光纖edfa放大技術(shù)研究畢業(yè)論文

1、<p>　　本 科 生 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) (論 文)</p><p>　　題目：光纖EDFA放大技術(shù)研究</p><p>　　教學(xué)單位 _電氣信息工程學(xué)院______</p><p>　　姓 名 ___王牧羊____________</p><p>　　學(xué) 號(hào) _200931007028________</p>

2、<p>　　年 級(jí) _ 09級(jí)_____________</p><p>　　專 業(yè) ___應(yīng)用物理學(xué)_________</p><p>　　指導(dǎo)教師 ___趙康 </p><p>　　職 稱 ___講師 </p><p>　　2013年 4 月

3、 1 日</p><p>　　光纖EDFA放大技術(shù)研究</p><p>　　摘要:光纖通信就是利用光纖來(lái)傳輸攜帶信息的光波以達(dá)到通信的目的。光纖通信具有通信容量大、傳輸速率高、使用壽命長(zhǎng)、等諸多特點(diǎn)。因而得到了普遍的應(yīng)用，其中光放大器是光纖系統(tǒng)中的重要組成部分。光纖放大器（簡(jiǎn)寫(xiě)OFA）是指運(yùn)用于光纖通信線路中，實(shí)現(xiàn)信號(hào)放大的一種新型全光放大器。</p><p&g

4、t;　　本論文介紹了摻鉺光纖放大器(簡(jiǎn)寫(xiě)EDFA)的相關(guān)理論。首先對(duì)闡述了摻鉺光纖放大器的歷史發(fā)展及產(chǎn)生意義，其次對(duì)摻鉺光纖放大器工作原理進(jìn)行了介紹。同時(shí)應(yīng)用所知所學(xué)根據(jù)DEFA的原理進(jìn)行了簡(jiǎn)易正向集總式EDFA放大器的理論工程設(shè)計(jì)并對(duì)主要相關(guān)組件進(jìn)行優(yōu)選。</p><p>　　關(guān)鍵字：光纖通信、摻鉺光纖放大器 、簡(jiǎn)易正向集總式EDFA，</p><p>　　Optical fiber

5、EDFA amplification technology research</p><p>　　Abstract：Optical Fiber Communication, is the use of optical fiber to transmit light waves carry information in order to achieve the purpose of communication. L

6、arge capacity optical fiber communication with the communication, transmission rate, long life and many other features. And so it generally should be shipped, in which optical fiber amplifier is an important component of

7、 the system. Fiber amplifier is used in optical fiber communication lines. A new type of signal amplification to achieve </p><p>　　This paper introduces the theory of the erbium-doped fiber amplifier (abbrev

8、iated EDFA). The first describes the historical development of erbium-doped fiber amplifier and generate significance, followed by the working principle of the erbium-doped fiber amplifier introduced.At the same time the

9、 application of knowledge and learning in accordance with the principles of the DEFA theoretical engineering design of the simple forward lumped EDFA amplifier.And the main related components preferably</p><p&

10、gt;　　Keywords: Optical Fiber Communication 、Erbium-doped fiber 、The simple forward lumped EDFA</p><p><b>　　目 錄</b></p><p><b>　　前 言1</b></p><p>　　第一章 光纖放大器

11、的基礎(chǔ)知識(shí) 5</p><p>　　1.1 光纖通信的發(fā)展歷程 5</p><p>　　1.2光纖EDFA的出現(xiàn)的重大意義 6</p><

12、;p>　　1.3 EDFA在數(shù)字通信系統(tǒng)的應(yīng)用 7</p><p>　　第二章 EDFA的原理及組成結(jié)構(gòu)分析 8</p><p>　　2.1EDFA基本工作原理

13、 8</p><p>　　2.2 EDFA的基本組成 9</p><p>　　2.2.2 摻鉺光纖 9 </p><p>　　2

14、.2.3泵浦源 9</p><p>　　2.2.4耦合器、 9</p><p>　　2.2.5光隔離器

15、 9</p><p>　　2.2.6光濾波器 9</p><p>　　2.3 EDFA設(shè)計(jì)指標(biāo)

16、 9</p><p>　　2.3.1 放大增益G 9</p><p>　　2.3.2 噪聲系數(shù) 10</p><p>　　2.3.

17、3 飽和輸出功率 10</p><p>　　2.4 EDFA參數(shù)設(shè)計(jì)考慮 10</p><p>　　2.4.1 摻鉺光纖的長(zhǎng)度

18、 11</p><p>　　2.4.2 摻鉺光纖波導(dǎo)參數(shù) 11</p><p>　　2.4.3 泵浦光功率 11</p

19、><p>　　2,4.4 泵浦光源 11</p><p>　　2.5 EDFA的分類 12</p><p>　　2.5.1 同向泵浦

20、 12</p><p>　　2.5.2 反向泵浦 13</p><p>　　2.5.3 雙向泵浦

21、 13</p><p>　　2.5.4 反射式泵浦才 13</p><p>　　2.5.5 分布式與集總式EDFA 14</p&

22、gt;<p>　　第三章 簡(jiǎn)易正向集總式EDFA放大器工程設(shè)計(jì) 14</p><p>　　3.1 總體框圖 14</p><p>　　3.2 摻鉺光纖優(yōu)選

23、 16 </p><p>　　3.3泵浦源優(yōu)選 19</p><p>　　第四章 總結(jié) 21</p><p>　　致謝

24、 22</p><p><b>　　參考文獻(xiàn)</b></p><p><b>　　前 言</b></p><p>　　眾所周知,現(xiàn)今是信息時(shí)代,社會(huì)信息化進(jìn)程正在逐漸的深入,整個(gè)社會(huì)受信息運(yùn)行的影響也隨之越來(lái)越大，隨著因特

25、網(wǎng)的普及和網(wǎng)上應(yīng)用,使人們對(duì)一些新型信息服務(wù)的需求越來(lái)越迫切,例如家庭辦公、遠(yuǎn)程教育、電子商務(wù)等,因此這就需要用到功能強(qiáng)大的通信網(wǎng)絡(luò)，光纖通信作為一種理想的通信手段,具有了諸如較大的通信容量、較長(zhǎng)的無(wú)中繼通信距離、良好的保密性等許多的優(yōu)點(diǎn),這使得光纖通信取代其它通信手段是一種必然的趨勢(shì)。</p><p>　　隨著光纖通信系統(tǒng)日益向著高速率、大容量、長(zhǎng)距離等方向發(fā)展,系統(tǒng)中的光纖損耗和色散等因素對(duì)其存在著一定的限制

26、作用,20世紀(jì)80年代,隨著光放大器技術(shù)的產(chǎn)生,光纖通信領(lǐng)域經(jīng)歷了一次革命,它的出現(xiàn)不僅開(kāi)創(chuàng)了1550nm波段的波分復(fù)用,也使得全光傳輸、光孤子傳輸?shù)鹊膫鬏斔俾矢?、傳輸容量更大、傳輸距離更長(zhǎng),它能夠?qū)庑盘?hào)進(jìn)行直接放大,成為了光纖通信發(fā)展過(guò)程中的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù),由于這項(xiàng)技術(shù)不受光信號(hào)調(diào)制形式及比特率的影響,使得它在光纖通信領(lǐng)域中得到了較為廣泛的應(yīng)用.</p><p>　　在光放大器中,摻鉺光纖放大器(EDFA)的

