系统的重要手段 1 2几种常见的光放大器 光放大器按照原理的不同大体上分为三类： ( 1 ) 半导体激光放大器，其结构大体上与激光二极管( l a s e rd i o d e ，l d ) 相 同。如果在法布里一珀罗腔( f a b r y - p e r o tc a v i t y ，f - p ) 两个端面镀反射率较低的 介质膜就形成f - p 型l d 光放大，又叫驻波型光放大；如果在两端面根本不镀反 射介质膜或者镀增透膜则形成波型光放大半导体激光器指的是前者，而半导体 光放大器指的是后者 ( 2 ) 传输光纤放大器，其中有受激喇曼散射( s t i m u l a t e dr l m l a ns c a t t e r i n g ， s r s ) 光纤放大器( f i b e rr a m a na m p l i f i e r ，f r a ) 、受激布里渊散射( s t i m u l a t e d b r i l l i o u i ns c a t t e r i n g ，s b s ) 光纤放大器( f i b e rb r i l l i o n a m p l i f i e r ，f b a ) 和利用四 波混频效应( f w m ) 的光放大器等 ( 3 ) 掺杂光纤放大器，就是利用稀土金属离子作为激光工作物质的一种放大 器。将激光工作物质掺与光纤芯子即成为掺杂光纤。目前最为成功的典型是掺饵 光纤放大器，掺镨光纤放大器( p r a s e o d y m i u mi ) 0 p e df i b e ra m p l i f i e r ，p d f a ) 等 其他掺杂物质的光纤放大器也在研制开发中。 这几种类型的光放大器的工作原理和激励方式各不相同。掺杂光纤放大器和 半导体光放大器是利用介质的离子数反转实现光放大，传输光纤放大器则是利用 光学非线性效应而实现光放大。前两类光放大器是依靠光激励来实现光放大，而 半导体放大器则是依靠电激励实现光放大。对于半导体激光放大器：它采用的是 电流注入直接泵浦方式，结构简单，稳定可靠；但是也有以下几个缺点，波导结 构与光纤耦合匹配不好，耦合损耗非常大，并且对极化非常敏感，又由于多信道 同时放大时存在较大的交调而产生串话，放大器增益线性度不够好，对于模拟信 号( 如常用的a m - v s b 调制) 都会产生较大的失真，噪声系数达到5 2 d b 以上 对于光纤喇曼放大器：它的优点是宽带和低噪声；但也有一些缺点，这种分布式 放大器的使用没有半导体激光放大器之类的集中式放大器的使用灵活，为获得更 大的放大系数，必须提供强泵浦功率，比如要获得3 0 d b 的增益，对于1 k m 长的 2 光纤，在忽略光纤损耗的情况下，要求5 w 的泵浦功率，因此其应用要受到一定 的限制。光纤布里渊放大器的增益能获得可观的数值，但是其放大的带宽非常窄， 不适合作为光波通信系统中的功率增强器、在线中继放大器、以及前置放大器， 因此光纤布里渊放大器的应用不广。对于半导体光放大器( s o a ) ，其具有高达3 0 3 5 d b 的增益 3 9 1 ，此外行波放大器有很高的相应带宽可以对窄带至几个p s 的超窄 光脉冲进行放大，另外一个重要优点就是可以与光发射机、光接收机等器件单片 集成。但是其也有非常大的缺点，首先是信道间的交叉串绕较大，耦合损耗较大， 这就使得其噪声指数增大，再次是载流子寿命较短( 2 0 0 p s ) ，这些缺点都使其商 用化也受到了很大的限制。 1 3e d f a 的优缺点 掺铒光纤放大器( e d f a ) 的工作波长为1 5 5 0 n m ，与光纤的低损耗波段一致， 是最具有吸引力和最为成熟的光纤放大器它具有如下优点： ( 1 ) e d f a 的信号增益谱很宽，达3 0 r i m ( 每1 1 1 1 1 折合1 2 5 g h z ) 或更高，可用 于宽带信号的放大，尤其适合于密集波分复用( d 哺d m ) 光纤通信系统。 ( 2 ) 光纤放大器可以用来控制现有通信网络的带宽利用率。目前已有人通过 级联的2 4 d b m 的光纤放大器和d w d m 技术在一根光纤中传输1 0 g b s x l 2 8 路的数 据流，使单模光纤的总数据率达到太比特以上( 1 w s ) 。