本科毕业论文-掺铒光纤放大器的原理与应用

毕业设计（论文）题目掺铒光纤放大器的原理与应用系别专业应用电子技术（光电子技术方向）班级学生姓名学号指导教师2012年4月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PRINCIPLESANDAPPLICATIONSOFTHEERBIUMDOPEDFIBERAMPLIFIERABSTRACTOPTICALFIBERCOMMUNICATION,ISTHEUSEOFOPTICALFIBERTOTRANSMITLIGHTWAVESCARRYINFORMATIONINORDERTOACHIEVETHEPURPOSEOFCOMMUNICATIONLARGECAPACITYOPTICALFIBERCOMMUNICATIONWITHTHECOMMUNICATION,TRANSMISSIONRATE,LONGLIFEANDMANYOTHERFEATURESANDSOITGENERALLYSHOULDBESHIPPED,INWHICHOPTICALFIBERAMPLIFIERISANIMPORTANTCOMPONENTOFTHESYSTEMFIBERAMPLIFIERISUSEDINOPTICALFIBERCOMMUNICATIONLINESANEWTYPEOFSIGNALAMPLIFICATIONTOACHIEVEALLOPTICALAMPLIFIERSTHISPAPERDESCRIBESTHEERBIUMDOPEDFIBERAMPLIFIERTHEORIESFIRST,ERBIUMDOPEDFIBERAMPLIFIERGENERALINTRODUCTIONTOTHEHISTORYANDTYPESOFOPTICALAMPLIFIERSANDERBIUMDOPEDFIBERAMPLIFIEROPERATINGPRINCIPLEWASINTRODUCEDFOCUSONTHEERBIUMDOPEDFIBERAMPLIFIERINAMODERNOPTICALFIBERCOMMUNICATIONSYSTEMSHOULDBESHIPPEDKEYWORDSFIBER、OPTICALFIBERCOMMUNICATION、ERBIUMDOPEDFIBER、AMPLIFIERSHOULDBESHIPPED目录前言1第一章绪论211光纤通信系统中放大技术3111光纤放大器的分类3112半导体光放大器4113光纤放大器612掺铒光纤放大器的发展历史613EDFA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1021掺铒光纤放大器的介绍10211EDFA放大器的组成10212EDFA的放大原理11213EDFA的基本性能1222EDFA的优缺点1223EDFA的主要应用形式1424EDFA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1831波分复用（WDM）的基本概念18311波分复用系统的组成18312EDFA在WDM系统中的应用19313WDM系统对EDFA的要求19314密集波分复用（DWDM）原理概述2132EDFA在密集波分复用（DWDM）系统中应用的分析22321EDFA在DWDM系统中的作用和应用方式22322DWDM中对EDFA的主要性能要求24第四章总结27致谢28参考文献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，02DBKM,3DB。例如单模光纤约为02DBKM，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15M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限制，利用1条光纤传的高速信号比较复杂，但如利用25GBPS4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，15M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（15701600NM）。