（仪器科学与技术专业论文）掺铒光纤放大器自动增益控制电路研究.pdf

中文摘要 摘要 波分复用加掺铒光纤放大器( w d m 十e d f a ) 已经成为光纤通信技术发展的主流。 但是，在长距离波分复用系统中级联使用e d f a 还面临着一个主要问题，这就是网 络的动态特性。这种动态特性是由于网络管理( 如w d m 信道的上下线、网络重构、 设备升级和保护开关等) 所引起的。由于在w d m 系统中，各个信道共用光有源器件 ( 如e d f a ) ，对某一信道的网络操作有可能影响其它信道的功率和噪声特性。为了 减少这种影响，e d f a 的自动增益控制( a g c ) 极其重要。 本文旨在研究和设计e d f a 的自动增益控制电路。论文首先对掺铒光纤发展 历史和现状及其运用前景作了介绍；然后对掺铒光纤中铒粒子的光谱特性作简单 的介绍，对掺铒光纤放大器的原理及相关的参数进行了解释和分析；讨论了自动 增益控制在w d m 系统中的重要性，而电路自动增益控制由于性能稳定、性能良 好，所以在实际运用中倍受青睐。本文完成的工作主要包括以下几个方面： 1 。论文对e d f a 的控制电路进行了设计。硬件设计包括自动温度控制( a t c ) 、 自动功率控制( a p c ) 、保护电路、泵浦运行状态参数和输入输出光功率的采 样电路、人机界面的设计。软件设计主要是对e d f a 的运行参数进行监控、 处理报警、与上位机进行通信等方面的设计。该电路已经商品化。 2 论文对各种e d f a 自动增益控制技术进行了归纳，然后对e d f a 在w d m 系 统中的增益动态特性进行了分析，得到铒光纤( e d f ) 的瞬态响应是波长、剩余 信道功率和泵浦功率的函数，控制算法采用了自适应算法来对增益进行控制。 另外，为了尽可能减小由于网络管理而引起的增益波动，提出了前馈控制和反 馈控制相结合的控制方法。 3 最后，用基于d s p 的自适应算法对e d f a 的增益进行自动控制，并设计了相 应的硬件和软件，其中包括了原理图、印制板及软件设计，实际调试证明d s p 增益自动控制电路能够完成设计目标。 总之，本论文的目的在于从工程的角度对e d f a 的电路控制部分进行设计和 研究，探讨与之相关的一系列理论和技术问题，对e d f a 的具体研发和实际生产 具有很强的指导意义。 关键词：光纤通信，掺铒光纤放大器，自动增益控制，d s p 英文摘要 a b s t r a c t o p t i c a l n e t w o r k sb a s e do n w a v e l e n g t h d i v i s i o n - m u l t i p l e x i n g ( w d m ) a n d e r b i u m d o p e d f i b e r a m p l i f i e r s ( e d f a s ) h a v e b e c o m et h em a i n s t r e a mo ft h e d e v e l o p m e n t o f o p t i c a lf i b e rc o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g y b u tw h e ne d f a s a r ec a s c a d e d i nal o n g - h a u lw d m s y s t e m ，t h e r es t i l le x i s t so i l em a j o rq u e s t i o nw h i c h i st h ed y n a m i c c h a r a c t e r i s t i c so ft h en e t w o r k t h i sd y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c sa r i s ef i ：o m t h en e t w o r k m a n a g e m e n ts u c ha s t h ea d d d r o po fw d m c h a n n e l s ，t r a f f i cr e r o u t i n g ，e q u i p m e n t u p g r a d e ，a n dp r o t e c t i o ns w i t c h i n g s i n c ew d m c h a n n e t ss h a r eo p t i c m l ya c t i v ed e v i c e s s u c ha se d f a s ，n e t w o r k m a n a g e m e n to f o n ec h a n n e lm a ya f f e c tt h ed o w e ra n dn o i s e f e a t u r e so f t h eo t h e rc h a n n e l s i no r d e rt om i n i m i z et h i si n f l u e n c e ，i ti sv