在密集波分复用( d w d m ) 系统中，高饱和功率的e d f a 可用来弥补每个通道的光损耗，扩展带宽载波能力。 由于光纤放大器对信号光功率的放大与信号的码率无关，所以使用光纤放大器的 网络可以在现存的网络基础上增加发射机，以满足未来对带宽的需要，这样可以 节省昂贵的发射设备并灵活地升级现存的网络，从而降低预算成本和相应的工程 造价【4 。 ( 3 ) e d f a 具有较高的饱和输出功率( 1 0 2 0 d s m ) ，可用作发射机后的功率 放大，提高无中继线路传输距离或分配的光节点数。网络设计者通过选用大功率 的光纤放大器可以使系统具有足够的富裕度，为以后的发展预留足够弹性。 ( 4 ) e d e a 与光纤线路的耦合损耗小( i d b ) ( 5 ) e d f a 具有较低噪声( 4 8 d b ) 。 ( 6 ) 增益与光纤的偏振态无关，故稳定性好。 ( 7 ) 驰豫的时间很大( 约1 0 m s ) ( 8 ) 所需的泵浦功率低( 数十毫瓦) 但是e d f a 也有固有的缺点： ( 1 ) 波长固定，只能放大1 5 5 a n 左右的光波，换用不同基质的光纤时，铒 离子能级也只能发生很小的变化，可调节的波长有限，只能换用其他元素。 ( 2 ) 增益带宽不平坦，在w d m 系统中需要采用特殊的手段来进行增益谱补 偿 4 0 1 。 1 4e d f a 在实际中的应用 掺铒光纤放大器在光纤通信系统中有如下面四个图中所示的几种主要应用方 式，而且不同的应用方式，对e d f a 的要求也不同。 1 e d f a 用作前置放大器 由于e d f a 的低噪声特性，使它很适用于作为接收机的前置放大器。应用 e d f a 后，接收机灵敏度可提高1 0 2 0 d b 。其基本概念是：在光信号进入接收机 前，使它得到放大，以抑制接收机内的噪声。如图1 1 所示。 这种放大器是小信号放大，要求低噪声，但是输出饱和功率则不要求很高。 它对接收机灵敏度的改善，与e d f a 本身的噪声系数有关。噪声系数越小，灵敏度 越高。但是它还与掺铒光纤放大器的自发辐射谱宽度有关，谱线越宽，灵敏度越 低。因而，为了减小噪声的影响，常在掺铒光纤放大器的后面加上光滤波器，以 用来滤除噪声刚。 磐树枧传输龙纤y 山 图1 1e d f a 作光纤前置放大器 f i g u r e l 1e d f a i n f i b e r p r e a m p l i f i e r 2 e d f a 用作功率放大器 功率放大器是将掺铒光纤放大器直接放在光发射机之后用来提升输出功率。 由于发射功率的提高，可以将通信距离延长1 0 2 0 k m ，延长的通信距离由放大器 的增益以及光纤损耗来决定。功率放大器除了要求低噪声以外，还要求高的饱和 输出功率【2 l 】，如图1 2 所示。应当注意的是：输入到光纤中的功率太高后将出现非 线性。非线性引起的效应有：消耗有用功率、散射光进入光源影响激光器的正常 工作、出现一些新的频率。所以再应用时候一定要注意光纤中各种非线性效应的 阀值。 4 光纤功 光接收端机 瑁 图1 2e d f a 作光纤功率放大器 f i g u r e l 2e d f a i nf i b e r p o w e r a m p l i f i e r 3 e d f a 用作线路放大器 掺铒光纤放大器用作线路放大器是它在光纤通信系统中的一个非常重要的应 用。用掺铒光纤放大器实现全光中继代替原来光一电一光中继，这种方式非常适 合在海底光缆应用。但是其最大的应用是在w d m 系统中，在原来的光一电一光 中继中，必须首先将各个信道进行解复用，然后分别用各自的光接收机转换成电 信号，电信号经过放大后用特定波长的光发射机转变成光信号，最后还要用波分 复用器进行光复用才完成再生过程 2 2 1 。可以想象，波分复用和波分解复用器件会 给线路带来多大的插入损耗，同时还需要多少个波长不同的激光器。有了e d f a 后，只需要用一个e d f a 就可以放大全部的光信号，当然要求所有的信号光在 e d f a 的平坦增益带宽内。e d f a 在线路中可以多级使用，但是不能无限制地增加， 因为光纤通信系统还要受到光纤色散和e d f a 本身噪声的限制等因素的限制。