(光学工程专业论文)edfa增益斜率影响因素的实验研究和数值模拟.pdf_第1页
(光学工程专业论文)edfa增益斜率影响因素的实验研究和数值模拟.pdf_第2页
(光学工程专业论文)edfa增益斜率影响因素的实验研究和数值模拟.pdf_第3页
(光学工程专业论文)edfa增益斜率影响因素的实验研究和数值模拟.pdf_第4页
(光学工程专业论文)edfa增益斜率影响因素的实验研究和数值模拟.pdf_第5页
已阅读5页,还剩52页未读 继续免费阅读

下载本文档

版权说明:本文档由用户提供并上传,收益归属内容提供方,若内容存在侵权,请进行举报或认领

文档简介

摘要 摘要 光纤通信是以光波为载频,以光纤为传播信道的新型通信方式。光通信采用的载波 位于电磁波谱的近红外区、频率非常高( 1 0 1 4 1 0 1 5 h z ) ,因而通信容量极大。因此从一 开始就显示出无比的优越性,引起了人们极大兴趣和关注,在短短三十多年中取得了迅 速的发展。光纤通信现已与卫星通信、移动通信并列成为现代通信领域的三大支柱。随 着各种数据业务对传输带宽需求的不断增长,如何利用现有的光纤传输系统,进一步提 高通信容量,满足日益膨胀的需求,己成为光通信领域研究的热点。 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,所以近年来波分复 用加掺铒光纤放大器( w d m 十e d f a ) 技术已经成为高速率、大容量光纤通信系统发展 的主流。但是在长距离、高速波分复用系统中级联使用e d f a 也面临一些问题。如传统 的带宽已不能满足w d m 系统传输容量的要求,网络管理如w d m 上下线、网络重构、 设备升级和保护开关等引起的增益筘制问题,这是由于在w d m 系统中,很多信道共同 占用一个有源器件,如果传输过程中对某一信道进行了调整,势必影响其他信道的功率 和噪声等特性参数,这就需要对e d f a 进行自动增益箝制。除此之外,还有增益平坦问 题,e d f a 由于铒离子能级结构的限制,对不同波长的吸收系数和发散系数均不相同, 即对不同波长的光信号的增益并不完全相同,造成增益不平坦,因此,采用增益平坦滤 波器( g f f ) 对e d f a 的增益谱进行修正。但是在长距离、高速波分复用系统中,传输 光纤对不同波长的光损耗值不一样,在c 波段( 1 5 3 0 n m 1 5 6 0 n m ) 中,波长逐渐增大, 链路损耗逐渐变小。即使从e d f a 中出射的光信号达到一定的平坦度,经过长距离传输 后,短波的增益会小于长波增益,传输越远偏差会累加得越高,最终导致光信号的失真 和误码率的增高。为了减少这种影响,在e d f a 对光信号进行放大的过程中,就需要对 e d f a 的增益斜率进行一定的控制。本文围绕e d f a 的增益斜率问题,进行了理论研究, 找出了影响增益斜率的因素,并在实验室对影响e d f a 增益斜率的因素进行了实验分析 研究,通过模拟软件再次验证了分析结果,为实验制作e d f a 过程中调整增益斜率提供 了多种参考方法,以期对e d f a 在长距离、高速w d m 系统中e d f a 的实际应用有一个 理论上的指导。 本论文首先对本课题的研究背景及意义进行了讨论,较全面的介绍了光通信领域中 的各种光放大器,分析了己有的几种主要光放大器的基本原理、种类、特性和应用领域。 其次,对现有e d f a 的发展史和国内外的研究进展进行了介绍。对e d f a 的速率方程和 传输方程进行了较为详细的理论研究,重点介绍了应用最广泛的s a l e h 模型和g i l e s 模 型。 针对波分复用系统中e d f a 存在的增益平坦问题,先从理论上得到影响增益斜率的 几个因素:铒纤长度、输入功率和泵浦功率。然后,从实验和模拟两方面入手,对e d f a 增益斜率的影响因素进行了深入分析,根据设计光路,分别对铒纤长度、输入功率和泵 浦功率变化情况下的增益斜率做了实验研究讨论。通过实验,我们获得了e d f a 的增益 谱和增益斜率。并得出铒纤长度越短,增益斜率越小,甚至达到负值。随着输入信号功 摘要 率的增加,增益斜率几乎是线性增大。随着泵浦功率的增加增益斜率反而减小。然后对 实验现象进行了理论解释。最后,做了o p t i s y s t e m 模拟,通过与实验数据的对比更好 的验证了他们之间的依赖关系,本论文的实验结果及相关分析对今后的增益斜率控制有 一定的指导意义。 最后对文章进行了总结,并指出了今后需要进一步研究的方向。下一步的工作可以 定量的研究e d f 长度、输入功率和泵浦功率对增益斜率的影响,寻找更合适的材料或 优化e d f a 器件结构,以达到更好的改善e d f a 的增益斜率,实现增益斜率的智能控制, 将这些改进应用在w d m 系统中,进一步提高通信容量,满足日益膨胀的需求。 