另外，在CATV系统中应用最多的13M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，一直受到业界的重视。但由于13M的SMF传输损耗较大（一般为030DBKM）。所以只适用于近、中距离传的远距离传输。今后，随着13M的远距离传输需要增加，新问世的13M波域的掺谱光纤放大器EPFA）也成了业界关心的热点。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14M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。第一章绪论11光纤通信系统中放大技术111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，是否用光放大器直接进行光信号放大，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。112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115UM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。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0K,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HVE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。113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、超长距离的波分复用（WDM）、密集波分复用（DWDM）、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高光接收机的灵敏度；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。12掺铒光纤放大器的发展历史掺铒光纤放大器ERBIUMDOPEDFIBERAMPLIFIER，缩写为EDFA是90年代开始在光纤传输系统中应用的新型器件，它的推广应用为光纤通信技术带来了一场革命。掺铒光纤主要在155UM波段的应用的有源光纤的研究基础上发展起来的。前期的工作是研究光纤激光器和研究掺稀土元素光纤，后来发现了在光纤中掺铒元素能够实现放大的作用，其工作波长对应于光纤的155UM传输波长，人们用掺铒光纤制作成功掺铒光纤放大器。何谓CATV用掺铒光纤放大器它的应用状况如何在近几年来，光纤CATV系统特别是1500NM光纤CATV系统包括模拟系统和数字系统在我们国家迅速发展，掺铒光纤放大器在光纤CATV系统中也得到了广泛应用。功率放大器是在CATV系统的前端将发射机的输出光放大后再进行分配，以供各方向的光纤干线传输用。功率放大器与功率分配器也可考虑做成两段重复使用。从远离前端处将光纤干线分支时，可在分支前面接入掺铒光纤放大器，作为线路放大器，以补偿分支损耗。在光纤传输网络管理中如何实现对掺铒光纤放大器的监控。光纤放大器作为整个系统的一个功能模块，纳入网管系统的方法一般有两种其一是通过光纤放大器的232C接口电路将光纤放大器的性能参数和告警信息传输给网管系统，进行统一管理，显示和处置。其二是由光纤放大器的开关量信息接口向网管系统送开关量信息进行管理显示。在工程实践中已采用过这两种成功的方法。何谓DWDM用增益平坦掺铒光纤放大器它的应用状况如何采用在1550NM窗口附近的密集型WDM技术是扩大现有光纤通信能力的最有效的方法。增益平坦型光纤放大器是DWDM传输系统的关键部件，可以十分有效地解决由于光波分复用/解复用带来的插入损耗，使WDM系统的中继问题变得十分简单。由于EDFA具有40NM的工作带宽，它可以同时放大多个波长不同的光信号，因此它可以十分方便地应用于DWDM系统中，补偿各种光衰耗。