光纤EDFA放大技术研究 毕业论文.doc

西南民族大学电信学院毕业设计（论文）掺铒光纤放大器的原理与应用本 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 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， optical fiber edfa amplification technology researchabstract：optical fiber communication, is the use of optical fiber to transmit light waves carry information in order to achieve the purpose of communication. large 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 the system. fiber amplifier is used in optical fiber communication lines. a new type of signal amplification to achieve all-optical amplifiers.this paper introduces the theory of the erbium-doped fiber amplifier (abbreviated 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 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 preferablykeywords: optical fiber communication 、erbium-doped fiber 、the simple forward lumped edfa目 录前 言1第一章 光纤放大器的基础知识 51.1 光纤通信的发展历程 51.2光纤edfa的出现的重大意义 61.3 edfa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 82.2 edfa的基本组成 92.2.2 掺铒光纤 9 2.2.3泵浦源 92.2.4耦合器、 92.2.5光隔离器 92.2.6光滤波器 92.3 edfa设计指标 92.3.1 放大增益g 92.3.2 噪声系数 102.3.3 饱和输出功率 102.4 edfa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 112,4.4 泵浦光源 112.5 edfa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edfa 14第三章 简易正向集总式edfa放大器工程设计 143.1 总体框图 143.2 掺铒光纤优选 16 3.3泵浦源优选 19第四章 总结 21 致谢 22参考文献4 西南民族大学电信学院毕业设计（论文）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( charles kao) 发表论文提出用石英制作玻璃丝( 光纤) , 其损耗可达20 db/ 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20 db/ km, 长约30 m 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, 传输速率仅45 mb/ 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144 mb/ s, 可传输1920 路电话。1992 年一根光纤传输速率达到2. 5 gb/ 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640 gb/ 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( 1 tb/ s=1000 gb/ s) , 人们才认识到/光纤的发明引发了通信技术的一场革命! 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) ,正交幅度调制( qam) , 正交相位键控( qpsk) , 极化复用( pm) 等, 使一根光纤通信的容量已经达到100 tb/ s ( nec) , 相当于1 s 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. 16 db/ 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40 gb/ s, 不需要采用外加的 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160 gb/ s 的相干接收系统单片集成在半导体材料上( 通常用lin bo3 ) 。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。1.2光纤edfa的出现的重大意义 掺铒光纤放大器(erbium doped fiber amplifier ，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。1.3 edfa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。(2) edfa用作功率放大器 将ed fa 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 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15301570nm。er3+离子处于e2时，除了发生受激辐射和受激吸收（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2.2.1 edfa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(optical filter)5. 泵浦源(pumping supply) wdm iso edf iso wdm fiter in in 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！2.2.4光滤波器(optical filter)：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13nm。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(pumping supply)：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（532 nm）、染料激光（665nm）及半导体激光器（807nm、980nm、1480nm）。但由于在807 nm 及小于807 nm 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980 nm 和1480 nm 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，与偏振无关。2.3 edfa设计指标2.3.1 edfa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。2.3.2 噪声系数 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。 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，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，增益与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32.4 edfa参数设计考虑2.41 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。最佳长度与输入泵浦光功率、输入信号光功率、ase功率、铒离子浓度、光场与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与光纤长度的关系，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。