掺铒光纤放大器原理与发展.docx-资料库

掺铒光纤放大器原理与发展摘要随着大容量、长距离光纤通信系统的快速发展，掺铒光纤放大器（ EDFA）越来越受到了人们对关注。 EDFA 的研制成功，推动了光纤通信向全光传输的方向发展。掺铒光纤（ EDF）作为增益介质，是 EDFA 的关键组成部分，其结构设计和制造工艺也受到了广泛的研究。本文分析了掺铒光纤（ EDF）的物理特性和放大原理。综述了国内外光纤工业的发展以及掺铒光纤的发展。从理论上分析了掺铒光纤的物理特性和放大特性，着重讨论了掺铒光纤的放大原理，并介绍了掺铒光纤的优化设计以及影响掺铒光纤性能的主要因素。单纤双向传输不仅可以提高系统容量，还可以节约 50%的传输光纤，这对于降低成本非常有益，同时存在光载波和经调制后反射回来的光信号在单根光纤链路中传输，介绍了基于 EDFA 的理论基础和结构模型开始对双向掺铒光纤放大器。关键词：掺铒光纤放大器 (EDFA)，单纤双向，制备工艺

ABSTRACT big the and capability Along with the rapid development of the optical communication system with on distance, Erbium-doped fiber amplifier (EDFA) is paid more and more attention on. The successful development of EDFA promotes the fiber communication system to evolve to the whole-optical transmission. Erbium-doped fiber (EDF) as the plus medium is the key component of EDFA. research long are theoretically amplification analyzed. The This paper analyzes the physical properties and amplification principle of erbium-doped fiber (EDF). The development of optical fiber industry at home and abroad and the development of erbium-doped fiber are reviewed. The physical properties and amplification characteristics of erbium-doped fiber of erbium-doped fiber is discussed. The optimal design of erbium-doped fiber and the main factors affecting the performance of erbium-doped fiber are introduced. Single-fiber bidirectional transmission can not only increase the system capacity, but also save 50% of the transmission fiber, which is very beneficial for reducing the cost. At the same time, the optical carrier and the modulated and reflected optical signal are transmitted in a single fiber link. The theoretical basis and structural model based on EDFA begins with bidirectional erbium-doped fiber amplifiers. principle Keywords: Erbium doped fiber amplifier ， Single fiber bidirectional ， Preparation Process

第一章绪论 1.1 课题研究背景随着人类社会的加速推进，进入到二十一世纪已经是一个信息爆炸的时代了，随着一大批新兴产业的兴起，加上人们对于高质量高品质生活的追求，从国计民生到国家战略，足以看出这些产业对人类社会发展的重要性。在这些新型产业的推动下，加上智能终端设备的普及，对带宽的需求日益增加。展望接下来的几十年，即将迎来大数据和人工智能大力发展的的关键时期，数据将会呈现井喷式增长，智慧城市，智能家居等智能化终端设备的研究也在如火如荼的进行之中，现在的社会，互联网，手机以及各种智能穿戴设备普及率已经非常高了，人们随时随地就能够进行视频对话，开视频会议等等，由此可见，这些因素都是推动光纤通信技术进一步发展的催化剂，使得光纤通信能朝着大容量，更高速，更宽带化的方向发展 [1] [2]。 1.2 国内外光纤工业的发展在 21 世纪，随着光纤越来越深地进入语音，数据和图像等领域，光纤将越来越多地代替铜缆，光纤光缆代替通信电缆成为必然的趋势。正是因为这种原因，国际上一些大的光纤生产企业都在扩大生产。2000 年，美国的康宁公司进行了三次扩产，总投资超过 12 亿美元，其目标是使康宁系列光纤的产量占全球光纤产量的 1/2，法国的阿尔卡特计划在两年内使其光纤生产能力扩大三倍，日本的藤仓公司和古河公司也在扩大其光纤生产规模。古河公司收购了美国朗讯公司的光纤部门后，其光纤产量一跃为全球第二。在国际大环境地影响下，我国光纤通信也得到迅速发展，在 80 年代初，我国研制出长波长纤维多模光纤并投入商用，在武汉建立了 13.3km 的短波长和长波长的实用化市内光纤线路，码率为 8Mbit/s 和 34Mbit/s。 80 年代末期，我国研制出单模光纤和 140Mbit/s 光纤通信系统，并且投入商用。1991 年在合肥至芜湖建立直埋的单模光缆线路，码率 140Mbit/s ，距离 35km 。到 90 年代中期，我国敷设的光缆达到 60000km。目前我国己经在华东经济发达地区建立大容量的 565Mbit/s 的高速系统。我国现在己有一定规模的光纤通信产业，能够生产光纤，光缆，光电器件，光端机，以及仪器，比较完整。但是我国的光纤通