模块是集成化的掺铒光纤放大器如图11所示），图11EDFA内部方块图分为光电一体EDFA模块和光增益模块两种，其具有体积小、功耗低、使用方便等特点，可以根据用户使用的情况十分方便地安装在各种各样的应用系统中，如SDH机架内、CATV机盒内、DWDM系统机架内。13EDFA的发展方向EDFA的发展方向EDFA从C波段CONVENTIONALBAND15301560NM常规的EDFA向L波段LONGWAVELENGTHBAND15701605NM发展，可采用掺铒氟化物光纤放大器EDFFA，带宽可达75NM；采用碲化物EDFA，带宽可达76NM；采用增益位移掺铒光纤放大器GSEDFA，通过控制掺铒光纤的铒粒子数反转程度，可在15701600NM波段实现放大，它与普通的EDFA组合，可得到带宽约80NM的宽带放大器；采用覆盖C波段和L波段的超宽带光放大器UWOA，可用带宽80NM，能在单根光纤上放大100多路波长信道；采用常规EDFA和扩带光纤放大器EBFA组成的基于掺铒光纤的双带光纤放大器DBFA，工作波长为15281610NM；将局部平坦的EDFA与光纤拉曼放大器串联使用，可获得带宽高于100NM的超宽带增益平坦放大器；EDFA应具有动态增益平坦特性的小型化、集成化方向发展。EDFA是目前及未来一段时间放大器的主要选择，在骨干网和城域网/接入网中发挥着关键性作用。但EDFA级联噪声大以及带宽受限，它与DRA混合使用，在长距离、大容量传输中是当前的一种优秀方案。FRA宽带、低噪声、抑制非线性、提高传输距离，进行色散补偿等，必将成为下一代光放大器的主流。城域网/接入网中光放大器目前具有竞争力的技术为MINIEDFA、EDWA和SOA技术，这种低价放大器正在标准化。随城域网建设的兴起，光放大器在低价领域必有一番作为。第二章掺铒光纤放大器的工作原理及性能参数21掺铒光纤放大器的介绍211EDFA放大器的组成词名掺铒光纤放大器；英文名ERBIUMDOPEDFIBERAMPLIFIER；缩写EDFA来历ERDOPEDFIBERAMPLIFIER相关术语OPTICALAMPLIFIER石英光纤掺稀土元素如ND、ER、PR、TM等后可构成多能级的激光系统，在泵浦光作用下使输入信号光直接放大。提供合适的反馈后则构成光纤激光器。掺ND光纤放大器的工作波长为1060NM及1330NM，由于偏离光纤通信最佳宿口及其他一些原因，其发展及应用受到限制。EDFA及PDFA的工作波长分别处于光纤通信的最低损耗1550NM及零色散波长1300NM窗口，TDFA工作在S波段，都非常适合于光纤通信系统应用。尤其是EDFA，发展最为迅速，已实用化在掺铒光纤发展的基础上，不断出现许多新型光纤放大器，例如，以掺铒光纤为基础的双带光纤放大器DBFA，是一种宽带的光放大器，宽带几乎可以覆盖整个波分复用WDM带宽。类似的产品还有超宽带光放大器UWOA，它的覆盖带宽可对单根光纤中多达100路波长信道进行放大。下图为掺铒光纤放大器实物图图21掺铒光纤放大器一个典型的掺铒光纤放大器主要由以下几部分组成如图22所示1掺铒光纤是EDFA的主体,在石英基质中掺入饵离子制成。2泵浦光源泵浦光用于供给掺铒光纤中铒粒子的能量,使其吸收能量跃迁到亚稳态能级。3隔离器用于抑制光的来回反射,保证放大器工作稳定。4耦合器用于将信号光和泵浦光耦合到掺铒光纤中。5控制电路从放大器输出端抽取监测信号,对放大器的泵浦光功率及输入信号光等进行调节、控制增益的大小,保证输出信号的稳定。6光滤波器带宽为1NM以下的窄带光滤波器,用于消除放大器的自发辐射光,以降低放大器的噪声。图22EDFA的结构212EDFA的放大原理EDFA的放大作用是通过1550NM波段的信号光在掺铒光纤中传输与ER3离子相互作用产生的。在掺铒光纤中注入足够强的泵浦光，就可以将大部分处于基态的ER3离子抽运到激发态上，处于激发态的ER3离子又迅速无辐射地转移到亚稳态上。由于ER3离子在亚稳态上能级寿命较长，因此，很容易在亚稳态与基态之间形成粒子数反转，即处于亚稳态的ER3粒子数比处于基态的ER3粒子数多。当信号光子通过掺铒光纤，与ER3离子相互作用发生受激辐射效应，产生大量与自身完全相同的光子，这时通过掺铒光纤传输的信号光子迅速增多，产生信号放大作用；只有少数处于基态的ER3离子对信号光子产生受激吸收效应，吸收光子。如图23所示。