如 图1 3 所示 光纤中 继放大 舆菪规 传输光纤 一一一 图i 3e d f a 作光纤线路放大器 f i g u r e l 3e d f a i n f i b e rl i n ea m p l i f i e r 4 e d f a 在本地网络中的应用 掺铒光纤放大器可以在宽带本地网，特别是电视分配网中的应用。它补偿由 于分路带来的损耗以及其他损耗，极大的扩大了网径和用户数量 2 3 1 。如图1 4 所示。 5 党发遴l t i- l j ， 厂 薹l 。_ j q r _ 一 l卜_ l 图1 4 e d f a 在本地网络中的应用 f i g u r e l 4 e d f a i n t h ea p p l i c a t i o n o f l a n 1 5光放大器的国内外研究现状 光纤通信中用光纤来传输光信号。光纤的中继距离受限于光纤的损耗和色散。 就损耗而言，目前光纤损耗典型值在1 3 1 t m 波段为0 3 5 d b k m 左右，在1 5 5p m 波段为0 2 5 d b k m 左右。由于光纤损耗的限制使光纤的无中继距离为5 0 1 0 0 k m ， 而长距离光纤通信系统中，延长通信距离的方法是采用中继器。目前大量应用的 是光一电一光中继方式：首先将光信号转换为电信号，在电信号上进行放大、再 生、再定时等信息处理后，再将信号转换为光信号，经光纤传送出去【2 4 】。这样通 过级联的电再生器就可以建成很长的光纤通信系统，很明显这样的光电光中继器 需要光接收机和光发送机来分别完成光电变换和电光变换，设备负责，维护运转 不便，而且随着光纤通信的速率越来越高，这种光电光中继器在整个光纤通信系 统的成本越来越高，使得光纤通信的成本增加，性价比大大的下降。 以1 9 8 9 年诞生的掺饵光纤放大器( e r b i u md b p c df i b e r a m p l i f i e r , e d f a ) 代 表的光放大器技术可以说是光纤通信技术上的一次革命。在长途干线通信中，它 可以使光信号在光域内直接进行放大而无需要转换为电信号进行信息处理，用全 光中继器代替了原来的光一电一光再生中继，使原来每5 0 1 0 0 k m 就需要一次电 再生中继发展为1 6 0 k m 需要一次光再生中继、每6 0 0 8 0 0 k m 才需要一次电再生 中继，极大的延长了长电再生中继的距离，这使得通信成本大大的降低，设备简 化，运行维护方便f 2 5 1 。 光放大器在光纤通信系统目前最重要的应用是促使了波分复用技( w a v e l e n g t h d i v i s i o nm u l t i p l e x i n g ，w d m ) 走向实用化波分复用技术就是在一根光线上同时 传输多个不同波长的光载波的通信技术这种通信方式的优点在于它充分利用了 光纤的潜在带宽，使得光纤通信容量的增长方式从单纯的电时分复用方式转变为 通过复用更多的波长数来实现，极大地增加了光纤的传输容量。但是这种通信技 6 术最突出的问题就是每一个中继站都要将多信道信号分开，通过光一电一光转换 过程来对每一波长分别出来实现对光信号的放大，这就需要在每一中继站有数量 与信道数相对应的光纤通信设备，同时由于波分解复用器和波分复用器插入损耗 比较大( 目前实用波分复用器和波分解复用器的插入损耗的典型值均为8 d b 左 右) ，使得波分复用系统的中继距离接近于零，根本不能实用。掺饵光纤放大器的 成熟使w d m 技术迅速进入实用阶段，掺饵光纤放大器有数十到上百纳米的增益 带宽，一个e d f a 放大器就可以代替许多设备实现对w d m 系统的多信道光信号 同时进行放大，使得成本大大降低。更重要代替许多设备实现对w d m 系统的多 信道光信号同时进行放大，使得成本大大降低。更重要的是，波分复用技和e d f a 可以直接在原来已经大量铺设g 6 5 2 光纤网上直接使用 2 6 1 ，实现了光纤通信容量 的平滑升级，保护了运营商的原有投资，降低了成本。现在w d m + e d f a 已经成 了高速光纤通信网发展的主流，而且波分复用技术为未来全光通信网奠定了扎实 的基础。目前在国内各大通信运营商，包括政府和军队都建立了自己的波分复用 网络 光放大器促进了光接入网技术的蓬勃发展。