光纖通信系統光放大器設計學士學位論文(已修改)

　

【正文】 摘 要光纖通信就是利用光纖來傳輸攜帶信息的光波以達到通信的目的。光纖通信具有通信容量大、傳輸速率高、使用壽命長，等諸多特點。因而得到了普遍的應運，其中光放大器是光纖系統中的重要組成部分。光纖放大器是指運用于光纖通信線路中，實現信號放大的一種新型全光放大器。本論文介紹了摻鉺光纖放大器的相關理論。首先對光纖放大器的種類進行大致的簡介，其次闡述了摻鉺光纖放大器的歷史和發展，以及對摻鉺光纖放大器工作原理進行了介紹又介紹了仿真軟件Optisystem的使用及功能。重點關注了摻鉺光纖放大器的放大過程以及對摻餌光纖放大器各信道增益不平坦問題進行了初步研究并分析。關鍵字：Optisystem；光纖通信；摻鉺光纖放大器AbstractOptical fiber munication uses optical fiber to transmit information in order to achieve the purpose of munication. Optical fiber munication owns some advantages such as, the munication capacity, high transmission rate, long service life and so on. So it is widely used in optical amplifier and it is an important part of optical fiber systems. Fiber amplifier is a kind of signal amplifier, which is used in optical fiber munication lines to achieve a novel alloptical.This paper introduces a theory of erbium doped fiber amplifier. First, it is introduce the kinds of fiber amplifier. Secondly describes the history and development of erbium doped fiber amplifier, as well as working principle of the erbiumdoped fiber functions and the use of simulation software Optisystem are also introduced in this paper. It focuses on the amplification process of erbium doped fiber amplifier and studies and analyzes the problem that the channel gain erbiumdoped fiber amplifier is not flat.Keywords: Optisystem。Optical fiber munication。 Erbiumdoped fiber amplifier目 錄1 緒論 1 光纖通信系統中放大技術 1 光纖放大器的分類 1 半導體光放大器 2 光纖放大器 4 摻鉺光纖放大器的發展歷史 4 EDFA的發展方向 52 EDFA在密集波分復用系統中應用 7 波分復用（WDM）的基本概念 7 波分復用系統的組成 7 EDFA在WDM系統中的應用 8 WDM系統對EDFA的要求 8 密集波分復用（DWDM）原理概述 10 EDFA在密集波分復用（DWDM）系統中應用的分析 11 EDFA在DWDM系統中的作用和應用方式 11 DWDM中對EDFA的主要性能要求 133 光通訊系統和放大器設計軟件——OptiSystem 15 獨特優勢 15 應用領域 15 功能說明 164 摻鉺光纖放大器的工作原理及放大分析 19 摻鉺光纖放大器的介紹 19 EDFA的放大原理 20 EDFA的基本性能 21 EDFA的放大設計 21 模型設計布局圖 21 研究分析 22 EDFA的優缺點 31 EDFA的主要應用形式 33 EDFA的增益特性 33結 論 36致 謝 37參考文獻 38附 錄 39附錄 A 英文原文 39附錄 B 中文翻譯 48理工大學學士學位論文1 緒論 光纖通信系統中放大技術 光纖放大器的分類光放大器的開發成功及其產業化是光纖通信技術中的一個非常重要的成果，它大大地促進了光復用技術、光孤子通信以及全光網絡的發展。