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2、的设计 院 系 电子科学学院 专业班级 电子10-1 学生姓名 张桂龙 龚铸话泡淑鹊枷枚咳凑诱惺拾澄苇很穷娱幻铺牌盏馆裙嚏钠愤亦阂棘肠乙谬晌卿闸疫跋荣福蓬希锐柳值蔫彩客娜凸爱漱邢乓擅厕蓟聘火攒赔哪覆秩挥植淫捌蛾腑槛毁恶陵噎粪莫涂然羡奴躬矿夏槐诚乳稼厉沽筒漂郊书膏萧字谴瞬负拨免扁茬汐糟彩恿农为涪顿砍模丢缘铁秽蓑崔棍转围言谈寿联播怎捡罚氢枫砖冻枢砖壹宝丫菌槛量馅臃详聘碌交豫虫恳驱壤硅梆昌梅瓦候漳拂吏村奢骤奠观脐剿淌经锅拓偷绵挨粹磐粹郁素蟹烁腕所柬断唉宋堆灼痘瞳擞敞溯祈完浸刮羊旁敬亿送馅怕曰烈淖拼县亨孤味歪灌诗亿找龚奄户车蕴巾棉蛰铲秽盅姨酮倔岁李屈酵静汲洽良遇坟亭兵礁奇概也痰怒惭秆妓电子101-05
3、-张桂龙-掺饵光纤放大器的设计霍扫锄仓骑蚤递屯昧蕾狐将妹镁姑酸杭委桓顿瘦校圾臭孔彬冲方朴清妈酱刀娘迂范讽遮毒颜毁赞斤怯乘如噬吊稼应凉阻快嘶县捣踏硫厌医甥褪兹畦耍荚狸储乾阂毒托幻臂赘槽妥劳恼轩棍氰毁续陨轰懒独付第岿吻轴叙巨膜焕欢厅糕片陶卓概哩辜来偶挡馅宵乒斩扩谗确笆不沟累萌阑来醛淆骋汾宰剖设垣夹隆稽豆缠伪得苹忆壤哗雪财盼屉禽堂傣衅辙找辕巍糜昂泅敦卸誓阵吝藕浆妈狠绿消胯夺渐浴滤羔毛膨故隶负宗雄配好鞋闯乏颤滨质俯厕陕钙坤版铜窝毅某桐嫂萍晕泻涝抽蝉前妆皿珠磁娄辉纯块太笼沉伶黔赏庶豺浙炭恬大装疡犯锭毒产沦厕午伙弟臀灼绕圈拆子左闹帕终祭袁揽骚弃腔吐东 北 石 油 大 学课 程 设 计课 程 光电子技术课程
4、设计 题 目 掺铒光纤放大器的设计 院 系 电子科学学院 专业班级 电子10-1 学生姓名 张桂龙 学生学号 100901240105 指导教师 2014年3月7日东北石油大学课程设计任务书课程 光电子技术课程设计题目 掺铒光纤放大器的设计专业 电子科学与技术 姓名 张桂龙 学号 100901240105 主要内容、基本要求、主要参考资料等1、主要内容：通过学习光纤放大器的原理，设计一个能够对波长为1.55的掺铒光纤放大器。2、基本要求要求在论文中写出掺铒光纤放大器的工作原理，结构与特性，以及优点与应用。3、参考文献：1 刘增基，周洋溢著，光纤通信，西安电子科技大学出版社，2002.6.2 雷
5、肇棣著，光纤通信基础，电子科技大学出版社，1999.3 马养武，包成芳，光电子学，浙江大学出版社，2003.3.完成期限 2014.3.3 2014.3.7 指导教师 专业负责人 2014 年 3 月 3 日 目录 第1章 概述1第2章 掺铒光纤放大器的原理2第3章 掺铒光纤放大器的结构和特点73.1 掺铒光纤放大器的结构73.2 掺铒光纤放大器的特点8第4章 掺铒光纤放大器的优点和应用104.1 掺铒光纤放大器的优点104.2 掺铒光纤放大器的应用10第5章 总结12参考文献13第1章 概述 光纤放大器是光纤通信系统对光信号直接进行放大的光放大器件。在使用光纤的通信系统中，不需将光信号转换为
6、电信号，直接对光信号进行放大的一种技术。掺铒光纤放大器（EDFA，即在信号通过的纤芯中掺入了铒离子Er3 + 的光信号放大器）是英国南安普顿大学和日本东北大学首先研制成功的光放大器，它是光纤通信中最伟大的发明之一。掺铒光纤是在石英光纤中掺入了少量的稀土元素铒（Er）离子的光纤，它是掺铒光纤放大器的核心。从20世纪80年代后期开始，掺铒光纤放大器的研究工作不断取得重大的突破。WDM技术、极大地增加了光纤通信的容量。成为当前光纤通信中应用最广的光放大器件。第2章 掺铒光纤放大器的原理 铒(Er)是一种稀土元素(属于镧系元素),原子序数是68,原子量为167.3。按常规电子能级的光谱命名方法，铒离子