以前的通信业务仅限于电话，但 是随着社会和技术的发展，高清晰电视、多媒体通信、互联网、电子商务开始走 迸千家万户，人们对信息的需求要求进入用户家庭的带宽越来越宽，但是只有光 纤才能满足用户将来对带宽的潜在需求，这就是光接入网的产生背景，而光放大 器几可以补偿光信号由于分路而带来的损耗，以扩大本地网的网径，增加用户， 最终实现光纤到桌面。应用e d f a 的光纤有线电视传输系统已于1 9 9 3 年投入使用， 在这种系统中，光的节点数、传输距离和光纤中光信号的光功率密切相关，e d f a 可以扩大网径和用户数，目前在我国已经大量采用e d f a 的光纤c a t v 网【2 ”。 光放大器还将促进光弧子通信技术的实用化。光弧子通信是利用光纤的非线 性来补偿光纤的色散作用的一种新型通信方式当光纤的非线性和色散二者达到 平衡时，光脉冲形状在传输的过程保持不变，光弧子通信的主要问题之一是光纤 损耗。光弧子脉冲沿光纤传输时，其功率逐渐减弱，这将破坏非线性与色散之间 的平衡。解决的方法之一就是在光纤传输线路中每隔一定的距离加一光放大器来 补充线路功率损耗，使光信号在传输过程中始终满足光弧子传输方程。可以说， e d f a 与光纤中的色散、非线性构成了光弧子通信这种新型的通信方式，同时解 决了光纤传输中的损耗与色散问题。在1 9 9 1 年，英国科学家利用e d f a 的光弧子 通信技术在实验室可以实现无中继传输1 0 0 万公里 2 m 目前在日本已经有了利用 光弧子通信技术的市话网 此外，光放大器是未来全光通信网中不可缺少的重要器件随着波分复用技 术的日益普及，光纤中传输的速率越来越高，光纤通信网络中任何电子器件都可 7 能成为光纤通信系统带宽的。瓶颈”，实现全光通信是光纤通信技术发展的必然趋 势光放大器的诞生从线路上解决了光纤通信的无电再生中继问题，它还必将与 曾出不穷的新器件，新技术组合在一起，逐步实现光纤通信系统的全光化 c 波段掺铒光纤放大器( e d f a ) 的成熟商用，使密集波分复用( d w d m ) 成为可 能，震撼了光通讯界，l 波段的光纤放大器也已经成熟，商用化正在进行但几 乎每年翻一番的数据通讯量使通讯带宽向s 波段拓展。s 波段损耗小，低于 0 2 5 d b k m ，它的弯曲损耗小于c 波段与l 波段。一些s 波段光纤放大器已陆续 展开了实验，其中包括掺铥光纤放大器( t d f a ) 、增益位移掺铥光纤放大器 ( g s t d f a ) 和1 4 5 0 1 5 2 0 r i m 的拉曼放大器( 鼬a ) 【2 川。 然而它们在简易性、可靠性和价格上比起传统的掺铒放大器要逊色多了。所 以研究s 波段的掺铒放大器有着潜在的意义。 1 6 本文的主要研究工作 本文首先对掺铒光纤放大器的发展史和国内外的研究进展进行了介绍，分析 了已有的几种主要光放大器的结构和优缺点，在此基础上对基于g i l e s 模型和s 波 段的掺铒光纤放大器和设计方案进行了较为深入和详细的研究，主要工作包括： l 、详细的介绍了掺铒光纤放大器的发展历史以及在实际当中的应用，总结了 其优点和缺点。 2 、全面的分析了掺铒光纤放大器的工作原理和结构特征，对比和分析了掺铒 光纤的不同制作方法和优缺点，同时对掺铒光纤在不同泵浦波长情况下的能级跃 迁过程进行了比较。 3 、对e d f a 的能级模型进行了详细的剖析，对其模型的数值模拟方法进行了 详细的推导和分析，再此基础上引用g i l e s 模型，并应用该模型对e d f a 的a s e 特性进行了深度的研究。 4 、从高浓度的掺铒光纤放大器出发，总结和分析了各种常见的猝灭理论模型， 对掺铒光纤放大器猝灭理论模型提出一些完善的方案。 5 、对s 波段的光放大器的国内外发展现状做了详细的分析和研究，分析了当 今的一些s 波段光放大器的原理，在此基础上对s 波段的掺铒光纤放大器进行了 模型的完善，并进行了仿真、分析和总结。 s 第2 章e d f a 的原理与特性 2 1e d f a 的基本原理 铒是一种稀土元素，在制造光纤的过程中，向纤芯中掺入三价铒离子( e p + ) ， 便形成了掺铒光纤。产生激光放大的过程就是在增益介质的吸收波长上提供泵浦， 使e d f 有效地获得能量而被激活。激活的光纤介质在荧光波长上提供形成激光放 大的条件。