毕业论文掺铒光纤放大器的原理与应用.doc

毕业设计（论文）报告题 目 掺铒光纤放大器的原理与应用系 别 尚德光伏学院专 业应用电子技术（光电子技术方向）班 级 0903学生姓名 刘钰华学 号 090264指导教师 2012 年 4 月 无锡科技职业学院毕业设计（论文） 掺铒光纤放大器的原理与应用 掺铒光纤放大器的原理与应用摘要: 光纤通信就是利用光纤来传输携带信息的光波以达到通信的目的。光纤通信具有通信容量大、传输速率高、使用寿命长等诸多特点。因而得到了普遍的应运，其中光放大器是光纤系统中的重要组成部分。光纤放大器（简写 OFA）是指运用于光纤通信线路中，实现信号放大的一种新型全光放大器。 本论文介绍了掺铒光纤放大器简写 EDFA的相关理论。首先对光纤放大器的种类进行大致的简介，其次阐述了掺铒光纤放大器的历史和发展，以及对掺铒光纤放大器工作原理进行了介绍。重点关注了掺铒光纤放大器在现代光纤通信系统中的应运。关键字：光纤、光纤通信、掺铒光纤放大器 、应运 i 无锡科技职业学院毕业设计（论文） 掺铒光纤放大器的原理与应用 Principles and applications of the erbium-doped fiber amplifierAbstract：Optical Fiber Communication is the use of optical fiber to transmit lightwaves carry information in order to achieve the purpose of communication. Largecapacity optical fiber communication with the communication transmission rate longlife and many other features. And so it generally should be shipped in which opticalfiber amplifier is an important component of the system. Fiber amplifier is used inoptical fiber communication lines. A new type of signal amplification to achieveall-optical amplifiers. This paper describes the erbium-doped fiber amplifier theories. Firsterbium-doped fiber amplifier general introduction to the history and types of opticalamplifiers and erbium-doped fiber amplifier operating principle was introduced.Focus on the erbium-doped fiber amplifier in a modern optical fiber communicationsystem should be shipped.Keywords: Fiber 、Optical Fiber Communication 、Erbium-doped fiber 、amplifierShould be shipped ii 无锡科技职业学院毕业设计（论文） 掺铒光纤放大器的原理与应用 目 录前 言 . 1第一章 绪论 . 1 1.1 光纤通信系统中放大技术 . 3 1.1.1 光纤放大器的分类 . 3 1.1.2 半导体光放大器 . 4 1.1.3 光纤放大器 . 6 1.2 掺铒光纤放大器的发展历史 . 6 1.3 EDFA 的发展方向 . 8第二章 掺铒光纤放大器的工作原理及性能参数 . 10 2.1 掺铒光纤放大器的介绍 . 10 2.1.1 EDFA 放大器的组成 . 10 2.1.2 EDFA 的放大原理 . 11 2.1.3 EDFA 的基本性能 . 12 2.2 EDFA 的优缺点 . 12 2.3 EDFA 的主要应用形式. . 14 2.4 EDFA 的增益特性 . 