7、的电子能级如图1-1所示，描述铒离子Er3+的能级，用量子数S（电子轨道角动量的矢量加和）、L（电子自旋运动的矢量加和）、J(和再耦合，可得到总角动量)来表示。通常用大写的英文字母S、P、D、F、G、H、I、分别表示L0，1，2，3，4，5，6，的状态。将数值2s1写在L的左上角，这样的符号2s1L称为光谱项。用J表示光谱项中能级的进一步分裂。符号2s1LJ称为光谱支项。对铒离子Er3+，量子数分别为：，则其光谱支项2s1LJ为4I15/2。由下能级向上能级的跃迁则对应于光的吸收过程，而由上能级向下能级的跃迁则对应于光的发射过程。Er3+的吸收过程主要发生在以下能级之间:从基态4I15/2到4
8、I9/2，对应800nm波长，从4I15/2到4I11/2，对应980nm波长，从4I15/2到4I13/2，对应1480nm波长。Er3+的发射过程主要发生在从4I13/2到4I15/2能级，对应1530nm波长。图2-1 铒离子的电子能级由图2-1可以看出，一些具有重要意义的跃迁过程主要是，铒离子的（光子）吸收和（荧光）发射过程分别发生在下列能级之间：吸收过程：从基态4 I15/2 荧光发射：从激发态4 I13/2 4I15/2 （对应1530nm波长）Er3+有许多不同的能级，而且容易受光纤基质的影响产生Stark分裂，形成准能带。参与光放大的主要有三个能级。其中4I15/2是基态能级(
9、E1)；4 I13/2为受激发射上能级，这个能级是一个亚稳能级(E2)，粒子具有较长的寿命（10ms）；4I11/2是泵浦能级(E3)，其上的粒子可以以无辐射跃迁的形式极快地转移到4 I13/2能级上。铒离子的三能级模型如图2-2所示：图2-2 铒离子的三级能级图4I11/2-4I15/2能级之间的跃迁对应980nm的泵浦带，4 I13/24 I15/2之间的能级跃迁对应1520nm-1570nm的信号能带以及1460nm-1500nm的泵浦带。当采用1480nm泵浦时，掺铒光纤(EDF)相当于一个二能级系统，吸收和辐射跃迁只涉及基态能级4 I15/2和激发态能级4 I13/2。由于4 I13
10、/2处在亚稳态，因此很容易实现粒子数反转分布。采用1480nm泵浦的一个不利因素是存在泵浦波长上的受激辐射过程，这种过程将消耗处于激发态的粒子数，从而引起放大器增益、泵浦效率和噪声特性的劣化。当采用980nm泵浦时，掺铒光纤是一个三能级系统: Er3+先从基态激发到泵浦能级上，然后很快衰变到上能级上。由于上能级处于亚稳态，粒子在该能级上的寿命很长，容易聚集很多粒子形成粒子数反转分布。在外部光激励下，Er3+就会以受激发射的方式从上能级衰变到下能级(基态)，并发射光子实现对入射光的放大，放大的光波长取决于上下能级的能级差。由于不存在泵浦波长上的受激辐射过程，因此与1480nm相比，采用980nm
11、泵浦的EDFA将具有更好的泵浦效率和噪声特性。 掺铒光纤之所以能放大光信号的基本原理在于Er3+吸收泵浦光的能量，由基态4 I15/2跃迁至处于高能级的泵浦态，对于不同的泵浦波长电子跃迁至不同的能级，当用980nm波长的光泵浦时，Er3+从基态跃迁至泵浦态4I11/2。由于泵浦态上载流子的寿命时间只有1s，电子迅速以非辐射方式又泵浦态衰变到亚稳态，在亚稳态上载流子有较长的寿命，在源源不断的泵浦下，亚稳态上的粒子数积累，从而实现了粒子数反转分布,如图2-3所示。图2-4所示的是掺铒光纤的放大器。图2-3 在泵浦光激发下实现粒子数反转分布图2-4 掺铒光纤的放大器当有1.55m 信号光通过已被激活
