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光纤EDFA放大技术研究毕业论文
光纤EDFA放大技术研究毕业论文
本科生毕业设计(论文)
题目:
光纤EDFA放大技术研究
教学单位_电气信息工程学院______
姓名______________
学号_200931007028________
年级_09级_____________
专业___应用物理学_________
指导教师___
职称___
2013年4月1日
0
掺铒光纤放大器EDFA的技术研究
光纤EDFA放大技术研究
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用,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。
首先对阐述了掺铒光纤放大器的历史发展及产生意义,其次对掺铒光纤放大器工作原理进行了介绍。
同时应用所知所学根据DEFA的原理进行了简易正向集总式EDFA放大器的理论工程设计并对主要相关组件进行优选。
关键字:
光纤通信、掺铒光纤放大器、简易正向集总式EDFA,
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掺铒光纤放大器EDFA的技术研究
OpticalfiberEDFAamplificationtechnologyresearchAbstract:
OpticalFiberCommunication,istheuseofopticalfibertotransmitlightwavescarryinformationinordertoachievethepurposeofcommunication.Largecapacityopticalfibercommunicationwiththecommunication,transmissionrate,longlifeandmanyotherfeatures.Andsoitgenerallyshouldbeshipped,inwhichopticalfiberamplifierisanimportantcomponentofthesystem.Fiberamplifierisusedinopticalfibercommunicationlines.Anewtypeofsignalamplificationtoachieveall-opticalamplifiers.
Thispaperintroducesthetheoryoftheerbium-dopedfiberamplifier(abbreviatedEDFA).Thefirstdescribesthehistoricaldevelopmentoferbium-dopedfiberamplifierandgeneratesignificance,followedbytheworkingprincipleoftheerbium-dopedfiberamplifierintroduced.AtthesametimetheapplicationofknowledgeandlearninginaccordancewiththeprinciplesoftheDEFAtheoreticalengineeringdesignofthesimpleforwardlumpedEDFAamplifier.Andthemainrelatedcomponentspreferably
Keywords:
OpticalFiberCommunication、Erbium-dopedfiber、Thesimple
forwardlumpedEDFA
2\
掺铒光纤放大器EDFA的技术研究
前言.......................................................5第一章光纤放大器的基础知识5
1.1光纤通信的发展历程5
1.2光纤EDFA的出现的重大意义61.3EDFA在数字通信系统的应用7
第二章EDFA的原理及组成结构分析82.1EDFA基本工作原理82.2EDFA的基本组成92.2.2掺铒光纤92.2.3泵浦源92.2.4耦合器、92.2.5光隔离器92.2.6光滤波器92.3EDFA设计指标92.3.1放大增益G9
Fn2.3.2噪声系数102.3.3饱和输出功率102.4EDFA参数设计考虑102.4.1掺铒光纤的长度112.4.2掺铒光纤波导参数112.4.3泵浦光功率11
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掺铒光纤放大器EDFA的技术研究
2,4.4泵浦光源112.5EDFA的分类122.5.1同向泵浦122.5.2反向泵浦132.5.3双向泵浦132.5.4反射式泵浦才132.5.5分布式与集总式EDFA14
第三章简易正向集总式EDFA放大器工程设计14
3.1总体框图143.2掺铒光纤优选163.3泵浦源优选19第四章总结21
致谢22参考文献
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掺铒光纤放大器的原理与应用
前言
众所周知,现今是信息时代,社会信息化进程正在逐渐的深入,整个社会受信息运行的影响也随之越来越大,随着因特网的普及和网上应用,使人们对一些新型信息服务的需求越来越迫切,例如家庭办公、远程教育、电子商务等,因此这就需要用到功能强大的通信网络,光纤通信作为一种理想的通信手段,具有了诸如较大的通信容量、较长的无中继通信距离、良好的保密性等许多的优点,这使得光纤通信取代其它通信手段是一种必然的趋势。
随着光纤通信系统日益向着高速率、大容量、长距离等方向发展,系统中的光纤损耗和色散等因素对其存在着一定的限制作用,20世纪80年代,随着光放大器技术的产生,光纤通信领域经历了一次革命,它的出现不仅开创了1550nm波段的波分复用,也使得全光传输、光孤子传输等的传输速率更高、传输容量更大、传输距离更长,它能够对光信号进行直接放大,成为了光纤通信发展过程中的一项关键技术,由于这项技术不受光信号调制形式及比特率的影响,使得它在光纤通信领域中得到了较为广泛的应用.
