（通信与信息系统专业论文）增益可控小型化掺铒光钎放大器.pdf

【摘要】 摘1 摘要 随着通信技术的不断发展，宽带和高速的通信越来越受到社会的广泛关注。 尤其是在光通信领域，它稳定的传输和d w d m ( 密集波分复用) 带来的巨大 潜在带宽，宽带传输更受人瞩目。自e d f a ( 掺铒光纤放大器) 商用以来，它 毫无疑问在全光通信中起着至关重要的作用。e d f a 可以透明地放大经过长途 传输衰减的光，而不需要繁琐的光电一光转换。而在e d f a 诞生之初，由于恒 定增益的限制，并未能适合w d m 光网络的要求。本文介绍一种增益可控的小 型化e d f a ，它采用两段光路的设计优化了增益和噪声。本文的工作主要分为 两个部分。 在理论部分，首先提出了基于经典量子理论推导出的简化的量能级系统模 型，基于这个模型给出了传输方程和速率方程。以此为基础，在不同的初始化 条件下，汁算了同向泵浦式e d f a 的增益噪声性能，并给出了它们和泵浦功率、 信号波长、功率光纤长度的关系。详细的e d f a 各项性能的计算结果将在第二 章中给出。根据这些分析，提出了e d f a 性能的限制因素，并优化了光路。优 化的光路为两段光路结构，主要是为了隔离反向传播的a s e ( 放大的自发辐射) 噪声，从而优化了增益和噪声性能。 为了使e d f a 模块的增益钳制在一个恒定值，我们需要对e d f a 进行监测 和控制，我们用集成数模混合器件监控泵浦的工作状态，用p i n 管监测信号的 输入和输出，从而控制泵浦的大小来钳制增益。以此同时，我们使用模拟p i d 算法构成回路监控泵浦激光器的制冷电流恒定激光器的温度。通过对所用集成 电路的介绍，解释了电路工作原理。并且给出了两段光路的设计思想和光路结 构。将光路和电路设计相结合，我们实际制作了增益可控的小型化e d f a 模块， 该模块的实物图在第四章中给出。 在完成了e d f a 的样机制作以后，本文利用光谱仪，可调谐激光器对所制 作的e d f a 模块进行了实际测量，包括了增益谱、功率谱、噪声系数、增益锁 定特性和控制电压曲线。给出了实测数据，同时对数据进行了分析，证实了该 设计满足项目指标。实际制作的e d f a 恒定增益约为1 7 d b ，增益抖动为0 5 d b ， 泵浦温度控制在2 5 4 - 0 0 5 0 c 上，0 5 d b 的平坦增益带宽为17 n m 。 最后对e d f a 的研究做出了展望。 关键词：掺铒光纤放大器，增益恒定，遗传算法，斯托克斯能级，波分复用， 功率谱，增益谱，两段光路 沈俊：增益可控小型化掺铒光纤放大器 二零零五年五月 臻要l攘2 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fm o d e mt e l e c o m m u n i c a t i o n ，w i d eb a n da n dh i g h s p e e di sm o r ec o n c e r n e dt h a na n yt i m ei nt h ep a s t ，e s p e c i a l l yi nt h ea r e ao fo p t i c a l c o m m u n i c a t i o n ，b e c a u s eo ft h es t a b i l i t ya n dl a r g ep o t e n t i a lo fb a n d w i d t hw h i l e u s i n gd w d mt e c h n o l o g y t h ee d f a ( e r b i u md o p e df i b e ra m p l j f i e 0u n d o u b t e d l y p l a y s t h e s i g n i f i c a n t r o l ei nt h e o p t i c a l c o m m u n i c a t i o ni n n o v a t i o n ，s i n c e c o m m e r c i a l l yu s e di n9 0 s i nt h eb e g i n n i n g ，e d f al e f tm a n yp r o b l e m ss u c ha st h e g a i n - c o n t r o li nt h ew d ms y s t e ma n do p t i m i z a t i o no fn o i s ef i g u r e 。