e r y i m p o r t a n t t o s t u d yt h ea u t o m a t i cg a i nc o n 仃o l ( a g c ) o f e d f a t h et h e s i ss t u d i e sa n d d e s i g n st h ea u t o m a t i cg a i nc o n 仃o lc i r c u i to f e d f a s f i r s t l y , t h eh i s t o r ya n da c t u a l i t yo ft h ee d f aa n di t s p r o s p e c ti np r a c t i c a la p p l i c a t i o n si s i n t r o d u c e d t h e nab r i e fi n t r o d u c t i o no fs p e c t r a lc h a r a c t e r i s t i c s o fe r 3 +a n dt h e p r i n c i p l eo fe d f a i s g i v e n , a n da l s ot h ec o n c e r n e dp a r a m e t e r sa r ei n t e r p r e t e da n d a n a l y z e d f i n a l l y , t h ei m p o r t a n c eo f t h ea g ci nw d m s y s t e mi sd i s c u s s e d d u et oi t s r e l a t i v e l yl o w c o s ta n dh i g hl o n gt e r mr e l i a b i l i t y ，e l e c t r i c a la g c e d f ai sp o p u l a ri n p r a c t i c a ls y s t e m s t h em a i n w o r k c o m p l e t e d i ss u m m a r i z e da sf o l l o w s ： 1 f i r s t l y , t h ec o n t r o lc i r c m tf o re d f a h a sb e e n d e s i g n e d h a r d w a r ed e s i g ni n c l u d e s a u t o m a t i ct e m p e r a t u r ec o n t r o ln r c m t ( a t c ) ，a u t o m a t i cp o w e rc o n t r o l c i m u i t ( a r c ) ， p r o t e c t i n gc k c m t s ，s a m p l i n gc i r c u i t sf o rb o t ho p e r a t i n gp a r a m e t e r si e t h ep u m p p o w e r a n dt h ei n p u t o u t p u tp o w e r , a n dt h em a n m a c h i n ei n t e r f a c ed e s i g n s o f t w a r ei su s e dt o m o n i t o rt h eo p e r a t i n gp a r a m e t e r so ft h e e d f a ，a l a r mi nc o n d i t i o no fd a n g e r , a n d c o m m u n i c a t ew i t ht h e u p p e rp r o c e s s o r 2 s e c o n d l y , t h et h e s i sp r o v i d e sab r i e fs u m m a r y o ft h ea g c t e c h n o l o g i e su s e df o r t h ee d f a a f t e r a n a l y z i n gt h ed y n a m i cg a i nc h a r a c t e r i s t i c so f e d f a i naw - d m s y s t e m ， i tc a l lb es e e nt h a tt h et r a n s i e n tr e s p o n s eo fe d f i st h ef u n c t i o no ft h ew a v e l e n g t ha n d t h ep o w e ro ft h es u r v i v a lc h a n n e l sa n dt h ep u m p p o w e r s ot h ec o n t r o la l g o r i t h mm u s t a d o p tt h es