在光放大器中,掺铒光纤放大器(EDFA)的技术比较成熟,自身性能较好,所以它的应用比较广泛它具有高增益、低噪声、输出功率大、串话小,对温度偏振不敏感,藕合效率高,易与传输光纤藕合连接,损耗低,不易自激,对信号速率和格式透明,并具有几十纳米的放大带宽等优点,由于它几乎接近完美的特性及半导体泵浦源的使用,导致了它在波分复用系统中的广泛应用,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,本文拟就对具有广泛应用前景的掺铒光纤放大器(EDFA)的原理及应用发展动向作一综述。
第一章光纤放大器的基础知识1.1光纤通信的发展历程
光纤通信是利用光波作载波,以光纤作为传输媒质将信息从一处传至另一处的通信方式,被称之为“有线”光通信。
当今,光纤以其传输频带宽、抗干扰性高和信号衰减小,而远优于电缆、微波通信的传输,已成为世界通信中主要传输方式。
1966年英籍华人高锟(CharlesKao)发表论文提出用石英制作玻璃丝(光纤),其损耗可达20dB/km,可实现大容量的光纤通信。
当时,世界上只有少数人相信,如英国的标准电信实验室(STL)、美国的Corning玻璃公司,Bell实验室等领导。
2010年高锟因发明光纤获得诺贝尔奖。
1970年,Corning公司研制出损失低达20dB/km,长约30m的石英光纤,据说花费了3000千万美元。
1976年Bell实验室在华盛顿亚特兰大建立了一条实验线路,传输速率
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掺铒光纤放大器的原理与应用
仅45Mb/s,只能传输数百路电话,而用中同轴电缆可传输1800路电话。
因为当时尚无通信用的激光器,而是用发光二极管(LED)做光纤通信的光源,所以速率很低。
1984年左右,通信用的半导体激光器研制成功,光纤通信的速率达到144Mb/s,可传输1920路电话。
1992年一根光纤传输速率达到2.5Gb/s,相当3万余路电话。
1996年,各种波长的激光器研制成功,可实现多波长多通道的光纤通信,即所谓/波分复用0(WDM)技术,也就是在1根光纤内,传输多个不同波长的光信号。
于是光纤通信的传输容量倍增。
在2000年,利用WDM技术,一根光纤光纤传输速率达到640Gb/s。
有人对高锟1976年发明了光纤,而2010年才获得诺贝尔奖有很大的疑问。
事实上,从以上光纤发展史可以看出,尽管光纤的容量很大,没有高速度的激光器和微电子仍不能发挥光纤超大容量的作用。
现在电子器件的速率才达到吉比特/秒量级,各种波长的高速激光器的出现使光纤传输达到太比特/秒量级(1Tb/s=1000Gb/s),人们才认
光纤的发明引发了通信技术的一场革命!
识到/
现在光纤通信技术不断进步。
采用WDM技术使一根光纤通信的容量达到太比特每秒。
近来采用各种调制和复用方法如:
光正交频分复用(OOFDM),正交幅
使一根光纤通信度调制(QAM),正交相位键控(QPSK),极化复用(PM)等,
的容量已经达到100Tb/s(NEC),相当于1s可传输时长3个月的高清电视。
光纤也有新的发展。
过去,长距离传输使用标准单模光纤(G.652)。
单模光纤经过长距离传输后,到达用户进楼房时,需要用能适应小弯曲的室内光纤。
现在,正发展/低弯曲损失大芯光纤0,采用该光纤可从长距离直接进入室内,无需更换光纤品种。
该光纤的损耗低达0.16dB/km,其弯曲损耗是标准单模光纤的几分之一。
近来发展的高分子光纤(POF),即塑料光纤,很适合楼房和室内使用,它弯曲不容易断,便于安装,可自行用剪刀等切割施工。
尤其对于正在发展的高清电视,通常传送电视的同轴电缆只可传输几米,而高分子光纤可传输几十米。
光通信用的器件在不断进步。
激光器的直接调制速度达到40Gb/s,不需要采
LiNO3用外加的调制器。
光集成技术可把许多光器件甚至于把简单的光电系统集成在一起,如把4个不同波长的激光器和探测器组成4个收发系统集成在一个单片上;40个波长的光滤波器用平面光线路PLC制成模块;把速率为160Gb/s的相干接收系统单片集成在半导