i nt h i sp a p e r , a g a i n c o n t r o l l e dm i n i a t u r ee d f aw i t hd u a l s t a g eo p t i c a lp a t hi sp r e s e n t e d t h ew o r k s i n v o l v e di nt h ef o l l o w i n gt o wp a r t s w eu s ec l a s s i c a lq u a n t u mt h e o r yt od e d u c et h es i m p l i f i e dt o w l e v e lm o d e lo f 嚣，+ ，a n d ，m e a n w h i l e ，g i v eo u tt h ep r o p a g a t i o na n dr a t ee q u a t i o n s ，w h i c ha r et h e b a s eo ft h ee d f am o d e l i n g a f t e rt h a t ，b ys o l v i n gt h e s ee q u a t i o n sw i t hd i f f e r e n t i n i t i a lc o n d i t i o n s ，w ea n a l y z e dt h eg a i na n dn o i s ec h a r a c t e r so fe d f a ，a n df i n dt h e r e l a t i o n s h i pw i t ht h ep m n pp o w e r , s i g n a lp o w e r , w a v e l e n g t h ，a n df i b e rl e n g t h 。o n t h i sf u n d a m e n t a l ，at o w - s t a g ee r b i u md o p e df i b e ra r c h i t e c t u r ei sp r e s e n t e dm a i n l yt o i s o l a t et h eb a c k w a r d sp r o p a g a t i n ga s e ( 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 n d t h e r e f o r eo p t i m i z e dt h eg a i na n dn o i s ep e r f o r m a n c e ， i nt h es e c o n d ，i no r d e r 幻c l a m pt h eg a i ni nd i f f e r e n ts i g n a li n p u tp o w e r s ，w e d e s i g n e dam o n i t o ra n dc o n t r o ls y s t e mt os u p e r v i s et h ep u m pl a s e ra n dm e a s u r et h e s i g n a lg a i nb yu s i n gp i n sa ti n p u ta n do u t p u tp o r t a na n a l o gp i da l g o r i t h mc i r c u i t i sd e m o n s t r a t e dt oc o n t r o lt h ep u m pl a s e r st e m p e r a t u r e t h ep e r t i n e n ti c sa r e i n t r o d u c e dt oe x p l a i nt h ew o r ko ft h ew h o l ec i r c u i t s w em a n u f a c t u r e dap r a c t i c a l e d f am o d u l ec o m b i n i n gt h eo p t i c a ll o o pa n de l e c t r i c a lc o n t r o lc i r c u i t se v e n t u a l l y t h em o d u l ei sm i n i a t u r e ，a n dt h ep h o t oo f t h i sm o d u l ei ss h o w ni nt h i sp a p e n a f t e rm o d e l i n ga n dm a n u f a c t u r i n ge d f a ，w eu s eo p t i e a ls p e c t r u ma p p a r a t u s a n dt u n a b l el a s e rt om e