毕业设计（论文）L波段掺铒光纤放大器的研究

1、湖北工业大学理学院2010届毕业设计 (论文) 毕 业 设 计（论 文）题 目 l波段掺铒光纤放大器的研究姓 名 所在学院 理学院 专业班级 06光信1 学 号 指导教师 日 期 2009年12月15日 35摘 要作为光通信系统中的一个关键器件在光通信领域中扮演着十分重要的角色。然而随着系统容量的不断增加，目前所使用的波段已不能满足系统扩容的要求，这就迫切需要向波段或更短的波段扩展。由于工作在波段的波长远离掺铒光纤()的吸收峰()，导致波段的增益效率受到了一定的限制，因此如何提高波段的增益效率具有重要的学术意义和实际应用价值。本论文在前人的基础上，对提高波段的增益效率进行了系统的研究和模拟仿真

2、。通过模拟不同结构的波段掺铒光纤放大器，得到了不同的系统增益特性及其他性能指标。例如：.模拟仿真了基于光环形器的双通结构波段。结果表明：基于光环形器的双通结构波段其增益较传统波段提高了，功率转换效率提高到.。.模拟仿真了波段双级级联双程放大的放大器结构。结果表明：在小信号功率（）输入条件下、波长范围内，放大器输出增益都大于同时增益平坦度优于。其噪声指数在整个l波段都小于（处噪声指数仅为）。关键词：光放大器 掺铒光纤 l波段 c波段 abstractedfa as optical communication systems, a key device in optical communicati

3、ons field plays an important role. however, with the continuous increase in system capacity, the c-band currently in use can not meet the requirements of the system expansion, there is an urgent need to edfa or less to the l-band s-band extension. as the work in the l-band wavelength away from the e

4、rbium-doped fiber (edf) of the absorption peak (1531nm), leading to l-band edfa gain efficiency by certain restrictions, therefore, how to improve the efficiency of l-band edfa gain significant academic significance and practical application value.in the predecessors of this paper, based on improvin

5、g the efficiency of l-band edfa gain a systematic study and simulation. by simulating different structures of the l-band erbium-doped fiber amplifier, has been a different system gain characteristics and other performance indicators. for example:1. simulation of the device based on optical ring stru

6、cture of the double-pass l-band edfa. the results showed that: device based on optical ring structure of the double-pass l-band edfa its more traditional l-band edfa gain increases 7db, power conversion efficiency increased to 27.29%.2. simulation of the l-band two-stage double-pass amplification of

7、 the amplifier cascade structure. results showed that: in the small-signal power (-30dbm) input condition, 1568 1602nm wavelength range, amplifier output gain is greater than 38.84db the same time, gain flatness is better than 2.04db. the noise index in the whole l-band are less than 5.29db (1590nm

8、at noise figure of only 3.95db).key words：optical amplifier erbium-doped fiber c-band l-band目 录1 绪论11.1光纤放大器简介21.1.1半导体激光放大器31.1.2基于非线性效应光纤放大器31.1.3掺稀土元素光纤放大器51.2掺铒光纤放大器的研究进展及应用61.3论文内容安排及研究方法82 掺铒光纤放大器的基本理论92.1 edfa的基本结构92.2 edfa的工作原理102.3掺铒光纤放大器理论模型132.3.1掺铒光纤放大系统的原子速率方程132.3.2光纤放大系统的传输方程153 l 波段掺

9、铒光纤放大器的模拟仿真173.1 l 波段掺铒光纤放大器的优化设计173.1.1 l波段edfa的基本原理173.1.2 l波段edfa的模型173.1.3 设计和验证183.2 l 波段edfa的输出特性的模拟仿真213.2.1放大器增益与带宽213.2.2放大器增益饱和与饱和输出功率223.2.3放大器噪声特性243.3高增益低噪声l波段掺铒光纤放大器实验研究283.3.1设计和验证294 总结与展望314.1总结314.2展望315 参考文献326 致谢331 绪论广义地说 ，通信就是彼此间传递信息，“光”被用于通信已经有很久远的历史了。我国古代记载的汉武帝时代利用烽火台的烽火向远处报警

10、的方式，就是最早的光通信。1880年电话发明家贝尔(a. g. bell)发明了光学电话，以阳光为光源，用硒晶体作光接收器件，成功地进行了距离达200米远的大气传输通信实验，贝尔的实验奠定了当今光通信的基础。到20世纪早期，仍有不少科学家致力于光通信的研究，但由于缺乏理想的光源，进展不大，直到1960年梅曼(t. h. mainman)研制成功世界上第一台红宝石激光器。激光器的出现为长期处于停顿状态的光通信解决了一大难题，并成为光通信系统的关键性部件之一。传输媒质是光通信的另一大难题。1966年7月，英籍华人科学家高馄(k. c. kao)博士和他的合作者霍克汉(g. a. hockhan)在

