论文总字数：16454字

目 录

摘要 3

引言 5

一：绪论 5

1.1光纤放大器的简介 5

1.1.1半导体光放大器 6

1.1.2 非线性效应光放大器 7

1.1.3掺稀土类光纤放大器 7

1.2掺铒光纤放大器的发展历史和现状 7

1.2.1 掺铒光纤放大器的发展历史 8

1.2.2 EDFA的应用 8

1.2.3 EDFA的发展方向 9

1.3 本文的主要工作 9

二：掺铒光纤放大器的理论研究 9

2.1：EDFA的基本结构 9

2.2：EDFA的工作原理 12

2.3：EDFA的性能参数 12

2.4：EDFA的理论模型和波传输方程 13

三：掺铒光纤放大器最佳铒纤长度研究 13

3.1：掺铒光纤放大器的最佳铒纤长度理论研究 13

3.2：基于商用指标的EDFA结构设计以及铒纤长度设计 14

3.2.1：单泵单桥式EDFA结构设计 14

3.2.2：单泵单桥式EDFA的铒纤长度设计以及性能测试 15

3.3：对单泵单桥式EDFA的进一步改进 22

3.3.1：双泵双桥式EDFA结构设计 23

四：总结和展望 23

参考文献 24

致 谢 24

掺铒光纤放大器的掺铒光纤最佳长度研究

陈旺旺

，China

Abstract: Now in the information age, fiber optic communication is the three pillar of communication, which has become the top priority of communication development. EDFA DWDM technology has become mainstream in the development of optical fiber communication systems. This paper mainly discusses the following points about EDFA:

1.The type and history of light amplifiers.

2.EDFA's basic structure, working principle, and main characteristic parameters.

3.Commercial EDFA design and optimum bait design.

4.Further optimization of the EDFA structure.

Keywords: baited fiber amplifier (EDFA), EDFA structure, lures optimal length;

引言

光纤通信是当代通信领域最重要的通信方式之一，它用光纤作为传播信道，以光波作为载频。因为使用很高的载波频率，所以光纤通信具有很大的通信容量。这一特点让它拥有远超其他通信方式的优越性，所以吸引了人们极大的兴趣，吸引了大量的资金与科研力量，在四十年内发展迅猛，取得了令人瞩目的成就。而随着现代社会信息量的大量增长，原来的光纤通信网络已经不能满足人们对传输带宽日益增长的需求。为了进一步增加通信容量，如何继续挖掘现有光纤传输系统的潜能已经成为了光纤通信领域迫切需要解决的问题。

通过使用波分复用（WDM）技术，通信系统的传输容量能够大幅提高，而掺铒光纤放大器的研制成功极大地推动了WDM通信系统的发展，近年来掺铒光纤放大器 波分复用（EDFA WDM）技术成为了光纤通信系统发展的重点。本论文介绍了EDFA发展的历史以及国内外的研究进展，并详细介绍了现在应用最广泛的几种光放大器。然后分析了它们的基本原理，基本结构和主要特性。我重点针对掺饵光纤长度对EDFA增益的影响进行了研究，根据具体的商用要求设计出符合商用要求的EDFA，并进行优化。

一：绪论

上世纪70年代,人们研制出了能在常温下持续工作的半导体激光器和光纤,这些成果引发了各国科技人员的研发热潮。在几十年的发展过程中，光纤通信系统的变化可以说日新月异，已经多次更新换代。光纤通信系统的能力愈发强大，也愈发成为人类依赖的通信手段。光纤通信的诞生无疑是通信史上重要里程碑，而EDFA和DWDM技术的诞生则是光纤通信史上的重要里程碑。进入21世纪以后，随着EDFA和DWDM技术的愈发成熟，光纤通信系统也向着超长距离、超高速率、超大容量的方向稳步发展^[1]。