a g u r et h ep e r f o r m a n c eo ft h ee d f a t h eg a i ns p e c t r u m ， o u t p u tp o w e rs p e c t r u m ，n o i s ef i g u r e ，c o n t r o l l e dg a i nc h a r a c t e r sa n dm o n i t o rs i g n a l c u r v ei sp r e s e n t e dt oc e r t i f yt h et h e o r e t i c a lr e s u l t so fm o d e l i n g 。i ti ss h o w nt h a t 氇e m o d u l ec a nc l a m pt h eg a i na ta b o u t17 d bw i t ht h ef l a t t e r i n go fo 5 d b ，a n dt h e t e m p e r a t u r ei sc o n t r o l l e dw i t h2 5 士0 0 5 。c f i n a l l y , w eg i v eap r o s p e c to fe d f a s k e y w o r d s ：e r b i u md o p e df i b e ra m p l i f i e r s ，g a i nc l a m p i n g , g e n e t i ca l g o r i t h m ， s t o k e sl e v e l ，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 ，s p e c t r u m ，d u a l s t a g e 沈俊：增益可控小型化掺铒光纤放大器 ：零零五年五月 【第一章引言】 第1 页 第一章引言 本章介绍掺铒光纤放大器的应用与发展以及现状，并给出本论文的安排和内 容概述。 第一节掺铒光纤放大器简介 1 1 1光纤放大器的发展及现状 上个世纪8 0 年代，随着光通信技术的目益成熟，光纤通信系统在全球范围 内发展起来，引发了传统通信系统领域内的一场技术革命。在这场革命中，光纤 放大器无疑扮演着决定性的角色。 在传统的长途光传输系统中，由于光纤的损耗和色散，每隔一段距离就需要 一个中继器( 再生器) 才能保证信号的质量。最早的中继器都是光电光中继器， 如图1 1 所示，由接收端通过光电二极管( p i n ) 或雪崩二极管( a p d ) 将光信 号转换成电信号，然后进行电信号的再生处理，最终将再生的电信号通过半导体 激光器( l d ) 恢复成的光信号继续传输。光一电光中继不仅可以对被光纤损耗的 光进行放大，而且可以对由于色散造成的光波形的失真( 展宽) 进行整形。但是， 由于光电光中继器不可避免地受到了电光转换速率，信号处理速度的限制，使 得它在不断发展的高速通信系统中显得力不从心。更重要的是，该类设备设计复 杂，升级成本和可靠性都大大限制 了光通信系统的发展。于是科学家 设想能否直接将光信号在光纤上进 行放大和补偿色散，然后再在链路 上继续传播以达到长距离光纤传输 的目的这就是我们所说的光放 大器。图1 - 1 ：光电光中继器 光放大器对光的增益媒介和信号的传输媒介为一体，可以对光信号进行在线 放大，不需要对光信号进行繁琐的处理，可以进行“透明”的放大。光纤放大器 不受电光转换速率的限制，虽然通过普通的增益光纤放大无法改进信号的色散， 但是和非零色散位移光纤和色散补偿光纤组成的混合传输网络可以很好的解决 这个问题。目前研究成功的光放大器分为两大类：即光纤放大器( o f a ) 和半导 体光放大器( s o a ) ，每类又有好几种形式。而以掺铒光纤放大器( e r b i u m d o p e d f i b e r a m p l i f i e re d f a ) 为代表的光纤放大器成为目前光放大器的主流。 目前的光纤放大技术主要有两种：一种是利用掺杂光纤在泵浦能量下实现粒 子数反转( 例如：掺铒光纤放大器e d f a ) ，进行泵浦能量到信号能量的转移， 沈俊：增益可控小型化掺饵光纤放大器 二零零五年五月 【第一章引言】 第2 页 另一种足利用光纤的非线性效应产生能量转移( 例如：拉曼光纤放大器p , y a ) 。 这两种技术都是靠激活光纤介质，利用受激辐射来放大入射信号，而光纤中不可 避免存在的自发辐射则成为放大器的附加噪声，和传统放大器一样，噪声和增益 成为了光纤放大器的一对主要矛盾。我们的可以得出这样的结论：要实现光纤放 大除了激励信号光以外需要有两个要素：泵浦和增益介质。事实上，恰恰是这两 个要素在技术和工艺上的发展不断改善着光纤放大器的噪声和增益性能，使它在 新一轮的通信革命中不断地发展革新。 