关键词:、粕m ,掺铒光纤放大器,增益斜率,光纤长度,输入功率,泵浦功率, o p t i s y s t e m a b s t 删 a bs t r a c t o p t i c a lf i b e rc o m m 眦l i c 撕o nb 邪e do nh g h tw a v e s 嬲t h ec a r r i e r 丘e q u e n c y a n dan e w w a y so fc o m m u n i c a t i o nw i t h 矗b e r 吣m i s s i o nc h a n l l e l o p t i c a lc a 盯i e ru s e di nn e a ri n 丘a r e d r e 西o no ft h ee l e c 訇m a g n e t i cs p e c 仇】n l ,t 1 1 e 丘e q u e n c yi sv e 巧1 l i g h ( 10 1 耳一1o d h z ) ,s ot h a tt h e c o 删m m i c 撕o nc 印a c 毋i sv e 巧h u g e s o 舭 m 也eo u t s e ts h o w c du 印a r a l l e l e da d v a n t a g e s ,h a s a r o u s e d 伊e a ti n t e r e s ta n dc o n c e m ,i nj l l s t3 oy e a r s ,i th a sa c l l i e v e dr 印i dd e v e l o p m e n t o p t i c a lf i b e rc o m m u n j c a t i o n s , s a t e l l i t ec o 加m u n i c a t i o n sa r dm o b i l ec o m 功删缸c a _ t i o n s 丘e l d p a r a l l e lt 0t h et h r e ep i l l a r so fm o d e mc o m 删l n i c a t i o n w i t l la i 啊o f d a t as e i c e so nt h e g r 0 而n gb a n d 谢d t hd e m 觚d ,h o wt 0u s et h ee x i s t i l 培0 p t i c a l 丘b e r 仃a 璐m i s s i o ns y s t e m ,觚d i l n p r 0 v et 1 1 ec o 衄删c 撕o nc 印a c 时t 0m e c tt h ee x p a n d i n gn e e d so f0 p t i c a lc o 删i c a t i o n h a sb e c o m eah o ti s s u e w 打e l e n 蚰d i v i s i o nm u n i p l e x 迦m m ) t e c h n o l o g ) rc 趾s i 班丘c 锄1 yi 力叩r 0 v et h e s y - s t e m 仃a n s m i s s i o nc a p a c i 劬s oi nr e c e n ty e a r s ,e r b i u m d o p e df j b e r 锄p l i f i e ra n dw a v e l e n g t h ( 1 i v i s i o nm u l 卸l e ) 【i n g 巾m + e d f a ) t e c h n o l o g yh 嬲b e c o m eam a i 珊仃e a mo fah i 曲一s p e e d a n dh i 曲一c a p a c i 够o p t i c a l 丘b e rc o m m u n i c a t i o ns y 砒黜啮 b u ti n 1 el o n g d i s t 趾c e ,h i 曲一s p e e dw d m s y s t e m su s i n gc a s c a d ee d f ai sa l s of a c i n g s o m ep r o b l 鼬s f o re x 锄叩l e ,也ec o n v e n t i o n a lb 锄d 谢d t l lo fw d m s y s t e mc a nn o tm e e tt h e r e q u h m e n t so f 仃2 塔m i s s i o nc 印a c “mn 曲釉r km a n a g e m e n t ,s u c h 勰w d mo nt h ed 0 、) l ,nl i n e , n e t 、7 l ,o r kr e c o n f ig l l :础o n ,e q v i p m 咖u p 伊a d e s ,观d p r o t e c t i o ns 、析t c hp r o b l e m sc a u s e db yg 洳 c l 卸叩i 1 1 9 i ti sb e c 孤s ei i lw d ms y s t e m s ,m a n yc h 猢e l sa r es h a r e db y0 p t i c a la 嘶v ed e v i c e s i fac h a n n e l0 n l eh n kh 弱b e e n 删u s t e d ,i tw i na 疏c tt h eo t l l e rc h 锄e lp o w e ra n dn o i s e p a r a m e t e r s ,w h i c hr e q u 讹sa u t o m a t i cg 池c l 锄p e dt 0e d f a ha d 蛳o n ,t h e r ca r eg 痂 n 咖e s sp r o b l e m s ,b e c a l i s eo fr c s t r i c t i o n so fe r b i 眦i o nl e v e ls 臼u c t i l r e ,a b s o 印t i o n 觚d e m i s s i o ni i l d e xa r en o t 也es a m ei nd i l j c 醯e n tw a v e l 髓g t h s ,s ot 1 1 a tt l l ed i 饪e r e n tw a v e l e n 罟啦so f s i g n a lg a i ni sn o te x a c t l y 也es a m e ,w h i c hr e s l l l ti nr o u g hg a i n t h 髓e f o r e ,ag a i nf l a t t e n i n g f i n c r ( g f f ) o f 也ee d f ai sl l s e di ng a i ns p e c 觚哑c o n e c t i o n b u ti nm el o n g - d i s t a n c e h i g h s p e e dw d ms y s t e 必,0 p t i c a l 丘b e r0 nd i 腩r e n tw w e l e n 咖so f1 i 咖l o s sv a l u ei sn o tt h e s 锄ei i lc - b 觚d ( 1 5 3 0 1 1 m 1 5 6 0 n m ) a st h ew a v e l e n 咖i n c r e a s e s ,l el i n kl o s sb e c 眦el o w e r e v e ni fac e r t a i nn a t n e s so ft h e0 p t i c a ls i 盟a 1i sr e a c h e d 筋mt l l ee d 队瓶e r l o n gd i s t a n c e 仃加1 s m i s s i o n ,也es h o r t w a v e l e n g t hg a i n 、i nb el e s st h a nm el o n g w a v e l e n g t l l t 切l n s m i t 钿恤e r ,也ee 聃r h i 曲e r a n di t 而1 la c c u m u l a t ea n de v e n t i l a l l yl e a dt 00 p t i c a ls i g 衄_ ld i s t o r t i o n 纽db i te n d rr a t ei 1 1 c r e a s e d t 0r e d u c e 也ei m p a c to f0 p t i c a ls i 盟a l si ne d f aa i n p l i f i c a t i o n p r o c e s s ,e d f ag a i l lc o n t r o lo v r 也et i n i s e x a c n yn e c e s s a i ya r o u n dt ! i l i sp r o b l e m ,a m e o r 舐c a lr e s e a r c hi sd o n et 0i d e n t i 匆也ef a c t o r sa 虢c t i i l gm eg a i nt i l t a n di 1 1 也el a b o r a t o r y t 1 1 e s ef a c t o r sa r es t l l d i e db ys i m u l a t i o ns o m 柏鹏,锄dt l l er e s u l t sh 嬲o n c ea g a i np r 0 v 也e t h