27、技術(shù)比較成熟,自身性能較好,所以它的應(yīng)用比較廣泛它具有高增益、低噪聲、輸出功率大、串話小,對(duì)溫度偏振不敏感,藕合效率高,易與傳輸光纖藕合連接,損耗低,不易自激,對(duì)信號(hào)速率和格式透明,并具有幾十納米的放大帶寬等優(yōu)點(diǎn)，由于它幾乎接近完美的特性及半導(dǎo)體泵浦源的使用,導(dǎo)致了它在波分復(fù)用系統(tǒng)中的廣泛應(yīng)用，隨著光纖通信向速度更快、帶寬更大方向的發(fā)展,隨之對(duì)EDFA的性能也有著更高的要求，本文擬就對(duì)具有廣泛應(yīng)用前景的摻鉺光纖放大器（EDFA）的原理及

28、應(yīng)用發(fā)展動(dòng)向作一綜述。</p><p>　　第一章 光纖放大器的基礎(chǔ)知識(shí) </p><p>　　1.1 光纖通信的發(fā)展歷程</p><p>　　光纖通信是利用光波作載波，以光纖作為傳輸媒質(zhì)將信息從一處傳至另一處的通信方式，被稱之為“有線”光通信。當(dāng)今，光纖以其傳輸頻帶寬、抗干擾性高和信號(hào)衰減小，而遠(yuǎn)優(yōu)于電纜、微波通信的傳輸，已成為世界通信中主要傳輸方式。</

29、p><p>　　1966 年英籍華人高錕( Charles Kao) 發(fā)表論文提出用石英制作玻璃絲( 光纖) , 其損耗可達(dá)20 dB/ km,可實(shí)現(xiàn)大容量的光纖通信。當(dāng)時(shí), 世界上只有少數(shù)人相信, 如英國(guó)的標(biāo)準(zhǔn)電信實(shí)驗(yàn)室( STL) 、美國(guó)的Corning 玻璃公司, Bell 實(shí)驗(yàn)室等領(lǐng)導(dǎo)。2010 年高錕因發(fā)明光纖獲得諾貝爾獎(jiǎng)。1970 年, Corning 公司研制出損失低達(dá)20 dB/ km, 長(zhǎng)約30 m

30、 的石英光纖,據(jù)說(shuō)花費(fèi)了3000 千萬(wàn)美元。1976 年Bell 實(shí)驗(yàn)室在華盛頓亞特蘭大建立了一條實(shí)驗(yàn)線路, 傳輸速率僅45 Mb/ s, 只能傳輸數(shù)百路電話, 而用中同軸電纜可傳輸1800 路電話。因?yàn)楫?dāng)時(shí)尚無(wú)通信用的激光器,而是用發(fā)光二極管( LED) 做光纖通信的光源, 所以速率很低。1984 年左右, 通信用的半導(dǎo)體激光器研制成功, 光纖通信的速率達(dá)到144 Mb/ s, 可傳輸1920 路電話。1992 年一根光纖傳輸速率達(dá)到

31、2. 5 Gb/ s, 相當(dāng)3 萬(wàn)余路電話。1996 年, 各種波長(zhǎng)的激光器研制成功, 可實(shí)現(xiàn)多波長(zhǎng)多通道的光纖通信, 即所謂/ 波分復(fù)用0(WDM) 技術(shù)</p><p>　　現(xiàn)在光纖通信技術(shù)不斷進(jìn)步。采用WDM 技術(shù)使一根光纖通信的容量達(dá)到太比特每秒。近來(lái)采用各種調(diào)制和復(fù)用方法如: 光正交頻分復(fù)用( OOFDM) ,正交幅度調(diào)制( QAM) , 正交相位鍵控( QPSK) , 極化復(fù)用( PM) 等, 使一根

32、光纖通信的容量已經(jīng)達(dá)到100 Tb/ s ( NEC) , 相當(dāng)于1 s 可傳輸時(shí)長(zhǎng)3 個(gè)月的高清電視。</p><p>　　光纖也有新的發(fā)展。過(guò)去, 長(zhǎng)距離傳輸使用標(biāo)準(zhǔn)單模光纖( G. 652) 。單模光纖經(jīng)過(guò)長(zhǎng)距離傳輸后, 到達(dá)用戶進(jìn)樓房時(shí), 需要用能適應(yīng)小彎曲的室內(nèi)光纖。現(xiàn)在, 正發(fā)展/ 低彎曲損失大芯光纖0, 采用該光纖可從長(zhǎng)距離直接進(jìn)入室內(nèi), 無(wú)需更換光纖品種。該光纖的損耗低達(dá)0. 16 dB/ km,

33、 其彎曲損耗是標(biāo)準(zhǔn)單模光纖的幾分之一。</p><p>　　近來(lái)發(fā)展的高分子光纖( POF) , 即塑料光纖, 很適合樓房和室內(nèi)使用, 它彎曲不容易斷, 便于安裝,可自行用剪刀等切割施工。尤其對(duì)于正在發(fā)展的高清電視, 通常傳送電視的同軸電纜只可傳輸幾米, 而高分子光纖可傳輸幾十米。光通信用的器件在不斷進(jìn)步。激光器的直接調(diào)制速度達(dá)到40 Gb/ s, 不需要采用外加的 調(diào)制器。光集成技術(shù)可把許多光器件甚至于把簡(jiǎn)單的

34、光電系統(tǒng)集成在一起, 如把4 個(gè)不同波長(zhǎng)的激光器和探測(cè)器組成4 個(gè)收發(fā)系統(tǒng)集成在一個(gè)單片上; 40個(gè)波長(zhǎng)的光濾波器用平面光線路PLC 制成模塊; 把速率為160 Gb/ s 的相干接收系統(tǒng)單片集成在半導(dǎo)</p><p>　　體材料上( 通常用LiN bO3 ) 。這里不一一枚舉。</p><p>　　光交換技術(shù)目前尚未成熟, 主要是光開(kāi)關(guān)器件和光緩存技術(shù)上存在的問(wèn)題有待解決。目前, 光交換

35、采用的是/ 光電光0方式, 即把光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào), 用電子交換機(jī)實(shí)現(xiàn)交換后, 再把電信號(hào)轉(zhuǎn)換為光信號(hào), 當(dāng)然是不經(jīng)濟(jì)的。</p><p>　　1.2光纖EDFA的出現(xiàn)的重大意義</p><p>　　摻鉺光纖放大器(Erbium Doped Fiber Amplifier ，縮寫(xiě)為EDFA)是90年代開(kāi)始在光纖傳輸系統(tǒng)中應(yīng)用的新型器件，它的推廣應(yīng)用引發(fā)了一場(chǎng)光纖通信技術(shù)的革命，它促進(jìn)和推動(dòng)

36、了光纖通信領(lǐng)域中幾項(xiàng)重大新技術(shù)的發(fā)展，可望使光纖通信的整體水平上一個(gè)新的臺(tái)階，它已經(jīng)、也必將繼續(xù)對(duì)光纖通信的發(fā)展產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響。</p><p>　　1.3 EDFA在數(shù)字通信系統(tǒng)的應(yīng)用 </p><p>　　摻餌光纖放大器在密集波分復(fù)用系統(tǒng)中的應(yīng)用，主要是補(bǔ)償傳輸中的光纖損耗，根據(jù)放大器在系統(tǒng)中的位置及作用，可以分成以下3 種類型:</p><p>　　(一)ED

37、FA 用作前置放大器</p><p>　　EDFA其低噪聲的特性，適合用作接受機(jī)的前置放大器。接收機(jī)的靈敏度可提高10 一20dB 。當(dāng)光信號(hào)進(jìn)人接收機(jī)前，使它得到放大，以抑制接收機(jī)內(nèi)的噪聲。</p><p>　　EDFA用作功率放大器</p><p>　　將ED FA 直接放在光發(fā)射機(jī)制后來(lái)提升輸出功率，可將通信距離延長(zhǎng)十幾千米。 </p>&l