虽然原先的光通信是通过光电一光中继进行信号再生的，但自从1 9 6 0 年激 光器发明不久，人们就开始了对光放大器的研究。 1 9 6 3 年到1 9 6 4 年，美国光学公司的s n i t z e r 和k o e s t e r 分别发表了多组份玻 璃光纤中的光放大效果【1 1 1 2 1 ，这是公认的光纤放大器和光纤激光器研究的开始。 而苏联科学家l e t o k h o v 和p a v l i k 在光纤放大器早期研究中也做出了贡献pj 。1 9 6 6 年高锟和h o c k h a m 从理论上分析了造成光纤损耗的物理机理1 4j ，讨论了光纤作 为未来高速，大容量通信介质的可能性。为了使光纤放大器能应用于长途光纤网 络，在光纤放大器和光纤激光器发展的最初阶段就考虑应用小体积的半导体激光 器作为泵浦源 5 】。7 0 年代，b e l l 实验室的一个小组也开展了这方面的工作。 7 0 年代，这一领域的研究成果较少，但是许多光纤放大器必须的工艺和器 件研制成功，为后来的光纤放大器的发展铺平了道路。如低损耗的硅单模光纤和 半导体激光器都已商品化并得到了广泛应用。氟化锆光纤和基于硅光纤的定向耦 合器的制作成功在未来的全光纤放大器中起着举重轻重的作用。 随着半导体激光器特性的改善，首先出现了法布里一泊罗型半导体激光放大 器，接着开始了对行波式半导体激光放大器的研究。另一方面，随着光纤技术的 发展，出现了光纤拉曼光纤放大器。8 0 年代后期，有关光放大器的研究又成了 热点。1 9 8 5 年，英国的南安普顿大学用改进的化学气相沉积法( m c v d ) 首次 研制成功了掺铒光纤 6 】 ”。1 9 8 7 年，英国通信研究所( b t r l ) 首次展示了用各 种定向耦合器制作的精巧的光纤激光器装置，并在增益和激发态吸收( e s a ： e x c i t e d s t a t e a b s o r p t i o n ) 等领域取得了大量基础性科研成果，最重要的是制成了 用半导体激光器作为泵浦源的光纤放大器 8 1 9 】。 由于开始的e d f a 工作波段仅为c 波段( 1 5 2 8 n m 1 5 6 2 n m ) ，随着对通信容 量要求的不断提高，人们开始考虑用9 8 0 r i m 的泵浦在l 波段( 1 5 7 0 n m 一1 6 0 5 n m ) 上产生增益，并在上个世纪末期开展了大量的研究工作u 。将s 波段，c 波段， l 波段的光纤放大器级联可以达到1 2 0 r i m 的带宽j ，这对于d w d m 系统来说无 疑是非常诱人的。 近年来拉曼光纤放大器又重新引起了各国科学家的兴趣。最主要的理由是： 沈俊：增益可控小型化掺铒光纤放大器 二零零五年五月 【第一章引言】第3 页 ( 1 ) 1 3 0 0n m 窗口的高速传输是非常吸引人的，因为它能消除标准光纤对色散 补偿的需要。这种光纤已广泛地安装在通信系统中。拉曼光纤放大器可以使1 3 0 0 n i r l 波长区的波分复用( w d m ) 得以实现。( 2 ) 在密集波分复用( d w d m ) ；f i 光孤 子通信系统中工作带宽包括c 波段和l 波段。e d f a 由于带宽限制只能独立工作 在c 波段或l 波段，而拉曼光纤放大器可以同时放大c 波段和l 波段。( 3 ) 大功 率半导体激光器和拉曼增益光纤的商品化为拉曼光纤放大器的实现提供了技术 支持。( 4 ) 拉曼光纤放大器支持分布式在线放大。自8 0 年代超，世界范围内已 有大量的研究机构活跃于这一研究领域，例如日本k d d 实验室【l2 1 ，n e c 光电子 实验室1 1 ，美国g t e 实验室1 1 “。而国内从9 0 年代中后期爿开始该领域的研究 工作，并取得了一定的成果，例如武汉邮电研究所已经有了窄带拉曼光纤放大器 产品：复旦大学、清华大学、上海交通大学都在开展宽带拉曼光纤放大器制作的 研究工作。然而，由于工艺条件以及相关器件的制各方面的差距，总体上讲我国 在这一领域的研究还处于刚刚起步的阶段。 拉曼放大器的重新崛起不仅使人们可以寻求不同的方式实现宽带放大器，更 重要的是，进入2 1 世纪以后，科学家们开始研究e d f a 和拉曼放大器的混合放 大器，这样的放大器很容易达到8 0 1 0 0 r i m 的增益带宽，且增益均衡也比较容易 1 5 1 。由于光纤放大器的问世，在1 9 9 0 年到1 9 9 2 年不到两年的时间里，光纤系统 的容量竟增加了一个数量级。而在1 9 8 2 年到1 9 9 0 年的8 年时间里，光纤系统的 容量才只增加了一个数量级。光放大器的作用和光纤传输容量的突飞猛进，为光 纤通信展现了无限广阔的发展前景。 