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1、光纤通信技术光纤放大器光导纤维通信简称光纤通信，原理是利用光导纤维传输信号，以实现信息传递的一种通信方式。实际应用中的光纤通信系统使用的不是单根的光纤，而是许多光纤聚集在一起的组成的光缆。光纤放大器不但可对光信号进行直接放大，同时还具有实时、高增益、宽带、在线、低噪声、低损耗的全光放大功能，是新一代光纤通信系统中必不可少的关键器件。名 称：光纤放大器关键字：光纤放大器 EDFA 半导体放大器 光纤曼放大器摘要：光放大器的开发成功及其产业化是光纤通信技术中的一个非常重要的成果，它大大地促进了光复用技术、光弧子通信以及全光网络的发展。顾名思义，光放大器就是放大光信号。在此之前，传送信号的放大都是要
2、实现光电变换及电光变换，即O/E/O变换。有了光放大器后就可直接实现光信号放大。光放大器主要有3种：光纤放大器、拉曼放大器、半导体光放大器。光纤放大器就是在光纤中掺杂稀土离子（如铒、镨、铥等）作为激光活性物质。每一种掺杂剂的增益带宽是不同的； 掺铥光纤放大器的增益带是S波段；掺镨光纤放大器的增益带在1310nm附近。而喇曼光放大器则是利用喇曼散射效应制作成的光放大器，即大功率的激光注入光纤后，会发生非线性效应?喇曼散射。在不断发生散射的过程中，把能量转交给信号光，从而使信号光得到放大。由此不难理解，喇曼放大是一个分布式的放大过程，即沿整个线路逐渐放大的。其工作带宽可以说是很宽的，几乎不受限制。
3、这种光放大器已开始商品化了，不过相当昂贵。半导体光放大器（S0A）一般是指行波光放大器，工作原理与半导体激光器相类似。1.引 言无线光通信是以激光作为信息载体，是一种不需要任何有线信道作为传输媒介的通信方式。与微波通信相比，无线光通信所使用的激光频率高，方向性强(保密性好)，可用的频谱宽，无需申请频率使用许可；与光纤通信相比，无线光通信造价低，施工简便、迅速。它结合了光纤通信和微波通信的优势，已成为一种新兴的宽带无线接人方式，受到了人们的广泛关注。但是，恶劣的天气情况，会对无线光通信系统的传播信号产生衰耗作用。空气中的散射粒子，会使光线在空问、时间和角度上产生不同程度的偏差。大气中的粒子还可能
4、吸收激光的能量，使信号的功率衰减，在无线光通信系统中光纤通信系统低损耗的传播路径已不复存在。大气环境多变的客观性无法改变，要获得更好更快的传输效果，对在大气信道传输的光信号就提出了更高的要求，一般地，采用大功率的光信号可以得到更好的传输效果。随着光纤放大器(EDFA)的迅速发展，稳定可靠的大功率光源将在各种应用中满足无线光通信的要求。2.光纤放大器的发展方向由于超高速率、大容量、长距离光纤通信系统的发展，对作为光纤通信领域的关键器件光纤放大器在功率、带宽和增益平坦方面提出了新的要求，因此，在未来的光纤通信网络中，光纤放大器的发展方向主要有以下几个方面： (1)EDFA从C-Band向L-Ban
5、d发展； (2)宽频谱、大功率的光纤拉曼放大器； (3)将局部平坦的EDFA与光纤拉曼放大器进行串联使用，获得超宽带的平坦增益放大器； (4)发展应变补偿的无偏振、单片集成、光横向连接的半导体光放大器光开关； (5)研发具有动态增益平坦技术的光纤放大器； (6)小型化、集成化光纤放大器。 随着新材料、新技术的不断突破，光纤放大器在12921660nm波长范围内获得带宽为300nm超宽带将不是梦想，Tbit/sDWDM光网络传输系统将一定会实现。光纤放大器一般都由增益介质、泵浦光和输入输出耦合结构组成。目前光纤放大器主要有掺铒光纤放大器、半导体光放大器和光纤拉曼放大器三种，根据其在光纤网络中的应