信技术与国际发达国家相比还是有很大差距。自 20 世纪 70 年代以来，有关光纤生产工艺的专利多数为美国的康宁和朗讯公司所有，我国的许多光纤生产公司都是和外国企业合资合作，具有自主知识产权的公司很少。在 1997 年以前，我国使用的光纤的 80%以上依靠进口。当前中国 18 家光纤企业年产能近 3000 万公里，而市场占有率仅 13%左右，除长飞外，其它光纤企业完全建成后，预测产能达每年 3500 万公里，而 2003 年实际销售量估计不足 500 万公里，当前市场占有率不足 7%。 1.3 掺铒光纤的发展现代光纤制造技术已经把光纤损耗降低到了理论极限值，但在长距离通信中，光纤的损耗和色散仍不可避免，所以需要每隔一段距离增加一个再生中继器来保证信号的传输质量。传统的光通信系统采用光电再生中继，电子线路 10Gbit/s 的响应极限成为限制光通信速率以及容量的“ 电子瓶颈 ”，所以要寻求一种光信号直接放大的方法。掺稀土元素光纤是将稀土离子掺入光纤的纤芯中，利用稀土离子特殊的光谱特性，将泵浦光转化为所需要的信号光，使光能从泵浦波长转换到信号波长，并实现增益或放大。这种光纤是制作光纤激光器的关键元件。由于其具有圆柱形波导结构，芯径小，很容易实现高密度泵浦，激射阈值低，散热性能好，其芯径大小与通信光纤相匹配，耦合容量及效率高，可形成传输光纤与有源光纤的一体化，是实现全光通信的基础。光纤放大器的研究最早是在六十年代中期。 1964 年， C.Koester 和 E.Snitzer 首先提出了掺杂光纤放大器的构想，发现光纤中掺入稀土元素钕（ Nd3+）能够实现光放大。1985 年，英国南安普顿大学 Poole 等使用 MCVD（改进的化学汽相沉积法）制备了低损耗的掺铒光纤（ EDF）， 1987 年 Mears 等研制了 EDFA（掺铒光纤放大器），可以在 1.55 µm 波长上实现光增益，这正是通信系统的低损耗窗口，这也是掺铒光纤得到广泛研究以至商业化生产的原因。采用 EDFA 可以直接放大光信号，实现全光中继，延长通信距离，降低成本。 1989 年日本 NTT 公司又首先用 1.48 µm 的 In Ga As P 半导体激光器成功地泵浦了 EDFA 。 EDFA 成为最早实用的光纤放大器，和密集波分复用（ DWDM ）一起改变了光