体材料上(通常用LiNbO3)。
这里不一一枚举。
光交换技术目前尚未成熟,主要是光开关器件和光缓存技术上存在的问题有待解决。
目前,光交换采用的是/光电光0方式,即把光信号转换成电信号,用电子交换机实现交换后,再把电信号转换为光信号,当然是不经济的。
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掺铒光纤放大器的原理与应用
1.2光纤EDFA的出现的重大意义
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,它的推广应用引发了一场光纤通信技术的革命,它促进和推动了光纤通信领域中几项重大新技术的发展,可望使光纤通信的整体水平上一个新的台阶,它已经、也必将继续对光纤通信的发展产生深远的影响。
1.3EDFA在数字通信系统的应用
掺饵光纤放大器在密集波分复用系统中的应用,主要是补偿传输中的光纤损耗,根据放大器在系统中的位置及作用,可以分成以下3种类型:
(一)EDFA用作前置放大器
EDFA其低噪声的特性,适合用作接受机的前置放大器。
接收机的灵敏度可提高10一20dB。
当光信号进人接收机前,使它得到放大,以抑制接收机内的噪声。
(二)EDFA用作功率放大器
将EDFA直接放在光发射机制后来提升输出功率,可将通信距离延长十几千米。
(三)EDFA用作线路放大器
EDFA用作线路放大器使它在光纤通信系统的一个重要应用。
用EDFA实现全光中继代替原来的光一电一光中继,这种方式非常适合在海底光缆应用。
但其最大的应用是在确WDM系统中。
只要有一个EDFA就可以放大全部的光信号。
但要求所有的信号光在EDFA的平坦增益带宽内。
总之EDFA的应用,实现了直接光放大,它具有增益高、带宽宽、噪声低、增益特性对光偏振状态不敏感、对数据速率以及格式透明且在多路系统中信道交叉串扰可略等优点,是光电光放大技术所不可比拟的。
尤其EDFA在密集波分复用(WDM)传输系统中的应用大大增加了光纤的传输信息容量,使EDFA成为光放大器的主流。
而且应用EDFA的光缆有线电视传输系统已与1993年投入使用,在这种系统中,光的节点数、传输距离和光纤中光信号密切相关,EDFA可以扩大网径和用户数,目前在我国已经大量采用EDFA的光纤CATV网。
EDFA应用范围非常广泛,发展前景也非常广阔。
随着全光网络和光互联网的发展,对EDFA的技术要求会越来越高。
第二章EDFA的组成结构分析
2.1EDFA基本工作原理
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掺铒光纤放大器的原理与应用
当供给激光媒体能量使其处于激励状态时,即会产生光的受激辐射现象,如果能满足使受激辐射持续进行的条件,并用输入光去感应,则能得到比其强的输出光,从而起到放大作用。
EDFA的放大作用是通过1550nm波长的信号光在掺铒光纤中传输与Er3+,铒离子,相互作用产生的。
掺铒光纤中的Er3+处的能量状态是不能连续取值的,它只能处在一系列分立的能量状态上,这些能量状态称为能级,当Er3+在未受激励的情况,处在最低能级即基态E1
高能态E3
亚稳态E2
信号光子
收激辐射光子
信号光子
泵浦光子基态E1
图1.铒离子的能级
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E1离子抽运到高能态E3上,处于E3的Er3+离子又迅速无辐射的转移到亚稳态E2上。
Er3+离子在亚稳态上能级寿命较长,由于连续地泵浦,E2粒子数不断增加,从而实现E1与E2粒子数反转,即处于E2的粒子比E1的粒子数多。
当信号光子通过掺铒光纤时,与Er3+离子相互作用发生受激辐射效应,E2的Er3+离
子跃迁到E1,并产生和入射信号光中的光子完全相同的光子,即频率、相位,传播方向、偏振态相同,从而大大增加信号光子的数量,实现信号放大作用。