顧名思義，光放大器就是放大光信號。在此之前，傳送信號的放大都是要實現光電變換及電光變換，即O/E/O變換。有了光放大器后就可直接實現光信號放大。光放大器主要有3種：光纖放大器、拉曼放大器以及半導體光放大器。光纖放大器就是在光纖中摻雜稀土離子(如鉺、鐠、銩等)作為激光活性物質。每一種摻雜劑的增益帶寬是不同的。摻鉺光纖放大器的增益帶較寬，覆蓋S、C、L頻帶，摻銩光纖放大器的增益帶是S波段；摻鐠光纖放大器的增益帶在1310nm附近。而喇曼光放大器則是利用喇曼散射效應制作成的光放大器，即大功率的激光注入光纖后，會發生非線性效應喇曼散射。在不斷發生散射的過程中，把能量轉交給信號光，從而使信號光得到放大。由此不難理解，喇曼放大是一個分布式的放大過程，即沿整個線路逐漸放大的。其工作帶寬可以說是很寬的，幾乎不受限制。這種光放大器已開始商品化了，不過相當昂貴。半導體光放大器(S0A)一般是指行波光放大器，工作原理與半導體激光器相類似。其工作帶寬是很寬的。但增益幅度稍小一些，制造難度較大。這種光放大器雖然已實用了，但產量很小。 迄今為止的光纖通信系統，為了拓長通信距離都需在通信線路中設置一定數量的中繼器，以便使衰減的光信號強度得到補充。而中繼器無一例外都是采用光 —電—光的轉換方式。中繼器的這種工作模式帶來了不少問題，如使得成本高，系統復雜，可靠性降低等。于是，人們設想，是否用光放大器直接進行光信號放大，以實現全光通信。經過多年的不懈努力，各種各樣的光放大器終于問世了。在光通信技術的發展進程中，不斷取得新的突破，其中尤以光放大器，特別是摻鉺光纖放大器（EDFA）的發明最為激動人心。它使光通信技術產生了革命性的變化：用相對簡單價廉的光放大器，代替長距離光纖通信系統中傳統使用的復雜昂貴的光—電—光混合式中繼器，從而可實現比特率及調制格式的透明傳輸， 升級換代也變得十分容易， 尤其是性能十分優秀的 EDFA 與 WDM 技術的珠聯璧合，奠定了高速大容量WDM 光通信系統與網絡大規模應用的基礎。光放大器主要有兩類：光纖光放大器和半導體光放大器。光纖放大器又分為兩種，即摻稀土元素的光纖放大器和利用常規光纖的非線性效應（如受激拉曼散射，受激希里淵散射等）的光放大器[1]。半導體光放大器主要是半導體激光放大器。 半導體光放大器半導體光放大器的結構半導體光放大器是一種把發光器件一一半導體激光器結構作為放大裝置使用的器件，因為具有能帶結構，所以其增益帶寬比采用光纖放大器的寬。另外，通過改變所使用的半導體材料的組成可以使波長使用范圍超過100nm，這是半導體光放大器的一個突出特點。半導體光放大器由有源區和無源區構成，有源區為增益區，使用Inp這樣的半導體材料制作，與半導體激光器的主要不同之處是SOA帶抗反射涂層，以防止放大器端面的反射，排除共振器功效。抗反射涂層就是在端面設置單層或多層介質層。以平面波人射單層介質層時，抗反射膜的條件相對于厚度為1/4波長。實際的放大器，傳輸光是數微米的點光，可以研究假想波導模嚴格的無反射條件。去除端面反射影響的另一種方法，也可以采用使端面傾斜的方法和窗結構。把光放大器作為光通信中繼放大器使用，入射光的偏振方向是無規則的，最好是偏振波依賴性小的放大器。為了消除這種偏振波依賴性，可以引人運用窄條結構使激活波導光路近似正方形斷面形狀的方法和施加抗張應力，以增大TM波增益的應變量子阱結構。目前，實現偏振無關半導體光放大器的方法有很多種，如張應變量子阱結構、應變補償結構、同時采用張應變量子阱和壓應變量子阱的混合應變量子阱結構等。采用脊型波導結構的應變量子阱光放大器基本結構圖。有源區4C3T采用混合應變量子阱結構，即4個壓應變量子阱，3個張應變量子阱，接觸層為重P型摻雜IaGaAsP材料，材料的外延法生長過程中，n型摻雜源為硅烷，p型摻雜源為二甲基鋅材料；生長完成后，采用標準的光刻、反應離子刻蝕、濕法腐蝕、蒸發、濺射等工藝制作脊型波導結構。半導體光放大器的原理半導體光放大器的原理與摻稀土光纖放大器相似但也有不同，其放大特性主要取決于有源層的介質特性和激光腔的特性。它雖也是粒子數反轉放大發光但發光的媒介是非平衡載流子即電子空穴對而非稀有元素。半導體的發光可根據激發方式的不同分為光致發光、電致發光和陰極發光等。光致發光是指用半導體的光吸收作用來產生非平衡載流子，實際上是一種光向另一種光轉換的過程。電致發光是指用電學方法將非平衡載流子直接注人到半導體中而產生發光，這常借助于PN結來完成。