1.1光纤放大器的简介

光放大器的放大原理是与激光器相似，都是基于光的受激辐射，当信号光受到泵浦时，增益介质实现粒子数反转，把泵浦光的能量转化为信号光的能量，从而放大信号光。

在光纤放大器出现之前，人们无法将光信号在光域直接放大，所以在需要放大光信号时非常麻烦。受到光纤损耗的限制，数字光纤通信系统的中继距离大多为几十公里。在光放大器出现之前，只能在中继距离处把信号微弱且波形较差的光信号转变为电信号，经过整形和后再通过电光转化变成信号较强、波形较好的光信号，然后再进一步传输。那时候光—电—光再生中继器在光通信系统中应用广泛，但是再生中继器有着众多缺点，应用在WDM系统中时，它要先解复用信道，将光信号转化为电信号，再将电信号转化成光信号，最后再将光信号解复用到光纤中传输。这一过程需要的通信设备极其复杂，导致成本高昂。并且，多次转化也导致系统稳定性不高，所以光放大器应运而生。

目前主流的光放大器有三类：半导体激光放大器、非线性光学放大器和掺稀土元素光纤放大器。每一类又分为几种不同的形式，如图（1.1）。

图1.1 放大器的种类

1.1.1半导体光放大器

半导体光放大器增益带宽比掺铒光纤放大器宽。半导体光放大器的有源层的介质特性和激光腔的特性决定了它的放大特性，在SOA的端腔面上有芯片的切割角和多层增透膜，可以使端面的反射反馈得到有效抑制^[2]。

SOA具有结构简单、体积小，制作工艺成熟，成本低、寿命长、功耗小等优点，并且它能够十分方便地与其他光器件进行集成。另外，它具有EDFA或PDFA所没有的优势，它的工作波段可涵盖l.3-1．6μm波段。但是因为它和光纤的耦合损耗太大，所以光放大器的增益和输出光功率都被降低，并且噪声较大。这也是它应用不及EDFA广泛的重要原因。

1.1.2 非线性效应光放大器

非线性效应包括受激喇曼散射（SRS）、受激布里渊散射（SBS）、四波混频（FWM）等^[3]，一方面非线性效应会减小放大器增益、造成串扰等负面影响，而另一面，则可以被加以利用。基于这三种非线性效应研制而成的放大器分别为：喇曼光纤放大器（RFA）、光纤布里渊放大器（FBA）、光纤参量放大器（FOPA）等。

喇曼光纤放大器（RFA）是继EDFA之后，光纤通信领域又一重大的研究成果，对光纤放大器和光纤通信而言，喇曼光纤放大器（RFA）的出现可以说意义重大。它最大的优势在于可以实现全波段放大。

RFA的理论基础是光纤拉曼散射。一个大信号光和一个小信号光，只要它们的频差处于拉曼放大频谱之内，小信号光就能够被放大。

除了可以实现全波段放大以外，喇曼光纤放大器还具有增益谱宽、增益大、噪声系数小、响应速度快、温度稳定性好等优点^[4]，更为重要的是，它的增益介质为普通光纤，与光纤系统的兼容性非常良好。并且将受激喇曼光纤放大器和掺铒光纤放大器组合使用，能够得到带宽够大且增益平坦的光纤放大系统。

光纤布里渊放大器的和喇曼光纤放大器的区别在于它们增益谱带宽差异较大，但是工作原理却大同小异。

FOPA 的优点如下：0dB的ASE 噪声、产生闲频光、指数型增益、增益波段可灵活设计^[5]，并且光通信中绝大部分全光操作它都能实现。可以预见未来它在DWDM 系统、全光网等领域都将大放异彩，但目前它离商用化实用化都有一定距离。

1.1.3掺稀土类光纤放大器

石英系光纤系统的低损耗窗口将近500nm，拥有很大的通信带宽资源。因为稀土元素对特定波段的光具有放大作用，所以将稀土金属元素如铒(Er)、镨(Pr)、等按比例掺入到光纤纤芯中可以对光信号进行直接放大^[6]。

