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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
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