e o r e t i c a lr e s e a r c h t h ew o r kp r o v i d eav a r i e 够o fr e f e r e n c em e 也o d si n 也ep r 0 山l c t i o no f e d f ag 洳t i n 删u s 衄e n t ,w l l i c ha r el l s e di nt l l el o n gd i s t a n c e ,h i 曲一s p e e dw d m s y s t e m s h lt 1 1 i st h e s i s ,f i r s t ,w ed i s c u s s e d 也eb a c k g r o u n do ft 1 :l i st o p i c 觚di t ss i 咖f i c a n c e ,锄d m o r ec o m p r e h e n s i v ed e s c 却t i o no f 也eo p t i c a lc o 衄吼i c a t i o ni l lav 撕e t yo fo p t i c a l 锄p l i f i e r si sp r e s e n t e d s e v e m lm 勾o ro p t i c a l 龇n p l i f i e rs o m eo ft 1 1 a tb 嬲i cp r i n c i p l e s ,t y p e s , i a b s 仃a c t c h a r a c t e n s t i c s 觚da p p l i c 撕。璐a r c 趾a l y s e d s e c o n d 血ed e v e l o p i n e n to f 也ee x i s t i n ge d f a h i s t o 巧a n dr e s e a r c ha th o m ea n da b r o a dw e r ei n 臼- o d u c e d 1 1 1 ee d f ar a 钯e q h a t i o 璐a n d p r o p a g a t i o ne q h a t i o n sf o rm o r ed e t a i l e dt h e o r e t i c a lw 嬲s t u d i e d ,h i 曲h g h t i n gt 1 1 em o s tw i d e l y u s e ds a l e hm o d e la n dg i l e sm o d e l f o re d f ai nw d ms y s t e 瞄i nm ep r e s e n c eo fm eg 血f l a 眦s sp r o b l e m ,w ef o l l n d s e v e r a lf a c t o r s 也a ta c tt h eg 咖t i l tt 1 1 e o r e t i c a l l y :e r b i 啪一d o p e d 肋e rl e n g m ,泖u tp o w e r a n dp 硼叩p o w e r t h 髓,丘( ) mt h ee x p e r i m e n t a la n ds i n m l a t e dm e t h o d s ,t h ei 1 1 f l u e n c eo ft h e e d f ag a i nt i nf i a c t o r sw e r ei n - d 印t l la i l a l y s i s a c c o r d i n gt 0s c h e m 撕co fe x p e r i m e n t ,t 1 1 eg 咖 c h a u l g e sw a r er e s e a r c h e da n dd i s c l l s e d ,r e s p e c t i v e l ye r b i u m - d o p e d6 b e rl e n g t h ,i n p u tp o w e r a n dp u m pp o w e r ,t h r o u 曲恤e x p e r i m e 她w eo b t a i n e de d f a g 痂s p e c 仃aa n dg 妇t i n - a n d w e9 0 tt h a tt h es h o r t e re r b i u me b e rl e n g t h ,也el o w e r 也eg a i l lt i n ,e v e nt on e g a _ t i v e w i t b t h e i n p u ts i 盟a 1p o w e ri n c r e 嬲e s ,t 1 1 eg 咖t i ni sa h o s tl i n e a r l yi n c r e a s