掺铒光纤放大器在通信网中的应用课程设计(编辑修改稿)

掺铒光纤放大器在通信网中的应用课程设计(编辑修改稿)内容摘要：

得非 常快（大约在 1μ s内），如图中跃迁过程②所示。 在衰变过程中，多余的能量以声子的形式释放，或者等价地认为在光纤内产生了机械振动。 在亚稳态能带中，激发态离子的电子将移至能带的底端，在这里，人们使用荧光时间来表征这个过程，这个时间长达 10ms 左右。 另一种可能的泵浦波长是 1480nm，这些泵浦光子的能量很接近信号光子能量，只是要稍高一些。 吸收一个 1480nm 的泵浦光子，会直接把一个电子从基态激发到很少被粒子占据的亚稳态能级的顶部，如图 中跃迁过程③所示，然后这些电子又将移向粒子数较多的亚稳态的较低端（跃迁过 程④）。 位于亚稳态的电子，在没有外部激励光子流时，一部分会衰变回到基态，如图中跃迁过程⑤所示。 这种现象是所谓的自发辐射，自发辐射会导致放大器的噪声。 当其能量相当于从基态到亚稳态间带隙能量的信号光子流通过这种器件时，会产生两种类型的跃迁。 第一，处在基态的离子将吸收一部分处部光子，因此这些离子将跃迁到亚稳态，如图 中跃迁过程⑥所示；第二，在受激辐射过程（跃迁过程⑦）中，信号光子触发激发态的离子下降到基态，从而发射出一个与输入信号光子具有相同能量、相同波矢量以及相同偏振态的新光子。 亚稳态和4I11/2 4I13/2 4I15/2 泵浦能带 ④衰变到低能态 亚稳态能带 ②快速 非辐射衰变 ① 泵 浦 跃 迁 ③ 泵 浦 跃 迁 ⑤ 自发辐射 ⑥ 受激吸收 ⑦ 受激辐射 980nm 光子 1480nm 光子 1550nm 光子 1550nm 光子 1550nm 光子 1550nm 光子 基态能带 7 基态的宽度允许高 能级的受激辐射在 1530~1560nm 范围内出现，超过 1560nm 时增益会稳定下降，在大约 1616nm 处降至 0dB（单位增益）。 EDFA 的工作原理 EDFA 主要由泵浦光源、光耦合器、光隔离器和掺铒光纤等部件组成，工作原理如下图 所示。 首先，信号光和泵浦光在光耦合器中何在一起，经过隔离器一起输入到掺铒光纤中；接下来就是泵浦光激励掺铒光纤中的铒粒子，使它们都处于亚稳态能级 E2，从而 在基态 E1和该能级之间形成粒子数反转分布；最后在信号光子的激发下，铒粒子发生受激辐射跃迁到基态，将一模一样的光子注入到光信号中完成光放大。 放大的光信号在经过隔离器和滤波器之后便全部完成了整个信号光的放大工作。 光隔离器的作用是抑制光反射而保证光放大器工作的稳定。 但是，铒粒子受激辐射过程中，有一小部分粒子自发辐射跃迁到基态，产生带宽很宽的杂乱光子，并在传输过程中被放大而形成自发辐射噪声。 自发辐射噪声消耗了泵浦功率并影响通信质量，因此应设法用滤波器滤掉，以降低自发辐射噪声对系统的影响。 EDFA 之所以能放大光信 号，简单的来说，是在泵浦源的作用下，在掺铒光纤中出现了粒子数反转分布，产生了受激辐射，从而使光信号得到放大。 由于EDFA 具有细长的纤形结构，使得有源区的能量密度很高，光与物质的作用区很长，这样可以降低对泵浦源功率的要求。 EDFA 结构和泵浦方式 EDFA 的结构因其泵浦方式的不同而不同。 目前广泛应用的有同向泵浦、反向泵浦和双向泵浦的 3种方式，其次还有一些改进的方式。 图 EDFA结构示意图 光耦合器 光滤波器 光隔离器 光隔离器 掺铒光纤 光信号输入 泵浦光源 光信号输出 8 同向泵浦 同向泵浦是一种泵浦光和信号光在掺铒光纤的同一端注入，且泵浦光和信号光在掺铒光纤种传输方向相同的方式。 它又称前向泵浦 ，如图 所示。 这种配置的噪声性能较好。 反向泵浦 反向泵浦方式是一种泵浦光源和信号光分别从掺铒光纤的两端注入，且泵浦光和信号光在掺铒光纤中传输方向相反的方式。 它又称后向泵浦，如图 所示。 