光纤EDFA放大技术研究(双向设计) 毕业答辩.ppt

1、毕业答辩,题 目: 光纤EDFA放大技术研究 专 业：应用物理学 答 辩 人：王牧羊 指导老师: 赵康,论文结构,前言 第一章 光纤放大器的基础知识 第二章 EDFA的原理及组成结构分析 第三章 简易正向集总式EDFA放大器工程设计 第四章 总结 致谢 参考文献,研究目的意义,目的：通过对EDFA放大器相关的产生背景的了解对对EDFA形成了初步的认识与了解，然后通过对EDFA组成与工作原理及设计指标参数指标的学习为进一步的完成理论工程设计打下理论基础。 意义：在这个信息化的时代，通信方式方法的变革，将对人类社会各个层面产生巨大影响，光纤通信作为一种理想的通信手段 ，由于其相较其他通信手段优势明

2、显，这使得光纤通信取代其它通信手段是一种必然的趋势。 随着光放大器技术的产生,光纤通信领域经历了一次革命，而在光放大器中,掺饵光纤放大器(EDFA)的技术比较成熟且具有众多优点应用广泛,随着光纤通信向速度更快、带宽更大方向的发展,随之对EDFA的性能也有着更高的要求。所以对EDFA进行研究就更显的重要也必要，同时这也是与时俱进的，顺应时代需要的富有远见和明智的做法。,光放大器,定义：利用某种具有增益的激活介质对注入其中的微弱光信号进行放大，使其获得足够的光增益，变为较强的光信号，从而实现对光信号的直接光放大。 分类：1.半导体光放大器(SOA)2.掺稀土元素光纤放大器 3.非线性光纤放大器 而

3、我们所知的掺铒光纤放大器(EDFA)，便属于第二种掺稀土元素光纤放大器,掺铒光纤放大器,定义：掺铒（Er3+）光纤放大器(Erbium-Doped Fiber Amplifier，EDFA)是将掺铒光纤在泵浦源作用下形成的光纤放大器。 诞生：于1986年，英国南安普顿大学的迈尔斯等人制成，现已商业化。 EDF的结构：构造与单模光纤的构造一样。 铒离子位于纤芯中央地带，将铒离子放在这里有利于其最大地吸收泵浦和信号能量，从而产生好的放大效果。,EDFA的工作原理,Er+3外层电子具有三能级结构： 能级1代表基态， 能量最低。 能级2是亚稳态， 处于中间能级。 能级3代表激发态， 能量最高。,EDF

4、A的工作原理,当泵浦(Pump, 抽运)光激励，铒离子吸收泵浦光， 基态跃迁到激发态。 激发态不稳定，Er3+很快返回到亚稳态。 亚稳态粒子数积累，形成粒子数反转分布。 如果输入的信号光的能量等于基态和亚稳态的能量差 ，亚稳态的Er3+将跃迁到基态，产生一个与信号光子完全一样的光子，实现了信号光在掺铒光纤中的放大。,EDFA结构和特性-结构,EDFA的基本结构： 掺铒光纤(EDF)和高功率泵浦光源是关键器件 EDF的增益取决于Er3+的浓度、光纤长度和直径以及泵浦光功率等多种因素，通常由实验获得最佳增益。 对泵浦光源（波长通常为980 nm或1480 nm）的基本要求是大功率和长寿命。现在的研

5、究表明波长为980 nm的泵浦效率最高，且噪声较低，是未来发展的方向。 波分复用器(WDM)把泵浦光与信号光耦合； 基本要求：采用插入损耗小，熔拉双锥光纤耦合器型波分复用器。 光隔离器置于两端防止光反射；保证系统稳定工作和减小噪声。 光滤波器是滤除放大器噪声，提高系统的信噪比。,EDFA结构和特性-结构,因泵浦源所在的位置不同，分成同向、反向及双向泵浦方式 三种泵浦方式性能差异： 同向泵浦: 噪声性能好 反向泵浦: 输出功率大 双向泵浦: 兼有上述优点,但成本高 按放大方式可将EDFA分为分立式和分布式： 1.）分布式：沿光纤分布的光信号进行在线放大。 主要作为传输光纤损耗的分布式补偿放大，传

6、输的低浓度含普通光纤作增益介质，传输距离比较长，可达100km左右；泵浦源功率几百毫瓦；所以光纤中各处的信号光功率都比较小，从而可降低各种光纤非线性效应的干扰。 2.）分立式(集总式)：集中对光信号进行放大。 主要作为高增益、高功率放大，介质通常是色散补偿光纤或高非线性高参杂高浓度含光纤 ，比较短，一般10km以内；泵浦源功率几瓦到几十瓦。EDFA也属于分立式。,EDFA的重要指标,1.增益 EDFA的输出功率,含信号功率和噪声功率两部分，噪声功率记为PASE，则EDFA的增益为 2.噪声系数：定义为输入信噪比与输出信噪比 即： 噪声系数Fn决定于自发辐射,简易双向集总式EDFA放大器工程设计