15第三章 EDFA 在密集波分复用系统中应用与研究 . 18 3.1 波分复用（WDM）的基本概念 . 18 3.1.1 波分复用系统的组成 . 18 3.1.2 EDFA 在 WDM 系统中的应用 . 19 3.1.3 WDM 系统对 EDFA 的要求 . 19 3.1.4 密集波分复用（DWDM）原理概述 . 21 3.2 EDFA 在密集波分复用（DWDM）系统中应用的分析 . 22 3.2.1 EDFA 在 DWDM 系统中的作用和应用方式 . 22 3.2.2 DWDM 中对 EDFA 的主要性能要求 . 25第四章 总结 . 27致谢 . 28参考文献 iii 无锡科技职业学院毕业设计（论文） 掺铒光纤放大器的原理与应用 前 言 人类传播信息方式是多种多样的。用光来传递信息也是很早之前就有的。远在周代我国就有了烽火传递信息的方法，烽火作为一种原始的声光通信手段，服务于古代军事战争。从边境到国都以及边防线上，每隔一定距离就筑起一座烽火台。内储柴草，当敌人入侵时，便一个接一个地点燃起烽火报警，各路诸侯见到烽火，马上派兵相助抵抗敌人。 现如今用光纤来传递信息已成为非常重要的信息传递方式。在光纤通信系统中光放大又是一个非常重要的环节。光放大器是可将微弱的光信号直接进行光放大的器件。它的出现使光纤通信技术产生了质的飞跃；它使光波分复用技术，光孤子通信技术迅速成熟并得于商用，同时他为未来的全光通信网奠定了扎实的基础，成为现代和未来光纤通信系统中不可少的重要器件。 近年来，包括有线电视在内的光纤通信系统，由于光纤干线的普及，由于光纤干线的普及为了，适应通信容量的扩大和远距离传输网络高功能化的需要，波分复用（WDM）技术有了新的发展。但在 WDM 系统中，最有力的关键技术，就是光纤放大器的实用化。众所周知，在光纤线路中，最有影响的指标一是色散，另是衰减损耗。关于色散问题将另外探讨。衰减是指光信号在光纤内传输过程中，产生的光功率损耗而言。衰减量是将每 1km 产生的损耗用 dB 表示之值，0.2dBkm3dB。例如单模光纤约为 0.2dBkm，大约传输 15km 时损耗达 3dB。为了实现远距离的光信号传系统中，首先在 CATV 系统中，应用光纤放大器的是工作在光损耗最小的 1.5m 波域的掺铒光纤放大器（EDFA）但在通信系统中，由于早期铺设的光纤条件的?拗疲?1 条光纤传 的高速信号比较复杂，但如利用 2.5Gbps4 的四波 WDM 传输，则很容易实现。因此从 90 年代后期起WDM 的发展，也推动了 EDFA 的进步。目前，1.5m 的 EDFA 波域，除了早期的 15301560nmEDFA 之外， 还出现了拓宽波域的增益位移（GS） 型 EDFA 。另（15701600nm） 外 ，在 CATV 系统中应用最多的 1.3m 波长的单模光纤（SMF）系统中，由于波长色散甚小即使不作色散补偿，也能传输高至 10Gbps 的优点， 但由于 1.3m 的 SMF 传输损耗较大 一直受到业界的重视。 （一般为 0.30dB 。所以只适用于近、中距离传 的远距离传输。今后，随着 1.3m 的远距km）离传输需要增加，新问世的 1.3m 波域的掺谱光纤放大器EPFA）也成了业界 1 无锡科技职业学院毕业设计（论文） 掺铒光纤放大器的原理与应用关心的热点。近年，由于因特网的爆发式增长，为了有效的利用光普波长资源，在开发太比秒级（1Tbp）的高速信号中，高密度波分复用（DWDM）又称密集波分复用技术的发展，也促进了 1.4m 波域的利用。为此目的研制的掺铥光纤放大器TDFA的实用化也是业界关心的产品。还有，应用光纤拉曼现象的拉曼光纤放大器，随着 WDM 技术的应用，又重新抬头，在实现超宽波域达 100nm放大方面颇具特点。本文拟就掺铒光纤放大器（EDFA）的原理及应用发展动向作一综述。 2 无锡科技职业学院毕业设计（论文） 掺铒光纤放大器的原理与应用 第一章 绪论1.1 光纤通信系统中放大技术 1.1.1 光纤放大器的分类 光放大器的开发成功及其产业化是光纤通信技术中的一个非常重要的成果，它大大地促进了光复用技术、光孤子通信以及全光网络的发展。顾名思义，光放大器就是放大光信号。在此之前，传送信号的放大都是要实现光电变换及电光变换，即 O/E/O 变换。有了光放大器后就可直接实现光信号放大。