6、用，光纤放大器主要有三种不同的用途：在发射机侧用作功率放大器以提高发射机的功率；在接收机之前作光预放大器以极大地提高光接收机的灵敏度；在光纤传输线路中作中继放大器以补偿光纤传输损耗，延长传输距离。光放大器不但可对光信号进行直接放大，同时还具有实时、高增益、宽带、低噪声、低损耗的全光放大功能，是新一代光纤通信系统中必不可少的关键器件；由于这项技术不仅解决了衰减对光网络传输速率与距离的限制，更重要的是它开创了1550nm频段的波分复用，从而将使超高速、超大容量、超长距离的波分复用（WDM）、密集波分复用（DWDM）、全光传输、光孤子传输等成为现实，是光纤通信发展史上的一个划时代的里程碑。在目前实用
7、化的光纤放大器中主要有掺铒光纤放大器（EDFA）、半导体（SOA）和光纤拉曼放大器（FRA）等，其中掺铒光纤放大器以其优越的性能现已广泛应用于长距离、大容量、高速率的光纤通信系统、接入网、光纤CATV网、军用系统（雷达多路数据复接、数据传输、制导等）等领域，作为功率放大器、中继放大器和前置放大器。3.光纤放大器原理及分类3.1 EDFA的原理EDFA的泵浦过程需要使用三能级系统，在掺铒光纤中注入足够强的泵浦光，就可以将大部分处于基态的Er3+离子抽运到激发态，处于激发态的Er3+离子又迅速无辐射地转移到亚稳态。由于Er3+离子在亚稳态能级上寿命较长，因此很容易在亚稳态与基态之间形成粒子数反转。
8、当信号光子通过掺铒光纤时，与处于亚稳态的Er3+离子相互作用发生受激辐射效应，产生大量与自身完全相同的光子，这时通过掺铒光纤传输的信号光子迅速增多，产生信号放大作用。Er3+离子处于亚稳态时，除了发生受激辐射和受激吸收以外，还要产生自发辐射(ASE)，它造成EDFA的噪声。掺铒光纤放大器(EDFA)具有增益高、噪声低、频带宽、输出功率高、连接损耗低和偏振不敏感等优点，直接对光信号进行放大，无需转换成电信号，能够保证光信号在最小失真情况下得到稳定的功率放大。3.2 EDFA的结构典型的EDFA结构主要由掺铒光纤(EDF)、泵浦光源、耦合器、隔离器等组成。掺铒光纤是EDFA的核心部件。它以石英光纤
9、作为基质，在纤芯中掺人固体激光工作物质铒离子，在几米至几十米的掺铒光纤内，光与物质相互作用而被放大、增强。光隔离器的作用是抑制光反射，以确保放大器工作稳定，它必须是插入损耗低，与偏振无关，隔离度优于40 dB。3.3 EDFA的特性及性能指标增益特性表示了放大器的放大能力，其定义为输出功率与输入功率之比，Pout,Pin分别表示放大器输出端与输入端的连续信号功率。增益系数是指从泵浦光源输入1 mW泵浦光功率通过光纤放大器所获得的增益。g0是由泵浦强度定的小信号增益系数，由于增益饱和现象，随着信号功率的增加，增益系数下降；Is，Ps分别为饱和光强和饱和光功率，是表明增益物质特性的量，与掺杂系数、
10、荧光时间和跃迁截面有关。增益和增益系数的区别在于：增益主要是针对输入信号而言的，而增益系数主要是针对输入泵浦光而言的。另外，增益还与泵浦条件(包括泵浦功率和泵浦波长)有关，目前采用的主要泵浦波长是980 nm和1 480 nm。由于各处的增益系数是不同的，而增益须在整个光纤上积分得到，故此特性可用以通过选择光纤长度得到较为平坦的增益谱。3.4 EDFA的带宽增益频谱带宽指信号光能获得一定增益放大的波长区域。实际上的EDFA的增益频率变化关系比理论的复杂得多，它还与基质光纤及其掺杂有关。在EDFA的增益谱宽已达到上百纳米而且增益谱较平坦。ED-FA的增益频谱范围在1 5251 565 nm之间。