15201570NM10MS1480NM980NM4I11/24I13/24I15/2ER3的能级图图23ER3能级图213EDFA的基本性能1增益特性增益特性表示了光放大器的放大能力，定义为输出功率和输入功率之比。EDFA的增益大小与多种因素有关，增益一般为15DB40DB。2输出功率特性EDFA的最大输出功率常3DB饱和输出功率来表示。3DB饱和输出功率是指当饱和增益下降3DB时所对应的输出功率，该参数反映了EDFA的最大功率输出能力，EDFA的饱和输出特性与泵浦功率大小、掺铒光纤长短有关。泵浦光功率越大，3DB饱和输出功率越大；掺铒光纤长度越长，3DB饱和输出功率也越大。3噪声特性EDFA的输出光中，除了有信号光外，还有被放大的噪声。EDFA的噪声主要有4种信号光的散粒噪声；被放大的自发辐射光ASEDE散粒噪声；自发辐射ASE光谱与信号光之间的差拍噪声；自发辐射ASE光谱间的差拍噪声。22EDFA的优缺点EDFA之所以得到迅速的发展源于它一系列突出的优点。之所以得到迅速的发展，EDFA之所以得到迅速的发展，源于它一系列突出的优点。1EDFA的工作波长与光纤最小损耗窗口一致，恰好落在最佳波长区13001600NM。2因为EDFA的主体也是一段光纤，它与线路光纤的耦合损耗很小，甚至可达到01DB，耦合效率高。因为是光纤型放大器，易于与传输光纤耦合连接，也可以用熔接在一起，熔接后反射损耗小。3能量转换效率高。激光工作物质集中在光纤芯子中，且集中在光纤芯子中的近轴部分，饵信号光和泵浦光也是在光纤的近轴部分最强，这使得光与媒质的作用很充分再加之有较长的作用长度，因而有较高的转换效率。所需泵浦光功率较低数十毫瓦，泵浦效率却相当高，用980NM光源泵浦时，增益效率可达11DB/MW，用1480NM光源泵浦时为51DB/MW；泵浦功率转换为输出功率的效率和吸收效率高于80。4增益高、噪声低、输出功率大。增益约为2040DB。输出功率在单光谱时可达14DBM，而在双泵浦时可达17DBM，甚至20DBM。噪声指数低，一般为47DB。5频带宽，在1310NM和1550NM窗口各有2040NM带宽，可以进行多信道传输，便于扩大传输容量，从而节省成本费用，对比特率高于25GB/S的系统有利。6与半导体激光放大器不同，EDFA的增益特性与光纤极化状态无关，放大特性与光信号的传输方向也无关，当光纤放大器内无隔离器时，可以实现双向放大在多信道应用中可以进行无串话传输注所谓极化光纤POLEDFIBER是指对熔石英光纤外加直流强电场进行极化,以及其它附加工艺处理后如升温,紫外照射,激光注入等,具有永久二阶非线性光学效应例如电光效应,倍频效应等的一种光纤功能器件。极化光纤器件是一种新型的全玻璃光纤有源器件,它充分利用了熔石英光纤优良的透明性和很低的群速色极化光纤器件散；与晶体材料的非线性光学器件或电光器件相比,它的制造成本很低,易集成化和封装简便；具有较高的光学损伤阈值；具有较高的可靠性和较低的插入损耗。这些都使它在许多领域有着广泛的应用前景。例如在高速光纤通讯领域,可作为光纤调制器,可调制相位和偏振态,在适当的结构下,还可调制振幅,也可作为高速光开关；在非线性光学领域,可作为光学参量频率转换器件,光子对放大器,例如利用三波混频,以扩展高功率二极管激光器的波长范围在光纤传感领域,其可调制特性,可作为本征光纤传感器,测量电压等参量带有布拉格反射光栅的、集成化的电光有源光纤传感器在替代现有传感器上是非常吸引人的。7增益特性稳定。EDFA对温度不敏感，在100范围内，增益特性保持稳定。8中继器只有低速电子装置和几个无源器件，所以结构简单，可靠性高，体积小。9可以同时传输模拟信号和数字信号，高比特率信号和低比特率信号。当系统扩容时，可以只改动端机而不改动线路。对不同传输速率的数字体系具有完全的透明度，与准同步数字体系PDH和同步数字体系SDH的各种速率兼容，调制方案可以任意选择。10EDFA需要的工作电流比光一电一光中继器小，因此可以大大减小所需电流，从而降低了对海底电缆和绝缘特性的要求在放大器级联使用中可以自动补偿线路上损耗的增加，使系统经久耐用。当然EDFA也有其固有的缺点。1波长范围固定。只能放大1550NM左右波长的光波，可以调节的波长范围有限。2增益带宽不平坦。