这汇总配置具有较高的输出信号功率。 光耦合器 输入 光信号 光隔离器 光隔离器 输出 光信号 泵浦光源 光滤波器 掺铒光纤 图 同向泵浦方式 EDFA结构 图 反向泵浦方式 EDFA结构 光耦合器 光隔离器 光隔离器 泵浦光源 光滤波器 掺铒光纤 输出 光信号 输入 光信号 9 双向泵浦 双向泵浦就是在两个泵浦光源从掺铒光纤的两端同时注入泵浦光的方式，如图 所示。 这种泵浦方式结合了前向泵浦和后向泵浦的优点，输出的光信号功率更高，最多比前两种单向泵浦多 3dB，而且 EDFA 的性能与信号传 输的方向无关。 EDFA 是最理想的光放大器：耦合损耗低、噪声低、增益高、输出功率高、与信号光极化状态无关且所需泵浦功率低。 EDFA 在密集波分复用（ DWDM）系统广泛实用。 为了满足更高的要求，结构往往更复杂，比如为了能比较宽频带范围内有增益平坦和增益自动控制避免增益竞争，会分别增加均衡器和自动增益电路。 EDFA 的主要应用 EDFA 在光纤通信系统中的主要作用是延长中继距离，当它与波分复用技术、光弧子技术相结合时，可实现超大容量、超长距离的传输。 其应用主要有以下几种形式。 EDFA 作为前置放大器 对于光接收机的前置放大器，一般要求它是高增益、低噪声的放大器。 由于EDFA得低噪声特性，将它用作光接收机的前置放大器时，可大大提高接收灵敏度。 图 双向泵浦方式 EDFA结构 光耦合器 输入 光信号 光隔离器 光隔离器 输出 光信号 泵浦光源 光滤波器 掺铒光纤 光耦合器 泵浦光源 10 其应用方式如图所示。 EDFA作为前置放大器使用，接收灵敏度可提高 10~20dB。 EDFA 作为功率放大器 若将 EDFA 接在光发射机的输出端，则可用来提高输出功率，增加入纤光功率，延长传输距离，如图 （ b）所示。 EDFA 作为光中继器 图 （ c）所示的是 EDFA 作为光中继器使用的原理方框图。 这是 EDFA在光纤通信系统中的一种应用，它可代替传统的光 电 光中继器。 对线路中的光信号直接进行放大，它是实现全光通信的重要保障之一。 图 EDFA的应用 光发射机 光接收机 光纤 （ a） EDFA作为前置放大器使用 光发射机 光接收机 光纤 EDFA EDFA （ b） EDFA作为功率放大器使用 光发射机 光接收机 （ c） EDFA作为光中继器使用 L L L 11 3 EDFA 的工作特性分析 EDFA 的工作特性分析主要对 EDFA 的主要工作特性参数和性能进行定性分析。 下面具体介绍 EDFA 的工作特性。 EDFA 的主要工作特性参数 EDFA 具有广泛的应用，不同的应用对 EDFA 的工作特性有不同的要求，各种工作特性参数是 EDFA 性能的差异的标准。 EDFA 的 主要参数是指功率增益、饱和输出功率和噪声系数。 功率增益 功率增益定义为 ）（输入光功率输出光功率功率增益 dB1 0 lo g 它表示了光放大器的放大能力，增益的大小与泵浦光功率以及光纤长度等诸因素有关。 下图 所示为放大器的功率增益与泵浦功率之间的关系曲线。 可以看出，放大器的功率增益随泵浦功率的增加而增加，当泵浦功率达到一定值时，放大器的功率增益出现饱和，即泵浦功率再增加而功率增益基本保持不变。 下图 所示为掺铒光纤放大器的功率增益与光纤长 度之间的关系曲线。 可以看出，开始时功率增益随掺铒光纤长度的增加而上升，当光纤长度达到一定值后，功率增益反而逐渐下降。 从图中看出，当光纤为某一长度时，可获得最佳功率增益，这个光纤长度为最大功率增益的光纤长度。 因此，在给定的掺铒光纤的情况下，应选择合适的泵浦功率和光纤长度，以达到最大增益。 目前采用的主要泵浦波长是 m 和 m。 据报道，如采用 m泵浦源，当泵浦功率为 5mW、掺铒光纤长度为 30m 时，可获得 35dB 的功率增益。 20 30。