1 1 2e d f a 的工作原理 由于e d f a 的出现是光信号实现了低成本高效率的在线放大，由于e d f a 的 放大窗口正好在1 5 5 0 n m 左右，而这一窗口广泛用于目前的w d m 和d w d m 通 信6 。在光纤的制备过程中，设法向光纤的纤芯中参入一定量的三价铒离子 ( e r ”，制备方法下述) ，就形成了掺铒光纤，为了解释e d f a 的工作原理就必 须引入其能级结构。 如图1 2 所示的就是e d f a 的能级结构，e r 3 + 在未受到任何光激励的情况下， 处于最低能态( 基态) 4 1 15 ，2 上，当光通过掺铒光纤时，将由于介质的吸收作用而 衰减。入射光子所携带的能量将使e r 3 + 的电子被激发到较高的能级( 激发态) 。 当一个电子处于高能级时，它通过弛豫返回到基态，并通过辐射或非辐射跃迁释 放出能量。非辐射跃迁将产生声子，即周围介质的量子化振动。而从高能级到低 能级的辐射跃迁包括两种形式：自发辐射和受激辐射。在这两种形式下都有光子 被发射。自发辐射过程和无线电衰变过程相似，即高能级上的粒子数随时间成指 沈俊：增益可控小型化掺铒光纤放大器 二零零五年五月 【第一章引言】第4 页 数减少。粒予减少的特征时间( 1 一l e ) 称为自发辐射寿命。自发辐射产生的光予相 位、偏振态、传播方向、甚至波长都是随机的，而受激辐射产生的光子和激发光 子的相位、偏振态、传播方向、波长都相同的光子成为全同光子。粒子处于 激发态时总会有自发辐射产生，而只有当一个能量和激发能级与基态能级的能量 差相等的光子入射到介质中时，才会诱发受激辐射。对于e d f a 而言，要对信号 光进行放大，注入的泵浦光是必不可少的。当泵浦光入射时，e ，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( 如图 1 2 所示) 。跃迁至高能级的粒予以非辐射跃迁的形式弛豫到亚稳态( 即1 3 ，2 ) ， 在该能级上，粒子有较长的寿命在源源不断的泵浦下，亚稳态粒子数目不断增 加，实现粒子数反转。e 1 3 + 离子的亚稳态和基态具有一定的宽度，使e d f a 的放 大效应具有一定波长范围，其典型值为1 5 3 0 1 5 7 0 r i m 。这时当具有1 5 5 0 n m 左右 波长的光信号通过这段掺铒光纤时，会诱发亚稳态的粒子以受激辐射的形式跃迁 到基态，并产生和入射光信号中一样的全同光子，增加了信号光中光子的数目。 所谓的信号放大就是通过这样的机理实现的，它的实质是泵浦光子到信号光子的 能量转移。由于9 8 0 n m 和1 4 8 0 n m 泵浦的e d f a 不会产生e s a ，所 以有较高的泵浦效率，因此在实 际中得到j 。泛应用。对铒离子来 讲，9 8 0 r i m 泵浦比1 4 8 0 n m 泵浦 可以得到更高的放大增益；但 1 4 8 0 r i m 的泵浦源有更高的泵浦 效率。图1 - 2 ：典型的e d f a 能级结构 可见e d f a 要实现信号放大需要三个要素：泵浦光、被放大的1 5 5 0 r i m 信号 光和掺铒光纤作为增益介质。一个最简单的e d f a 光路如图1 - 3 所示，信号光和 泵浦光通过耦合器耦合入掺铒光纤，掺 铒光纤的长度一般通过理论建模在给定 的泵浦效率下达到增益的最大化7 1 。一 般为了防止e d f a 输入输出端反接造成 的器件( 泵浦) 损坏，还可以在输入和 输出端串联隔离器。 图1 - 3 ：一个简单的e d f a 结构 如前所述，e d f a 中同时存在着受激辐射和自发辐射，在自发辐射在e d f a 的增益带宽内都会发生，对于单一的频段其功率不会太大。但是由于在掺铒光纤 中e p 离子的粒子数反转，自发辐射在传播的过程中被不断地放大到大输出端时 会成为明显的噪声，从而影响输出信号的信噪比。所以对于e d f a 而言，增益并 沈俊：增益可控小型化掺铒光纤放大器二零零五年五月 【第一章引言】 第5 页 不是唯一的指标，在评定一个e d f a 时噪声系数( n f ：n o i s ef i g u r e ) 也是一项 重要的指标，而它的性能主要取决于e d f a 传输过程中放大了的自发辐射( a s e ： 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 ) 的大小。 上述的e d f a 模型只考虑了功率的放大，即信号强度的恢复，并没有考虑色 散对信号的恶化。但是，由于e d f a 是光纤放大器，我们可以很容易地通过串联 色散位移或是色散补偿光纤对信号的色散做出补偿| l “。目前，“掺铒光纤放大器 ( e d f a ) + 密集波分复用( d w d m ) + 非零色散光纤( n z d f ) + 光子集成( p i c ) ” 正成为国际上长途高速光纤通信线路的主要技术方向。 