Er3+离子的亚稳态和基态具有一定的宽度,使EDFA的放大效应具有一定波长范围,其典型值为1530~1570nm。
Er3+离子处于E2时,除了发生受激辐射和
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受激吸收,基态Er3+离子吸收信号光子,跃迁到E2,以外,还要产生自发辐射,自发地从E2跃迁到E1,并发射出1550nm波长的光子,这种光子与信号光不同,它构成EDFA的噪声。
如果EDFA的输入光功率较低时,自激辐射较强会产生较大的噪声。
2.2EDFA的基本组成
2.2.1EDFA一般由五个基本部分组成,1、掺铒光纤(EDF)
2.光耦合器(WDM)
3.光隔离器(ISO)
4.光滤波器(OpticalFilter)
5.泵浦源(PumPingSupply)
WDMISOEDFISOWDMFITER
ININ
OUT
输出光信号光
LD控制单元
图2.EDFA的基本结构
2.2.2掺铒光纤(EDF),EDF是放大器的主体,纤芯中掺有铒元素,Er,。
掺有Er3+的石英光纤具有激光增益特性,铒光纤的光谱性质主要由铒离子和光纤基质决定,铒离子起主导作用,掺Er3+浓度及在纤芯中的分布等对EDFA的特性有很大影响。
为了在放大带宽内的增益平坦,在EDF中掺入适量的铝元素,使铒离子在EDF中分布更均匀,从而获得平坦的宽带增益谱。
2.2.3光耦合器(WDM),光耦合器有合波信号光与泵浦光的作用,也称光合波器和波分复用器。
是EDFA必不可少的组成部分,它将绝大多数的信号光与泵浦光合路于EDF中。
主要有两种形式,980nm/1550nm或1480nm/1550nm,一般为光纤熔锥型。
要求在上述波长附近插入损耗都小,耦合效率高,耦合频带具有一定的宽度且耦合效率平坦,对偏振不敏感稳定性好,
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2.2.4光滤波器(OpticalFilter),光滤波器消除被放大的自发辐射光以降低放大器的噪声,提高系统的信噪比,SNR,。
一般多采用多层介质膜型带通滤波器,要求通带窄,在1nm以下。
目前应用的光滤波器的带宽为1,3nm。
此外,滤波器的中心波长应与信号光波长一致,并且插入损耗要小。
2.2.5泵浦源(PumPingSupply),泵浦源为信号放大提供能量,即实现粒子数反转分布。
根据掺铒光纤(EDF)的吸收光谱特性,可以采用不同波长的激光器作为泵源,如,Ar2+激光器,514nm,、倍频YAG,532nm,、染料激光,665nm,及半导体激光器,807nm、980nm、1480nm,。
但由于在807nm及小于807nm波长处存在强烈的激发态吸收,ESA,,泵浦效率较低。
若用665nm、514nm的染料和Ar+激光器泵浦得到25dB以上的增益,需要的入纤泵浦功率大于100mw,且Ar+激光器体积大难以实用化。
目前980nm和1480nm的LD已商品化,不存在激发态吸收,泵浦效率较高,所以一般采用980nm和1480nm的半导体激光器作泵源。
2.2.6光隔离器是一种单向光传输器件,对EDFA工作稳定性至关重要。
通常光反射会干扰器件的正常输出,产生诸如强度涨落、频率漂移和噪声增加等不利影响。
提高EDFA稳定性的最有效的方法是进行光隔离。
在输入端加光隔离器消除因放大的自发辐射反向传播可能引起的干扰,输出端保护器件免受来自下段可能的逆向反射。
同时输入和输出端插入光隔离器也为了防止连接点上反射引起激光振荡,抑制光路中的反射光返回光源侧,从而既保护了光源又使系统工作稳定。
要求隔离度在40dB以上,插入损耗低,不偏振无关。
2.3EDFA设计指标
2.3.1EDFA的增益
放大器的增益G定义为放大器输出端Pout与输入端Pin(连续信号功率的比值,放大器的增益与增益系数有关,增益系数则是随光纤长度变化的,并与输入功率、饱和光功率、中心频率、小信号增益系数等参数有关.