11、伦敦电气工程师协会(iee)会刊上发表题为用于光频的介质纤维表面波导的文章，研究了石英玻璃的损耗机理是基于石英材料中的杂质吸收，指出通过制造技术的改进，石英玻璃可以制成损耗为20db/km 的通信光导纤维(简称光纤)，而当时世界上最优良的光纤损耗仍高达1000db/km,高馄的预见为光纤通信的发展指出了方向。到1970年美国康宁玻璃公司宣布研制成功衰减为20db/km 的光纤，低损耗光纤的出现给光纤通信的发展带来了第一次革命，从此世界上许多国家竞相开展光纤通信的研究，正式揭开发展光纤通信的序幕。1976年以后各种实用的光纤通信系统相继问世。到1979年在1.55波长上光纤损耗降低到0.2db/

12、km，这已接近了石英光纤理论上的损耗极限。目前的研究水平可达到0.1db/km以下。鉴于光纤具有的频带宽，容量大，传输损耗低，不易受电磁干扰，保密性强，重量低，易弯曲以及制造光纤的材料自然界有取之不尽的源泉等一系列优点，所以光纤通信的出现被认为是通信史上一次根本性变革，光纤通信已成为通信系统的主流。在光波导技术快速发展的同时，与之相配合的半导体技术(它提供光纤通信所需的光源和光检测器)也相应地发展起来，促成了光纤通信的实用化。1970年，美国贝尔实验室的0.85的gaaias半导体激光器在室温下实现连续振荡，随后，为配合光纤的长波长窗口(1.21, 1.31, 1.55),研制出ingaasp

13、长波长激光器和发光二极管。因此，1976年后，光纤通信的发展进入实用化阶段，各种实用的光纤通信系统陆续出现。在1978年，出现了商用的短波长(0.85砷化稼激光器)多模光纤系统，无中继距离仅在lokm左右，这就是第一代光纤通信系统，但此波长处光纤的损耗和色散都较大。第二代光纤通信系统出现在八十年代早期，是长波1.3的多模光纤和单模光纤通信系统，无中继距离达40km。虽然光纤的零色散就位于1.3上，但在此波长上光纤的损耗仍限制通信的中继距离，光纤的最小损耗位于1.55处，1.55单模光纤通信是第三代光纤通信系统，现己在公用通信网上得到大规模应用。目前通信的研究热点是长距离、大容量、超高速的光纤通

14、信系统，其中光纤放大器和dwdm起着极其重要的作用。随着技术的不断发展，全光通信已成为通信发展的必然趋势。1.1光纤放大器简介光纤制造技术已经把光纤损耗降低到理论极限值，但在长距离通信中，光纤损耗和色散仍不可避免，这就需要每隔一段距离增加一个再生中继器来保证信号的传输质量。传统的中继放大是在光信号传输过程中，将光信号转变为电信号，对电信号进行再生、整形和定时处理，恢复信号的形状和幅度，然后再转换回光信号沿光纤线路继续传输。这种光一电一光转换的中继器有许多缺点，如设备复杂，需要昂贵的脉冲限幅，重新定时和整形的电子器件以及光探测器件和光发射器件，系统稳定性和可靠性不高，对多信道的通信系统，设备更复

15、杂，费用更昂贵，而且电子线路的1ogb/s的响应极限已经成为限制通信速率的“电子瓶颈”。因此，最理想的中继放大是光一光直接放大，不需要经过光一电一光转换过程。光放大器应运而生。光放大器主要包括半导体激光放大器和光纤型放大器两类。光纤型放大器有光纤喇曼放大器（fra）、光纤布里渊放大器(fba)、和掺杂光纤放大器（如edfa）等几种。其中掺铒光纤放大器（edfa）技术已变得相当成熟并商用化。1.1.1半导体激光放大器所有靠近阈值但在阈值以下偏置的半导体激光器都可以实现光放大，做成半导体激光放大器（soa）。对于半导体激光放大器（soa）的研究，早在1926年发明半导体激光器不久就已经开始了。然而

16、，只是80年代在认识到它将在光纤系统中具有广泛应用前景时，才对soa进行了广泛的研究和开发。为了提高增益带宽，在半导体光放大器放大芯片的两个解理端面上，蒸镀抗反射膜已降低端面放射系数。按照端面反射系数的大小，可将半导体光放大器分为两类：一类为法布里泊罗（f-p）半导体光放大器（fpa），其端面的反射系数为0.010.3；另一类为行波型光放大器（twa），其端面的反射系数为左右。行波型放大器的带宽比法布里泊罗型的放大器大三个数量级，可达10thz。半导体光放大器的结构与半导体激光器相似，所不同的是两端面吴反射膜，或者虽有反射膜，但反射率很低。半导体光放大器的优点：尺寸小，为0.11mm；增益高，

17、为1530db；频带宽，为5070nm,其工作波段可覆盖1.3和1.5波段，这是掺铒光纤放大器所无法做到的。此外，半导体光放大器的功率消耗低，制作上可充分利用现有的半导体激光器技术，工艺成熟，且便于光集成。半导体光放大器存在的主要缺点：与光纤的耦合损耗大，可达5db左右。这是它的最大弱点；稳定性差。由于放大芯片的有源区截面形状近似为矩形，放大器对两个正交的偏振模式将具有不同的光增益作用，也就是说，它的增益与信号的偏振态有关。同时增益对环境温度也很敏感；噪声特性稍差，用半导体光放大器对多个波长通道同时进行放大时，其fwm等非线性效应将引起通道间的串扰。1.1.2基于非线性效应光纤放大器非线性光纤