在半導體中電子的能級限制在導帶和價帶兩個帶內，在導帶中電子充當移動載流子，在價帶中空穴充當載流子。 半導體在外界激發下，可將價帶中的電子激發到導帶中，同時在價帶中留下空穴，所產生的電子和空穴分別躍遷到導帶底和價帶頂，這一過程只與晶格交換能量而不產生光發射，稱為無輻射躍遷，與此同時，導帶底的電子還要躍遷到價帶頂與空穴復合，并同時發射光子，二者形成動態平衡，與熱平衡狀態下的情況不同，這時的電子和空穴為非平衡載流子，載流子的分布不再是費米統計分布。由于電子從導帶底躍遷到價帶頂的時間常數即輻射壽命與無輻射躍遷的時間常數相比相對較長，所以可以認為電子和空穴各自保持熱平衡狀態，對載流子的這種準平衡狀態分別用準費米能級和來表示。半導體的輻射躍遷包括自發躍遷和受激躍遷兩個過程。自發輻射躍遷是指占據高能態的電子可以自發地躍遷到低的空能態與空穴復合，同時發射一個光子，這一過程稱為自發輻射發光受激輻射躍遷是指與一個理想的光子相互作用后導致的受激輻射。這兩個過程類似于摻餌光纖放大器(EDFA)中的自發輻射和受激輻射過程。半導體在外界激勵下會產生非平衡載流子，半導體在泵浦光激勵下怎樣產生光放大為了盡可能簡單，假設半導體在0 K，費米能級在禁帶的中間位置，因此在Ep以下的每個有效能級上被電子充滿，則半導體將吸收子。如果半導體未受光泵浦激勵，則半導體將吸收光子，其實半導體的兩個能帶所扮演的角色類似于EDFA中的能帶E1和E2所起的作用，只是它的能帶比EDFA的能帶更寬。一個帶隙Ex把處在下面的導帶和上面的價帶分開，這樣，從一個能帶轉移到另一個能帶內所發生的能量改變至少是Eg，因此，若hvE則半導體吸收光子，當吸收了泵浦光子后就會在導帶中產生電子，而在價帶中留下空穴，然后電子和空穴都迅速向能帶的最底點弛豫，并通過發射一個能量為禁帶寬度能量的光子復合。如果泵浦源的強度越來越大，電子將會趨向于累積在導帶的底部，空穴趨向于累積在價帶的頂部，直到電子空穴對的產生和復合達到動態平衡為止。如果假設帶內馳豫過程比帶間復合速率快得多，那么可以利用準費米能級Epn和Epp來描述電子空穴的數目。于是導帶底和Epn之間的每個態都被添滿，而價帶頂和之間的所有態都是空的，從而實現光放大。通過適當的選擇半導體材料，就可獲得能使發射或吸收波長處于光通信所需要的范圍(如1300nm或1550nm)內的帶隙。 光纖放大器 光纖放大器不但可對光信號進行直接放大，同時還具有實時、高增益、寬帶、在線、低噪聲、低損耗的全光放大功能，是新一代光纖通信系統中必不可少的關鍵器件；由于這項技術不僅解決了衰減對光網絡傳輸速率與距離的限制，更重要的是它開創了1550nm頻段的波分復用，從而將使超高速、超大容量、超長距離的波分復用（WDM）、密集波分復用（DWDM）、全光傳輸、光孤子傳輸等成為現實，是光纖通信發展史上的一個劃時代的里程碑。在目前實用化的光纖放大器中主要有摻鉺光纖放大器（EDFA）、半導體光放大器（SOA）和光纖拉曼放大器（FRA）等，其中摻鉺光纖放大器以其優越的性能現已廣泛應用于長距離、大容量、高速率的光纖通信系統、接入網、光纖CATV網、軍用系統（雷達多路數據復接、數據傳輸、制導等）等領域，作為功率放大器、中繼放大器和前置放大器。光纖放大器一般都由增益介質、泵浦光和輸入輸出耦合結構組成。目前光纖放大器主要有摻鉺光纖放大器、半導體光放大器和光纖拉曼放大器三種，根據其在光纖網絡中的應用，光纖放大器主要有三種不同的用途：在發射機側用作功率放大器以提高發射機的功率；在接收機之前作光預放大器以極大地提高光接收機的靈敏度；在光纖傳輸線路中作中繼放大器以補償光纖傳輸損耗，延長傳輸距離。 摻鉺光纖放大器的發展歷史摻鉺光纖放大器(Erbium Doped Fiber Amplifier ，縮寫為EDFA)是90年代開始在光纖傳輸系統中應用的新型器件，它的推廣應用為光纖通信技術帶來了一場革命。前期的工作是研究光纖激光器和研究摻稀土元素光纖，后來發現了在光纖中摻鉺元素能夠實現放大的作用，人們用摻鉺光纖制作成功摻鉺光纖放大器。何謂CATV用摻鉺光纖放大器它的應用狀況如何？在近幾年來，光纖CATV系統特別是1500nm光纖CATV系統包括模擬系統和數字系統在我們國家迅速發展，摻鉺光纖放大器在光纖CATV系統中也得到了廣泛應用。功率放大器是在CATV系統的前端將發射機的輸出光放大后再進行分配，以供各方向的光纖干線傳輸用。功率放大器與功率分配器也可考慮做成兩段重復使用[2]。從遠離前端處將光纖干線分支時，可在分支前面接入摻鉺光纖放大器，作為線路放大器，以補償分支損