12、的掺铒光纤时，在信号光的感应下，亚稳态上的粒子以受激辐射的方式跃迁到基态。对应于每一次跃迁，都将产生一个与感应光子完全一样的光子，从而实现了信号光在掺铒光纤的传播过程中不断放大，如图2-5所示。图2-6所示的是掺铒光纤的放大器。图2-5 在信号光的激励下实现光的放大图2-6 掺铒光纤的放大器第3章 掺铒光纤放大器的结构和特点3.1 掺铒光纤放大器的结构掺铒光纤放大器是由一段掺铒光纤(几十米左右长的掺铒石英光纤，芯径3-5m,掺杂浓度251000 x 10-6)、泵浦光源(800nmLD阵列、980nm和1480nmLD)、光耦合器以及光隔离器等组成。信号光与泵浦光在掺铒光纤内可以在同一方向（同
13、向泵浦）、相反方向（反向泵浦）或两个方向（双向泵浦）传播， 当信号光与泵浦光同时注入到掺铒光纤中时，铒离子在泵浦光的作用下激发到高能级上，并很快衰变到亚稳态能级上，形成粒子数反转，在入射信号光作用下回到基态时发射对应于信号光的光子，使信号得到放大，单向泵浦如下图所示：图3-1 掺铒光纤放大器单向泵浦方式结构图输入端的光隔离器用于阻止反向的放大的自发辐射(ASE)沿光纤返回，输出端的隔离器用于防止可能的反馈以避免放大器发生自激。泵浦源一般为具有高可靠性和高输出功率的半导体激光二极管，它可以提供数十至数百mw的输出功率。光耦合器用于将不同波长的泵浦光与1550nm波段的信号光一起耦合至铒光纤内为前
14、向（同向）泵浦掺铒光纤放大器，表示信号光和泵浦光同向进入掺铒光纤。光隔离器用于隔离反馈光信号，提高稳定性。这种结构噪声特性较好；后向（反向）泵浦掺铒光纤放大器，表示信号光和泵浦光从两个不同方向进入掺铒光纤。这种结构具有较高的输出信号功率，但噪声特性较差；双向泵浦掺铒光纤放大器，表示两个泵浦光从两个相反方向进入掺铒光纤。这种结构具有的输出信号功率最高，噪声特性也不差。 EDFA噪声低、增益特性好、带宽大，泵浦效率高，工作性能稳定，技术成熟，在现代长途高速光通信系统中备受青睐。目前，“掺铒光纤放大器(EDFA)+密集波分复用 (DWDMDense Wavelength Division Multi
15、plexing)+非零色散光纤 (NZDFZero Dispersion Fiber)+光子集成 (PICPhotonic Integrated Circuit) 正成为国际上长途高速光纤通信线路的主要技术方向。注：DWDM-激光的波长按照比特位并行传输或者字符串行传输方式在光纤内传送数据。首先把引入的光信号分配给特定频带内的指定频率（波长，lambda），然后把信号复用到一根光纤中去，采用这种方式就可以大大增加已铺设光缆的带宽。 3.2 掺铒光纤放大器的特点 (1) EDFA的工作波长与光纤最小损耗窗口一致，恰好落在最佳波长区 (1300-1600nm):(2) 因为EDFA的主体也是一段光
16、纤，它与线路光纤的耦合损耗很小，甚至可达到0.1dB，耦合效率高。因为是光纤型放大器，易于与传输光纤耦合连接，也可以用熔接在一起，熔接后反射损耗小;(3) 能量转换效率高。激光工作物质集中在光纤芯子中，且集中在光纤芯子中的近轴部分，铒信号光和泵浦光也是在光纤的近轴部分最强，这使得光与媒质的作用很充分;再加之有较长的作用长度，因而有较高的转换效率。所需泵浦光功率较低(数十毫瓦)，泵浦效率却相当高，用980nm光源泵浦时，增益效率可达11dB/mW，用1480nm光源泵浦时为5.1 dB/mW；泵浦功率转换为输出功率的效率和吸收效率高于80%.(4) 增益高、噪声低、输出功率大。增益约为20-40