e d w i 也t h ei n c r e a s eo f p l l i n pp o w c rb u tr e d u c e si 1 1g a i l lt i n e x p 耐m e n t a lp h e n o m e n aa n dt h e o r e t i c a le x p l 雒a t i o i l s w a sa l s og o t f i n a l l y ,o p t i s y s t e ms i m u l a t i o n 、地a tc o m p a r e dw i t he x p e r i m e n t a ld a t aw a sd o n e , a n dv e r i 矽t 1 1 ed e p e n d e n c i e sb e 钍e rb e t w e e nt 1 1 e m o l l re x p e 血n e n t a lr e s u h s dr e l a t e d 觚a l y s i sc a np r 0 v i d es o m eg i l i d a n c eo nt 1 1 ef i m 聆c o 嫩o lo f 也eg a i nt i n f i n a l l y ,t l l ea n i c l ei ss u m m a r i z e d ,a n dp o i n t so u tt h ed i r e c t i o no ff l i t l l r es t l l d i e s t h en e x t s t 印c o u l db eq u a n t i t 撕v er e s e a r c he d fl e n g 也,i n p u tp o w e ra n dp u i 叩p o w e ro nt h ei i n p a c to f t h eg a i nt i nt 0f i n dam o r es u i 缸出l em a t 耐a l0 rd e v i c es 仃u c t u r eo p t 如i z a t i o no fe d f ai no r d e r t 0a c h i e v eb e t t e ri m p r 0 v e m e n ti i le d f a g a i nt i n s o 也a tw e c o u l da c h i e v eg 如缸e 1 1 i g e 埘z e d c o n t r o l ,a p p l i c a t e t 1 1 e s e i m p r 0 v e m e n t s i n 也ew d ms y s t e m ,姐df i l m l e r i l n p r o v et 1 1 e c o 删c a t i o nc a p a c 姆e x p a n s i o nt 0m e e t 印w i n gd e m a l l d k e y w o r d s :、釉m ,e d f a ,g 血t i n ,肋e rl e n g m ,邱u tp o w e r ,p u l n pp o w c r o p t i s y s t e m 目录 目录 摘要i a b s 仃a ( 咒i i i 第一章绪论1 1 1 课题研究背景与意义:1 1 2 光放大器简介2 1 2 1 掺稀土光纤放大器o 。3 1 2 2 非线性光纤放大器4 1 2 3 半导体光放大器5 1 3e d f a 的发展历史与现状7 1 3 1e d f a 的发展历史。7 1 3 2e d f a 在实际中的应用。9 1 3 3e d f a 的应用前景1 1 1 4 本论文主要工作1 1 第二章e d f a 的理论研究。:1 3 2 1e d f a 的基本结构和工作原理1 3 2 1 1 铒离子能级结构1 3 2 1 2e d f a 基本结构。1 4 2 1 3e d f a 的特性指标1 5 2 2e d f a 的理论模型16 2 2 1 各种理论模型的发展历程1 6 2 2 2e d f a 的速率方程和传输方程17 2 2 3s a l e h 模型1 9 2 2 4g i l e s 模型j 2 1 2 2 5 其他模型2 1 2 3 本章小结2 2 第三章e d f a 的增益斜率及其模拟软件2 3 3 1e d f a 的增益斜率2 3 3 1 1 增益斜率的定义2 3 3 1 2 增益斜率的影响因素2 4 3 2 实验光路和器件:2 4 3 2 1 实验光路2 4 3 2 2 设备、工具和软件“2 5 3 2 3 实验器件2 5 3 3 增益斜率模拟软件2 7 3 3 1o p t i s y s t e m 简介2 7 3 3 2o p t i s y s t e m 的仿真原理2 7 目录 3 3 3o p t i