在放大器的系统设计时,为满足放大器的增益主要考虑掺铒光纤长度和泵浦光功率。
Fn2.3.2噪声系数
(SNR)in放大器的噪声采用噪声系数NF来表示,它定义为输入信噪比与输出信噪比(SNR)out。
的比值经过分析综合,可得到结论:
噪声系数与粒子反转差有关。
泵浦充分,粒子反转差大,则噪声系数就小。
充分的泵浦作用有利于减小噪声,在理想情况下,F的极限值为3dB。
放大器本身产生噪声,使信号的信噪比下降,造成对传输距离的限制。
光纤
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掺铒光纤放大器的原理与应用
放大器的噪声主要来自
于它的自发辐射ASE,它与被放大的信号在光纤中一起传输、放大,在检测器中主要检测到以
下几种噪声:
(1)自发辐射的散弹噪声;
(2)宽带自发辐射自身的差拍噪声;
(3)信号光与自发辐射的差拍噪声;
(4)信号光的信号散弹噪声。
2.3.3饱和输出功率
增益饱和与饱和输出功率:
表示最大输出能力
当输入光功率比较小时,增益G是一个常数,用符号表示,称为光放大器的G0
小信号增益。
但当G增大到一定数值后,光放大器的增益开始下降,这种现象称为增益饱和;当光放大器的增益降至小信号增益的一半,也就是用分贝表示为下降3dB时,G0
所对应的输出功率称为饱和输出光功率,是放大器的一个重要参数,饱和输出功率用Pouts表示。
图3描述的就是上述过程。
注:
在小信号工作区,增益不信号光输入功率的大小无关,恒为常数,但是当输入功率大到超过小信号工作区时,增益讲随输入功率的增大而变化,出现增益饱和或压缩。
图3
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2.4EDFA参数设计考虑
2.4,1掺铒光纤的长度
EDFA放大输入的光信号时,存在一最佳长度,超过此长度,增益将降低。
最佳长度不输入泵浦光功率、输入信号光功率、AsE功率、铒离子浓度、光场不铒离子浓度分布的重叠积分程度等因素有关。
确定掺铒光纤长度:
一种方法是通过速率方程可求得最佳长度的理论值,在此基础上,通过OTDR等方法逐步逼近实际的最佳值;另一种方法则是给出增益不光纤长度的关系,再利用微分求导,则得到增益最大的光纤长度。
2.4.2掺铒光纤波导参数
波导参数的设计主要考虑:
数值孔径、纤芯半径、截止波长、掺铒半径、剖面分布等因素,具体的参数设计是基于对EDFA特性的不同要求而提出的。
2.4.3泵浦光功率
为了能在整段掺铒光纤上实现粒子数反转,则在掺铒光纤某一长度处的输出泵浦光功率应大于或等于局部粒子数反转的阈值泵浦功率。
在增益一定的情况下,泵浦光功率在很大程度上决定了掺铒光纤的长度。
2.4.4泵浦光源
泵浦光源是EDFA的重要组成部分,EDFA对泵浦光源有两个基本要求:
首先,泵浦源的发射波长应对应于掺铒光纤的峰值吸收带;其次,要有较大的输出功率。
通常从小信号增益、输出功率、噪声系数等方面考虑。
980nm的泵浦源,它在非饱和区有高的增益系数、泵浦效率高、噪声系数小(最小可达3dB),它适合于作高增益的前置放大泵浦源。
1480nm的泵浦源,采用此泵浦的放大器有高的功率输出,适合于需要较大功率输出的系统。
2.5EDFA的分类
EDFA的结构主要包含同向泵浦、反向泵浦、双向泵浦及反射式泵浦等,下面我们逐一分析
2(5.1同向泵浦
同向泵浦的结构如图2所示,泵浦光和信号光从同一端注入掺杂光纤,在掺铒光纤的输入端泵浦光较强,故粒子反转激励也强,信号一进入光纤即得到较强的放大。
但由于吸收的因素,泵浦光将沿光纤长度而衰减,使得在一定的光纤长度上达到增益饱和而使噪声增加。
2.5.2反向泵浦
反向泵浦方式如图3所示,泵浦光和信号光从相反方向泵入,当光信号放大到很强时,泵浦光也很强,不易达到饱和,故噪声性能较好.
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掺铒光纤放大器的原理与应用2.5.3双向泵浦
双向泵浦方式如图4所示,两个泵浦源分别在前向和后向进行泵浦,使EDFA中
的杂质粒子得到了充分的激励。
这种泵浦方式结合了同向泵浦和反向泵浦的优
点,使泵浦光在光纤中均匀分布,从而使增益在光纤中也均匀分布~
为直观起见,现将三种泵浦方式比较如图表4
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