18、放大器是利用光纤的三阶非线性光学效应受激喇曼散射（srs）和受激布里渊散射（sbs）等产生的增益机制而对光信号进行放大的。把基于srs机制的光放大器称为光纤喇曼放大器（frafiber raman amplifier）；基于sbs机制的光放大器则称为光纤布里渊放大器（fba）。它们都是借助泵浦光子与光纤中的分子体系互相作用，吸收泵浦光子能量后的分子处于某一高振动能级，该能级不稳定，当它向比原来振动能级能量高的某个振动能级跃迁时，便将散射出一个比泵浦光子能量低的斯托克斯光子。当入射信号光子与斯托克斯光子的频率相同时，将使处于高振动能级上的分子受激辐射出同相位的斯托克斯光子，实现光放大。这两种光放

19、大器相类似，都必须有泵浦光的注入。泵浦光通过srs或sbs过程将一部分光功率转移给信号光，使信号光放大，同时将部分光功率转换成分子振动（srs）或声子（sbs）。不同之处如下：（1）在fra中，泵浦光和信号光可以同向传输或反向传输，有时还可以用两个方向的泵浦光，而fba只能反向（逆向）泵浦。（2）fra要求泵浦光波长比信号光波长短一个斯托克斯位移（stokes shift），对1.31和1.55分别约为80nm和120nm；而fba虽然对光纤同样要求泵浦光比信号光短一个斯托克斯位移，但该位移缺小的多，在1.31和1.55分别约为0.062nm和0.088nm。也就是说，sbs的斯托克斯平移量要

20、比srs小三个数量级，且与泵浦光波长有关。（3）因此，fra所需要的泵浦光功率阈值（为0.51w）高于fba的泵浦光功率阈值（为）。（）fba的增益带宽相当窄，一般只有hz；而的增益带宽可达hz，可与行波型半导体放大器相比。非线性光纤放大器的优点：传输媒质与放大线路同为一体，因而放大器与传输线路的耦合损耗小，噪声低，增益稳定性好。但需要的泵浦功率交高；由于放大器的单位长度增益系数很低，要获得满意的增益，并减少泵浦功率，需要很长的光纤；此外，的特性对光纤的偏正态也十分敏感。一般认为，fra的泵浦效率低，需要的泵浦光功率高，用这样大功率的半导体激光器作为泵浦源，不易实现，限制了它在光纤通信系统中的

21、应用。但fra具有的频带宽、增益高、输出功率大、效应快等优点仍存在吸引力，可作为宽光谱的波分复用系统的放大器。一种称为分布式的fra，主要用于光纤传输系统中传输光纤损耗的分布式补偿放大。此时，光纤既是增益媒质，同时又是传输媒质；既产生增益，有存在损耗，增益补偿损耗，实现光纤通信系统净增益为零的无损透明传输。在长距离通信中，每隔几十千米需要再注入泵浦功率，构成分布式级联光纤喇曼放大。的缺点是工作带宽窄，也限制了它在光纤通信系统中的应用。但窄带放大特性可作为一种选频放大器。例如在相干光纤通信系统中，可用有选择的放大光载波而不放大调制边带，用放大后的光载波作为本振光，实现零差检测；在多路通信系统中，

22、可在接受短注入一泵浦光，与多信道光信号相反传播，借助调节泵浦光频率就可选择不同信道的信号进行放大。此外，它的高增益、低功率的放大性能使其可用作接收机的前置放大器，提高灵敏度。1.1.3掺稀土元素光纤放大器掺杂光纤放大器是利用在光纤中掺杂物质引起的增益机制实现光放大的。放大器的特性主要由掺入的杂质元素决定，而不是决定于主媒质的光纤。至今用作掺杂的物质均为镧（la）系稀土元素，如铒（er）、钕（nd）、镨（pr）、钬（ho）、铥（tm）、和镱（yb）等，可用于实现不同波长（覆盖从可见光到红外光，直到2.8）的光放大器。主媒光纤一般是石英光纤，也可以是氟化物光纤。在掺杂光纤放大器中，备受重视并率先达

23、到应用水平的是掺铒光纤放大器（edfaerbium doped fiber amplifier）。edfa是在1985年由英国南安普顿大学的等人首先研制成功的，到1988年其技术已相当成熟，并可提供实际使用。edfa的研制成功被视为光纤通信技术的第三次飞跃。edfa的应用不仅解决传输光纤衰减的补偿问题，而且为光源的外调制、波分复用器、色散补偿元件和光滤波器等一批光网络器件的应用提供了条件。edfa的主要优点如下：（1）工作波长1.531.56在范围，与光纤最小损耗窗口一致。（2）增益高，为2030db，有报道达46.5db。（3）所需泵浦功率低，仅数十毫瓦；泵浦效率高。用0.98的ld泵浦时，