光将锗(Ge)、铝(Al)、磷等元素掺入光纤中还可以改善掺杂离子的增益谱并增加掺杂离子的浓度，凭此改善放大器的性能。现在掺稀土类光放大器主要有掺铒光纤放大器、掺镨光纤放大器和掺铥光纤放大器等。本文主要研究对象为EDFA。

1.2掺铒光纤放大器的发展历史和现状

1.2.1 掺铒光纤放大器的发展历史

上世纪60年代， Koesker在研究掺稀土元素的光纤的光谱特性的过程中，发现了掺钕（Nd）光纤的激光辐射现象^[7]。但当时人们还没找到解决稀土光纤热淬灭效应的办法，所以对稀土光纤放大器的研究难有进展。而在80年代初光纤受激喇曼效应被发现后，人们才重新将眼光注视到对光纤放大器上。

但这种方案需要高功率泵浦源，且泵浦效率低，无法应用到实际通信系统中。1985年，南安普顿大学的Payne等人找到了解决掺铒光纤的热淬灭效应的方法，他们研制的掺铒光纤在1.55微米低损耗窗口实现了激光辐射^[8]。这一关键问题的解决，是掺铒光纤研发上的重大突破，并且他们于1987年使用燃料激光器解决了泵浦源的问题。从那以后，各类关于EDFA的研究成果层出不穷，直到90年代初，人们已经研制成功波长为1550nm的EDFA，并且将其应用到了实际中。

1994年开始,EDFA进入商用。我国EDFA研究起步较晚,EDFA的研制水平还落后于国外，能成熟研制EDFA的公司并不多，C L 波段 EDFA的研发还处于实验水平，远没有达到商品化的地步。而国外EDFA 发展迅速，技术水平已经达到较高层次，C L波段的EDFA已经投入商用。

1.2.2 EDFA的应用

EDFA在光纤通信领域得到了广泛应用，在密集波分复用大容量超长光传输方面作用尤其明显。本文先介绍EDFA的基本应用形式，再介绍EDFA的典型应用。

EDFA的基本应用形式包括三种：（1）线路放大：线路放大也称“在线”放大，这种应用方式直接将EDFA插入到光纤传输线路中，直接对信号进行中继放大^[9]。（2）功率放大：功率放大这种应用形式是将EDFA放在发射光源之后，对信号进行放大。（3）前置放大：前置放大这种应用实现是将EDFA放在光接收机的前面，它能够提高光接收机的灵敏度。

EDFA的典型应用主要有以下几种：（1）在DWDM系统中用作线路放大、功率放大和前置放大，采用EDFA对多路不同波长的光信号同时放大，代替了数量庞大的光电中继器，节约成本，且更便于维护。（2）在光缆有线电视传输系统中，采用EDFA可以节省主干段光缆，因为它可以提高发送端的输出光功率，使得电视传输系统成本降低。（3）RFA EDFA混合放大。（4）EDFA在光纤用户接入网中的应用。在无源光网中要使用分光计，即光功率分配器,使用光纤放大器可以补偿其损耗,使接入网的覆盖范围增大,从而减小接入建设网的成本。

1.2.3 EDFA的发展方向

EDFA具有众多优点：

1. 放大波段与单模光纤的最低损耗区域相重合，光的传输损耗小，大大提高了光纤放大器的中继距离。
2. EDFA对数字信号的格式几乎没有影响。
3. 放大波段宽。
4. 噪声指数低，可级联多个放大器。
5. 各个信道间的串扰极小。
6. 增益与偏振无关。

因为这些优点，EDFA应用前景广泛，但与此同时，它还有许多有待解决的问题。(1)C一band增益带宽已经不能满足日益增长的通信要求。(2)L波段的EDFA效率非常低、增益较小、输出功率不足。(3)DWDM系统要求EDFA动态增益均衡。

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