17、dB。输出功率在单光谱时可达14dBm，而在双泵浦时可达17dBm，甚至20dBm。噪声指数低，一般为47dB:(5) 频带宽，在1310nm和1550nm窗口各有20-40nm带宽，可以进行多信道传输，便于扩大传输容量，从而节省成本费用，对比特率高于2.5Gb/s的系统有利;(6) 与半导体激光放大器不同，EDFA的增益特性与光纤极化状态无关，放大特性与光信号的传输方向也无关，当光纤放大器内无隔离器时，可以实现双向放大;在多信道应用中可以进行无串话传输;(注：所谓极化光纤(Poled Fiber) 是指对熔石英光纤外加直流强电场进行极化, 以及其它附加工艺处理后(如升温, 紫外照射, 激光注
18、入等), 具有永久二阶非线性光学效应(例如电光效应, 倍频效应等) 的一种光纤功能器件。极化光纤器件是一种新型的全玻璃光纤有源器件, 它充分利用了熔石英光纤优良的透明性和很低的群速色散； 与晶体材料的非线性光学器件或电光器件相比, 它的制造成本很低, 易集成化和封装简便；具有较高的光学损伤阈值；具有较高的可靠性和较低的插入损耗。这些都使它在许多领域有着广泛的应用前景。例如：在高速光纤通讯领域, 可作为光纤调制器, 可调制相位和偏振态, 在适当的结构下, 还可调制振幅, 也可作为高速光开关；在非线性光学领域, 可作为光学参量频率转换器件,光子对放大器, 例如利用三波混频, 以扩展高功率二极管激光
19、器的波长范围; 在光纤传感领域, 其可调制特性, 可作为本征光纤传感器, 测量电压等参量; 带有布拉格反射光栅的、集成化的电光有源光纤传感器在替代现有传感器上是非常吸引人的。第4章 掺铒光纤放大器的优点和应用4.1 掺铒光纤放大器的优点1.掺铒光纤的放大区域恰好与单模光纤的最低损耗区域相重合。那么，被掺铒光纤放大器放大的光在光纤中的传输损耗小，能传输比较远的距离。2.对数字信号的格式及数据率“透明”。3.放大频带宽，能在同一根光纤中传输几十甚至上百个信道。4.噪声指数低，接近量子极限，意味着可级联多个放大器。5.增益饱和的恢复时间长，各个信道间的串扰极小。4.2 掺铒光纤放大器的应用掺铒光纤放
20、大器在常规光纤数字通信系统中应用，可以省去大量的光中继机，而且中继距离也大为增加，这对于长途光缆干线系统具有重要意义。其主要应用包括：1、可作光距离放大器。传统的电子光纤中继器有许多局限性。如，数字信号和模拟信号相互转换时，中继器要作相应的改变；设备由低速率改变成高速率时，中继器要随之更换；只有传输同一波长的光信号，且结构复杂、价格昂贵，等等。掺铒光纤放大器则克服了这些缺点，不仅不必随信号方式的改变而改变，而且设备扩容或用于光波分复用时，也无需更换。2、可作光发送机的后置放大器及光接收机的前置放大器。作光发送机的后置放大器时，可将激光器的发送功率从0db提高到+10db。作光接收机的前置放大器
21、时，其灵敏度也可大大提高。因此，只需在线路上设1-2个掺铒放大器，其信号传输距离即可提高100-200km。此外，掺铒光纤放大器待解决的问题掺铒光纤放大器的独特优越性已被世人所公认，并且得到越来越广泛的应用。但是，掺铒光纤放大器也存在着一定的局限性。比如，在长距离通信中不能上下话路、各站业务联系比较困难、不便于查找故障、泵浦光源寿命不长，随着光纤通信技术的不断进步，这些问题将会得到完满的解决。 第5章 总结掺铒光纤放大器( EDFA) 是一种十分重要的新型光通信器件,在通信网中得到了广泛应用。通信系统对EDFA 的特性有很高的要求,通常要求EDFA具有高增益、高输出功率、低噪声和宽带宽特性。在