纤通信的发展格局，使长距离、大容量的光纤通信系统成为可能。掺稀土光纤放大器除了最突出的掺铒光纤放大器外，还有掺其他稀土元素的光纤放大器，如钕（ Nd）、镨（ Pr）、镱（ Yb）、钬（ Ho）等，掺入不同的稀土离子会表现出不同的荧光和激光发射特性。由于 EDFA 可直接放大光信号，结构简单，性能稳定，对偏振不敏感，输出功率大，因此，长期以来掺铒光纤（ EDF）和 EDFA 的研究受到特别的重视 [3]。第二章掺铒光纤的相关理论对光放大器的研究已经有很长一段时间，在种类上来说很丰富，EDFA 由于研究比较成熟，商用化程度较高，因此本文基于常规 EDFA 的原理和结果来进行双向掺铒光纤放大器的优化改进设计，在着手双向 EDFA 的设计之前，有必要先对常规单向掺铒光纤放大器的结构、原理、理论模型、以及影响 EDFA 性能的一些特性参数有所了解，本章的内容围绕这个思路展开。 2.1 掺饵光纤的物理特性 2.1.1 光纤的掺杂掺铒光纤是使 EDFA 具有放大特性的关键技术之一，它多用石英光纤作为基质，也有采用氟化物光纤的。在细微的光纤芯中掺入固体激光工作物质 -三阶铒离子，与铒一起掺在纤芯部分，作为折射率提升元素的通常还有锗（ Ge）或铝（ Al）。光纤的掺杂有一个最佳掺杂浓度的问题，一般用光纤中掺杂粒子的质量占光纤芯总质量的比例来衡量掺杂浓度，以 ppm 表示。如果掺杂浓度低，入射光子数超过了掺杂离子数，处于基态的离子有可能被耗尽，从而限制了信号的放大。要想提高增益需加大掺杂的离子浓度，但离子浓度增高会带来两方面的问题：第一是浓度猝灭，即较高的掺杂浓度将导致相邻能级无辐射交叉驰豫，使激光上能级的粒子数下降，产生猝灭；第二，在掺杂光纤中，非晶体的稀土元素离子，在荧光谱中出现附加的窄线谱，材料中的微晶结构将受到泵浦激光波长的精确度的影响。为获得最好的激光输出，最佳掺杂比一般为数百 ppm[4]。

2.1.2 掺铒光纤的工艺制造掺铒光纤的制造是以传统的改进化学气相沉积工艺、气相轴向沉积工艺、外气相沉积工艺为基础，结合气相掺杂技术或液相掺杂技术来完成的，其中液相掺杂技术使用的更为普遍。在掺铒光纤放大器技术中，掺铒光纤工艺至关重要，在光纤中可认为信号光与泵浦光的场近似高斯分布，在光纤芯轴线上的光强最强。所以掺杂时尽量使杂质粒子集中在近轴区域，以使光与物质的作用最充分，从而提高能量转换效率。一般单模光纤纤芯直径在 9 微米左右，如果将掺杂光纤拉得比常规光纤更细，可提高信号光和泵浦光的能量密度，从而提高其相互作用的效率。但芯径的减小将会带来新的问题，芯径小的掺杂光纤与常规光纤的模场不匹配，从而带来较大的反射和连接损耗。通常的解决办法是在光纤中掺氟 (F)元素，以降低其折射率（但并不改变半径），从而改变模场直径，使之增大到与常规光纤可匹配程度，此时连接损耗可以降至 0.5dB 以下，这种方法称为扩散成锥法，即在光纤尾端形成模场直径锥。在掺铒光纤的制造过程中还有一个最佳掺杂光纤长度的问题。掺杂光纤太短，掺杂离子对泵浦光的吸收不充分，不能形成离子数反转；掺杂光纤太长，在输出端介质吸收激光光子，使输出功率下降。因而掺铒光纤存在一个最佳长度，以获得最小的阀值功率，使所能得到的泵浦光子数和离子反转数在泵浦端达到最大值，以充分得到高的泵浦光转换效率。 2.2 掺铒光纤的放大特性 2.2.1 掺杂光纤放大机理掺稀土元素的光纤是增益介质。当光束入射进光纤，由于介质的吸收，入射光所携带的能量将介质中的电子激发到较高的能级，通过弛豫，电子从高能级跃迁到基态而释放能量，发射出光子。光子的发射有两种形式：（ 1）自发辐射，即原来处于激发态上能级的电子数随时间呈指数减少，产生自发辐射；（ 2）受激辐射，即一个能量等于激发能级与基态能级之差的光子入射到介质中时，激发一个与入射光子同相位的光子，其具有相干性，产生受激辐射。用光子能量较高的光源进行泵浦，使受激辐射所占的比例