具体的泵浦光和信号光能量抽运过程的定量分析，以及信号光和a s e 的相 互关系将在第二章中作具体分析，并同时提出数学模型对其放大过程进行数值计 算。在此不对信号增益以及噪声性能作理论分析。 1 1 3e d f a 的应用 由于光予抽引对信号有显著的转换效率，光纤的输出信号得到较大的功率， 并保持较低的噪声系数，这样的e d f a 对一定的波段宽度提供有用增益和平坦特 性，表明它们能对波分多路信号的每一路都提供放大作用，而平坦特性意味着， w d m 各路同样放大，不会相互间产生路标串扰。e d f a 能提供一定大的输出功 率，就可使w d m 信号沿线路传输较长距离才需要再次放大，从而减少线路中间 放大器的数量。e d f a 能保持一定小的噪声系数，就容许长距离线路沿线设置较 多的放大器，而整个线路的噪声累积不致太严重。 e d f a 的发展与其它任何技术相比都更能促进宽带数据网络的发展。e d f a 是在光子学领域取得的一个重要进步，这种设备可以大大减少对信号再生( 光信 号转化为电信号，放大后还原为光信号的过程) 的需要。铒经过激活，它在1 5 5 0 n m 窗口既可以将数字信号、也可以将模拟信号光进行全光的放大，对码型和速率都 是透明的。9 8 0 n m 光学泵浦激光器能向特殊的光纤注入高强度能量，从而激活铒 离子，把传输中的光信号加以放大。 e d f a 能同时放大多个波长或信号，而与信号的比特率无关，同时还具有高 增益、高输出功率、低噪声、宽带宽、与偏振无关等优点。在很多领域和场合， e d f a 正逐步取代传统的光电光中继模式，成为现代光纤通信系统中不可缺少 的关键部件。 e d f a 虽然从正式商用至今不过十几年，但是它几乎是光通信领域中应用最 广泛的器件之一。它的的应用领域主要有以下几个方面： 1 ) 在数字通信中 数字通信正朝宽带化、大容量发展。e d f a 的出现大大提高了光传输系统的 沈俊：增益可控小型化掺铒光纤放大器 二零零五年五月 【第一章引言】第6 页 无中继距离。仅使用一台功率放大器时，系统无中继距离可以从5 0 8 0 k r n 提高 到1 5 0 1 8 0 k i n 。这也是目前s d h 系统中使用最普遍的一种方式。若在接收端再 增加一台预放大器，系统无中继距离可提高到2 0 0 k i n 以上。如果再引入线路放 大器，在色散不受限情况下，系统的传输距离可达上千公里。 2 ) 在d w d m 系统中 d w d m 系统是在一根光纤上实现同时传播多个不同广载波信号的通信方 式。它充分利用了光纤的带宽，扩大了光纤的传输容量。在光一电光中继的光通 信系统中，每一路光载波都要单独分离进行信号的重建，然后再各自送入相应波 长的发射机，这无疑是d w d m 发展的障碍。掺铒光纤放大器的出现使得d w d m 技术进入实用阶段。掺铒光纤放大器至少有十几纳米以上的带宽，可以覆盖相当 数量的信道，这些信道由于是在线放大，所以避免了光电光中继系统中的繁琐 过程i l9 1 。e d f a 功率放大器在d w d m 复用器之后提升光发盘输出光功率，线路 放大器补偿链路损耗，预放大器在d w d m 解复用器之前将光功率提升到合适的 功率范围。 在d w d m 系统中的e d f a 还要考虑增益平坦和增益锁定的问题。由于掺铒 光纤的增益谱形所限，其不同的波长的增益亦不相同。在d w d m 系统中，各信 道增益的差别造成增益的不平坦性。当e d f a 在系统级联使用时，由于此不平坦 性的积累，会使增益较低信道的光信噪比迅速恶化，从而影响系统性能 2 “。增益 锁定是指e d f a 在一定的输入光变化范围内提供恒定的增益，这样当一个信道的 光功率发生变化时，其他信道的光功率不会受其影响。现在d w d m + e d f a 已经 成为高速光纤通信网络发展的主流方向，被认为是新一代光纤技术。 3 ) 在c a l v 中 随着光纤c a t v 系统的规模不断扩大，链路的传输距离不断增加。15 5 0 n m 系统因其在光纤中的衰耗较小而逐渐成为主流。e d f a 在1 5 5 0 n m 光纤c a t v 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c a t v 的发展【2 “。 将e d f a 用在c a t v 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e d f a 可将模拟c a t v 系统 的链路长度扩展到接近2 0 0 k m ，e d f a 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。 4 ) 在光孤子通信中的应用 光孤子通信是利用光纤的非线性来补偿光纤色散作用的一种新型光通信方 式。