s y s t e m 在放大器设计中的仿真理论依据2 8 3 3 4o p t i s y s t e m 在放大器设计中的基本操作和流程2 8 3 4 本章小结3 0 第四章e d f a 增益斜率的影响因素分析3 1 4 1 铒纤长度对e d f a 增益斜率的影响:3 1 4 1 1 实验方法31 4 1 2 实验步骤31 4 1 3 实验结果与讨论3 2 4 1 4 模拟结果与实验结果的对比3 3 4 2 输入信号对e d f a 增益斜率的影响3 4 4 2 1 实验方法3 4 4 2 2 实验步骤3 5 4 2 3 实验结果与讨论3 6 4 2 4 模拟结果与实验结果的对比:3 7 4 3 泵浦功率对e d f a 增益斜率的影响3 8 4 3 1 实验方法3 8 4 3 2 实验步骤3 8 4 3 3 实验结果与讨论:3 9 4 3 4 模拟结果与实验结果的对比4 0 4 4 本章小结4 1 第五章总结与展望4 3 5 1 总结4 3 5 2 创新点4 4 5 3 展望4 4 致谢4 5 参考文献4 6 附录:作者在攻读硕士学位期间发表的论文5 0 第一章绪论 第一章绪论 1 1 课题研究背景与意义 1 9 7 0 年,世界第一根低损耗光纤问世,光纤通信开始飞速发展。光纤通信是以光波 为介质,以光纤为传播信道的全新通信方式。光通信通信容量极大,光纤通信从一开始 就显示出无比的优越性,因为其实现的功能早已超过铜缆传输的系统。因此引起了人们 极大兴趣和关注,在短短三十多年中取得了飞速的发展。光纤通信现已与卫星通信、移 动通信并列成为现代通信领域的三大支柱【1 5 4 1 。 传统的长途光纤传输系统中,需要每隔一定的距离就加一个中继器,进行光一电一 光转换,并在光信号转为电信号时进行再生、重整和定时处理。人们发现,这种方式十 分麻烦,电子设备也很复杂,可靠性也不高。为了克服光一电一光再生中继器的缺陷, 人们用一个全光型中继器来代替光一电一光再生中继器,直接在光路上对信号进行光放 大,然后再继续传输。于是光放大器应运而生。 随着半导体激光特性的改善,首先出现了f p 半导体光放大器,接着开始了对行波 式半导体光放大器的研究阱3 1 。另一方面,随着光纤技术的发展,出现了光纤拉曼放大 器。1 9 8 0 年代后期,掺稀土元素的光纤放大器脱颖而出,并很快达到实用阶段,应用于 越洋的长途光通信系统中。 掺铒光纤放大器( e d f a ) 出现于2 0 世纪8 0 年代末。1 9 8 5 年,南安普敦大学的 m e a r s 等人制成了e d e 久,第二年,他们用心离子激光器做泵浦源又制造出工作波长为 1 5 4 0 n m 的e d f a ,尽管这种用心离子激光器做泵浦源的光放大器显然不可能在光纤通 信中得到应用,但用掺铒光纤得到1 5 5 0 n m 通信波长的光增益本身,却在全世界引起了 广泛的兴趣,掀起了e d f a 的研究热潮。这是因为e df i 久的放大区域恰好与单模光纤的 最低损耗区域相重合,而且其具有许多优良特性:高增益、宽频带、低噪声、增益特性 与偏振无关等【钢。 9 0 年代初,波长1 5 5 0 n m 的e d f a 宣告研制成功并能实际推广应用。1 9 9 4 年开始, e d f a 进入商用。e d f a 的产生是光纤通讯领域的一项重大突破,它促使了长距离、大 容量、高速率的光纤通讯的实现,同时它也是密集波分复用( d w d m ) 系统及未来高速 系统、全光纤网络中所不可或缺的重要器件。 采用w d m 系统能够大幅度提高系统的传输容量,近年来波分复用加掺铒光纤放大 器技术已经成为高速率、大容量光纤通信系统发展的主流。然而,在长距离、高速w d m 系统中级联使用e d f a 也面临一些问题。如传统的带宽已不能满足w d m 系统传输容量 的要求,网络管理如w d m 上下线、网络重构、设备升级和保护开关等引起的增益筘制 问题【6 引。这是由于在w d m 系统中,很多信道共用一个有源器件,如果链路中对某一信 道进行了调整,就会影响其他信道的功率和噪声等特性参数,这就需要对e d f a 进行自 动增益箝制【3 1 。除此之外,还有增益平坦问题,e d f a 由于铒离子能级结构的限制,对 不同波长的吸收系数和发散系数均不相同,即对不同波长的光信号的增益并不完全相 江南大学硕士学位论文 同,造成增益不平坦,因此,需要采用g f f 对e d f a 的增益谱进行修正【邱 。但是在长 距离、高速波分复用系统中,传输光纤对不同波长的光损耗值不一样,在c 波段 ( 1 5 3 0 d 舶1 5 6 0 1 1 i n ) 中,波长逐渐增大,链路损耗逐渐变小。即使从e d f a 中出射的光 信号达到一定的平坦度,经过长距离传输后,短波的增益会小于长波增益,传输越远偏 差会累加得越高,最终导致光信号的失真和误码率的增高。为了减少这种影响,在e d f a 对光信号进行放大的过程中,就需要对e d f a 的增益斜率进行一定的控制。 