24、泵浦效率为11db/mw，用1.48的泵浦时，为5.1 db/mw；泵浦功率转换输出信号功率的效率为92.6%；当泵浦光功率为60mw时，吸收功率为88%。（4）结构简单，易于传输光纤耦合，耦合效率极低，约0.1db。（5）噪声低。噪声系数为34db，接近量子极限；基本不会发生fwm等非线性效应所引发的信道间串扰。（6）带宽很大。在1.55处的增益带宽约为35nm，若每路占5ghz带宽，可同时放大1000路以上信号。（7）工作稳定性好。增益特性与光纤的偏振态无关，对温度不敏感，与信号的传输方向无关，与泵浦源的大小和频谱关系不大。光纤放大器的唯一一个缺点是不能与其他器件集成，这将限制它在光电集成

25、中的应用。1.2掺铒光纤放大器的研究进展及应用光纤放大器的研究最早是在六十年代中期。1964年c.koeste:和e.snitzer首先提出了掺杂光纤放大器的构想，发现光纤中掺入稀土元素nd能够实现光放大，当时他们是采用闪光灯泵浦，放大器工作在脉冲模式。1969年，g.c .h olst和snitzer利用光纤放大器，提高了探测器的灵敏度。到了七十年代，由于半导体激光器的发展，光纤放大器的研究逐渐被人遗忘，以致停滞不前。直到八十年代，一直受冷落的光纤放大器又重新得到重视，这是因为，能在传输线路上直接放大光信号的光纤放大器，一直是人们多年探索追求的目标。研究者们先后提出了受激喇曼、受激布里渊等光

26、纤放大器的方案，但是它们所需的泵浦功率很高，半导体激光器的功率水平不易达到。在这种情况下，有一部分研究者放弃了对光纤放大器的研究，而转向改进电再生和更灵敏的探测技术上。到八十年代中期，这种局面得到了转机。英国南安普顿大学(southampton)由david n.payne带领的研究小组对掺稀土元素光纤放大器进行了深入研究，发现铒离子作为激活介质，可以在1.55波长上实现光增益，这正是通信系统的低损耗窗口。1986年美国at&t贝尔实验室首先研制出掺铒光纤放大器(edfa),1989年日本nt公司又首先用1.48的ingaasp半导体激光器成功地泵浦了edfa。半导体激光器泵浦的掺铒光纤放大器

27、一出现就显现出它适合于通信系统的优点，整个国际通信界为之震撼，它被公认为光纤通信系统中最理想的光放大器，给光纤通信的发展带来了第二次革命。很快世界各国的研究者们纷纷投入对edfa的研究，其发展迅速，于1990年实现商用。直至今天，edfa 已经在长距离通信系统和海底跨洋通信系统中得到广泛应用。对edfa的研究基本上沿两个方向同时进行，一个方向是对edf材料的研究，目的是研制出增益谱更宽更平坦的掺铒光纤;另一个方向是edfa整体性能的研究，目标是在现有的edf材料基础上设计出符合现代光纤通信系统要求的性能良好的edfa。以下为人们在这两个不同方向的研究工作:材料方面的研究：在石英光纤中溶解度低会

28、引起荧光淬灭，使得荧光辐射强度大大减弱。克服此现象一种办法是降低在石英光纤中的浓度，浓度50ppm时可使荧光淬灭现象不出现，但这导致有源光纤的单位长度增益降低。另一种更为有效的是在石英光纤中采用多组分共掺技术，如在掺铒的同时掺人或以提高在这光纤中的溶解度。目前，在/ 、光纤中浓度可达l00ppm(wt%)和在/ ，光纤中浓度可达1000ppm，而不产生荧光淬灭。早期对共掺技术的研究主要是着眼于提高光纤中的掺杂浓度，而后来对材料的研究更注重如何提高光放大器的带宽。到目前为至，除了已有的c-band（1528一1560nm)上的edf，还研制出了l-band(1570-1600nm)上的铒纤、氟化

29、物掺铒光纤、碲化物掺铒光纤。l-band的edfa拓宽了光通信中的第三个窗口的可用波长，氟化物掺铒光纤采用1480nm泵浦可获得1530一1560nm波段上相当平滑的增益谱，碲化物掺铒光纤可获得高达70nm的带宽。以后对研究材料的目的是为了获得具有更宽更平坦增益谱。系统性能的研究：石英基质的掺铒光纤的小信号增益谱在1533nm和1553nm处有两个明显峰，在1542nm处有一低谷，在1529nm一1561nm范围内其增益变化可达十几个db，这么简单的edfa，显然不能用于现代的光纤通信系统中，特别是wdm系统中。因此要设计出实用的性能良好的edfa，必须对edfa的整体设计进行研究。所有的整体