38、t;p>　　(三)EDFA用作線路放大器</p><p>　　EDFA用作線路放大器使它在光纖通信系統(tǒng)的一個(gè)重要應(yīng)用。用EDFA實(shí)現(xiàn)全光中繼代替原來(lái)的光一電一光中繼，這種方式非常適合在海底光纜應(yīng)用。但其最大的應(yīng)用是在確WDM系統(tǒng)中。只要有一個(gè)EDFA就可以放大全部的光信號(hào)。但要求所有的信號(hào)光在EDFA的平坦增益帶寬內(nèi)?？傊瓻DFA 的應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了直接光放大，它具有增益高、帶寬寬、噪聲低、增益特性對(duì)光偏振狀態(tài)

39、不敏感、對(duì)數(shù)據(jù)速率以及格式透明且在多路系統(tǒng)中信道交叉串?dāng)_可略等優(yōu)點(diǎn)，是光電光放大技術(shù)所不可比擬的。尤其EDFA 在密集波分復(fù)用(WDM)傳輸系統(tǒng)中的應(yīng)用大大增加了光纖的傳輸信息容量，使EDFA 成為光放大器的主流。而且應(yīng)用EDFA的光纜有線電視傳輸系統(tǒng)已與1993年投入使用，在這種系統(tǒng)中，光的節(jié)點(diǎn)數(shù)、傳輸距離和光纖中光信號(hào)密切相關(guān)，EDFA可以擴(kuò)大網(wǎng)徑和用戶數(shù)，目前在我國(guó)已經(jīng)大量采用EDFA的光纖CATV網(wǎng)。EDFA應(yīng)用范圍非常廣泛，發(fā)

40、展前景也非常廣闊。隨著全光網(wǎng)絡(luò)和光互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，對(duì)EDFA的技術(shù)要求會(huì)越來(lái)越高。</p><p>　　第二章 EDFA的組成結(jié)構(gòu)分析</p><p>　　2.1EDFA基本工作原理</p><p>　　當(dāng)供給激光媒體能量使其處于激勵(lì)狀態(tài)時(shí)，即會(huì)產(chǎn)生光的受激輻射現(xiàn)象，如果能滿足使受激輻射持續(xù)進(jìn)行的條件，并用輸入光去感應(yīng)，則能得到比其強(qiáng)的輸出光，從而起到放大作用。<

41、;/p><p>　　EDFA的放大作用是通過(guò)1550nm波長(zhǎng)的信號(hào)光在摻鉺光纖中傳輸與Er3+（鉺離子）相互作用產(chǎn)生的。摻鉺光纖中的Er3+處的能量狀態(tài)是不能連續(xù)取值的，它只能處在一系列分立的能量狀態(tài)上，這些能量狀態(tài)稱為能級(jí)，當(dāng)Er3+在未受激勵(lì)的情況，處在最低能級(jí)即基態(tài)E1 </p><p><b>　　高能態(tài) E3</b></p><p>　

42、　亞穩(wěn)態(tài) E2 </p><p><b>　　信號(hào)光子</b></p><p><b>　　收激輻射光子</b></p><p><b>　　信號(hào)光子</b></p><p>　　泵浦光子 基態(tài) E1</p>

43、<p><b>　　圖1.鉺離子的能級(jí)</b></p><p>　　在摻鉺光纖中注入足夠強(qiáng)的泵浦光，就可以將大部分處于基態(tài)E1離子抽運(yùn)到高能態(tài)E3上，處于E3的Er3+離子又迅速無(wú)輻射的轉(zhuǎn)移到亞穩(wěn)態(tài)E2上。Er3+離子在亞穩(wěn)態(tài)上能級(jí)壽命較長(zhǎng)，由于連續(xù)地泵浦，E2粒子數(shù)不斷增加，從而實(shí)現(xiàn)E1與E2粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，即處于E2的粒子比E1的粒子數(shù)多。當(dāng)信號(hào)光子通過(guò)摻鉺光纖時(shí)，與Er3+離子相

44、互作用發(fā)生受激輻射效應(yīng)，E2的Er3+離</p><p>　　子躍遷到E1，并產(chǎn)生和入射信號(hào)光中的光子完全相同的光子（即頻率、相位，傳播方向、偏振態(tài)相同）從而大大增加信號(hào)光子的數(shù)量，實(shí)現(xiàn)信號(hào)放大作用。Er3+離子的亞穩(wěn)態(tài)和基態(tài)具有一定的寬度，使EDFA的放大效應(yīng)具有一定波長(zhǎng)范圍，其典型值為1530~1570nm。Er3+離子處于E2時(shí)，除了發(fā)生受激輻射和受激吸收（基態(tài)Er3+離子吸收信號(hào)光子，躍遷到E2）以外，還

45、要產(chǎn)生自發(fā)輻射，自發(fā)地從E2躍遷到E1，并發(fā)射出1550nm波長(zhǎng)的光子，這種光子與信號(hào)光不同，它構(gòu)成EDFA的噪聲。如果EDFA的輸入光功率較低時(shí)，自激輻射較強(qiáng)會(huì)產(chǎn)生較大的噪聲。</p><p>　　2.2EDFA的基本組成</p><p>　　2.2.1 EDFA一般由五個(gè)基本部分組成， </p><p>　　1、摻鉺光纖(EDF)

46、</p><p>　　2. 光耦合器(WDM)</p><p>　　3. 光隔離器(ISO)</p><p>　　4. 光濾波器(Optical Filter)</p><p>　　5. 泵浦源(PumPing Supply)</p><p>　　WDM ISO EDF ISO

47、 WDM FITER IN IN OUT </p><p><b>　　輸出光信號(hào)光</b></p><p>　　LD 控制單元</p><p>　　圖2.

48、 EDFA的基本結(jié)構(gòu)</p><p>　　2.2.2摻鉺光纖(EDF)：EDF 是放大器的主體，纖芯中摻有鉺元素（Er）。摻有Er3+的石英光纖具有激光增益特性，鉺光纖的光譜性質(zhì)主要由鉺離子和光纖基質(zhì)決定，鉺離子起主導(dǎo)作用，摻Er3+濃度及在纖芯中的分布等對(duì)EDFA 的特性有很大影響。</p><p>　　為了在放大帶寬內(nèi)的增益平坦，在EDF 中摻入適量的鋁元素，使鉺離子在EDF 中分布更

49、均勻，從而獲得平坦的寬帶增益譜。</p><p>　　2.2.3 光耦合器(WDM)：光耦合器有合波信號(hào)光與泵浦光的作用，也稱光合波器和波分復(fù)用器。是EDFA必不可少的組成部分，它將絕大多數(shù)的信號(hào)光與泵浦光合路于EDF 中。主要有兩種形式：980nm/1550nm 或1480nm/1550nm，一般為光纖熔錐型。要求在上述波長(zhǎng)附近插入損耗都小，耦合效率高，耦合頻帶具有一定的寬度且耦合效率平坦，對(duì)偏振不敏感穩(wěn)定性好

50、！</p><p>　　2.2.4光濾波器(Optical Filter)：光濾波器消除被放大的自發(fā)輻射光以降低放大器的噪聲，提高系統(tǒng)的信噪比（SNR）。一般多采用多層介質(zhì)膜型帶通濾波器，要求通帶窄，在1nm 以下。目前應(yīng)用的光濾波器的帶寬為1～3nm。此外，濾波器的中心波長(zhǎng)應(yīng)與信號(hào)光波長(zhǎng)一致，并且插入損耗要小。</p><p>　　2.2.5泵浦源(PumPing Supply)：泵浦源

51、為信號(hào)放大提供能量，即實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布。</p><p>　　根據(jù)摻鉺光纖(EDF)的吸收光譜特性，可以采用不同波長(zhǎng)的激光器作為泵源，如：Ar2+激光器（514nm）、倍頻YAG（532 nm）、染料激光（665nm）及半導(dǎo)體激光器（807nm、980nm、1480nm）。但由于在807 nm 及小于807 nm 波長(zhǎng)處存在強(qiáng)烈的激發(fā)態(tài)吸收（ESA），泵浦效率較低。若用665nm、514nm 的染料和Ar+激光