1 2 光放大器简介 光放大是指在激励能量( 电或光) 的作用下,实现粒子数反转( 非线性光纤放大器 除外) ,然后透过受激辐射形成对入射光的放大。它与激光不同之处在于光放大器没有 谐振腔这样的回馈机制。光放大器核心是粒子反转物质,当放大器被泵浦激发时,使粒 子数反转获得增益 4 ,6 6 1 。该增益通常与放大器的粒子反转物质、结构参数和运用条件( 如 泵浦源、输入信号) 有关 6 8 1 。 光放大器中,泵浦源的作用是使介质激活产生粒子数反转,信号经过粒子反转物质 时产生受激辐射而产生放大作用。光放大器的基本原理见图1 1 弱光 r 强光 p 0 们 泵浦源 图1 1 光放大器的基本原理 f i g 1 - 1t h e b a s i cp 血c i p l eo fo p t i c a l 锄p l i f i e r s 传统的光电光( o - e o ) 再生中继器存在许多缺点。例如,通信设备的系统复杂, 系统的稳定性低、可靠性低和成本高,特别是在w d m 系统,更为严重。因为w d m 系 统先要解复用出每个信号波长,把光信号转换成电信号,然后把电信号转换成光信号, 最后再通过复用器把放大后的多路光信号送回光纤中传输,所需的设备非常复杂,费用 也非常昂贵。除此之外,这种方式速率不透明,传输容量也会受到一定的限制。 因此,全光( a 1 1 0 p t i c a l ) 传输型中继器便逐渐取代光电光中继器【5 ,6 7 1 ,一直是人 们努力的方向。目前有实用价值的光放大器大致可分为两类:光纤放大器和半导体光放 大器。光纤放大器又分为两种,掺稀土元素的光纤放大器和基于光纤中非线性效应的光 纤放大器( 受激拉曼效应和受激布里渊效应) 【6 9 】。半导体激光放大器也分为两种:行波 半导体激光放大器( t w 二s o a ) 和法布里珀罗型激光放大器( f p s o a ) 。每类又有几种 不同的应用结构和形式如图l - 2 所示。 2 第一章绪论 厂半导体光放大器 2 0d b ) ,容易 制作成集成电路,完全可以与其它光电器件集成,实现微电子电路的单片集成,因此其 在这方面的发展前途非常看好,但也有诸多缺点。首先,对于s o a ,其载流子在高能态 上的寿命在o 1 n s 的量级,所以若信号光以g b s 的速率波动变化时,就会引起输出光功 率也以该速率波动变化,导致严重的信道串扰,稳定性较差。除此之外,由于s o a 的 几何不对称性,使其增益谱具有偏振敏感性。最后,由于s o a 在光纤和半导体啁啾之 间会发生耦合,会降低增益和减少可用的输出光功率。正是由于这些特点,使得在光放 大领域中,s o a 的应用不及光纤放大器广泛。由于e d f a 的性能更为优异,在长距离光 纤通信,尤其是1 5 5 0 n m 波段上及w d m 系统中大多采用e d f a 【5 8 】。 6 第一章绪论 1 3e d f a 的发展历史与现状 1 3 1e d l i i a 的发展历史 6 0 年代早期,美国光学公司的c j k 0 e k s e r 在研究掺钕光纤时,发现其可作为激光 反转物质及用于光放大【6 3 1 ,于是掺铒及其它稀土元素于光纤中的构想开始出现。由于未 能解决热淬灭效应问题,即使e s n i t e 窈发现掺铒石英对1 5 0 0 n m 的激光有放大作用,但 是当时的人们的还不足够重视。直到1 9 8 5 年,英国南安普顿大学的d p y 狃e 等人对掺 稀土元素的光纤重新探讨研究,采用改进的化学气相沉积法( m c v d ) 首次成功的制作 出掺铒光纤( e d f ) ,并发现其可以作为1 5 0 0 m 窗口的光放大器。第二年,他们用功率 为6 0m _ w 的6 5 0 n m 红光染料激光器作为泵浦光源,激发e d f 获得了2 5 d b 的小信号增 益。同一年,贝尔实验室的d d e s u 吲r e 等人用功率为1 0 0 血w 的5 4 0 n m 绿光氢离子激 光器作泵浦光源,激发e d f 获得了2 2 4 d b 的小信号增益。并对这种e d f a 进行速率为 2 g b s 的传输实验,测得的误码率约为零,并且发现放大系数与信号光的极化方向毫无 关系。同时实验研究了多信道的同时放大,在一定的调制速率下,不同信道的光信号之 间无串扰,以上研究成果极大的推动了e d f a 的研究和开发。1 9 8 8 年波长为1 4 8 0 皿的 半导体激光器( l d ) 研制成功,由于其可作为e d f a 的泵浦源,更加快了e d e 久的研 制速度。直到1 9 8 9 年英国南安普顿大学研制出性能更高的e d f a ,在较短的1 5 m 光纤 内,使信号放大1 0 0 0 倍,获得了3 0 d b 的增益【5 7 】。 在2 0 世纪9 0 年代,光通信获得了迅猛的发展,光纤通信的业务量呈指数增长,为 了满足不断增长的业务量需求,必须进一步挖掘光纤的通信容量。