EDFA的增益谱宽大约40NM，但增益带宽不平坦。在光纤通信系统中需要采取特殊手段来进行增益谱补偿。3附加的噪声使接收机灵敏度退化。4光纤的色散和非线性效应可以无阻碍地得到积累。23EDFA的主要应用形式EDFA在功能应用上可以分为用作远距离传输的线路放大器、用作光发射机输出的功率放大器和用作接收机前端的前置放大器。1功率放大器把EDFA置于光发射机半导体激光器之后，光信号经EDFA放大后进入光纤线路，从而使光纤传输的无中继距离增大，可达200KM以上。具有输出功率大、输出稳定、噪声小、增益频带宽、易于监控等优点。2线路放大器处于功率放大器之后，用于周期性地补偿线路传输损耗，一般要求比较小的噪声指数，较大的输出光功率。EDFA作为线路放大器有许多特殊功能是电子线路放大器不可比拟的。3前置放大器处于分波器之前，线路放大器之后，用于信号放大，提高接收机的灵敏度。EDFA具有接近量子极限的低噪声优点，因而可用作接收机的前置放大器以提高接收灵敏度，要求噪声指数很小，对输出功率没有太大的要求。把EDFA置于光接收机PIN光检侧器的前面，来自光纤的信号经EDFA放大后再由PIN检测。强大的光信号使电子放大器的噪声可以忽略，用EDFA作预放的光接收机具有更高的灵敏度。如果综合上述各种应用，一个EDFA用作接收机前置放大器，另一个EDFA用作发送机的功率提升放大器，就可以实现长距离的无中继传输。这类系统主要用于海底光纤通信系统。24EDFA的增益特性增益G是指输出信号光功率POUT,与输入信号光功率PIN,之比，一般以分贝DB来表示。GPOUT/PIN1G10LGPOUT/PINDB2应用上面给出的理论模型可以用数值法进行计算，从而得出光纤放大器的特性，其中最主要的是增益及噪声特性。首先分析EDFA的增益特性。EDFA的增益特性与饵离子浓度的纤芯内径向分布、纤芯尺寸、放大器长度及泵浦功率等有关。EDFA的放大特性的放大特性（1）掺饵光纤放大器小信号增益G与泵浦功率PP以及光纤长度L的关系曲线。它的泵浦光波长为148M，信号光波长为155M，采用典型的光纤参数。用泵浦光功率PP做参变量，给出了增益GDB与光纤长度1之间的关系曲线。对一定的泵浦光功率，EDFA的增益开始随着EDF的长度增长而增大，到某一长度时达到最大，然后随着长度的进一步增加，增益反而减小，可见有一个最佳长度LOPT,这时增益最大。可以这样认为，当长度LPPTH，在整个长度的EDF上，处处满足放大条件，从而最大限度利用了泵浦光功率。当长度LLOPT时，泵浦光功率PPZPPTH时，G0,且L愈长，PPTH愈高。必须选择合适的及PP，才能使G最大。（2）根据相近参数的掺饵光纤（根据速率方程），长度分别为A15MB10MC5M信号光功率为1W,输出信号光功率与信号光增益与入射泵浦功率关系（3）取相同参数掺饵光纤长度30M，信号光功率为1W。前向泵浦光功率分别取A15MWBL0MWC5MW。但由于参数取值不同，相同泵浦光功率下信号光获得的增益较小。取相同参数的掺饵光纤长度L0M,信号光功率为1W。采用前向泵浦光激励功率。输入信号光分别取A1W；B10WC100WD500W。信号光增益与泵浦光功率的关系当EDF一定时，随着泵浦光功率的增大，信号光增益渐渐增大最终趋于饱和，饱和增益随着输入信号功率的增加而有所减少。EDFA的阈值功率PPTH几乎和信号光入射功率无关。阈值功率PPTH主要由EDF的长度决定，大的入射功率比小的更加容易饱和。（5）取相同参数的掺饵光纤长度20M，信号光功率为1W。采用前向泵浦光激励功率。泵浦光功率分别取A5MW；BL0MWC20MWD50MW。当泵浦光功率、EDF一定时，输入信号光功率不同时获得的增益不同，输入信号光功率越大，增益越小。激励泵浦光功率越大，信号增益越大。EDFA的泵浦方式对增益的影响取掺饵光纤长度为20M,掺杂粒子密度为163X1024/M3，用1480NM的泵浦光进行激励，对1536NM的信号光进行放大A前向泵浦光激励方式，前向泵浦光功率为8MWB反向泵浦光激励方式，反向泵浦光功率为8MWC双向泵浦光激励方式，前向泵浦光功率为4MW，反向泵浦光功率为4MW。达到稳态时信号光的增益随传播长度的变化。由图24可知，前向泵浦光、反向泵浦光、双向泵浦光三种激励方式效果各不相同。