e l f - a d a p t i v ea l g o r i t h mt oc o n t r o lt h eg a i n i na d d i t i o n , i no r d e rt om i n i m i z e t h e g a i ne x c u r s i o nc a u s e db yn e t w o r km a n a g e m e n t ，t h ec o m b i n a t i o no fe l e c t r i c a l f o e d f o r w a r da n df e e d b a c kc o n t r o lm e t h o di sp r o p o s e d i i i 重庆大学硕士学位论文 3 f i n a l l y , t h es e l f - a d a p t i v ea l g o r i t h mb a s e do n d s pi sa d o p t e dt oc o n u o lt h eg a i no f t h ee d f aa n dt h ec o r r e s p o n d i n gs o f t w a r ea n dh a r d w a r ea r ed e s i g n e d ，i n d u d i n gt h e c i r c u i td e s i g n ，t h ep c b d e s i g n ，s o f t w a r ed e v e l o p m e n t t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o w m a tt h e a g co f e d f a b a s e do nd s pi sl e a s i b l e i nc o n c l u s i o n t h em e s i si n t e n d st od e s i g na n ds t u d yt h ec o n t r o lc i r c u i t so fe d f a s i nt e r m so f e n g i n e e r i n ga n dt h e nd i s c u s ss o m ei n t e r r e l a t e dt h e o r i e sa n dt e c h n o l o g i e s i t i sh o p e dt h a tt h et 1 1 e s i si su s e f u lt ot h e p r a c t i c a lr & d a n df a b r i c a t i o no f e d f a s k e y w o r d s ：f i b e r c o m m u n i c a t i o n ，e r b i u m - d o p e d f i b e r a m p l i f i e r s ( e d f a s ) ，a u t o m a t i c g a i n c o n t r o l ( a g c ) ，d s p i v 1 绪论 1 绪论 1 1 引言 自第一代光纤通信问世以来，光纤的信息传输量已远远超过了原先使用的铜 电缆。利用低损耗的石英光纤、高性能的激光源、波分复用技术，使得光纤通信 系统的传输容量达t 数量级。光纤通信系统已经成为现代通信的基石。 新一代光纤通信特别是全光通信，在整个光纤通信线路或系统中采用光放大 器代替原有的光电中继，实现光信号的高速传输和信息处理。其中的关键器件就 是光放大器，主要包括半导体激光放大器，喇曼光纤放大器以及掺铒光纤放大器 等，其中掺铒光纤放大器具有增益高、带宽宽、插入损耗低、结构简单、无偏振 性、易耦合、高饱和输出功率，工作在低损耗的波长1 5 5 n m 窗口，并能对其较宽 的带宽范围内( 3 0 r i m 以上) 提供均衡和稳定的增益特性等优点，淘汰了传统再生 中继的光一电光转换，是一种理想的光纤放大器。商用化的普通掺铒光纤放大器 已经广泛使用于通信传输干线及通信网中。 采用波分复用( w d m ) 技术能够大幅度提高系统的传输容量，被公认为是实现 全光通信最关键的底层。传统的光放大器一般只能进行单信道信号放大，适合波 分复用系统而特殊设计的光放大器，例如均衡增益的双芯掺铒光纤放大器，可以 把不同波长的信号同时放大，即用同一个放大器对多个信道提供增益，并且增益 不受信号偏振的影响，在高速多信道的传输系统中也不会产生串扰和脉冲失真。 w d m 系统的发送端用光纤放大器提升信号功率，可以补偿波分复用器的插入损 耗，提高光纤线路的功率。在w d m 接收端，为补偿解复用器的插入损耗，提高 接收机灵敏度等，也必须在解复用器之前配置光纤放大器作为前置放大器。正是 光纤放大器的运用使得w d m 全光网实现成为可能。 在光纤接入网中出现了f t t h ( 光纤到户) ，f t r o ( 光纤到办公室) ，f 丁r b ( 光 纡到楼) ，f t t c ( 光纤到路边) 等方式，其中运用范围最大的是f f t h ，其难度是光 纤终端分支太多，对无源网络而言，几次分支后，用户接收到的光功率就非常之 低，使得终端无法正常工作。