52、器泵浦得到25dB以上的增益，需要的入纖泵浦功率大于100mw，且Ar+激光器體積大難以實(shí)用化。目前980 nm 和1480 nm 的LD 已商品化，不存在激發(fā)態(tài)吸收，泵浦效率較高，所以一般采用980nm 和1480nm 的半導(dǎo)體激光器作泵源。</p><p>　　2.2.6光隔離器 是一種單向光傳輸器件，對(duì)EDFA 工作穩(wěn)定性至關(guān)重要。通常光反射會(huì)干擾器件的正常輸出，產(chǎn)生諸如強(qiáng)度漲落、頻率漂移和噪聲增加等不利影

53、響。提高EDFA 穩(wěn)定性的最有效的方法是進(jìn)行光隔離。在輸入端加光隔離器消除因放大的自發(fā)輻射反向傳播可能引起的干擾，輸出端保護(hù)器件免受來(lái)自下段可能的逆向反射。同時(shí)輸入和輸出端插入光隔離器也為了防止連接點(diǎn)上反射引起激光振蕩，抑制光路中的反射光返回光源側(cè)，從而既保護(hù)了光源又使系統(tǒng)工作穩(wěn)定。要求隔離度在40dB 以上，插入損耗低，與偏振無(wú)關(guān)。</p><p>　　2.3 EDFA設(shè)計(jì)指標(biāo)</p><p

54、>　　2.3.1 EDFA的增益</p><p>　　放大器的增益G 定義為放大器輸出端Pout 與輸入端Pin． 連續(xù)信號(hào)功率的比值，放大器的增益與增益系數(shù)有關(guān)，增益系數(shù)則是隨光纖長(zhǎng)度變化的，并與輸入功率、飽和光功率、中心頻率、小信號(hào)增益系數(shù)等參數(shù)有關(guān).</p><p>　　在放大器的系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，為滿足放大器的增益主要考慮摻鉺光纖長(zhǎng)度和泵浦光功率。</p><p

55、>　　2.3.2 噪聲系數(shù)</p><p>　　放大器的噪聲采用噪聲系數(shù)NF來(lái)表示，它定義為輸入信噪比 與輸出信噪比。 的比值經(jīng)過(guò)分析綜合，可得到結(jié)論：噪聲系數(shù)與粒子反轉(zhuǎn)差有關(guān)。泵浦充分，粒子反轉(zhuǎn)差大，則噪聲系數(shù)就小。充分的泵浦作用有利于減小噪聲，在理想情況下， F的極限值為3dB。</p><p>　　放大器本身產(chǎn)生噪聲，使信號(hào)的信噪比下降，造成對(duì)傳輸距離的限制。光纖放大器的噪聲主

56、要來(lái)自</p><p>　　于它的自發(fā)輻射ASE，它與被放大的信號(hào)在光纖中一起傳輸、放大，在檢測(cè)器中主要檢測(cè)到以</p><p>　　下幾種噪聲：(1)自發(fā)輻射的散彈噪聲；</p><p>　　(2)寬帶自發(fā)輻射自身的差拍噪聲；</p><p>　　(3)信號(hào)光與自發(fā)輻射的差拍噪聲；</p><p>　　(4)信號(hào)光的

57、信號(hào)散彈噪聲。</p><p>　　2.3.3 飽和輸出功率</p><p>　　增益飽和與飽和輸出功率：表示最大輸出能力</p><p>　　當(dāng)輸入光功率比較小時(shí)，增益G是一個(gè)常數(shù)，用符號(hào)表示，稱為光放大器的小信號(hào)增益。</p><p>　　但當(dāng)G增大到一定數(shù)值后，光放大器的增益開(kāi)始下降，這種現(xiàn)象稱為增益飽和；當(dāng)光放大器的增益降至小信號(hào)增益

58、的一半，也就是用分貝表示為下降3dB時(shí)，所對(duì)應(yīng)的輸出功率稱為飽和輸出光功率，是放大器的一個(gè)重要參數(shù)，飽和輸出功率用Pouts表示。圖3描述的就是上述過(guò)程。</p><p>　　注：在小信號(hào)工作區(qū)，增益與信號(hào)光輸入功率的大小無(wú)關(guān)，恒為常數(shù)，但是當(dāng)輸入功率大到超過(guò)小信號(hào)工作區(qū)時(shí)，增益講隨輸入功率的增大而變化，出現(xiàn)增益飽和或壓縮。 </p><p><b>　　圖3</b>

59、</p><p>　　2.4 EDFA參數(shù)設(shè)計(jì)考慮</p><p>　　2.4．1 摻鉺光纖的長(zhǎng)度</p><p>　　EDFA 放大輸入的光信號(hào)時(shí)，存在一最佳長(zhǎng)度，超過(guò)此長(zhǎng)度，增益將降低。最佳長(zhǎng)度與輸入泵浦光功率、輸入信號(hào)光功率、AsE功率、鉺離子濃度、光場(chǎng)與鉺離子濃度分布的重疊積分程度等因素有關(guān)。確定摻鉺光纖長(zhǎng)度：一種方法是通過(guò)速率方程可求得最佳長(zhǎng)度的理論值，在

60、此基礎(chǔ)上，通過(guò)OTDR 等方法逐步逼近實(shí)際的最佳值；另一種方法則是給出增益與光纖長(zhǎng)度的關(guān)系，再利用微分求導(dǎo)，則得到增益最大的光纖長(zhǎng)度。</p><p>　　2.4.2 摻鉺光纖波導(dǎo)參數(shù)</p><p>　　波導(dǎo)參數(shù)的設(shè)計(jì)主要考慮：數(shù)值孔徑、纖芯半徑、截止波長(zhǎng)、摻鉺半徑、剖面分布等因素，具體的參數(shù)設(shè)計(jì)是基于對(duì)EDFA特性的不同要求而提出的。</p><p>　　2.4

61、.3 泵浦光功率</p><p>　　為了能在整段摻鉺光纖上實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，則在摻鉺光纖某一長(zhǎng)度處的輸出泵浦光功率應(yīng)大于或等于局部粒子數(shù)反轉(zhuǎn)的閾值泵浦功率。在增益一定的情況下，泵浦光功率在很大程度上決定了摻鉺光纖的長(zhǎng)度。</p><p>　　2.4.4 泵浦光源</p><p>　　泵浦光源是EDFA 的重要組成部分，EDFA 對(duì)泵浦光源有兩個(gè)基本要求：首先，泵浦源

62、的發(fā)射波長(zhǎng)應(yīng)對(duì)應(yīng)于摻鉺光纖的峰值吸收帶；其次，要有較大的輸出功率。通常從小信號(hào)增益、輸出功率、噪聲系數(shù)等方面考慮。</p><p>　　980nm 的泵浦源，它在非飽和區(qū)有高的增益系數(shù)、泵浦效率高、噪聲系數(shù)小(最小可達(dá)3dB)，它適合于作高增益的前置放大泵浦源。</p><p>　　1480nm 的泵浦源，采用此泵浦的放大器有高的功率輸出，適合于需要較大功率輸出的系統(tǒng)。</p>

63、<p>　　2.5 EDFA的分類</p><p>　　EDFA 的結(jié)構(gòu)主要包含同向泵浦、反向泵浦、雙向泵浦及反射式泵浦等，下面我們逐一分析</p><p>　　2．5.1 同向泵浦</p><p>　　同向泵浦的結(jié)構(gòu)如圖2所示，泵浦光和信號(hào)光從同一端注入摻雜光纖，在摻鉺光纖的輸入端泵浦光較強(qiáng)，故粒子反轉(zhuǎn)激勵(lì)也強(qiáng)，信號(hào)一進(jìn)入光纖即得到較強(qiáng)的放大。但由于