（1前向（同向）泵浦在掺饵光纤的输入端，泵浦光较强，故粒子反转激励也强，其增益系数大，信号一进入光纤即得到较强的放大。但由于吸收，泵浦光将沿光纤长度而衰减，这一因素使在一定长度上达到增益饱。（2反向泵浦泵浦光与信号光从不同的反向输入EDFA，两者在光纤中传输方向相反。其优点是当光信号放大到很强时，泵浦光也强，不易达到饱和。（3双向泵浦为使EDFA中掺杂粒子得到充分的激励，必须提高泵浦功率，所以可以用多个泵浦源激励光纤。如果提供部分前向泵浦，部分后向泵浦，则称为双向泵浦。这种泵浦方式结合了前向泵浦与反向泵浦的优点，使得泵浦光在光纤中均匀分布，从而其增益在光纤中也均匀分布。图24三种泵浦方式的EDFA第三章EDFA在密集波分复用系统中应用与研究31波分复用（WDM）的基本概念311波分复用系统的组成光通信系统可以按照不同的方式进行分类。如果按照信号的复用方式来进行分类，可分为频分复用系统（FDMFREQUENCYDIVISIONMULTIPLEXING）、时分复用系统（TDMTIMEDIVISIONMULTIPLEXING）、波分复用系统（WDMWAVELENGTHDIVISIONMULTIPLEXING）和空分复用系统（SDMSPACEDIVISIONMULTIPLEXING）。所谓频分、时分、波分和空分复用，是指按频率、时间、波长和空间来进行分割的光通信系统。应当说，频率和波长是紧密相关的，频分也即波分，但在光通信系统中，由于波分复用系统分离波长是采用光学分光元件，它不同于一般电通信中采用的滤波器，所以我们仍将两者分成两个不同的系统。波分复用是光纤通信中的一种传输技术，它利用了一根光纤可以同时传输多个不同波长的光载波的特点，把光纤可能应用的波长范围划分成若干个波段，每个波段作一个独立的通道传输一种预定波长的光信号。光波分复用的实质是在光纤上进行光频分复用（OFDM），只是因为光波通常采用波长而不用频率来描述、监测与控制。随着电光技术的向前发展，在同一光纤中波长的密度会变得很高。因而，使用术语密集波分复用（DWDMDENSEWAVELENGTHDIVISIONMULTIPLEXING），与此对照，还有波长密度较低的WDM系统，较低密度的就称为稀疏波分复用（CWDMCOARSEWAVEDIVISIONMULTIPLEXING）。这里可以将一根光纤看作是一个“多车道”的公用道路，传统的TDM系统只不过利用了这条道路的一条车道，提高比特率相当于在该车道上加快行驶速度来增加单位时间内的运输量。而使用DWDM技术，类似利用公用道路上尚未使用的车道，以获取光纤中未开发的巨大传输能力。WDM系统组成。光波长转换单元（OTU）将非标准的波长转换为ITUT所规范的标准波长，系统中应用光/电/光（O/E/O）的变换，即先用光电二极管PIN或APD把接收到的光信号转换为电信号，然后该电信号对标准波长的激光器进行调制，从而得到新的合乎要求的光波长信号。波分复用器可分为发端的光合波器。光合波器用于传输系统的发送端，是一种具有多个输入端口和一个输出端口的器件，它的每一个输入端口输入一个预选波长的光信号，输入的不同波长的光波由同一输出端口输出。光分波器用于传输系统的接收端，正好与光合波器相反，它具有一个输入端口和多个输出端口，将多个不同波长信号分类开来。光放大器不但可以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、低损耗的全光放大器，是新一代光纤通信系统中必不可少的关键器件。在目前实用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被广泛应用于长距离、大容量、高速率的光纤通信系统中，作为前置放大器、线路放大器、功率放大器使用。光监控信道是为WDM的光传输系统的监控而设立的。ITUT建议优选采用1510NM波长，容量为2MBIT/S。靠低速率下高的接收灵敏度（优于50DBM）仍能正常工作。但必须在EDFA之前下光路，而在EDFA之后上光路。312EDFA在WDM系统中的应用EDFA在WDM系统中可以作为前置放大器、线路放大器和功率放大器。EDFA作前置放大器时，放在光接收机之前，以提高光接收机的灵敏度，一般工作于小信号或线性状态，信号输入功率约一40DBM。