光孤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中每隔一定的距离加一个e d f a 来补偿线 路损耗，使光孤子在传输过程中保持脉冲形状不变2 2 】【2 3 】。 沈俊：增益可控小型化掺铒光纤放大器二零零五年五月 【第一章引言】 第7 页 第二节本课题完成的工作和论文的内容安排 1 2 1本课题完成的工作 1 、根据e d f a 的能级模型，提出简化的两能级模型，并且通过求解两点边 值问题对同向e d f a 进行稳态分析，包括增益，噪声，饱和效应等。 2 、分析e d f a 中的a s e 噪声对增益和噪声系数的限制机理，提出了两段光 路结构的e d f a 。并首次用遗传算法对两端光纤长度进行了优化，以在给定增益 目标下达到增益和噪声系数的优化。根据两段光路的思想，以及增益控制原理， 设计并构建光路。 3 、钊对小型化设计中的电路设计难点，采用数字控制，模拟输出的数模混 合电路控制方案。n n 。，针对p c b 电路设计中的e m c ( 电磁兼容) 和散热问题 提出解决方案。 4 、结合光路和电路给出控制流程，并编写单片机控制软件，并简单给出增 益锁定的程序流程图。 5 、利用研制的e d f a 模块构建测试平台，利用光谱仪和可调谐激光器测试 e d f a 模块的增益和噪声性能。 1 2 2论文的内容安排 在本文的第二章中首先介绍e d f a 的能级结构，通过e d f a 能级结构的特点 提出了两能级的简化模型。基于两能级的简化模型给出速率方程和传输方程，同 时考虑到e d f a 同时存在着的a s e 光和w d m 信号光给出正向泵浦的谱求解理 论模型。为了求解理论模型中的微分方程组，提出松弛法对其进行数值求解，并 给出增益和泵浦功率，增益饱和效应，噪声系数以及增益谱的各项分析，分析结 果和国外文献相一致。 在本文的第三章中，基于理论建模给出e d f a 中a s e 光，信号光的放大过 程，以及泵浦光的衰减过程。针对e d f a 中a s e 对性能的恶化原理，提出了两 段光路的思想，通过遗传算法的求解优化了两段光路的长度，并给出e d f a 模块 的实际光路图。根据小型化的要求，给出了泵浦注入电流以及制冷电流的驱动电 路，并解释其工作原理，并介绍了p i n 管采样电路。同时，针对p c b 制作过程 中的e m c 和散热问题介绍本设计中采用的p c b 设计方法。最后，给出自动增益 控制的单片机程序流程。 第四章中介绍了e d f a 的测试平台。并对e d f a 模块的增益特性，噪声特性 和输出功率谱进行测量。 第五章中展望了e d f a 的研究热点和未来的发展方向。 沈俊：增益可控小型化掺铒光纤放大器二零零五年五月 【第一章引言】第8 页 【参考文献】 f 1 1e s n i t z e r , n e o d y m i u mg l a s sl a s e r ”，p r o c e e d i n go ft h et h i r di n t e m a t i o n a l c o n f e r e n c eo ns o l i ds t a t el a s e r , p a r i s f r a n c e 19 6 3 2 c j k o e s t e ra n de s n i t z e r , “a m p l i f i c a t i o ni nt h ef i b e rl a s e r ”，a p p l i e do p t i c s ， v j l 3 1 9 6 3 3 v s l e t o h k o va n db d p a v l i k ，“n o n l i n e a ra m p l i f i c a t i o no fs u r f a c el i g h t w a v ei na c t i v eo p t i c a lf i b e r ，s o v j t e c h p h y s ，v j l 3 6 ，19 6 6 4 】k c k a oa n dga h o c k n a m ，“d i e l e c t r i c f i b e rs u r f a c ew a v e g u i d ef o ro p t i c a l f r e q u e n c i e s ”i e ep r o c j v j l ，11 3 1 9 6 6 5 k j k o e s t e r , “l a s e ra c t i o nb ye n h a n c e dt o t a li n t e r n a lr e f l e c t i o n ”，i e e e j o u r n a lo fq u a n t u me l e c t r o n i c s ，q e 