要提高光纤的传输容 量,可以增加信道的传输速率和延长无中继的距离。e d f a 的实用给光纤通信带来了一 场革命。 目前,对e d f a 的研究基本上沿两个方向:为了研制出增益谱更宽更平坦的掺铒光 纤,首先是对掺铒光纤材料的研究;其次,是研究e d f 久整体性能的提升,在现有的 e d f 材料基础上,目标是设计出符合现代高速率、长距离光纤通信系统要求的性能更优 的e d f a 。以下介绍这两个方向的主要研究工作 5 9 6 2 】: 1 e d f 材料方面的研究 1 ) 高掺铝铒纤的增益平坦 经过前人的理论分析和实验研究,发现在e d f 中掺杂a l 元素可以很好的改善e d f a 的增益平坦特性,高浓度的a l 能使e d f a 在c 波段获得更平坦的增益,图2 2 为掺铝 铒光纤的受激吸收与受激发射截面,这样便增大了平坦增益带宽。这是因为掺灿能够 减少e r 3 + 之间的团聚作用,使e 一能更均匀地在e d f 中分布,目前,铒铝共掺的e d f 已经完全实用化。 2 ) 氟化物基掺铒光纤放大器( e d f f a ) 近几年科学家研究发现,采用氟化物光纤基质制成的e d f f a 具有更大的平坦增益 带宽,优于掺铒石英光纤放大器( e d s i ;:a )的增益平坦性。我们把e d f f a 和d e s f 八 典型a s e 谱对比,可以发现e d f f a 在1 5 3 2 n m 1 5 6 0 m n 波长范围内,其增益不平坦度 7 江南大学硕士学位论文 在1 5 d b 之内,增益较平坦,在1 5 3 2 n m 1 5 4 2 衄波长范围内的增益不平坦度甚至小于 0 2 佃。而e d s f a 增益不平坦度为1 5 d b 的波长范围是1 5 3 “1 5 6 0 n i n ,显然要比e d f f a 平坦带宽窄。但是,还有其他一些问题限制了e d f f a 的应用,如氟化物光纤的制造还 不能完全实用化,其可靠性方面也存在漏洞,特别是受噪声系数的限制,除此之外, e d f f a 不能被9 8 0 n m 波长泵浦光激发,而掺铒石英光纤在9 8 0 n m 泵浦时,噪声系数却 可以达到量子极限值【9 6 1 6 2 】。因此,必须解决e d f f a 的泵浦问题,使e d f f a 具有较低 的噪声系数。 3 ) 蹄化物基掺铒光纤放大器( e d ,a ) 在o f c 9 7 上,日本科学家曾经报道他们已研制出一种新型的蹄( t e ) 基e d f a ,即 蹄化物基掺铒光纤放大器,其在1 5 3 0 i l m 1 6 1 0 n i n ( 宽至8 0 眦) 的波长范围内的增益不 平坦度小于1 5 d b ,能够得到大于2 0 d b 的小信号增益,当输入信号为0 d b m 时可获得输 出信号功率为1 8 5 d b m 的均衡放大【”】。这里的蹄化物基光纤相对折射率差为1 5 ,基 质在1 3l o n m 窗口的损耗为0 2 d b m 。掺铒离子浓度为2 0 0 0 p p m ,截止波长为1 2 0 0 i l n l 。 除此之外,由于蹄化物基光纤预制棒采用传统的熔炼浇注技术,比石英光纤预制棒的 m c v d 制作技术简单得多,周期短,且成本低。到目前为止,掺铒蹄化物基光纤放大器 ( e d t f a ) 被认为是最有前途的光放大器【5 酬。 4 ) 双芯掺铒光纤放大器 近年来,很多专家试图通过改变掺铒光纤的几何结构来使e d f a 增益平坦【l l ,硎。一 种采用双芯掺铒光纤制作的e d f a 应运而生,将其应用于无源全光信道均衡,并且已经 获得了成功。这种方法的主要原理是在增益介质中引入不均匀加宽,来获得无源的信道 补偿。双芯光纤的两个纤芯都为掺杂,其纤芯主要成分为s i 0 2 、a 1

温馨提示

  • 1. 本站所有资源如无特殊说明,都需要本地电脑安装OFFICE2007和PDF阅读器。图纸软件为CAD,CAXA,PROE,UG,SolidWorks等.压缩文件请下载最新的WinRAR软件解压。
  • 2. 本站的文档不包含任何第三方提供的附件图纸等,如果需要附件,请联系上传者。文件的所有权益归上传用户所有。
  • 3. 本站RAR压缩包中若带图纸,网页内容里面会有图纸预览,若没有图纸预览就没有图纸。
  • 4. 未经权益所有人同意不得将文件中的内容挪作商业或盈利用途。
  • 5. 人人文库网仅提供信息存储空间,仅对用户上传内容的表现方式做保护处理,对用户上传分享的文档内容本身不做任何修改或编辑,并不能对任何下载内容负责。
  • 6. 下载文件中如有侵权或不适当内容,请与我们联系,我们立即纠正。
  • 7. 本站不保证下载资源的准确性、安全性和完整性, 同时也不承担用户因使用这些下载资源对自己和他人造成任何形式的伤害或损失。

评论

0/150

提交评论