要求EDFA的增益足够高，噪声系数则越小越好。EDFA用作线路放大器时，可以直接插入到光纤传输链路中作为光中继放大器，省去了电中继器的光电光转换过程，直接放大光信号，以补偿传输线路损耗，延长中继距离。一般工作在近饱和区，信号输入功率约一20DBM。要求EDFA同时具有较高的增益和输出光功率，还应有对其工作状态的实时监控。EDFA作为功率放大器时，装在光发送机之后，对光源发出的光信号进行放大，以补偿无源光器件的损耗和提高发送光功率。通常工作于深饱和区，要求EDFA在保持适中的增益和噪声系数下，能提供尽可能高的输出光功率，必要时可用双泵浦。313WDM系统对EDFA的要求为了确保WDM系统的传输质量，WDM系统中使用的EDFA应具有足够的带宽、平坦的增益、低噪声系数和高输出功率。EDFA增益带宽目前，EDFA可用增益频谱范围为L530L565NM，增益带宽为35NM左右，可以满足432信道的WDM系统。如果希望进一步增大带宽，以利用波长资源，则必须开发新型的光放大器。WDM系统对EDFA增益平坦度的要求EDFA的增益平坦度GF是指在整个可用增益的带宽内，最大增益波长点的增益与最小增益波长点的增益之差。在WDM系统中，要求EDFA的GF越小越好。一般EDFA在它的工作波段内存在着一定的增益起伏，即不同波长所得到的增益不同。虽然增益差值不大，但当多个EDFA级联应用时，这种增益差值会线性积累，严重时，信号到达接收端后，有些高增益信道的接收光功率过大使接收机过载，而某些低增益信道的接收光功率过小而达不到接收机灵敏度。因此，要使各信道上的增益偏差处于允许范围内，放大器的增益就必须平坦。使光纤放大器增益平坦的技术有两种途径一是增益均衡技术；二是光纤技术。A增益均衡技术增益均衡技术是利用损耗特性与放大器的增益波长特性相反的增益均衡器来抵消增益的不均匀性，这种技术的关键在于放大器的增益曲线和均衡器的损耗特性精密吻合，使综合特性平坦。增益均衡技术可以分为固定式的和动态的。现阶段实用化的固定式增益平坦技术主要有光纤光栅技术和介质多层薄膜滤波器技术等。增益均衡用的光纤光栅是一种长周期光纤光栅。其光栅周期一般为数百UM。通过多个长周期的光栅组合，可以构成具有与EDFA增益波长特性相反的增益均衡器。使用该技术，在15281568NM的40NM带宽内，可以实现增益偏差在5以内的带宽增益平坦的EDFA。动态的增益均衡技术是指动态增益可调的增益平坦滤波器技术，主要有法拉第旋转体型增益可调滤波器技术、波导MZ型增益可调型滤波器技术、阵列波导型动态增益可调滤波器技术和声光型动态增益可调滤波器技术等。B光纤技术所谓光纤技术是指通过改变光纤材料或者利用不同光纤的组合来改变EDF的特性，从而改善EDFA的增益平坦性。可分为滤波器型和本征型两类。滤波器型是在EDFA中内插无源滤波器将1530NM的增益峰降低，或专门设计其透射谱与EDFA增益谱相反的光滤波器将增益谱削平，但滤波器型结构工艺都较复杂，附加损耗大，输出功率会减小。本征型是在EDF中掺入别的杂质如掺铝EDFA、掺钇EDFA或改变EDF基质如氟化物EDFA、碲化物EDFA。其最大优点是无需制作和引入附加元件。EDFA增益特性的优化技术采用放大波段内的增益控制和光谱均衡方法，能取得EDFA增益特性优化的良好结果。EDFA的增益控制技术有许多种，典型的有控制泵浦源增益的方法，EDFA内部的监测电路通过监测输入和输出功率的比值来控制泵浦源的输出，当输入波长某些信号丢失时，输入功率会减小，输出功率和输入功率的比值会增加，通过反馈电路，降低泵浦源的输出功率，保持输出输入增益不变，从而使EDFA的总输出功率减少，保持输出信号电平的稳定。另外，还有饱和波长的方法。在发送端，除了传输信号的工作波长外，系统还发送另一个波长作为饱和波长。在正常情况下，该波长的输出功率很小，当线路的某些信号失去时，饱和波长的输出功率会自动增加，用以补偿丢失的各波长信号的能量，从而保持EDFA输出功率和增益保持恒定。当线路的多波长信号恢复时，饱和波长的输出功率会相应减少，这种方法直接控制饱和波长激光器的输出，速度较控制泵浦源要快一些。安全要求在某些情况下，光放大器的输出功率非常高，可能非常接近光纤安全功率的极限。