7、,总体框图,系统工作原理：先利用分光率为1%的分光片将输入端和输出端的一部分光信号送入PD光电探测器中,用光电探测器来对输入输出功率进行监测,将检测出的电流信号转换为电压信号后送入微处理器中进行处理,通过微处理器控制单元的反馈算法处理后,控制两个泵浦激光器提供工作所需要的驱动电流,从而驱动其工作同时泵浦激光器内部的背光探测器对其进行电流检测,检测到的电流信号也经过转换后送到微处理器中,经算法处理后控制泵浦激光器的驱动电流,这样的反馈回路保证使EDFA的输出光功率达到恒定,此外,温度的变化对泵浦激光器的影响也是不可忽视的，激光器输出功率的稳定性!输出波长和它的阀值电流等都会随温度的变化而发生变化

8、，所以系统中还包括了温度控制部分,使其温度达到恒定,不会对激光器的性能产生影响。,简易双向集总式EDFA放大器工程设计,系统各组件的功用： 1.光隔离器的作用是为了抑制光的反射,只允许光进行单向传输,防止光反射形成自激振荡,使光放大器能够工作在比较稳定的状态，第一个光隔离器在输入端,以便消除上段由于放大的自发射反面传播可能引起的干扰,第二个隔离器在输出端,保护器件免受来自下段可能的逆向反射,从而来提高EDFA的稳定性，光隔离器的隔离度应该优于4OdB,而且插入损耗小,与偏振无关。 2.分光片能够吸收相对较小的一部分入射光的能量,而将其余的那部分能量进行透射,这里采用的分光片的分光比例为99:1

9、,即将99份送入到掺饵光纤中,将1份送入到光电探测器中进行检测. 3.泵浦激光器能够将粒子从低能级抽运到较高的能级,使得粒子处于反转状态而被放大,它是掺饵光纤放大器的核心部分EDFA中使用的泵浦激光器通常是980nm.,简易双向集总式EDFA放大器工程设计,4.泵浦激光器的驱动电路：为电路提供一个电流连续可调的恒流源;其次,为了防止浪涌击穿!上电冲击等一些突发因素对泵浦激光器造成的损坏,驱动电源要包含保护电路部分;最后,由于温度对激光器性能的影响,驱动电源还要具有温度控制功能 5.光电探测器： 在泵浦激光器发射激光过程中,除了前向输出光之外,还产生一定比例的背向光通过光电二极管PD对背向光进行

10、探测,经过对信号的放大处理后,可将得到的幅度增强的探测信号用作电路的反馈量,对驱动激光器工作的电流进行调节,从而调节激光器输出光功率的变化,使EDFA的输出功率达到稳定。 6.A/D控制器件 A/D控制器是将输入的电压信号成比例的转化为数字信号系统中经过PD探测电路以后,获得的电压信号在送入单片机进行处理之前,需要经过模数转换,将得到的数字量送入单片机中进行处理,从而控制泵浦激光器的驱动电路对于多数的数据采集系统中,采集的对象都是缓慢变化的模拟信号,由于ADC被共享,对模拟信号的数据巡回采集,因此需要选择高转换速率和高精度的转换器。,简易双向集总式EDFA放大器工程设计,7.AVR系列单片机A

11、Tmega16 Tmega16单片机来作为系统控制的主控芯片,系统采用5V进行供电,采用C语言进行编程，协调控制相关组件以实现相关控制功能，功耗比较低,指令执行时间是在单时钟周期内的,因此它的数据吞吐率比较高,能够达到IMIPS/MHz,这样既降低了系统的功耗,从而也提高了系统的处理速度。 8.芯片AD5252 AD5252是 一种双通道的!非易失性存储器,它所基于的是IZc协议,具有256位分辨率它利用简单的数字接口来替代原有的机械调节,能够提供多种不同的工作模式和调整模式,可以通过单片机对其实现多功能编程，统中的控制电路部分采用芯片AD5252者可变电阻具有相同功能的电子调整功能作为数字电位器,它能够实现与电位计或者可变电阻具有相同功能的电子调整功能。 9.制冷电路 利用半导体制冷器也就是TEC半导体材料的帕尔帖效应制成,用于加热和制冷的半导体P一N结器件，使泵浦激光器的温度保持在恒定状态，维持电路的稳定！,简易双向集总式EDFA放大器工程设计,总结,在空间光通信系统中,EDFA有着很重要的作用,特别是随着技术的不断进步与发展,激光发射系统也越