采用光纤放大器后，发射功率增大，经过多分支后， 用户端仍能正常接收，这样f t l h 的实现才成为可能。 总之，随着光纤通信向高速宽带网络方向发展，对光纤放大器的性能提出了 更新更高的要求，研究具有自动增益控制和平坦宽带的光放大器，给光纤通信研 究和开发人员带来了机遇和挑战 重庆大学硕士学位论文 1 2 光放大器 传统的光一电一光再生中继器有许多缺点，首先，通信设备很复杂，系统的 稳定性和可靠性不高，特别是在w d m 系统中更为突出，因为先要解复用出每个 波长信道，把光信号转换为电信号，然后在把电信号转换成光信号，最后通过复 用器把放大后的各路光信号送回光纤中传输，所需设备更复杂，费用更昂贵。其 次，传输容量受到一定的限制，因此全光传输型中继器( 光放大器) 正在取代光 一电一光再生中继器。 光放大器通过受激发射放大光信号，其机理与激光器相同。光放大器是一个 没有反馈的激光器，其核心是增益介质，当放大器被泵浦时，使粒子数反转获得 增益。该增益通常与放大器的增益介质、结构参数和运用条件( 如泵浦、输入信 号) 有关。目前有实用价值的光放大器可分为三类：半导体激光放大器、光纤放 大器( 受激喇曼和受激布里渊) 及掺杂光纤放大器。这三种光放大器的基本结构 都可示意如图1 1 ： 图1 1 光放大器的基本结构 f i g ，1 1 b a s i cs t r u c t u r eo f o p t i c a l a m p l i f i e r 泵浦源的作用是使介质激活产生粒子数反转，信号经过激活介质时产生受激 辐射而产生放大作用。 1 半导体激光放大器( s l a ) c u r r e n ti n j e c t i o n o 二目二 图1 2s l a 的结构示意图 f i g 1 2s k e t c hm a p o f s l a 半导体光放大器的研究和运用在光纤通信发展早期时就开始了，其结构示意 图如图1 2 所示，它与常用的半导体激光器( u ) ) 的结构相似，当偏流低于阀值 时，它们被作为放大器来使用，但必须考虑在法布里泊罗( f p ) 腔体界面上的多 次反射形成的谐振，这种f p 腔体谐振效应比较大的放大器就称为f p 放大器。一 1 绪论 般来说，这样的f p 放大器的3 d b 带宽很小，假如减小端面的反射反馈，就可以 制造出行波半导体激光放大器( s l a ) 。减小反射率的一个简单方法是在界面上镀以 抗反射模( 透射模) 。然而，对于作为行波放大器的s l a ，反射率必须相当t j 、( 1 0 。) 。 而且，容许最大反射率还取决于放大器增益本身。一般人们习惯把满足 g ( r 1 r 2 ) “ o 1 7 ( g 为光波只传播一次的放大系数，r l 和r 2 是腔体解理面的反射率) 关系的半导体激光器( s l a ) 作为行波( t v o 放大器。为了产生反射率小于0 1 的抗 反射模，人们已经做了最大努力。然而，用常规的方法却很难获得预想的低解理 面反射率。为了减小s l a 中的反射反馈，人们已经开发出了另外几种技术。一种 方法是条状有源区与正常的解理面倾斜，如图1 3 所示，这种结构叫做角度解理面 或斜条结构”。j 1 。在解理面处的反射光束，因角度解理面的缘故不反射回有源区形 成谐振。在大多数情况下，使用抗反馈模( 反射系数 1 ) ，并使有源区倾斜，可 以使反射率小于0 1 ( 理想设计可以小到0 0 1 ) 。减小反射率的另外一种方法是， 在有源层端面和解理面之间插入透明窗口区，如图1 4 所示。光束在到达半导体和 空气界面前在该窗口区已发散，经界面反射的光束进一步发散，只要很小部分光 耦合进薄的有源层。称这种结构为掩埋解理面或窗口解理面结构，当与反射模一 起使用时，反射率可以小于o 0 1 9 1 。 增 透 模 图1 3 半导体激光放大器角度解理面 砖1 3a n g u l a r c r o s s s e c t i o no f s l a 有源区 鋈- 增 透 模 图1 4 掩埋解理面或窗口解理面结构 f i g 1 4e m b e d d e d c r o s s - s e c t i o no nw i n d o w c r o s s - s e c t i o ns t r u c t u r e 这种放大器采用电流注入直接泵浦方式，结构简单，稳定可靠。行波半导体 激光放大器的带宽可达到4 0 h m ，但它有以下几个缺点：波导结构与光纤耦合匹配 不好，耦合损耗太大，且对极化敏感，又由于多信道同时放大时存在较大的交调 而产生串话，放大器增益线性度不好，对于模拟信号( 如常用的a m - v s b 制) 会 产生较大失真；噪声系数达0 5 d b 以上阴。 2 光纤放大器 光纤喇曼放大器 光纤喇曼放大器的工作原理一一受激喇曼散射( s r s ，s t i m u l a t e dr a l t l a n 重庆大学硕士学位论文 s c a t t e r i n g ) 是一个非线性现象，它不要求粒子在能级间转换，而是通过受激喇曼 散射，使能量从泵浦光束转移到信号光束。