大于自发辐射。在存在增益的条件下，受激辐射所产生的光子继续诱发受激辐射，使光子流增强，当满足如下条件时，产生放大和产生激光：（ 1）离子数反转，处于激光上能级的粒子数超过处于激光下能级的离子数，介质受激辐射，产生增益和放大；（ 2）高于阀值功率进行泵浦，形成离子数反转，产生激光输出，且输出功率基本正比于输入的泵浦功率。 2.2.2 掺铒光纤的放大原理掺铒光纤的信号放大是利用其中 3+Er 离子在泵浦光作用下的受激辐射实现的。采用 980nm 泵浦光抽运时，它属于三能级系统，处于基态能级 2/154I 的 3+Er 离子跃迁到高能级 2/114I ，由于离子在 2/114I 能级上寿命很短，停留 1µs 后无辐射弛豫到亚稳能级 2/134I 上，形成粒子数反转。当能量等于 2/134I 和 2/154I 之间能量差的信号光（ 1520~l560nm）通过掺铒光纤时，就产生受激辐射，信号光被放大。受激亚稳态的长寿命（约 10ms）保证大多数 3+Er 离子能等待通过受激发射放大信号，但在掺铒光纤中，除受激发射外，亚稳态能级上的粒子还存在着自发发射。自发发射无规律性，而且向各个方向，其中被掺铒光纤波导俘获而在光放大器中传输的那部分自发发射光也被放大器放大，这就是被放大的自发发射，简称为 ASE。与信号同向传输的被称为前向 ASE，相对于信号反向传输的被称为后向 ASE。自发辐射与光信号伴生毫无益处，它与待放大的光信号一起参与激光物质粒子的受激

辐射，与信号竞争，自身得到放大，同时消耗高能级的粒子，降低信号增益。更严重的是放大了的自发辐射传到接收端，在对光信号进行检波时与信号光一起形成拍频噪声，这将降低系统的信噪比，限制光接收机的灵敏度。第三章掺铒光纤的放大特性 3.1 影响 EDFA 的主要指标对 EDFA 的结构，原理以及理论模型的深入剖析能更加深我们对于 EDFA 的理解和认识，为了更好的设计出符合系统要求，性能更优的掺铒光纤放大器，有必要探究一下影响 EDFA 性能的的几个主要的指标参数。在众多的衡量 EDFA 的性能的参数之中最重要的有四个性能参数 :增益，噪声系数，饱和输出功率和带宽。 3.1.1 增益特性功率增益用 G 可以表示成：上式中， Pout 和 Pint 分别表示的是输出功率和输入信号功率，它们的二者的比值就表示 G， G 代表的是 EDFA 的放大能力或者说是放大效果，影响 G 的大小的因素有很多，其中铒纤的本身参数如泵浦功率、铒纤长度的取值、掺铒离子的浓度以及铒纤的工作条件如泵浦方式、泵浦光功率以及输入信号光的波长、功率等作为主要的影响因子其取值情况能直接影响到 G 的大小，从而影响 EDFA 的性能。 3.1.2 饱和增益特性能够致使 EDFA 出现增益饱和的缘故有两种，下面分别介绍一下，第一种是由泵浦功率导致的增益饱和，这种情况的状态一般是当控制铒纤长度为一定值时，增益就会随着泵浦功率的增加而增加，当泵浦功率继续增大增益值不再增加而是趋于平缓，原因在前节已经说明，还有第二种，这一种是由于输入光信号而导致出现增益饱和，状况是控制泵浦功率为一定值，一开始输入小信号功率。增益值是随着信号的增加而逐渐增大的，但是当输入光功率增大到某一个值之后，开始出现增益慢慢

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