64、吸收的因素，泵浦光將沿光纖長(zhǎng)度而衰減，使得在一定的光纖長(zhǎng)度上達(dá)到增益飽和而使噪聲增加。</p><p>　　2.5.2 反向泵浦</p><p>　　反向泵浦方式如圖3所示，泵浦光和信號(hào)光從相反方向泵入，當(dāng)光信號(hào)放大到很強(qiáng)時(shí)，泵浦光也很強(qiáng)，不易達(dá)到飽和，故噪聲性能較好.</p><p>　　2.5.3 雙向泵浦</p><p>　　雙向泵浦方

65、式如圖4所示，兩個(gè)泵浦源分別在前向和后向進(jìn)行泵浦，使EDFA 中的雜質(zhì)粒子得到了充分的激勵(lì)。這種泵浦方式結(jié)合了同向泵浦和反向泵浦的優(yōu)點(diǎn)，使泵浦光在光纖中均勻分布，從而使增益在光纖中也均勻分布！</p><p>　　為直觀起見(jiàn)，現(xiàn)將三種泵浦方式比較如圖表4：</p><p>　　輸出功率與泵浦光功 噪聲特性 輸出特性</p><p><b>　　功

66、率的關(guān)系</b></p><p>　　同向泵浦 61% 最小 輸出功率</p><p><b>　　最小</b></p><p>　　反向泵浦 76% 最大 輸出功率</p><p><b>　　中

67、等</b></p><p>　　雙向泵浦 77% 中等 輸出功率</p><p><b>　　最大</b></p><p>　　圖表 4.三種泵浦方式比較圖</p><p>　　圖2 同向泵浦</p><p><b>　

68、　圖三 反向泵浦 </b></p><p><b>　　圖4. 雙向泵浦</b></p><p>　　2.5.4反射式泵浦</p><p>　　針對(duì)特殊的需要，現(xiàn)有采用光環(huán)行器的反射型泵浦方式，其結(jié)構(gòu)如圖5所示．輸入光信號(hào)經(jīng)光分束</p><p>　　器進(jìn)入摻鉺光纖，被第一次放大，經(jīng)反射鏡反射后返回?fù)姐s光纖，

69、被第二次放大，然后輸出。光環(huán)行器保證了光信號(hào)的單方向傳播，具有較高的隔離度。這種反射型結(jié)構(gòu)可以用較小的泵浦實(shí)現(xiàn)較大的增益；但這種結(jié)構(gòu)的安裝調(diào)試比較困難，并且光環(huán)行器的成本較高．所以目前工程實(shí)踐中并不采用這種結(jié)構(gòu)。這里便不過(guò)多介紹。</p><p>　　從以上EDFA 的結(jié)構(gòu)分析，綜合兩個(gè)關(guān)鍵參數(shù)以上經(jīng)濟(jì)成本等因素，對(duì)種不同應(yīng)用于不同場(chǎng)合的EDFA，我們采用不同的結(jié)構(gòu)：</p><p>　　

70、1)對(duì)用作光功率放大器BA 的EDFA，由于要求其輸出功率大，且對(duì)噪聲系數(shù)要求不高，我們可以采用雙向泵浦結(jié)構(gòu)。</p><p>　　2)對(duì)用作光線路放大器LA 的EDFA，由于要</p><p>　　求其噪聲系數(shù)小，而輸出功率能夠補(bǔ)償線路衰耗，我們可以根據(jù)不同線路衰耗的要求來(lái)選擇采用同向泵浦或雙向泵浦結(jié)構(gòu)；</p><p>　　3)對(duì)用作光前置放大器PA 的EDFA

71、，由于要求其噪聲系數(shù)小，而對(duì)輸出功率要求不高，我們可以采用同向泵浦結(jié)構(gòu)。</p><p>　　2.5.5 分布式與集總式EDFA</p><p>　　按放大方式可將EDFA分為分立式和分布式：</p><p>　　1.）分布式：沿光纖分布的光信號(hào)進(jìn)行在線放大。</p><p>　　主要作為傳輸光纖損耗的分布式補(bǔ)償放大，傳輸?shù)牡蜐舛群胀ü饫w作

72、增益介質(zhì)，傳輸距離比較長(zhǎng)，可達(dá)100km左右；泵浦源功率幾百毫瓦；所以光纖中各處的信號(hào)光功率都比較小，從而可降低各種光纖非線性效應(yīng)的干擾。 </p><p>　　2.）分立式(集總式)：集中對(duì)光信號(hào)進(jìn)行放大。</p><p>　　主要作為高增益、高功率放大，介質(zhì)通常是色散補(bǔ)償光纖或高非線性高參雜高濃度含光纖 ，比較短，一般10km以內(nèi)；泵浦源功率幾瓦到幾十瓦。EDFA也屬于分立式。<

73、/p><p>　　第三章 簡(jiǎn)易正向集總式EDFA放大器工程設(shè)計(jì)</p><p><b>　　3.1 總體框圖</b></p><p>　　簡(jiǎn)易正向集總式EDFA放大器工程設(shè)計(jì)的系統(tǒng)原理框圖如圖【1】所示,它的工作原理是:先利用分光率為片將輸入端和輸出端的一部分光信號(hào)送入PD光電探測(cè)器中,用光電探測(cè)器來(lái)對(duì)輸入輸出功率進(jìn)行監(jiān)測(cè),將檢測(cè)出的電流信號(hào)轉(zhuǎn)換為

74、電壓信號(hào)后送入微處理器中進(jìn)行處理,通過(guò)微處理器控制單元的反饋算法處理后,控制兩個(gè)泵浦激光器提供工作所需要的驅(qū)動(dòng)電流,從而驅(qū)動(dòng)其工作"同時(shí)泵浦激光器內(nèi)部的背光探測(cè)器對(duì)其進(jìn)行電流檢測(cè),檢測(cè)到的電流信號(hào)也經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)換后送到微處理器中,經(jīng)算法處理后控制泵浦激光器的驅(qū)動(dòng)電流,這樣的反饋回路保證使EDFA的輸出光功率達(dá)到恒定,此外,溫度的變化對(duì)泵浦激光器的影響也是不可忽視的，激光器輸出功率的穩(wěn)定性!輸出波長(zhǎng)和它的閥值電流等都會(huì)隨溫度的變化而發(fā)

75、生變化，所以系統(tǒng)中還包括了溫度控制部分,使其溫度達(dá)到恒定,不會(huì)對(duì)激光器的性能產(chǎn)生影響。</p><p>　　圖【1】系統(tǒng)原理框圖</p><p>　　1.光隔離器的作用是為了抑制光的反射,只允許光進(jìn)行單向傳輸,防止光反射形成自激振蕩,使光放大器能夠工作在比較穩(wěn)定的狀態(tài)，第一個(gè)光隔離器在輸入端,以便消除上段由于放大的自發(fā)射反面?zhèn)鞑タ赡芤鸬母蓴_,第二個(gè)隔離器在輸出端,保護(hù)器件免受來(lái)自下段可能

76、的逆向反射,從而來(lái)提高EDFA的穩(wěn)定性，光隔離器的隔離度應(yīng)該優(yōu)于4OdB,而且插入損耗小,與偏振無(wú)關(guān)。</p><p>　　2.分光片能夠吸收相對(duì)較小的一部分入射光的能量,而將其余的那部分能量進(jìn)行透射,這里采用的分光片的分光比例為99:1,即將99份送入到摻餌光纖中,將1份送入到光電探測(cè)器中進(jìn)行檢測(cè).</p><p>　　3.泵浦激光器能夠?qū)⒘Ｗ訌牡湍芗?jí)抽運(yùn)到較高的能級(jí),使得粒子處于反轉(zhuǎn)狀