因此，了解e d f 的吸收和荧光特性非常重要。介质的吸收与荧光特性 决定于介质的能级结构，图2 1 为铒离子( e p + ) 的能级结构。由于石英的非晶态 特性，矿的能级展宽为一定宽度的能带。在泵浦光照射下，e ，从低能级( 4 i l 观) 向高能级跃迁，对应于光的吸收，对于不同的泵浦波长，跃迁到不同的高能级。 由高能级向低能级的跃迁对应于发射或荧光过程i l ”。对于e ，吸收过程主要有： 基态4 i l 记一4 i 眈( 对应8 0 0 h m 泵浦) ，气观一4 i l l ，2 ( 对应9 8 0 r i m 泵浦) ，4 i x 记一4 i l 北 ( 对应1 4 8 0 r i m 泵浦) 。荧光发射过程是从激发态4 i l 抛一4 i l 北。 4 1 1 1 ，2 气5 ，2 图2 1 e d f 中旷的能级结构图 h g u r e 2 1 n c 触o f m ce n e r g y l 目e ho f m e 矿i i n e d f 如图2 2 所示，e d f a 的工作能级在4 l m 和4 l l 耽之间，4 1 1 3 虐能级分离成一个 能带，铒离子先跃迁到该能带的顶部，并迅速以非辐射跃迁的形式由泵浦态至亚 稳态( 即4 1 1 3 ，2 能级) ，在该能级上，离子有较长的存活时间，由于源源不断地进行 泵浦，粒子数目不断的增加，从而实现了粒子数的反转。当具有1 5 5 0 r i m 波长的光 9 信号通过这段掺铒光纤时，亚稳态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，从而大大的增加了信号光中的光子数 量，即实现了信号光在掺铒光纤的传输过程中不断的被放大的功能，掺铒光纤放 大器也由此而得名。发出的光的波长为1 5 2 0 1 5 7 0 n m ，即e d f a 对1 5 2 0 1 5 7 0 n m 的光信号具有放大的作用 当铒粒子受激辐射的过程中，有少部分粒子以自发辐射形式自己跃迁到基态， 产生带宽极宽且杂乱无章的光子，并在传播中不断的放大，从而形成了自发辐射 ( 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 ) 噪声【l 埘，并消耗了部分泵浦功率因此， 需要增设光滤波器，以降低a s e 噪声对系统的影响。 泵浦光的波长可以为5 1 4 n m 、6 5 5 n m 、8 0 7 n m 、9 8 0 n m 、1 4 8 0 n m ，其中波长为 9 8 0 n m 的泵浦光的效率最高，所以常用9 8 0 n m 的半导体激光放大器来做泵浦。但 是有时候也采用1 4 8 0 n m 的半导体激光放大器来做泵浦，这是因为1 4 8 0 h m 的光与 信号光波长很接近，可以在单模光纤中传输，因此很容易通过定向耦合器导入光 纤，损耗非常的小。所以目前9 8 0 n m 和1 4 8 0 n m 波长的泵浦光源得到了广泛的应 用，并已经完全的商业化。 图2 2 e d f a 的工作能级 f i g u r e2 2t h e 衄e f g yl e v e ld i a g r a mo f e d f a 由于石英系e d f 的增益平坦区很窄，因此一般还要在光纤中掺杂其他物质来 改善e d f 的增益特性。图2 3 为掺铝e d f 吸收和发射的截面同波长的关系。可以 看出，在1 5 4 0 n m 1 5 6 0 n m 范围具有2 0 n m 的平坦区【旧。 1 0 韭塞奎逼太堂亟土茔位j 幺奎基立ea 数愿理皇挂佳 截面 取t e a s 3 x l 庐 波长( m ) 图2 3 掺铝铒光纤的吸收与发射截面( 矿浓度为2 0 x 1 0 u m 3 ) f i g u r e2 3t h ea b s o r p t i o na n de m i s s i o ns p e c t r ao f t h ea l u m i n u m - d o p e ds i l i c af i b e r ( t h e c o n c e n t r a t i o n o f i h p i s 2 0 l o u m 3 ) e d f a 主要由掺铒光纤( e d f ) 、泵浦光源( 泵浦) 、耦合器、光隔离器以及光 滤波器组成，结构如图2 4 所示。