30、设计技术中两个最为重要的技术是自动增益控制和增益谱的均衡。自动增益控制一般采用光电反馈增益控制和全光反馈增益控制；实现增益谱均衡最常用的措施是采用均衡滤波器。通常edfa的带宽为30一40nm,若要获得超宽光带宽(optical band60nm)，除了采用碲化物掺铒光纤外，还可有许多方法，如把c-band的edfa和l-band的edfa集成在一起或把c-band的edfa和光纤喇曼散射放大器联合使用，这些措施都得到75以上的带宽。在光纤通信系统的设计中，光放大器有四种应用方式，如图1.1。在长距离通信系统中，光放大器的一个重要应用就是取代电中继器。只要系统性能没被色散效应和放大自发辐射噪声

31、所限制，这种取代就可以进行。在多信道光波系统中，使用光放大器特别具有吸引力，因为光电光中继器要求在每个信道上使用各自的接收机和发射机。对复用信道进行解复用，这是一个相当昂贵、麻烦的变换过程。而光放大器可以同时放大所有的信道，可省去信道解复用过程。用光放大器取代光电光中继器就称为在线放大器。光放大器的另一种应用是把它插在光发射机之后，来增强光发射机功率，称这样的放大器为功率放大器或功率增强器。使用功率发大器可增加传输距离10100km，其长短与放大器的增益和光纤损耗有关。为了提高接收机的灵敏度，也可以在接收机之前插入一个光放大器，对微弱光信号进行预放大，这样的放大器称为前置放大器，它也可以用来增

32、加传输距离。光放大器的另一种应用是用来补偿局域网（lan）的分配损耗，分配损耗常常限制网络的节点数，特别是在总线拓扑结构的情况下。此外，光放大器还有另一种应用，这就是在光交换系统中的应用。这种放大器亦称为功率放大器。在光波系统中，不同的应用对光放大器有不同的要求。txrxtxrxtxrxtxrxa光纤aaaa图1.1 光放大器的几种应用方式 11.3论文内容安排及研究方法论文内容安排：本论文第一章为绪论，简单介绍了光放大器的发展历程，以及掺铒光纤放大器的研究进展及应用；第二章介绍了掺铒光纤放大器的基本理论，内容包括edfa的基本结构、edfa的工作原理和掺铒光纤放大器理论模型；第三章介绍了l

33、波段掺铒光纤放大器的模拟仿真，研究了l 波段edfa的输出特性，l 波段掺铒光纤放大器的优化设计；最后是结论和展望，总结本论文的主要工作，并提出将来需要深入开展的研究内容。本课题的研究方法：本课题主要是通过大量模拟仿真不同结构的l 波段掺铒光纤放大器，对l 波段掺铒光纤放大器的特性模拟，最后根据模拟结果进行分析总结。2 掺铒光纤放大器的基本理论edfa具有高增益、高功率和宽带的特性，是它成长为长途光纤通信系统中近乎理想的放大器，是迄今各类光放大器中最具发展前景的一种，并给光纤通信技术带来多方面的巨大变革。在传统的光纤通信系统中,光信号在光纤中传输时,不可避免的存在着一定的损耗和色散,损耗导致光

34、信号能量的降低,色散导致光脉冲展宽,因此,每隔一段距离就需要设置一个中继器,以便对信号进行放大和再生中继续传输。解决这一问题的常规方法是采用光电光中继器,这种光电光的变换和处理方式在一定程度上已满足不了现代传输的要求。光放大器的出现改变了这种状况, 特别是1989年诞生的掺铒光纤放大器代表的光放大器技术是光纤通信技术上的一次革命。它可以使对光信号的放大和再生中继不再经过光电转换。特别是掺铒光纤放大器使信号光在光纤中直接得到增强和放大,这使得通信成本降低,设备简化,运行维护方便。随着掺铒光纤放大器的实用化,愈来愈多的用在数字光纤传输系统中,它给原来的数字光纤传输系统带来了新的发展。2.1 edf

35、a的基本结构掺铒光纤放大器主要由掺铒光纤(edf)、泵浦源和相关的光无源器件组成，其中光无源器件有光波分复用器(wdm)、光隔离器(iso)、光纤连接器(fc/pc)和光耦合器(coupler)。图2.1是典型掺铒光纤放大器的基木结构图。wdm的作用是将信号光与泵浦光耦合进入掺铒光纤，光隔离器是防止光路中的反向光对掺铒光纤放大器中产生不良的干扰。图2.1 掺铒光纤放大器的基本结构 4下面重点讲泵浦源的问题。泵浦源是供给掺铒光纤放大器能量的重要部件。没有泵浦源为铒离子提供能最，产生受激辐射，就不可能实现光放大。以前曾经有用闪光灯、离子激光器、染料激光器、色心激光器作为掺铒光纤放大器的泵浦光源，但

36、出于通信系统实际应用的考虑，光纤器件采用半导体激光器作为泵浦光源更为合适，半导体激光器具有体积小、易于集成、高功率、高效率、功耗小、价格便宜等优点，是光纤放大器最理想的泵浦光源。半导体激光器的发展对掺铒光纤放大器的发展起着重要推动作用。光纤放大器的泵浦方式有三种:前向泵浦、后向泵浦和双向泵浦，如图2.2.在前向泵浦中，信号光和泵浦光沿同一方向传输；在后向泵浦中，信号光和泵浦光沿相反方向传输；双向泵浦则是泵浦光沿两个方向同时进入光纤放大器。对不同的应用场合应采用不同的泵浦方式。当放大器作功率放大器使用时.采用后向泵浦方式较好。当作前置放大器使用时，采用前向泵浦方式较好。图2.2 a）前置泵浦型；