从物理实质上讲，它们都是由原子震 动引起的一种光调制现象。以频率v 振动的原子作为振源( 声子发射源) 发射频 率为v 的声波( 与之对应，一个声子的能量为h v ) 。当行波通过这种以v 振动的原子时将被调制。这样，对应于频率，被调制的光波( 即散射波) 将在其 载频的两侧出现上边频和下边频，这两条谱线在光谱学上分别称为斯托克斯 ( s t o k e s ) 波和反斯托克斯波，其频移均为v 。如图1 + 5 所示。显然，上边频对 应于光波吸收声子的过程，下边频则对应于介质吸收声子的过程。从量子论观点 来看，这种受激过程可以看成是一种光子混合过程，即入射的泵浦光子吸收( 或 发射) 一个声子，与此同时产生一个散射光子。在这一过程中严格遵循能量和动 量守恒定律。如上所述，s r s 的频移量vr 由光学声子频率决定。 u 立 图1 5 受激喇曼散射和布里渊散射频谱图 = f i g 1 5s t i m u l a t e dr a m a n a n db r i l l i o ns c a t t e r i n gs p e c t r u m 喇曼放大器中的受激散射与 s l a 中的受激发射有以下两个重要 区别：一受激发射时，一个入射光 激发另外一个完全相同的光子发射， 而没有损失它自己的能量：而受激喇 曼散射时，入射泵浦光子损失它自己 的能量，产生另一个能量较小、频率 较低( 非弹性散射) 的光子，泵浦光 子余下的能量以分子振荡的形式( 光 声子) 被介质吸收。于是光喇曼放大 器与电泵浦提供增益的半导体激光放 大器( s l a ) 不同，必须用光泵浦来 ( a ) ，p fi i l i 振动态 基态 图1 6 光纤喇曼放大器及其能级图 ( a ) 光纤喇曼放大器( b ) 能级图 埏1 6 t h es t r u c t u r ea n d e n e r g y s t a t eo f r a m a n ( a ) r a r n a na m p l i f i e r ( b ) e n e r g _ vs t a t e 提供增益。二：s r s 与受激发射另一个区别是光喇曼放大器不要求粒子数反转。 4 1 绪论 图1 6 表示光纤喇曼放大器的工作原理和能级图，图中p 和us 分别为泵浦 光束和信号光束的角频率，两束光通过波长选择耦合器注入同一根光纤。当两束 光沿着光纤同向传输时，通过受激喇曼散射，能量从泵浦光束转移到信号光束而 实现放大。泵浦光束和信号光束也可以在光纤内相对传输峥j 。 光纤喇曼放大器的优点是带宽p 1 和低噪声。但是它也存在以下缺点：这种 分布式放大器的使用没有s l a 之类的集中式放大器的使用灵活；为获得大的放大 系数，必须提供强泵浦功率，例如要获得3 0 d b 增益，对1 k m 长的光纤，在忽略 光纤损耗的情况下，要求5 w 的泵浦功率，因此其运用受到一定的限制。 光纤布里渊放大器 光纤布里渊放大器的工作原理一受激布里渊散射( s b s ，s t i m u l a t e db r i l l o u i n s c a t t e r i n g ) 与s r s 相似，主要是参与非弹性散射的声子不同( 如图1 5 ) 。光学声子参 与的散射称为s r s ，声学声子参与的散射则称之为s b s 。s b s 同样具有相同增益 特性，伴随光波在光纤中的传播，这种增益还能够不断的积累，以致达到相当可 观的数值，从而构成分布式行波光纤放大器。 尽管s b s 和s r s 形式上类似，但二者在频移量上的差别，造成这两种散射过 程在实际意义上的不同，从影响光纤布里渊放大器工作的观点看，有三方面的不 同： 只有当信号光束与泵浦光束传输方向相反时( 后向泵浦结构) ，才产生光放 大作用： 斯托克斯频移，s b s 要比s r s 小三个数量级，vb 。1 0 g h z ，且与泵浦 光功率有关； 布里渊增益频谱相当窄，其带宽仅小于1 0 0 m h z 。 光纤布里渊放大器的带宽如此窄，它们不适宜作光波系统中的功率增强器、前 置放大器、以及在线中继放大器。因此，光纤布里渊放大器的运用不广。 3 掺铒光纤放大器 掺铒光纤放大器的工作原 理是受激发射，采用掺杂稀土 离子的光纤作为增益介质。通 过增益介质的放大过程如下： 增益介质在光泵浦作用下，能 量被储存在激活介质内处于激 r 。m - 一h p u m p 图1 7 掺杂光纤放大器的基本结构 f i g 1 7 b a s i c c o n s t r u c t o f e d f a 发状态的稀土离子中，整个系统处于粒子数反转状态。当外来信号通过激活介质 重庆大学硕士学位论文 时，激发态粒子在信号光作用下产生受激辐射，这种辐射叠加到信号上，得到放 大。掺杂光纤放大器的基本结构如图1 7 所示。 图中的w d m 把信号光和泵浦光耦合迸掺杂光纤，光信号在掺杂光纤中得到 放大。i s o 为光隔离器，是用来隔阻反向a s e 。根据光纤中掺杂离子不同，目前 三种掺杂光纤放大器，即掺钕、掺镨和掺铒光纤放大器，前面二种用于1 3 微米波 长的光通信系统，最后一种掺铒光纤放大器工作于1 。5 5 微米波长。这些放大器连 接到光系统中，只需把掺杂光纤与常规光纤连接，连接损耗很小。