2.5 edfa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25.1 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.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： 输出功率与泵浦光功 噪声特性 输出特性 功率的关系 同向泵浦 61% 最小 输出功率 最小 反向泵浦 76% 最大 输出功率 中等 双向泵浦 77% 中等 输出功率 最大 图表 4.三种泵浦方式比较图光隔离器wdmedf光隔离器泵浦激光器输入信号输出信号光滤波器 图2 同向泵浦 光隔离器wdmedf光隔离器 输入信号泵浦激光器光滤波器 图三 反向泵浦 光隔离器wdmedf光隔离器 输入信号输出信号泵浦激光器泵浦激光器光滤波器wdm 图4. 双向泵浦2.5.4反射式泵浦 针对特殊的需要，现有采用光环行器的反射型泵浦方式，其结构如图5所示输入光信号经光分束器进入掺铒光纤，被第一次放大，经反射镜反射后返回掺铒光纤，被第二次放大，然后输出。光环行器保证了光信号的单方向传播，具有较高的隔离度。这种反射型结构可以用较小的泵浦实现较大的增益；但这种结构的安装调试比较困难，并且光环行器的成本较高所以目前工程实践中并不采用这种结构。这里便不过多介绍。从以上edfa 的结构分析，综合两个关键参数以上经济成本等因素，对种不同应用于不同场合的edfa，我们采用不同的结构：1)对用作光功率放大器ba 的edfa，由于要求其输出功率大，且对噪声系数要求不高，我们可以采用双向泵浦结构。2)对用作光线路放大器la 的edfa，由于要求其噪声系数小，而输出功率能够补偿线路衰耗，我们可以根据不同线路衰耗的要求来选择采用同向泵浦或双向泵浦结构；3)对用作光前置放大器pa 的edfa，由于要求其噪声系数小，而对输出功率要求不高，我们可以采用同向泵浦结构。2.5.5 分布式与集总式edfa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。 第三章 简易正向集总式edfa放大器工程设计3.1 总体框图简易正向集总式edfa放大器工程设计的系统原理框图如图【1】所示,它的工作原理是:先利用分光率为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，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。 图【1】系统原理框图 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,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.课题中采用微处理器控制单元,主要是由于系统对稳定度和精度的要求比较高,下图3.2反映了泵浦激光器控制系统的原理图 图3.2泵浦激光器控制系统原理图 系统主要是由avr单片机进行控制,框图中外面的闭环回路是通过分别对两个泵浦激光器进行电流检测,这个过程是由泵浦激光器内部组件中的背向光探测器来完成的,在经过a/d转换后送入到avr单片机中,单片机再与一个数字电位器相连接,通过内部的算法控制数字电位器,从而控制后面的驱动电路,来调整两个泵浦激光器工作时需要的驱动电流,使泵浦激光器能够正常工作,形成一个闭环反馈回路而框图中里面的回路则是利用温度采集系统来检测泵浦激光器的温度,通过反馈至单片机来判断温度是否符合标准,从而来使制冷器的驱动电路工作,驱动制冷器工作,使温度也达到恒定同时,系统还包括ld的保护电路,使其不会因为过大的电流或电压而被损坏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：按照制作机理的不同,可将半导体光电探测器分为:光电导型光电探测器和光电二极管型光电探测器。光电导型光电探测器是利用光电材料在受到光辐射照射时,电导率随辐射强度而发生改变这一特性制成的光探测器件。光电二极管型光电探测器,是利用了光电二极管在反向电压下工作时,当无光照时,反向电流很小,此电流通常称为暗电流;当受到光照时,反向电流骤增至几十甚至上百毫安,此电流称为光电流,反向电流的大小随光照强度的变化而变化,通过光强变化的大小可以计算出反向电流变化的大小,利用这一特性可以制成灵敏度很高的光电探测器,在光通信工程中,常采用光电二极管型探测器。光电探测器能把光信号转换为电信号 ，是一种电流放大器件，尤其是光电倍增管具有很高的电流增益，特别适于探测微弱光信号。 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。7.avr系列单片机atmega16tmega16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ad5252ad5252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！3.2 掺铒光纤优选由参考文献1,在小信号及不考虑放大自发幅射(ase)的情况下,可知在光纤z处的有效增益系数和有效吸收系数分别为:式中n(r),g(r,)分别是掺杂粒子浓度(假设横向分布与角度无关)、信号光、泵浦光在光纤中的横向分布函数;分别是光纤中信号光以及泵浦光的波导效率;处、分别指价的受激幅射截面,吸收截面及上能级粒子对泵浦光的吸收截面;凡为放大介质的饱和泵浦功率,(其中为泵浦光波长,角为激发态粒子寿命);。a纤芯半径;为总掺杂粒子浓度,士 号表示泵浦光和信号光反向或同向传播。上述两式一般情况下都得不到化简求解,故无法利用它设计edfa并估价其性能,为此,考虑普通情况采取近似计算很有必要。取阶梯型光纤均匀掺杂,即:有如下分布:；dfa运行中信号光以单模传输,泵浦光一般以低阶模或单模传输,这是由于泵浦光波长短及光纤拉制工艺水平对光纤半径的限制.由参考文献2可知,模式匹配时edfa增益最大,且光纤拉制水平的提高已能保证对某一泵浦波长,信号光与泵浦光均以单模传输,同时这也是edfa的设计目标故在近似计算中泵浦光及信号光均取单模计算.由参考文献【3可得知,在弱波导传播(1)时,光纤中传输的光模式均可采用高斯近似.故对阶梯型折射率分布的光纤,信号光及泵浦光的模场分布分别为: 分别为光纤对信号光和泵浦光的归一化频率,波导效率分别为将(3一6)式分别代入(l、2)式中,可求得单模泵浦、单模传输时的有效增益系数和有效吸收系数分别 系数分别由上述(78b)式可以看出,设计edfa须从以下几点着手考虑:1)edfa的增益与光纤的掺杂浓度、归一化频率()、受激幅射截面等因素密切相关,一般说来参与的总粒子数越多,光纤半径越小,a:越大则获得的增益越高.2)esa的存在明显降低了泵浦光的有效利用率,但由于它是工作物质固有的,故只能采用远离esa波长的泵浦光来消除.3)在不考虑esa的情况下,正反向泵浦放大器所得增益没有区别.4)edfa同所有三能级激光放大系统一样,工作物质即光纤有最佳工作长度.edfa的最佳光纤长度.显然,在长度为扬,的光纤末端处,增益为零,即:由(7、9)两式可求得光纤末端处的泵浦光功率,即为透明泵浦功率和伙,那么最佳光纤长度为式中护,(0)为输入泵浦光功率.为简便计,不考虑esa,代入(sb)式中,并取反向泵浦时,有对应于最佳光纤长度可得edfa的最大总增益系数为由(11)式可知增益(用分贝表示)为，(10)、(11)式中的积分均可用作图法求出。综f犷以上的理论分析,可以在确定泵浦光源后(即凡确定后),根据计算结果自行选择光纤参数(半径,掺杂浓度,数值孔径,截止波长、长度等),或根据光纤的参数选择适宜的泵浦光波长以达到最佳放大效果,完成edfa的设计.上述近似理论分析在实践中能够起到指导并评估edfa的设计的作用.3.3泵浦源优选 泵浦源作为掺饵光纤放大器的核心部分,它必须满足以下两个条件:一是它的波长要与er3+能级的跃迁相适应,二是它的输出功率要足够的高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edfa的一项比较关键的技术，目前,较为实用化的edfa大多选择了工ngaasp半导体激光器作为其光源泵浦源要求必须要具有较高的输出光功率!较高的稳定性,并且还要具有较长的寿命它的波长在小于放大信号波长,能量e之hf,并且是在掺饵光纤吸收带内的情况下,可以有不同的选择er3斗在固定的吸收带上可以吸收光子,通过它的吸收谱可以知道,在频带为650nm,800nm,98onm和148