77、態(tài)而被放大,它是摻餌光纖放大器的核心部分"EDFA中使用的泵浦激光器通常是980nm.</p><p>　　課題中采用微處理器控制單元,主要是由于系統(tǒng)對(duì)穩(wěn)定度和精度的要求比較高,</p><p>　　下圖3.2反映了泵浦激光器控制系統(tǒng)的原理圖</p><p>　　圖3.2泵浦激光器控制系統(tǒng)原理圖 </p><p>　　系統(tǒng)主要是由A

78、VR單片機(jī)進(jìn)行控制,框圖中外面的閉環(huán)回路是通過(guò)分別對(duì)兩個(gè)泵浦激光器進(jìn)行電流檢測(cè),這個(gè)過(guò)程是由泵浦激光器內(nèi)部組件中的背向光探測(cè)器來(lái)完成的,在經(jīng)過(guò)A/D轉(zhuǎn)換后送入到AVR單片機(jī)中,單片機(jī)再與一個(gè)數(shù)字電位器相連接,通過(guò)內(nèi)部的算法控制數(shù)字電位器,從而控制后面的驅(qū)動(dòng)電路,來(lái)調(diào)整兩個(gè)泵浦激光器工作時(shí)需要的驅(qū)動(dòng)電流,使泵浦激光器能夠正常工作,形成一個(gè)閉環(huán)反饋回路"而框圖中里面的回路則是利用溫度采集系統(tǒng)來(lái)檢測(cè)泵浦激光器的溫度,通過(guò)反饋至單片機(jī)

79、來(lái)判斷溫度是否符合標(biāo)準(zhǔn),從而來(lái)使制冷器的驅(qū)動(dòng)電路工作,驅(qū)動(dòng)制冷器工作,使溫度也達(dá)到恒定"同時(shí),系統(tǒng)還包括LD的保護(hù)電路,使其不會(huì)因?yàn)檫^(guò)大的電流或電壓而被損壞"</p><p>　　4.泵浦激光器的驅(qū)動(dòng)電路：為電路提供一個(gè)電流連續(xù)可調(diào)的恒流源;其次,為了防止浪涌擊穿、上電沖擊等一些突發(fā)因素對(duì)泵浦激光器造成的損壞,驅(qū)動(dòng)電源要包含保護(hù)電路部分;最后,由于溫度對(duì)激光器性能的影響,驅(qū)動(dòng)電源還要具有溫度控

80、制功能,</p><p><b>　　5.光電探測(cè)器：</b></p><p>　　按照制作機(jī)理的不同,可將半導(dǎo)體光電探測(cè)器分為:光電導(dǎo)型光電探測(cè)器和光電二極管型光電探測(cè)器"。</p><p>　　光電導(dǎo)型光電探測(cè)器是利用光電材料在受到光輻射照射時(shí),電導(dǎo)率隨輻射強(qiáng)度而發(fā)生改變這一特性制成的光探測(cè)器件"。</p>

81、<p>　　光電二極管型光電探測(cè)器,是利用了光電二極管在反向電壓下工作時(shí),當(dāng)無(wú)光照時(shí),反向電流很小,此電流通常稱為暗電流;當(dāng)受到光照時(shí),反向電流驟增至幾十甚至上百毫安,此電流稱為光電流,反向電流的大小隨光照強(qiáng)度的變化而變化,通過(guò)光強(qiáng)變化的大小可以計(jì)算出反向電流變化的大小,利用這一特性可以制成靈敏度很高的光電探測(cè)器,在光通信工程中,常采用光電二極管型探測(cè)器。</p><p>　　光電探測(cè)器能把光信號(hào)轉(zhuǎn)換

82、為電信號(hào) ，是一種電流放大器件，尤其是光電倍增管具有很高的電流增益，特別適于探測(cè)微弱光信號(hào)。 </p><p>　　在泵浦激光器發(fā)射激光過(guò)程中,除了前向輸出光之外,還產(chǎn)生一定比例的背向光"通過(guò)光電二極管PD對(duì)背向光進(jìn)行探測(cè),經(jīng)過(guò)對(duì)信號(hào)的放大處理后,可將得到的幅度增強(qiáng)的探測(cè)信號(hào)用作電路的反饋量,對(duì)驅(qū)動(dòng)激光器工作的電流進(jìn)行調(diào)節(jié),從而調(diào)節(jié)激光器輸出光功率的變化,使EDFA的輸出功率達(dá)到穩(wěn)定。</p>

83、;<p><b>　　6.A/D控制器件</b></p><p>　　A/D控制器是將輸入的電壓信號(hào)成比例的轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)"系統(tǒng)中經(jīng)過(guò)PD探測(cè)電路以后,獲得的電壓信號(hào)在送入單片機(jī)進(jìn)行處理之前,需要經(jīng)過(guò)模數(shù)轉(zhuǎn)換,將得到的數(shù)字量送入單片機(jī)中進(jìn)行處理,從而控制泵浦激光器的驅(qū)動(dòng)電路"對(duì)于多數(shù)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中,采集的對(duì)象都是緩慢變化的模擬信號(hào),由于ADC被共享,對(duì)模擬

84、信號(hào)的數(shù)據(jù)巡回采集,因此需要選擇高轉(zhuǎn)換速率和高精度的轉(zhuǎn)換器。</p><p>　　7.AVR系列單片機(jī)ATmega16</p><p>　　Tmega16單片機(jī)來(lái)作為系統(tǒng)控制的主控芯片,系統(tǒng)采用5V進(jìn)行供電,采用C語(yǔ)言進(jìn)行編程，協(xié)調(diào)控制相關(guān)組件以實(shí)現(xiàn)相關(guān)控制功能，功耗比較低,指令執(zhí)行時(shí)間是在單時(shí)鐘周期內(nèi)的,因此它的數(shù)據(jù)吞吐率比較高,能夠達(dá)到IMIPS/MHz,這樣既降低了系統(tǒng)的功耗,從而也

85、提高了系統(tǒng)的處理速度。</p><p>　　8.芯片AD5252</p><p>　　AD5252是 一種雙通道的!非易失性存儲(chǔ)器,它所基于的是IZc協(xié)議,具有256位分辨率"它利用簡(jiǎn)單的數(shù)字接口來(lái)替代原有的機(jī)械調(diào)節(jié),能夠提供多種不同的工作模式和調(diào)整模式,可以通過(guò)單片機(jī)對(duì)其實(shí)現(xiàn)多功能編程，統(tǒng)中的控制電路部分采用芯片AD5252者可變電阻具有相同功能的電子調(diào)整功能作為數(shù)字電位器,它

86、能夠?qū)崿F(xiàn)與電位計(jì)或者可變電阻具有相同功能的電子調(diào)整功能。</p><p><b>　　9.制冷電路</b></p><p>　　利用半導(dǎo)體制冷器也就是TEC半導(dǎo)體材料的帕爾帖效應(yīng)制成,用于加熱和制冷的半導(dǎo)體P一N結(jié)器件，使泵浦激光器的溫度保持在恒定狀態(tài)，維持電路的穩(wěn)定！</p><p>　　3.2 摻鉺光纖優(yōu)選</p><p

87、>　　由參考文獻(xiàn)[1〕,在小信號(hào)及不考慮放大自發(fā)幅射(AsE)的情況下,可知在光纖z處的有效增益系數(shù)和有效吸收系數(shù)分別為:</p><p>　　式中n(r),g(r,)分別是摻雜粒子濃度(假設(shè)橫向分布與角度無(wú)關(guān))、信號(hào)光、泵浦光在光纖中的橫向分布函數(shù);分別是光纖中信號(hào)光以及泵浦光的波導(dǎo)效率;處、分別指</p><p>　　價(jià)的受激幅射截面,吸收截面及上能級(jí)粒子對(duì)泵浦光的吸收截面;凡為