37、b）后向泵浦型；c）双向泵浦型 52.2 edfa的工作原理掺铒光纤放大器是将掺铒光纤在泵浦源的作用下形成的光纤放大器。早在1964年人们就开始研究光纤放大器。随着低损耗稀土掺杂光纤工作特性和制造技术的不断发展,直到1986年才开始实际使用。掺铒光纤放大器的工作波长为1.54m ,用粒子激光器作泵浦源,在3m长的光纤中可以得到3.28db的增益。用掺铒光纤放大器放大,当时光纤通信的1. 5m的工作波长,引起了全世界的兴趣。现在edfa 已用于光纤通信和光纤有线电视网,为光纤通信的更新换代开辟了新途径。铒的原子序数为68 ,原子量167. 2 ,价电子3 ,属镧系元素。在制造光纤时掺入一定量的三

38、价铒离子 ,就可以形成掺铒光纤。由于掺铒离子分散基质之中,它属于分立能级。但由于光纤基质结构产生的本地场的影响,对铒离子产生微扰,使其谱线分开,这就是斯塔克效应。在这些分裂态之间的能级差与能级之间的能量差相比很小,就形成了准能带。如图2.3所示,图中左边的是通过量子力学解出的原子核外电子能级, 是的基态(各能级的间隔和由于微扰而产生的斯坦克效应展宽的能带宽度属于量子力学结果) 。右边980nm表示在该能级上的电子跃迁到基态发出的光波长。图2.3 光纤铒离子的能带图 4参与激光放大过程的只有三个能带(见图2.4) , 相应于 ,为基态, 相应于 ,为受激辐射的高能级。受激辐射跃迁所产生的光子波长

39、为= ch (-) = 15201570nm。这就是能够放大的信号光波长范围。是泵浦的高能级。泵浦光的泵浦作用发生在 与 之间,泵浦频率为f = ( - ) / h ,可以选择不同的能级作为。在外界泵浦源的作用下,基态4i15/ 2 上的粒子吸收泵浦源的能量而跃迁到能级上。能级上的电子主要通过无辐射跃迁的形式,迅速转移到能级上, 能级最好能有较大的宽度,以充分利用宽带泵浦源的能量来提高泵浦效率。在图2.4中的表示该能级的寿命, 能级的寿命很短,而 能级的寿命较长,大于10ms ,属于亚稳态能级,容易积聚电子。当泵浦源足够强时,便在能级上聚集起足够的粒子,在 和能级之间形成粒子数反转分布,这时便

40、对信号具有放大作用。图2.4 edfa工作原理图 4从图2.4右边的nm数可以看出,铒离子存在许多能级,这些高能级(由于斯坦克效应,这些能级其实是能带)原理上都可以作为 能级,都可以用来泵浦edfa。在这些频带中选用泵浦波长的原则是要求泵浦效率高,当然还必须有相应波长的大功率激光器作泵浦源0.65nm ,0.80nm 都利用过,但是这些激光器都是氩离子激光器、ndyag激光器。这些方案都存在泵浦效率低和泵浦源体积大的问题,不适合在光纤通信中应用。泵浦效率p 可以用来衡量泵浦的有效性,其表达式如下:p = 放大器增益(db) / 泵浦功率(mw)选用泵浦频带的另一个重要因素是无激发态吸收。在理想

41、的系统中,处于激发态的电子,在受到外来的光子作用时,向低能级跃迁而发出光子,但是还有一种可能就是它可以吸收外来的光子继续向更高的能级跃迁,这就是激发态吸收(excited state absorption ,esa) 。很明显,如果电子处在激发吸收带时,它可以继续吸收泵浦光子或信号光而向更高能级跃迁,这样就降低了泵浦效率,并引起信号光衰减,因而泵浦源应选在无激发吸收的频带,0.98m、1. 48m 泵浦对应着无激发态吸收的能带,因而是备受重视的两个波长。泵浦源都可以用半导体激光器来实现。0.98m 与1.48m 相比,增益高、泵浦效率高、噪声小,具有很大的吸引力,是目前光纤放大器的首选波长。1

42、. 48m的优点:它和信号光的波长接近,因而1.55m 的单模光纤对信号光和泵浦光都是单模传输,可用单模光纤制成定向耦合器,将信号光和泵浦光低损耗导入光纤。因此在低掺铒光纤放大器中,应用这一段的泵浦更为有利,因而得到了广泛的开发、研究和应用。2.3掺铒光纤放大器理论模型edfa的理论分析是对它的性能研究和设计优化的基础，已经发展了多种理论模型，但它们的分析和计算相当的复杂。这是由于edfa得工作过程本身就很复杂，除了具有泵浦跃迁、受激吸收、受激辐射和自发辐射四个光放大器基本过程外，它的工作状态还受制于放大器本身为掺铒光纤这一特征。例如，edf的长度，光场和离子在edf横截面上的分布，泵浦的方向