光放大器主要有 3 种:光纤放大器、拉曼放大器以及半导体光放大器。光纤放大器就是在光纤中掺杂稀土离子如铒、镨、铥等作为激光活性物质。每一种掺杂剂的增益带宽是不同的。掺铒光纤放大器的 增益带较宽，覆盖 S、C、L 频带 掺铥光纤放大器的增益带是 S 波段掺镨光纤放大器的增益带在 1310nm 附近。而喇曼光放大器则是利用喇曼散射效应制作成的光放大器，即大功率的激光注入光纤后，会发生非线性效应喇曼散射。在不断发生散射的过程中，把能量转交给信号光，从而使信号光得到放大。由此不难理解，喇曼放大是一个分布式的放大过 程，即沿整个线路逐渐放大的。其工作带宽可以说是很宽的，几乎不受限制。这种光放大器已开始商品化了，不过相当昂贵。半导体光放大器S0A一般是指行 波光放大器，工作原理与半导体激光器相类似。其工作带宽是很宽的。但增益幅度稍小一些，制造难度较大。这种光放大器虽然已实用了，但产量很小。 迄今为止的光纤通信系统， 为了拓长通信距离都需在通信线路中设置一定数 量的中继器，以便使衰减的光信号强度得到补充。而中继器无一例外都是采用光 电光的转换方式。中继器的这种工作模式带来了不少问题，如使得成本高， 系统复杂，可靠性降低等。于是，人们设想，是否用光放大器直?咏泄庑藕欧?大，以实现全光通信。经过多年的不懈努力，各种各样的光放大器终于问世了。 在光通信技术的发展进程中，不断取得新的突破，其中尤以光放大器，特别 是掺铒光纤放大器（EDFA）的发明最为激动人心。它使光通信技术产生了革命性 的变化：用相对简单价廉的光放大器，代替长距离光纤通信系统中传统使用的复 杂昂贵的光电光混合式中继器，从而可实现比特率及调制格式的透明传输， 升级换代也变得十分容易， 尤其是性能十分优秀的 EDFA 与 3 无锡科技职业学院毕业设计（论文） 掺铒光纤放大器的原理与应用WDM 技术的珠联璧合， 奠定了高速大容量 WDM 光通信系统与网络大规模应用的基础。 光放大器主要有两类：光纤光放大器和半导体光放大器。光纤放大器又分为 两种，即掺稀土元素的光纤放大器和利用常规光纤的非线性效应（如受激拉曼散 射，受激希里渊散射等）的光放大器。半导体光放大器主要是行波半导体激光放大器。 1.1.2 半导体光放大器 1 半导体光放大器的结构：半导体光放大器是一种把发光器件一一半导体激光器结构作为放大装置使用的器件 因为具有能带结构 所以其增益带宽比采用光纤放大器的宽。另外 通过改变所使用的半导体材料的组成可以使波长使用范围超过 100nm 这是半导体光放大器的一个突出特点。半导体光放大器由有源区和无源区构成有源区为增益区 使用 Inp 这样的半导体材料制作 与半导体激光器的主要不同之处是 SOA 带抗反射涂层 以防止放大器端面的反射 排除共振器功效。抗反射涂层就是在端面设置单层或多层介质层。 以平面波人射单层介质层时 抗反射膜的条件相对于厚度为 1/4 波长。实际的放大器 传输光是数微米的点光可以研究假想波导模严格的无反射条件。 去除端面反射影响的另一种方法 也可以采用使端面倾斜的方法和窗结构。 把光放大器作为光通信中继放大器使用 入射光的偏振方向是无规则的 最好是偏振波依赖性小的放大器。 为了消除这种偏振波依赖性 可以引人运用窄条结构使激活波导光路近似正方形断面形状的方法和施加抗张应力 以增大 TM 波增益的应变量子阱结构。 目前 实现偏振无关半导体光放大器的方法有很多种 如张应变量子阱结构、应变补偿结构、同时采用张应变量子阱和压应变量子阱的混合应变量子阱结构等。采用脊型波导结构的应变量子阱光放大器基本结构图。有源区 4C3T 采用混合应变量子阱结构 即 4 个压应变量子阱 3 个张应变量子阱 压应变和张应变量子阱之间用与 LPN 晶格 匹配的宽的 IaGaAsp 垒层隔开上下波导层分别为波长 1.15um 的 IaGaAsP 匹配材料 包层为 p 型 Inp 接触层为重 P 型掺杂 IaGaAsP材料 材料的外延法生长过程中 n 型掺杂源为硅烷p 型掺杂源为二甲基锌材料；生长完成后 采用标准的光刻、 反应离子刻蚀、湿法腐蚀、蒸发、溅射等工艺制作脊型波导结构。 4 无锡科技职业学院毕业设计（论文） 掺铒光纤放大器的原理与应用 2 半导体光放大器的原理:半导体光放大器的原理与掺稀土光纤放大器相似但也有不同 其放大特性主要取决于有源层的介质特性和激光腔的特性。 