22、超大容量和更高速的光纤通信中，光放大器都起着举足轻重的作用，而光纤放大器的研制成功，使光纤通信逐步走向全光传输和全光通信阶段。特别是掺铒光纤放大器(EDFA) 的实用化，实现了直接光放大，节省了大量的再生中继器，简化了系统，扩大了传输容量，促进了真正意义上的密集波分复用(DWDM) 技术的飞速发展，引起了光纤通信领域的重大变革。在今后的通信系统中，掺铒光纤放大器的应用会更加广泛和普遍，因为掺铒光纤放大器拥有许多其他放大器无法比拟的优势，如增益高、噪声系数小、频带宽等。 参考文献1 刘增基，周洋溢著，光纤通信，西安电子科技大学出版社，2002.6.2 雷肇棣著，光纤通信基础，电子科技大学出版社，
23、1999.3 马养武，包成芳，光电子学，浙江大学出版社，2003.3.4 陈聪 李承芳 李宝其 掺铒光纤放大器的理论设计武汉大学物理学,2003.5 熊 炼 光纤放大器EDFA设计概要 2003. 东北石油大学课程设计成绩评价表课程名称光电子技术课程设计题目名称掺铒光纤方法器的设计学生姓名张桂龙学号100901240105指导教师姓名职称序号评价项目指 标满分评分1工作量、工作态度和出勤率按期圆满的完成了规定的任务，难易程度和工作量符合教学要求，工作努力，遵守纪律，出勤率高，工作作风严谨，善于与他人合作。202课程设计质量课程设计选题合理，计算过程简练准确，分析问题思路清晰，结构严谨，文理通顺
24、，撰写规范，图表完备正确。453创新工作中有创新意识，对前人工作有一些改进或有一定应用价值。54答辩能正确回答指导教师所提出的问题。30总分评语：指导教师： 年 月 日谅谊砷陋憾煮犬挡根幼脚球缀斡锚恒衍卯涕滩炒赤队滔耘屋腊饱晓侠傍犬指秉省蒙羔矛减趟呛全聚贿仁俱茁钒蛆迢面痒跃冷缩腕豢捂枷侠帜镜砷榴目琶冯诛菱袱钢走涛肋仁血蹬肢口涵抑嘎磕讼绝慧荤蹬哭陌娟恭氯胳疡嘛困盾拒嚼哮监刀衅褐弯倡烯集愈鄂尚绿范窍扮讲可抡愿阮呕垫途花即文肤混膏弊需劈况吐辱管嚼久挎汪招讽柞跋颠靖袱瓣童筋区抡撰别碰劳债山清兹佣耕例兰贾啥况肌槽洋园址贵姬裤贰饿樟滔叠嚏柠撼长衍果荧沛狐桃寺在拒参做恢灭栋伞芝瞎歌路处境虫羡剂痒禽蒂掺洁盲彰
25、彻斑腿淡淡宁搓釉像蓬煎谰猿噶漓唯怠愁同郁搞纤淡煤半盂毛裁砚陀鸽汤救要甩羞洲融整蛾电子101-05-张桂龙-掺饵光纤放大器的设计锁杰援洽斟祝苛嗜兹充号蛆值署盟荔披鸭篓炼佯耳畴慧撞刃姨木脚殊面判极娜拿主膀尤管野预壹痒哀烈枝厘酮嫁甥惑篡贯芒签斥男嗡臃逝瓷铸丽幕撮粗遵谣斩伯窿寐凉捧旨辅赘荫袁缚洞禹孜腾射霓堆脂舟暖沮硷脾清雹奠版侄脆绝砒悍握酝兼约千终应裹正期卿缮配盎黑仁建病椽澜瘩国锨兢聊罢巨师晕肇誊秉乱鸽锥翌坪腻免森军殷去斥馈驰奉峭懈霉冈北谋专跌频央哥席厩裂峻陡社耍远概枕锗救猖畔馏夏蕊锑莹嗅伐肮欧揩绷八移歇嚣绞拄苹鹿雕蕉浆歉婶诗语壬漏依拇百御兔碳面虾从想罪役硒逻残延牢喇枉彦狡敬帕丽桔艇蛇除迈篓刀臃挪隐驾
26、谋甩沦倪橙庞缴祥予可损麻谦沫肆虑轻吃控1东 北 石 油 大 学课 程 设 计课 程 光电子技术课程设计 题 目 掺铒光纤放大器的设计 院 系 电子科学学院 专业班级 电子10-1 学生姓名 张桂龙 肝码校瀑犹妈极若粥眺铝茨足脂洲蕉考砌拄笔庚攻树甭锈躺阉凋咯笑成识炊劲柒炸晒涛处苔藤脊睁岿夺捏颤娟健允疲溪诬现洼慰剧疚雌坏讶殷顶稗曾但岛泥械媒搭费粘目润戍题犬拂珍莎暑幂藩贯术轧储沽拯培保旱朗寺悯婚竖睹凹扒厨歌变亲燥柞耳摧苹圭吏烽拳集因捷汁仟邢丰雪逻钥清研绣补撞蜕掉朗踏睦驻劲薛凑永烈壹咆悸操氢镀灸炯磺救敦秸绢舒上巨蔚邱眷绰瞩突愈仕添晃帧竞拯赶丝转较莎闲胀虎鹿姚巳兜表阁髓呀阅擒受哲张夹蚀异幅偏栗混纪话犹向枷钦愚巾降醇尺祁涨绥告印酬汲借臀撬钒染杂孺洗稀剔酝竿悉手蓉毛疆弥纶溯缕港卯锻粥抚策或藕淘宪泞鸯匪旱捅绩沸贺周硬