43、，以及它对信号光和泵浦光是否为单模工作等等。因此，一般的分析方法无法求出解析解，只能通过数值计算求解。2.3.1掺铒光纤放大系统的原子速率方程借助速率方程分析edfa是一种常见的方法。为了着重于物理内涵，下面的讨论只限于0.98波长、进行同向泵浦的情形。用光子流密度作为外界光的量度，其定义是单位时间通过垂直于光子流方向的单位面积上的光子数，用光强表示可写成 1/ () (2-3-1)假设光强在光纤的截面上分布均匀，则 (2-3-2)故 (2-3-3)式中，p 为光纤中的光功率；a 为纤芯的截面积。由于受激跃迁几率w与成正比，其比例常数表示为 () (2-3-4)表示单位光子通量所引起的受激跃迁

44、几率，是表征物质光特性的一个参量，值大，说明同样光强下的受激跃迁几率高，其单位为，具有面积的量纲，故称为受激跃迁截面。用和分别代表受激吸收几率和受激辐射几率，它们都与入射光场的能量密度成正比，其比例系数即受激跃迁系数和表征物质本身的特性。受激跃迁截面可通过实验测定，在计算光纤放大器的粒子数反转和增益中更直接、方便，故常用来代替b表示物质的特性。1.泵浦跃迁基态能级上的粒子吸收泵浦光功率后，跃迁到激发态能级的几率为 (2-3-5)式中，为受激吸收跃迁截面；为泵浦光的光子流密度；为铒粒子与泵浦光的有效耦合系数。在上面讨论中，已假定光在光纤截面为均匀分布，而实际上时不均匀的，为了与光场相匹配，常使铒

45、粒子集中在光场较强的光纤轴线及其旁轴区。这样在分析光与铒粒子的作用时，为了顾及铒粒子在光纤截面并非均匀分布这一事实，引入有效耦合系数来反映这一影响。具有实际意义的是在上的粒子非辐射跃迁到能级的几率，用表示，称为泵浦几率（或泵浦率）。从edfa的工作原理知道，泵浦几率很高，能级上的粒子少，可忽略由向的微弱的自发辐射和受激辐射，有，即 (2-3-6)式中，为泵浦光功率；为泵浦光子能量。2.受激跃迁受激跃迁包括受激吸收跃迁和受激辐射跃迁，其几率用表示时，有 (2-3-7) (2-3-8)式中，和分别为受激吸收和受激辐射跃迁截面；和分别表示信号光功率和有效耦合系数。应说明的是，上面两式混略了自发辐射光

46、对受激跃迁的影响。和均为波长的函数，并与基质光纤的掺杂有关，在一般情况下，即。能级上的粒子由于快速非辐射跃迁到而本身基本上是空的，因此，三能级系统可化简为二能级系统。假设二能级系统中和能级的统计权重相等，即，则有，和，用下标s表示光信号的相应量。这样信号光的受激辐射（受激吸收）几率可写成 (2-3-9)简化为二能级系统后，有速率方程 (2-3-10)式中，为自发辐射跃迁几率，为自发辐射寿命，表示粒子在上存在的平均时间；和分别表示和能级上的粒子密度，它们都是光纤轴向坐标的函数。在稳态时，有，则方程的稳定解为 (2-3-11) (2-3-12)其中为总粒子密度 (2-3-13)令，得粒子数反转的速

47、率方程为 (2-3-14)2.3.2光纤放大系统的传输方程由于受激辐射和吸收作用，使信号光功率和泵浦光功率沿放大器的长度方向变化，用功率传输方程来描述这种变化规律。在忽略反射光影响的行波放大器中，同向泵浦时的信号光和泵浦光功率传输方程分别为 (2-3-15) (2-3-16)式中，为光纤光芯的横截面积；传输方程忽略光纤的损耗。用受激跃迁截面表示，并取光电耦合系数时，可写成 (2-3-17) (2-3-18)根据式可得信号功率的增益系数为 (2-3-19)速率方程和功率传输方程描述了edfa的粒子数反转、信号和泵浦光功率变化的物理过程。给出输入信号光功率、泵浦光功率及edf相关参数，便可计算出沿

48、迁的、和。虽然混略了aes，但计算结果和实验结果仍基本吻合。3 l 波段掺铒光纤放大器的模拟仿真3.1 l 波段掺铒光纤放大器的优化设计随着计算机网络及其它新的数据传输业务的飞速发展，进一步提高通信容量，已成为光通信领域研究的热点。开发新型超宽带光纤放大器，充分利用光纤丰富的通信带宽资源，被公认是提高光通信容量最有效的方法之一。在c波段掺铒光纤放大器(edfa)被广泛应用之后，开发出l波段乃至s波段的光放大器将具有十分重要的意义。3.1.1 l波段edfa的基本原理c波段edfa 的工作波长一般在15301565 nm，对应于离子能级跃迁的发射。研究发现，通过控制掺铒光纤(edf)的长度，使铒