因此，对于含有光放大器的WDM系统，安全特别重要。ITUT建议规定单路或合路入纤最大光功率电平为17DBM。对链路切断情况下可能引起的强烈“浪涌”效应更应加以重视，必须保证系统能够及时关闭泵浦源和系统，以防止对系统造成损。314密集波分复用（DWDM）原理概述DWDM技术是利用单模光纤的带宽以及低损耗的特性，采用多个波长作为载波，允许各载波信道在光纤内同时传输。与通用的单信道系统相比，密集WDM（DWDM）不仅极大地提高了网络系统的通信容量，充分利用了光纤的带宽，而且它具有扩容简单和性能可靠等诸多优点，特别是它可以直接接入多种业务更使得它的应用前景十分光明。在模拟载波通信系统中，为了充分利用电缆的带宽资源，提高系统的传输容量，通常利用频分复用的方法。即在同一根电缆中同时传输若干个频率不同的信号，接收端根据各载波频率的不同利用带通滤波器滤出每一个信道的信号。同样，在光纤通信系统中也可以采用光的频分复用的方法来提高系统的传输容量。事实上，这样的复用方法在光纤通信系统中是非常有效的。与模拟的载波通信系统中的频分复用不同的是，在光纤通信系统中是用光波作为信号的载波，根据每一个信道光波的频率（或波长）不同将光纤的低损耗窗口划分成若干个信道，从而在一根光纤中实现多路光信号的复用传输。由于目前一些光器件（如带宽很窄的滤光器、相干光源等）还不很成熟，因此，要实现光信道非常密集的光频分复用（相干光通信技术）是很困难的，但基于目前的器件水平，已可以实现相隔光信道的频分复用。人们通常把光信道间隔较大（甚至在光纤不同窗口上）的复用称为光波分复用（WDM），再把在同一窗口中信道间隔较小的DWDM称为密集波分复用（DWDM）。随着科技的进步，现代的技术已经能够实现波长间隔为纳米级的复用，甚至可以实现波长间隔为零点几个纳米级的复用，只是在器件的技术要求上更加严格而已，因此把波长间隔较小的8个波、16个波、32乃至更多个波长的复用称为DWDM。ITUTG692建议，DWDM系统的绝对参考频率为1931THZ（对应的波长155252NM），不同波长的频率间隔应为100GHZ的整数倍（对应波长间隔约为08NM的整数倍）。DWDM系统的构成，发送端的光发射机发出波长不同而精度和稳定度满足一定要求的光信号，经过光波长复用器复用在一起送入掺铒光纤功率放大器（掺铒光纤放大器主要用来弥补合波器引起的功率损失和提高光信号的发送功率），再将放大后的多路光信号送入光纤传输，中间可以根据情况决定有或没有光线路放大器，到达接收端经光前置放大器（主要用于提高接收灵敏度，以便延长传输距离）放大以后，送入光波长分波器分解出原来的各路光信号。32EDFA在密集波分复用（DWDM）系统中应用的分析321EDFA在DWDM系统中的作用和应用方式EDFA是目前光放大器市场的主流品种，在DWDM系统、接入网和有线电视领域得到广泛应用，在CATV系统中通常作为功率放大器以提高发射机的功率，使发射机覆盖的用户数大大增加，也可作为光纤线路的中继放大器，以补偿光分路器及线路损耗，使传输距离大大增加。光纤放大器与其他放大器比较，具有输出功率大、增益高、工作带宽宽、与偏振无关、噪声指数低、放大特性与系统比特率、数据格式无关等特点，它已成为新一代光通信系统的关键器件之一。掺铒光纤放大器用在系统发射机输出短，提高发送功率，延长传输距离；用在光纤传输链路中，补偿光能量的损失，可增加传输距离；用在光接收机前，对信号进行预防大，可提高光接收机灵敏度。应用范围包括干线高速光通信系统、海缆系统、本地网、用户接入网、掺铒光纤放大器作为功率放大器有许多特殊功能是电子线路放大器所不能比拟的，分述如下11掺铒光纤放大器可用作数字、模拟以及相干光通信的功率放大器。即如果线路上已采用掺铒光纤放大器做功率放大器，那么，不管它需要传输数字信号还是传输模拟信号，不必改变掺铒光纤放大器线路设备。12掺铒光纤放大器可传输不同的码率。如果需要扩容，由低码率改变为高码率时，不必改变掺铒光纤放大器线路设备。13掺铒光纤放大器做功率放大器，可在不改变原有噪声特性和误码率的前提下，直接放大数字、模拟活二者混合的数据格式，特别适合光纤传输网络升级。实现语音、图像、数据同网传输，不必改变掺铒光纤放大器线路设备。14一个掺铒光纤放大器可同时传输若干波长的光信号