此外还具有增 益高、噪声低、带通宽、泵浦效率高和极化不敏感等优点。 1 3 掺铒光纤放大器的发展历史与现状 掺铒及其它稀有元素于光纤中的构想出现于6 0 年代早期，美国光学公司的 c j x o e s k e r 在研究含钕的光纤时发现它可以作为激光源及光放大。e s n i t z e r 发现 掺铒玻璃对1 5 0 微米的激光有放大作用。当时由于未能解决热淬灭效应问题，没 有引起人们足够的重视。直到1 9 8 5 一1 9 8 6 年间，英国南安普敦大学d p a y n e 等人 对稀土元素的光纤重新进行探讨，发现掺铒光纤可以作为1 5 微米波长区的光放大 器“。一年后，他们用6 0 m w 的6 5 0 r i m 红光燃料激光器作泵浦激发铒光纤获得了 2 5 d b 的小信号增益。同年，贝尔实验室的d d e s u r v i r e 等人用1 0 0 m w5 4 0 n m n f 绿光氩离子激光器作泵浦源，在铒光纤中获得2 2 4 d b 的小信号增益。并对这种掺 铒光纤放大器( e d f a ) 进行速率为2 g b s 的传输数码的试验，测得的误码率接近为 零，还发现放大系数与信号的极化方向无关。同时还进行了多信道同时放大的试 验研究，在一定的调制速率下不同信道信号之间未观察到串扰现象刮。由于当时 采用的泵浦源比较笨重，不便用于实际光纤通信系统中。即使这样，这些研究已 经极大的推动e d f a 的研究和开发。 对e d f a 的研究基本上沿两个方向同时进行，一个方向是对e d f 材料的研究， 目的是研制出增益谱更宽更平坦的掺铒光纤；另一个方向是e d f a 整体性能的研 究，目标是在现有的e d f 材料基础上设计出符合现代光纤通信系统要求的性能良 好的e d f a 。以下为人们在这两个方向的研究工作： 材料方面的研究工作：e p + 在石英光纤中溶解度低会引起荧光淬火，使得荧光辐射 强度大大减弱。克服此现象一种办法是降低在石英光纤中e ，的浓度，浓度 ，6 0 n m ) ，除了采用碲化物掺铒光纤 外，还可有许多方法，如把c - b a n d 的e d f a 和l - b a n d 的d e d f a 集成在一起u j “， 或把c - b a n d 的e d f a 和光纤喇曼散射放大器联合使用弘刮“，这些措施都得到 7 5 r i m 以上的带宽。 1 4 掺铒光纤放大器的应用前景 由于e d f a 具有很多优点，所以具有广泛的运用前景。主要用途如下： 1 一般应用 可作为光发送机功率增强放大器、接收机前置放大器、或者取代光一电一光中 继器作为在线光中继器。在光纤系统中可以延长中继距离，特别适用长途越洋通信， 无中继传输距离达上万公里。 ( 1 1 线路放大器 e d f a 作为线路放大器有许多特殊功能是电子线路放大器不可比拟的。 中继距离长。采用光一电一光方式的中继距离一般为7 0 - - 8 0 k i n ，而光 放大器作中继的距离可超过1 5 0 k i n 。 可用作数字，模拟以及相干光通信的线路放大器，如采用e d f a 作为 线路放大器，不管传输数字信号还是模拟信号，都不必改变e d f a 设 备。 e d f a 可传输不同的数码率。在系统扩容，由低数码率变为高数码率时， 对线路中的e d f a 无须作任何改动。 e d f a 作为线路放大器，可在不改交原有噪声特性和误码率的前提下直 重庆大学硕士学位论文 接放大数字、模拟或二者混合的数据格式。特别适合光纤传输网络升 级，在语言、图像、数据同时传输时，对路线中的e d f a 无须作任何 改动。 一个e d f a 可同时传输若干个波长的光信号。用波分复用扩容时，对 线路中的e d f a 无须作任何改动。 ( 2 ) 前置放大器 e d f a 具有接近量子极限的低噪声优点，因而可用作接收机的前置放大器以提 高接收灵敏度。把e d f a 置于光接收机p i n 探测器的前面，来自光纤的信号经e d f a 放大后再让p i n 检测。强大的光信号使电子放大器的噪声可以忽略，用e d f a 作 预放的光接收机具有更高的灵敏度。 ( 3 】功率放大器 把e d f a 置于光发射机半导体激光器之后，光信号经e d f a 放大后进入光纤 线路，从而使光纤传输的无中继距离增大，可达2 0 0 k i n 以上，再c a t v 网络中运 用，更有效地保证点对多点的光功率分配。在高速率的传输系统中，用半导体激光 器直接调制效果不佳，但采用e d f a 功率放大后再输入光纤线路，则能够获得良好 的效果。 如果综合上述两种运用，一个e d f a 用作接收机前置放大器，另一个e d f a 用作发送机的功率提升放大器，就可以实现长距离的无中继传输。这种系统主要用 于海底光纤通信。 2 w d m 系统中应用 w d m 是采用波分复用技术大幅度提高传输容量的通信系统，系统在光交叉连 接器( o x c ) 、光分插复用器( o a d m ) 和接收端中都存在解复用，解复用过程会给光 信号带来很大的损耗，需要采用e d f a 进行补偿。具体的补偿途径有以下两种： 一种是把e d f a 作为一个独立的设备，和解复用设备配合使用，来对复用光信号 集中进行放大。