光耦合器的作用是将信号光和泵浦光复合在一起， 注入到掺饵光纤中，一般采用波分复用器来实现。光隔离器是用来抑制光反射， 防止光放大器自激，确保工作稳定，当较弱的信号光与较强的泵浦光一起输入e d f 时，泵浦光激活e d f 中的饵离子，跃迁到高能级态；在信号光的诱导下，饵离子 受激辐射，跃迁到基态，产生与信号光相同的光子，实现光放大。例如，采用9 8 0 n m 波长的泵浦光源，则饵离子吸收泵浦光由基态4 i l 北跃迁到激发态4 i i i ，2 ，由于激发 态4 i l l ，2 是不稳定的，饵离子很快跃迁到4 i l 舱能级，如果信号光的光子能力处于4 i l m 能级与基态气舱能量差范围内，则处于能级4 1 1 3 ，2 的饵离子将由于受激辐射而跃迁 到基态，同时产生一个与信号光相同的光子，因而信号光得到放大【1 7 1 。 为了提高放大器的增益，应提高对泵浦光的吸收，使基态饵离子尽可能跃迁 到激发态。9 8 0 n m 和1 4 8 0 n m 波长上泵浦效率较高，利用9 8 0 n m 和1 4 8 0 n m 附近的 半导体激光器可以有效的泵浦e d f t l 9 1 ，使用仅几毫瓦的泵浦功率就可获得3 0 4 0 d b 的高增益放大，泵浦效率可达1 1 d b m w 和5 d b m w 在8 2 0 n m 波长处泵浦效 率较低，约o 8 d b 酊，但利用4 0 5 0 m w 的泵浦功率就可以实现3 0 d b 的高增益 放大。 在饵离子受激辐射的同时，有少部分离子以自发辐射的形式跃迁到基态，产 生带宽极宽的非相干光，并且在传播中不断被放大，从而形成了自发辐射噪声， 并且消耗了部分泵浦功率因此，须在输出端设置光滤波器，以降低自发辐射噪 声。 图2 4 所示是一种泵浦光与信号光在e d f 中传输方向相同的泵浦方式，信号 光与泵浦光从e d f 的同一端注入。这种配置的噪声性能比较好【1 2 】。 信号号光输漱 图2 4 掺铒光纤放大器结构( 前向泵浦) f i g u r e 2 4t h ec o n f i g u r a t i o no f t h ee d f a ( f r o n tp u m p ) 图2 5 所示为反向泵浦方式1 6 1 ，泵浦光与信号光在e d f 中传输的方向相反， 泵浦光与信号光分别从e d f 的两端注入，也称后向泵浦方式。这种配置具有较高 的输出信号功率 信号光 光输出 图2 5 反向泵浦掺铒光纤放大器结构( 后向泵浦) f i g u r e2 5t h ec o n f i g u r a t i o no f t h ee d f a ( b e c kp u m p ) 图2 6 所示为双向泵浦方式“4 1 ，使用两个泵浦光源从e d f 的两端同时注入泵 浦光，这种方式具有更高的输出信号功率，最多可以比上述单向泵浦型多3 d b ，而 且e d f a 的性能与信号传输方向无关。 信号 光输出 图2 6 双向泵浦掺铒光纤放大器结构 f i g u r e2 6t h e 曲g 删o f t h ee d f a ( b i d i r e c t i o n a lp m l p ) 图2 7 所示为一种反射型泵浦的e i ) f a i 瑚，输入信号光进入e d f ，被第一次放 大，然后被反射镜反射回e d f ，被第二次放大，最好由光环形器输出环形器的 作用是保证信号光的单向传输。且具有较高的增益 1 2 图2 7 反射型泵浦的e d f a f i g u r e2 7t h ec o n f i g u r a t i o no f t h ee d f a ( r e f l e x i b l e 埘酬 2 2e d f a 的实现 2 0 世纪8 0 年代中期，e d f a 以其自身的优越性备受人们重视，世界各发 达国家开始研究实用化的e d f a 。9 0 年代初期，已经开始在实际线路中使用 e d f a 实用化的光纤放大器由泵浦光源、掺铒光纤、光无源器件及其电路模 块组成。光纤放大器的可靠性由这几部分的寿命决定，在正常使用条件下，其 寿命超过2 0 年。e d f a 在不同应用中，其结构略有不同，图2 8 给出的是武汉 邮电科学研究学院开发的用于发射机输出的