49、离子的粒子数分布反转稳定在较低的程度，可实现l波段的光放大，称为l波段edfa(或gsedfa，gainshifted edfa)。其增益谱虽然位于能级跃迁辐射的带尾，吸收和发射系数小，但是增益平坦；l波段edfa的另一大优点是和色散位移光纤(dsf)一起使用基本上没有四波混频(fwm)的问题。由于低的粒子数分布反转度和低的吸收、发射系数，l波段edfa 中需要的edf 比较长。光纤长度的增加使光纤的损耗随之增加，另外较小的吸收和发射截面将导致后向放大自发辐射(ase)噪声的积累，消耗了泵浦功率，同时也降低了放大器的粒子反转度水平，使噪声指数(nf)增大。解决这些问题的一种办法是采用一定长度的

50、高掺杂、低损耗的edf。liekki公司报道用12 m 直接纳米粒子沉积(dnd)工艺掺铒光纤，在235mw 的混合泵浦功率泵浦下，获得了l波段45的量子转换效率(qce)和低于3.5的nf。采用这种解决方案的l波段edfa具有降低光纤中fwm 等非线性效应，降低光放大器的偏振模色散等许多优点。3.1.2 l波段edfa的模型edfa 的放大过程可用均匀展宽的二能级模型来描述。将edf中传播的光(包括抽运光、信号光和放大自发辐射光)在频域上划分成中心频率为,光束带宽为，沿+z方向和-z方向传输的光束，则第k级信号光束的增益由下式给出： （3-1-1）式中，为整根光纤中的平均粒子反转度；和分别为

51、吸收系数和增益系数；为光纤的本征损耗；定义为上能级离子的线密度与掺离子线密度之比；l为edf的长度。 和常规的c波段edfa 的数值计算相比，l波段edfa 的数值仿真需考虑信号带激发态吸收(esa)效应，它主要影响16001700 nm 波长，此时需对式(1)作如下优化： （3-1-2）式中，为激发态吸收系数。分析上式可知esa效应将削弱信号增益。采用优化后的式(3-1-2)进行数值仿真可以大大减小1 600 nm 以上波长的数值计算的误差。nf(单位为db)由下式得到： (3-1-3)式中，为输出光谱在信号光波长处的ase光谱密度(单位：whz)；为输入光位于信号光波长处的ase光谱密度。

52、3.1.3 设计和验证我们根据图3.1所示的两种光学结构对上述的数学模型进行了验证。图3.1 两种光学结构示意 11图中的波分复用器(wdm)和隔离器(iso)均采用l波段器件。图3.1(a)采用熔融拉锥wdm 。图3.1(b)采用介质膜型wdm 并和iso 做成组件。实验中采用高掺杂低损耗的edf，以减少所需光纤的长度，同时降低吸收损耗和后向ase能量的积累，提高l波段edfa 的性能。实验中结构i和结构采用的edf长度均为13 m。测试框图如图3.2所示。图中，可调谐光源(tls)的输出功率为0 dbm，波长从15651610 nm 按步长为5 nm 变化，l波段edfa 的输出进入光谱仪

53、(osa)进行增益测试。同时对1568、1570、1585和1605 nm等波长处的nf进行测试。图3.2 测试框图我们把实验数据和仿真结果进行了对比(增益比较结果见图3.3，噪声指数比较结果见图3.4)，数值仿真中使用的edf长度及泵浦功率大小和实际测试时完全一致。 图3.3 使用两种结构的增益比较结果 12分析图3.3(a)、(b)不难发现，优化后(即考虑esa效应)的增益仿真数据和实测数据吻合较好。考虑esa效应和不考虑esa 效应的增益仿真值在短波长(1568nm)附近吻合较好；在长波长部分(1610nm 附近)，考虑esa的增益仿真结果比不考虑esa 的仿真结果偏小。这是因为信号带的

54、esa效应在短波长附近比较微弱，但在长波长（1610 nm)附近逐渐增强。分析前面给出的公式(3-1-1)、(3-1-2)不难得出，它会使放大器的增益降低。esa效应对l波段edfa 信号放大的这种削弱作用在结构i和结构ii的比较数据中都得到验证。图3.4 使用两种结构的噪声指数比较结果 12分析仿真的nf数值(图3.4(a)、(b)可知，优化后(即考虑esa 效应)的nf的仿真数据和实测数据吻合较好。考虑esa效应和不考虑esa 效应的nf仿真值在短波长(1568nm)附近吻合较好；在长波长部分(1610nm附近)，考虑esa 的nf仿真结果比不考虑esa 的仿真结果偏大。这是因为不考虑esa时的仿真结果在长波长附近的增益会偏大，而此时输出信号波长处的ase光谱密度变化不大，结合nf的定义式(3-1-3)可知，在不考虑esa 的情况下，仿真的nf偏小。本文介绍了l波段edfa 的基本原理，给出了它的理论模型，指出在l波段edfa设计和制作过程中应该考虑esa 问题。文中给出的两组l波段edfa 的实验数据验证了理论分析的正确性。3.2 l 波段edfa的输出特性的模拟仿真edf的介质在泵浦光的作用下，产生