另一种是把e d f a 作为放大模块，集成到o x c 和o a d m 中，在 这些光路由设备中实现光放大，来补偿解复用带来的损耗。 3 在光弧子通信中的应用 光弧子是一种非线性波，它突出的优点在于能够传输很长距离而波形不发生 显著变化。光弧子通信被认为是下一代光传输系统的可行方案。e d f a 的引入使光 弧子通信试验得到飞速发展。a t & t 贝尔实验室的光弧子理论先驱l e m o l l e m a u e r 在1 9 8 8 年证明了光纤放大器可以补偿光弧子的强度衰减，并在1 9 9 2 年进行了码 率2 5 4 g b s 、传输距离1 5 0 0 0 公里( 光纤环模拟) 的光弧子传输试验，测得误码率 为零f ”。经过十年，色散管理技术得日趋成熟和宽带e d f a 的运用，在普通光纤 上的传输容量已经达到了1 0 2 t b s ( 5 0 x 2 0 g b s ) 1 0 0 0 k i n l 2 ”。 1 绪论 4 在分配网络中的应用 除了在干线系统中运用外，e d f a 还能有效地用于有线电视广播网和局域用 户环路网等光通信系统中，使用它可以使这些网中光路分叉增加很多。支持更多 的网络用户。英国b t 公司的a m h i l l 在1 9 9 2 年用1 0 个e d f a 作干线放大器， 在英国全国范围内进行了6 4 0 个数字t v 的演示试验，用户达4 3 ，8 0 0 ，0 0 0 个。 又n t t 公司的k o d a 等人用2 个e d f a + f d m 技术实现了共1 2 8 个电视频道，其 中1 1 2 个为1 5 5 m b s 码率、另1 6 个频道为6 2 2 m b s 的全工程化系统，用户光节点 达1 0 2 4 个。 1 5 e d f a 的自动增益控制 掺铒光纤放大器的飞速进展促进和刺激着波分复用( w d 蛐传输系统和网络的 发展。然而e d f a 的增益谱与其输入功率、泵浦功率等多种因素密切相关。因此， 在w d m 系统及网络中，由于波长上下路、网络配置改变等因素导致输入光功率 在一定范围内改变时，需要e d f a 的增益保持恒定，这就引入了e d f a 的自动增 益控制问题。 e d f a 的自动增益控制是指在一定的输入光功率变化范围内提供恒定的增益， 这样当一个信道的光功率发生变化或由于系统配置要求而引起波道数量发生变化 时，其他信道( 或开通业务的波长通道) 的输出光功率不会受其影响。 迄今为止，已见报道的e d f a 的自动增益控制技术有多种，各具有不同的特点。 综合起来，我们将不同的e d f a 自动增益控制技术分为以下四大类： 输入、输出光功率监视控制法 饱和补偿光控制法 载波调制法 全光增益控制法 输入、输出光功率监视控制法是e d f a 中较常采用的方法，也称为总功率控 制法。它通过对e d f 总输入、总输出光功率的监视和比较，推算出e d f a 工作时 实际增益值，并通过该实际增益值得到增益修正量来对泵浦驱动电流加以控制， 从而达到增益控制的目的。这种控制方法具有成本低和长期稳定性能较好的优点， 现在市场上大部分e d f a 都是采用这种方法进行控制。 饱和补偿光( 也称为增益控制光) 控制法的基本原理是通过改变流经放大器的 饱和补偿光( 其波长和信号波长不同) 的功率电平，来控制光放大器的增益，是避免 a s e 影响的一种有效方法。实际应用中，既可利用一专用的w d m 通道作饱和补 偿光信号，也可利用泵浦信号来作饱和补偿光信号。但该方法需要提供较为理想 的饱和补偿光信号来形成一个有效的增益控制环路，并且在e d f 末端采用较昂贵 重庆大学硕士学位论文 的w d m 滤波器来滤出饱和补偿光信号，导致e d f a 的光路复杂性增大，成本增 加。 和饱和补偿光控制法不同，采用载波调制法来实现e d f a 的增益控制，不需要 使用昂贵的波长选择滤波器，因此是低成本实现e d f a 自动增益控制的有效方法 之一。目前用载波调制法实现e d f a 自动增益控制的技术途径主要有：信号光正 弦副载波调制法和泵浦光低频调制法两大类。 全光自动增益控制是通过光反馈是某个波长的a s e 噪声光形成增益控制信 号，并使掺铒光纤中的粒子数反转程度钳制在一个固定的水平，从而保持e d f a 的增益固定。它包含同步放大和产生激光两个过程。根据激光激射要求，在e d f a 的增益谱范围内选择某个特定的波长，人为地形成一个环形反馈回路或激光腔， 以使不同波长地信号光经e d f a 放大使享用相同的反转粒子数。全光自动增益控 制技术在实现光增益控制过程中，不需要任何电子控制的介入，且不需要使用光 有源器件，具有响应速度快、可靠性高和输入条件和泵浦功率无关等特点。按照 其反馈结构，可分为环形腔式和f p 腔式两大类。 1 6 本课题的意义和研究内容 掺铒光纤放大器( e d f a ) 由于具有高增益、高饱和输出功率、低噪声、低连接 损耗、增益与偏振无关等优点而在光纤网络中成为必不可少的关键器件之一。由 于e d f a 有足够的增益带宽，在线路中继点可以同时放大多个波长的光信号，因 此使波分复用( w d m ) 和密集波分复用( d w d m ) 技术的商用化成为可能。