88、放大介質(zhì)的飽和泵浦功率,,(其中為泵浦光波長(zhǎng),角為激發(fā)態(tài)粒子壽命);。a纖芯半徑;</p><p>　　為總摻雜粒子濃度,士 號(hào)表示泵浦光和信號(hào)光反向或同向傳播。</p><p>　　上述兩式一般情況下都得不到化簡(jiǎn)求解,故無(wú)法利用它設(shè)計(jì)EDFA并估價(jià)其性能,為此,</p><p>　　考慮普通情況采取近似計(jì)算很有必要。</p><p>　　取

89、階梯型光纖均勻摻雜,即:有如下分布:；</p><p>　　DFA運(yùn)行中信號(hào)光以單模傳輸,泵浦光一般以低階?；騿文鬏?這是由于泵浦光波長(zhǎng)</p><p>　　短及光纖拉制工藝水平對(duì)光纖半徑的限制.由參考文獻(xiàn)〔2〕可知,模式匹配時(shí)EDFA增益最大,</p><p>　　且光纖拉制水平的提高已能保證對(duì)某一泵浦波長(zhǎng),信號(hào)光與泵浦光均以單模傳輸,同時(shí)這也</p>

90、;<p>　　是EDFA的設(shè)計(jì)目標(biāo)·故在近似計(jì)算中泵浦光及信號(hào)光均取單模計(jì)算.</p><p>　　由參考文獻(xiàn)【3〕可得知,在弱波導(dǎo)傳播(《1)時(shí),光纖中傳輸?shù)墓饽Ｊ骄刹捎酶咚菇?lt;/p><p>　　似.故對(duì)階梯型折射率分布的光纖,信號(hào)光及泵浦光的模場(chǎng)分布分別為:</p><p>　　分別為光纖對(duì)信號(hào)光和泵浦光的歸一化頻率,波導(dǎo)效率分別為&

91、lt;/p><p>　　將(3一6)式分別代入(l、2)式中,可求得單模泵浦、單模傳輸時(shí)的有效增益系數(shù)和有效吸收系數(shù)分別</p><p><b>　　系數(shù)分別</b></p><p>　　由上述(7~8b)式可以看出,設(shè)計(jì)EDFA須從以下幾點(diǎn)著手考慮:</p><p>　　1)EDFA的增益與光纖的摻雜濃度、歸一化頻率()、

92、受激幅射截面等因素密切相關(guān),一般說(shuō)來(lái)參與的總粒子數(shù)越多,光纖半徑越小,a:越大則獲得的增益越高.</p><p>　　2)ESA的存在明顯降低了泵浦光的有效利用率,但由于它是工作物質(zhì)固有的,故只能采</p><p>　　用遠(yuǎn)離ESA波長(zhǎng)的泵浦光來(lái)消除.</p><p>　　3)在不考慮ESA的情況下,正反向泵浦放大器所得增益沒(méi)有區(qū)別.</p><

93、p>　　4)EDFA同所有三能級(jí)激光放大系統(tǒng)一樣,工作物質(zhì)即光纖有最佳工作長(zhǎng)度.</p><p>　　EDFA的最佳光纖長(zhǎng)度.</p><p>　　顯然,在長(zhǎng)度為揚(yáng),的光纖末端處,增益為零,即:</p><p>　　由(7、9)兩式可求得光纖末端處的泵浦光功率,即為透明泵浦功率和伙,那么最佳光纖長(zhǎng)度為</p><p>　　式中護(hù),(0)

94、為輸入泵浦光功率.為簡(jiǎn)便計(jì),不考慮ESA,代入(sb)式中,并取反向泵浦時(shí),有</p><p>　　對(duì)應(yīng)于最佳光纖長(zhǎng)度可得EDFA的最大總增益系數(shù)為</p><p>　　由(11)式可知增益(用分貝表示)為，(10)、(11)式中的積分均可用作圖法求出。</p><p>　　綜f獷以上的理論分析,可以在確定泵浦光源后(即凡確定后),根據(jù)計(jì)算結(jié)果自行選擇光</p

95、><p>　　纖參數(shù)(半徑,摻雜濃度,數(shù)值孔徑,截止波長(zhǎng)、長(zhǎng)度等),或根據(jù)光纖的參數(shù)選擇適宜的泵浦光</p><p>　　波長(zhǎng)以達(dá)到最佳放大效果,完成EDFA的設(shè)計(jì).</p><p>　　上述近似理論分析在實(shí)踐中能夠起到指導(dǎo)并評(píng)估EDFA的設(shè)計(jì)的作用.</p><p><b>　　3.3泵浦源優(yōu)選</b></p>

96、<p>　　泵浦源作為摻餌光纖放大器的核心部分,它必須滿足以下兩個(gè)條件:一是它的波長(zhǎng)要與Er3+能級(jí)的躍遷相適應(yīng),二是它的輸出功率要足夠的高"泵浦激光器能夠?qū)⒘Ｗ訌牡湍芗?jí)抽運(yùn)到較高的能級(jí),使得粒子處于反轉(zhuǎn)狀態(tài)而被放大,它是EDFA的一項(xiàng)比較關(guān)鍵的技術(shù)，目前,較為實(shí)用化的EDFA大多選擇了工nGaASp半導(dǎo)體激光器作為其光源"泵浦源要求必須要具有較高的輸出光功率!較高的穩(wěn)定性,并且還要具有較長(zhǎng)的壽命&qu

97、ot;它的波長(zhǎng)在小于放大信號(hào)波長(zhǎng),能量E之hf,并且是在摻餌光纖吸收帶內(nèi)的情況下,可以有不同的選擇"Er3斗在固定的吸收帶上可以吸收光子,通過(guò)它的吸收譜可以知道,在頻帶為650nm,800nm,98Onm和1480nm時(shí),可以用來(lái)泵浦一個(gè)EDFA"但是由于65Onm和800nln波長(zhǎng)泵浦時(shí)的效率比較低,泵浦源的體積也較大,所以在光通信中不被廣泛使用"由于信號(hào)光的衰減和泵浦光的利用效率可以由激發(fā)態(tài)吸收來(lái)影響,

98、因此泵浦源的選取應(yīng)該在那些沒(méi)有激發(fā)態(tài)吸收的能帶上"980nm和1480nm波長(zhǎng)泵浦正好對(duì)應(yīng)著Er.+沒(méi)有激發(fā)態(tài)吸收的能帶上,因此成為廣泛使用的兩個(gè)泵浦波長(zhǎng)"對(duì)于這兩種波長(zhǎng)的泵浦激光器比較如下:</p><p>　　(1)980n-m泵浦激光器:目前,在光纖放大器的發(fā)展中,它是首選的泵浦波長(zhǎng)"它具有較高的泵浦效率!較高的增益,噪聲系數(shù)也比較低,最低可以達(dá)到3dB.</p>

99、<p>　　(2)1480nm泵浦激光器:由于1480nLm泵浦激光器的波長(zhǎng)和信號(hào)光的波長(zhǎng)很相近因而波長(zhǎng)在1550nm的單模光纖對(duì)于泵浦光和信號(hào)光均是單模傳輸,因此利用這個(gè)特點(diǎn)可以制作成定向藕合器,它能夠以較低的損耗將泵浦光和信號(hào)光送入到光纖中,也具有較強(qiáng)的實(shí)用性"通常用泵浦效率來(lái)衡量泵浦的有效性,它的表達(dá)式是EDFA的小信號(hào)增益與所吸收的泵浦功率的峰值比"不同的吸收頻率所對(duì)應(yīng)的泵浦效率的差別也很大,如下