一2 ，19 6 6 6 s b p o o l ee ta 1 ，“f a b r i c a t i o no fl o w - l o s so p t i c a lf i b e rc o n t a i n i n gr a r e e a r t h i o n s ”e l e c t r o n i c sl e t t e r , 、，0 1 2 1 1 9 8 5 7 i pa l c o c ke ta l ，“q s w i t c h e do p e r a t i o no fan e o d y m i u m d o p e dm o n o m o d e f i b e rl a s e r ”，e l e c t r o n i c sl e t t e r ，、，0 1 2 2 ，1 9 8 6 8 c a m i l l a re ta 1 “c o n c e n t r a t i o na n dc o d o p i n gd e p e n d e n c eo f4 f 3 r 2t o4 1 11 2 l a s i n g b e h a v i o r o fn d 3 + s i l l i v af i b e r s ”c o n f e r e n c eo n o p t i c a l f i b e r c o m m u n i c a t i o n s r e n ou s a j a n ，l9 8 7 9 i d m i l l e re t a 1 n e wa l l f i b e rl a s e r ”，c o n f e r e n c eo no p t i c a lf i b e r c o m m u n i c a t i o n s r e n o u s a j a n 19 8 7 1 0 h s c h u n g ，“l o wn o i s e ，h i g he f f i c i e n c yl - b a n de d f aw i t h9 8 0n mp u m p i n g ，” e l e c t r o n l e f t ，v 0 1 3 5 ，n o 1 3 ，p p 1 0 9 9 1 l o o ，1 9 9 9 1 1 1 c h i e n h m l gy e h ，“1 2 0 一n mb a n d w i d t he r b i u m d o p e df i b e ra m p l i f i e ri np a r a l l e l c o n f i g u r a t i o n ，”i e e ep h o t o n y e c h n 0 1 l e f t ，v 0 l16 ，n o 7 ，p p 16 3 7 16 3 9 ，2 0 0 4 1 2 1 k m o c h i z u k i ，n e d a g a w a , “a m p l i f i e ds p o n t a n e o u sr a m a ns c a t t e r i n gi nf i b e r r a m a na m p l i f i e r s ” j 】i e e e ，l i g h t w a v et e c h n 0 1 ，v o t l t 二4 ，p p 1 3 2 8 1 3 3 3 ， 1 9 8 6 13 y a o k i ，“p r o p e r t i e so ff i b e rr a m a na m p l i f i e r sm a dt h e i ra p p l i c a b i l i t yt od i g i t a l o p t i c a lc o m m u n i c a t i o n ” j 】1 e e e ，l i g h t w a v et e c h n 0 1 ，v 0 1 6 ，p p 1 2 2 5 1 2 3 9 ， 1 9 8 8 1 4 m ld a k s s ，pm e l m a n ， a m p l i f i e ds p o n t a n e o u sr a m a ns c a t t e r i n gm a dg a i ni n f i b e rr a m a na m p l i f i e r s ”j 1 i e e e ，l i g h t w a v et e c h n 0 1 v 0 1 i j 3 ，p p 8 0 6 8 1 3 ， 1 9 8 5 1 5 1 m a s u d ah “r e v i e wo f w i d e - 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