使用掺 铒光纤放大器( e d f a ) 的波分复用( w d m ) 系统和光交换系统日益成为当前光纤通信 发展的新方向。e d f a 的卓越性能已经得到广泛的研究和认同。人们不仅希望网络 具有更大带宽，也希望它有更大的灵活性和可操作性。这就会导致光路中的通道 数目经常发生变化，导致e d f a 的输入光功率将发生变化。当e d f a 的信道数发 生突变时，剩下的信道增益将发生波动，甚至会破坏某些信道，由于增益相差太 大而无法工作。另外，光功率的突变可能会导致信噪比降低，或者激发光纤波导 的非线性效应从而导致比特误码率( b e r ) 增大，为了尽可能的减少这种不良影 响，对e d f a 进行自动增益控制( a g c ) 是非常必要的。 本论文的研究获得了国家科技部中小企业创新基金的部分资助，作者作为重 庆宝通光电子有限公司的电路研发负责人之一参与该项目的研发，工作重点是对 e d f a 的控制电路进行设计，论文中主要包括以下内容： 1 对e d f a 的构成原理和相关理论进行归纳总结； 2 进行实际的e d f a 电路设计； 3 对e d f a 的动态性能进行研究，确定d s p 控制方法的控制方案； 1 0 1 绪论 4 使用d s p 对e d f a 进行自动增益控制电路设计。 本论文的部分工作已经转化为产品，产生了经济效益，对提高国产e d f a 的 质量起到了一定的促进作用。 2 掺铒光纤放大器理论及设计 2 掺铒光纤放大器理论及设计 2 1 引言瞳印 在光纤通信系统中，随着传输速率的增加，传统的o i e i o 中继方式的成本迅 速增加。长时间以来，人们一直在寻找用光放大的方法来替代传统的中继方式， 并延长传输距离。光放大器能够直接放大光信号，对信号的格式和速率具有高度 的透明性，使得整个系统更加简单和灵活。它的出现和实用化，必将引起光纤通 信中的一场革命。 掺铒光纤放大器( e d f a ：e r b i u m - d r o p e df i b e r a m p l i f i e r ) 是目前性能最完美、技 术最成熟、应用最广泛的光放大器。在e d f a 诞生以前，已经有利用光纤中非线 性效应研制出的光放大器( 如光纤喇曼放大器) 和利用半导体技术研制出的半导体 放大器( s o a ：s e m i c o n d u c t o ro p t i c a la m p l i f i e r ) 2 7 州。到2 0 世纪8 0 年代中期，这几 项技术已经比较成熟。但是，由于自身的一些缺陷，他们在光纤通信中的应用并 不令人满意。 光纤喇曼放大器( f r a ) 利用石英光纤的非线性效应而制成。在合适波长的强光 作用下，石英光纤会出现受激喇曼散射( s r s ) 效应，当信号和泵浦光沿着光纤一起 传输时，光功率将由泵浦光转移到信号光，从而把信号放大。f r a 具有频带宽、 增益高、输出功率大、响应速度快等优点。其缺点是泵浦效率低、阀值高，因而 需要的泵浦功率很高。 半导体光放大器( s o a ) 是由半导体激光器工作在阀值之下时构成，包括f p 腔 型( f p a ) 和行波型( t w a ) 两种，s o a 的主要优点是尺寸小、功率消耗低、便于光电 集成。其主要缺点是插入损耗大、对偏振态敏感。 1 9 8 7 年，掺铒光纤放大器的研制取得了突破性的进展，英国南安普顿大学和 美国a t & tb e l l 实验室报道了离子态的稀土元素铒在光纤中可提供1 5 5 u m 通信波 长处的光增益，引起人们的极大兴趣。在短短的几年里，e d f a 的研究工作硕果累 累，并迅速实用化。 与其他类型的光放大器相比，e d f a 具有高增益、低噪声、对偏振不敏感等 优点，能放大不同速率和调制方式的信号，并具有几十纳米的放大带宽。正是由 于其近于完美的特性和半导体泵浦源的使用，e d f a 给1 5 5 u r n 窗口的光纤通信带 来了一场革命。 掺稀土光纤是当代通信系统的一个重要元件，在设计光放大器之前，必须首 先对描述掺杂粒子的物理参数和决定吸收和发射的方程有一个透彻的了解。在本 重庆大学硕士学位论文 章中，首先对掺铒光纤中铒粒子的光谱特性作简单的介绍，然后对掺铒光纤放大 器的原理、经典理论模型及相关的参数进行了解释和分析p 1 , 3 2 。 2 2 铒粒子的物理特l 生 2 2 1 铒粒子的能级结构 掺铒光纤中铒粒子的吸收和发射谱主要取决于它的4 f 层电子的能级特性。在 硅玻璃中，铒粒子的三能级光能转换原理如图2 1 所示。在未受到任何光激励的情 况下，铒粒子处于最低能级( 基态) 。4 1 1 5 2 ，当泵浦光入射时，铒粒子吸收泵浦光的 能量，向高能级跃迁。泵浦光的波长不同，粒子所跃迁到的高能级也不同。当泵 浦光为9 8 0 h m 时，铒粒子首先跃迁到4 i l l ，2 然后迅速以非辐射跃迁的形式由泵浦态 弛豫到亚稳态4 1 1 3 2 。当泵浦光为1 4 8 0 r i m 时，铒粒子直接跃迁到4 1 1 3 2 能级。在该 能级上粒子有较长的生存时间，持续泵浦，使亚稳态粒子数不断积累，而基态粒 子数不断减少，最后实现粒子数反转。这样当1 5 5 0 n m 波长的信号光通过光纤时， 亚稳态粒子以受激辐