100、表:</p><p>　　泵浦波長(zhǎng)（nm） 泵浦效率(dB/mW）</p><p>　　532 1.35 </p><p>　　800 0.8</p><p>　　980 4.9</p><p>　　1480 3.9</p&g

101、t;<p>　　表3.3吸收頻率與泵浦效率對(duì)照表</p><p>　　在970一980nm波長(zhǎng)范圍內(nèi),Er3+的躍遷存在一個(gè)吸收帶,它的吸收截面較大,受激發(fā)射截面是零并且沒(méi)有激發(fā)態(tài)吸收,在這個(gè)波長(zhǎng)的泵浦激光器具有最好的增益系數(shù)為11dB/mW"當(dāng)用1480nm波長(zhǎng)泵浦時(shí),Er3+能被激發(fā)至亞穩(wěn)態(tài),因?yàn)樗奈蘸桶l(fā)射截面之間存在錯(cuò)位,它才能夠產(chǎn)生增益"當(dāng)泵浦波長(zhǎng)在1480nln以下

102、時(shí),增益隨泵浦吸收的降低而降低;波長(zhǎng)在1480nm以上時(shí),雖然泵浦吸收是增加的,但是泵浦波長(zhǎng)的發(fā)射也在隨著增加,這樣也會(huì)使增益下降,它的泵浦效率最高可以達(dá)到6.5dB/mW"由于1480nm泵浦激光器只進(jìn)行了大約70%的離子數(shù)反轉(zhuǎn),980nm泵浦激光器進(jìn)行的離子數(shù)反轉(zhuǎn)是完全的,因此就增益系數(shù)而言,1480ntn泵浦激光僅僅是98Onm泵浦激光器的60%,它的噪聲和98Onm泵浦激光器相比,大約要高1dB。</p>

103、<p>　　此外,增益系數(shù)還與摻餌光纖EDF的長(zhǎng)度成正比,當(dāng)EDF的長(zhǎng)度減少時(shí),增益系數(shù)也隨著減小;相反,當(dāng)EDF的長(zhǎng)度增加時(shí),增益系數(shù)也隨之增大,但是因?yàn)楣夥糯笃髯陨淼淖燥柡托?yīng),它不會(huì)一直增加,而是逐漸趨近于平坦"對(duì)于泵浦激光器,除了要求輸出功率,還要求它能夠產(chǎn)生受激輻射,從而與單模光纖進(jìn)行更加有效的藕合.</p><p>　　1.泵浦激光器的構(gòu)成及特性參數(shù) </p>&l

104、t;p>　　半導(dǎo)體制冷器利用的原理是帕爾帖效應(yīng),它指的是當(dāng)有直流電通過(guò)P型和N型半導(dǎo)體組成的電藕時(shí),產(chǎn)生的吸熱和放熱的現(xiàn)象"電流方向的不同,也會(huì)使熱端和冷端不同"正向通電時(shí)制冷器進(jìn)行制冷,反向時(shí)則使其加熱"背光探測(cè)器主要用來(lái)檢測(cè)LD背向發(fā)出的光信號(hào),通過(guò)對(duì)它的檢測(cè),可以得到激光器輸出光的大小,它們之間存在著一定的比例關(guān)系"進(jìn)而調(diào)整激光器的驅(qū)動(dòng)電流,改變泵浦激光器的輸出功率"泵浦激光

105、器的幾項(xiàng)主要特性參數(shù)包括:</p><p><b>　　(1)閥值電流</b></p><p>　　半導(dǎo)體激光器只有當(dāng)它的驅(qū)動(dòng)電流不小于某一個(gè)限定值時(shí),諧振腔才會(huì)產(chǎn)生激光振蕩,這時(shí)的電流值被稱為閡值電流"它所對(duì)應(yīng)的輸出光功率比較小,從而使泵浦激光器的消光比比較大閡值電流越小,放大器的輸出就越穩(wěn)定。</p><p><b>　

106、　(2)輸出光功率</b></p><p>　　泵浦激光器的輸出光功率和它的注入電流間存在著一定的關(guān)系"當(dāng)注入激光器的電流小于閡值電流時(shí),隨著電流的逐漸增加,它的輸出光功率也跟著緩慢的增加;當(dāng)激光器的注入電流大于其閡值電流時(shí),它的功率開(kāi)始迅速增加"但要注意的是,這個(gè)注入激光器的電流不能一直增大,如果超過(guò)了額定值,將會(huì)導(dǎo)致激光器受到損壞"通常,泵浦激光器的輸出光功率要依據(jù)具

107、體電路來(lái)控制"</p><p><b>　　(3)峰值波長(zhǎng)</b></p><p>　　在峰值波長(zhǎng)處,泵浦激光器擁有著最大的輸出光功率,通常EDFA的泵浦激光器選用980nm或者1480nm"</p><p>　　(4)半導(dǎo)體制冷器的工作電流</p><p>　　通常情況下,制冷器工作時(shí)的電流在1一3

108、A范圍內(nèi)"</p><p><b>　　(5)光功率穩(wěn)定度</b></p><p>　　光功率穩(wěn)定度可以用來(lái)反映在一定的時(shí)間間隔內(nèi),泵浦激光器輸出光功率的變化情況,它的數(shù)值越低,就表明激光器的輸出光功率越恒定"</p><p><b>　　(6)斜率效率</b></p><p>

109、　　它能夠反映出泵浦激光器的輸出光功率對(duì)其驅(qū)動(dòng)電流變化的敏感程度"斜率效率是指激光器的輸出光功率的增量與其驅(qū)動(dòng)電流增量的比值,單位用W/A來(lái)表示"斜率效率不宜過(guò)高或者過(guò)低,當(dāng)它過(guò)高時(shí),EDFA的輸出光信號(hào)容易失真,不容易對(duì)功率進(jìn)行控制;而當(dāng)它過(guò)低時(shí),則使EDFA的功耗變大,因此,斜率效率選擇要適中"在使用泵浦激光器的時(shí)候,要注意到以下兩個(gè)方面:一方面是要防止浪涌擊穿對(duì)其造成的影響"所謂浪涌,即在瞬

110、時(shí)狀態(tài)下產(chǎn)生的強(qiáng)力電脈沖,它是使泵浦激光器損壞的主要原因"很多因素可以造成浪涌擊穿現(xiàn)象的產(chǎn)生,由電源開(kāi)關(guān)引起的干擾!管腳接觸不好或者焊接方法不當(dāng)!開(kāi)啟或者斷開(kāi)時(shí)產(chǎn)生的沖擊以及其他各種噪聲都能夠引起浪涌擊穿現(xiàn)象。</p><p>　　另一方面是要防止靜電對(duì)泵浦激光器造成的影響"當(dāng)泵浦激光器周圍靜電場(chǎng)的場(chǎng)EDFA中選用的泵浦激光器,它的內(nèi)部集成了半導(dǎo)體激光二極管!半導(dǎo)體制冷器(TEC)!背光探測(cè)器

111、和熱敏電阻,用來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)激光器的功率與溫度控制"熱敏電阻是一種電阻值隨著溫度的變化而變化的熱敏器件,它可以用來(lái)測(cè)量激光器的溫度"當(dāng)熱敏電阻由金屬材料組成,電阻值的變化與溫度變化成正比時(shí),具有正溫度系數(shù)(PTC);而當(dāng)熱敏電阻由半導(dǎo)體材料制成,并且電阻值的變化與溫度變化成反比時(shí),具有負(fù)溫度系數(shù)(NTC)"通常泵浦激光器中采用的是負(fù)溫度系數(shù)的熱敏電阻,阻值大概為幾千歐"強(qiáng)值要高于它的極限值時(shí),PN結(jié)會(huì)產(chǎn)