它虽也是粒子数反转放大发光但发光的媒介是非平衡载流子即电子空穴对而非稀有元素。 半导体的发光可根据激发方 式的不同分为光致发光、电致发光和阴极发光等。光致发光是指用半导体的光吸收作用来产生非平衡载流子 实际上是一种光向另一种光转换的过程。 电致发光是指用电学方法将非平衡载流子直接注人到半导体中而产生发光 这常借助于 PN 结来完成。 在半导体中电子的能级限制在导带和价带两个带内 在导带中电子 充当移动载流子 在价带中空穴充当载流子。 半导体在外界激发下 可将价带中的电子激发到导带中 同时在价带中留下空穴 所产生的电子和空穴分别跃迁到导带底和价带顶 这一过程只与晶格交换能量而不产生光发射 称为无辐射跃迁 与此同时 导带底的电子还要跃迁到价带顶与空穴复合 并同时发射光子 二者形成动态平衡 与热平衡状态下的情况不同 这时的电子和空穴为非平衡载流子 载流子的分布不再是费米统计分布。 由于电子从导带底跃迁到价带 顶的时间常数即辐射寿命与无辐射跃迁的时间常数相比相对较长 所以可以认为电子和空穴各自保持热平衡状态 对载流子的这种准平衡状态分别用准费米能级和来表示。半导体的辐射跃迁包括自发跃迁和受激跃迁两个过程。自发辐射跃迁是指占据高能态的电子可以自发地跃迁到低的空能态与空穴复合 同时发射一个光子 这一过程称为自发辐射发光受激辐射跃迁是指与一个理想的光子相互作用后导致的受激辐射。 这两个过程类似于掺饵光纤放大器EDFA中的自发辐射和受激辐射过程。 半导体在外界激励下会产生非平衡载流子 半导体在泵浦光激励下怎样产生光放大为了尽可能简单 假设半导体在 0 K 费米能级在禁带的中间位置 因此在 Ep 以下的每个有效能级上被电子充满 则半导体将吸收子。 如果半导体未受光泵浦激励 则半导体将吸收光子 其实半导体的两个能带所扮演的角色类 似于 EDFA中的能带 E1 和 E2 所起的作用 只是它的能带比 EDFA 的能带更宽。 一个带隙Ex 把处在下面的导带和上面的价带分开 这样 从一个能带转移到另一个能 带内所发生的能量改变至少是 Eg 因此 若 hvgtE 则半导体吸收光子 当吸收了泵浦光子后就会在导带中产生电子 而在价带中留下空穴 然后电子和空穴都 5 无锡科技职业学院毕业设计（论文） 掺铒光纤放大器的原理与应用迅速向能带的最底点弛豫 并通过发射一个能量为禁带宽度能量的光子复合。如 果泵浦源的强度越来越大 电子将会趋向于累积在导带的底部 空穴趋向于累 积在价带的顶部 直到电子空穴对的产生和复合达到动态平衡为止。 如果假设带 内驰豫过程比带间复合速率快得多 那么可以利用准费米能级 Epn 和 Epp来描述 电子空穴的数目。于是导带底和 Epn 之间的每个态都被添满 而价带顶和之间的 所有态都是空的 从而实现光放大。 通过适当的选择半导体材料 就可获得能使发射或吸收波长处于光通信所需要的范围如 1300nm 或 1550nm内的带隙。 1.1.3 光纤放大器 光纤放大器不但可对光信号进行直接放大，同时还具有实时、高增益、宽带、在线、低噪声、低损耗的全光放大功能，是新 一代光纤通信系统中必不可少的关键器件；由于这项技术不仅解决了衰减对光网络传输速率与距离的限制，更重要的是它开创了 1550nm 频段的波分复用，从而 将使超高速、超大容量、超长距 、密集波分复用（DWDM）离的波分复用（WDM） 、全光传输、光孤子传输等成为现实，是光纤通信发展史上的一个划时代的里 程碑。在目前实用化的光纤放大器中主要有掺铒光纤放大器 、 （EDFA）半导体光放大器（SOA）和光纤拉曼放大器（FRA）等，其中掺铒光纤放大器以其优 越的性能现已广泛应用于长距离、大容量、高速率的光纤通信系统、接入网、光纤 CATV 网、军用系统（雷达多路数据复接、数据传输、制导等）等领域，作为功 率放大器、中继放大器和前置放大器。 光纤放大器一般都由增益介质、泵浦光和输入输出耦合结构组成。目前光纤放大器主要有掺铒光纤放大器、半导体光放大器和光纤拉曼放大器三种，根据其在光 纤网络中的应用，光纤放大器主要有三种不同的用途：在发射机侧用作功率放大器以提高发射机的功率；在接收机之前作光预放大器以极大地提?吖饨邮栈牧槊?度；在光纤传输线路中作中继放大器以补偿光纤传输损耗，延长传输距离。1.2 掺铒光纤放大器的发展历史 掺铒光纤放大器Erbium Doped Fiber Amplifier