11、3.5 EDFA的级联结构EDFA对光信号功率的放大，特别在无线光通信大功率(瓦级)应用中，常常采用级联的方式，比如两级或者三级放大。之所以采用级联的方式，是因为在EDFA的掺铒光纤(EDF)中插入一个光隔离器，构成带光隔离器的两段级联EDFA，由于光隔离器有效地抑制了第二段：EDF的反向自发辐射(ASE)，使其不能进入第一段EDF，减少了泵浦功率在反向ASE上的消耗，使泵浦光子更有效地转换成信号光能量，从而可以明显改善EDFA的增益、噪声系数和输出功率等特性。本文采用丽级级联放大，将12 mW的1 550 nm光信号，经EDFA放大到1 W左右。级联结构如图3所示。光信号由LD激光器产生，是
12、已调制的信号，第一级放大采用单包层掺铒光纤放大器，980 nm单模半导体激光器作为泵浦源，将光功率放大到50 mW附近。第一级采用单模半导体激光器泵浦，先将光信号稳定可靠的放大到一定功率，保证了整个光信号的完整，又为下一级光放大提供了较高的光功率基础。第二级采用双包层光纤放大器，多模半导体激光器泵浦源将光功率放大到1 W左右。双包层光纤放大器纤芯比单包层纤芯大，泵浦功率可以有效地耦台到纤芯中，使第二级光信号的输出功率可达到瓦级。3.6 影响增益的因素EDFA的增益与诸多因素有关，如掺铒光纤的长度，随着掺铒光纤长度的增加，增益经历了从增加到减少的过程，这是因为随着光纤长度的增加，光纤中的泵浦功率
13、将下降，使得粒子反转数降低，最终在低能级上的铒离子数多于高能级上的铒离子数，粒子数恢复到正常的数值。由于掺铒光纤本身的损耗，造成信号光中被吸收掉的光子多于受激辐射产生的光子，引起增益下降。由上述讨论可知，对于某个确定的入射泵浦功率，存在着一个掺铒光纤的最佳长度，使得增益最大。EDFA的增益还跟输入光的程度、泵浦光功率及光纤中铒离子Er3+的浓度都有关系，如小信号输入时的增益系数大于大信号输入时的增益系数。当输入光弱时，高能位电子的消耗减少并可从泵激得到充分的供应，因而，受激辐射就能维持达到相当的程度。当输入光变强时，由于高能位的电子供应不充分，受激辐射光的增加变少，于是就出现饱和。泵浦光功率越
14、大，掺铒光纤越长，3 dB饱和输出功率也就越大。其次与当Er3+的浓度超过一定值时，增益反而会降低，因此要控制好掺铒光纤的铒离子浓度。采用EDFA后，提高了注入光纤的功率，但当大到一定数值时，将产生光纤非线性效应和光泄漏效应，这影响了系统的传输距离和传输质量。另外色散问题变成了限制系统的突出问题，可以选用G653光纤(色散位移光纤DSF)或非零色散光纤(NZDF)来解决这一问题。3.7 EDFA级联的改进之所以采用EDFA级联的方式，一是插入两级间的光隔离器有效地抑制了第二段EDF的反向自发辐射(ASE)，使其不能进入第一段EDF，减少了泵浦功率在反向ASE上的消耗，使泵浦光子更有效地转换成信
15、号光能量；二是分为两级后，各自的增益可以任意分配，可以根据不同的增益要求和应用环境改变相应的增益。但是，要在保证信号无失真的情况下得到最佳的光功率增益，还需要解决一些问题：(1)由于增益分为两级，如何分配两级问的增益才能在现有的EDF、泵浦源功率等条件下使得光放大的实现更容易，这与EDF的放大能力，泵浦远功率大小、稳定性，泵浦光波长及其模式等均有密切相关。(2)在每一级各自一定的泵浦功率下，找到掺铒光纤的最佳长度。当EDF过短时，由于对泵浦吸收的不充分而导致增益降低；而当EDF过长时，由于泵浦光在EDF内被铒离子吸收，泵浦功率逐渐下降，当功率降至泵浦阈值以下时，就不能形成粒子数反转，此时，这部
16、分EDF不仅对信号光无放大作用，反而吸收了已放大的部分信号，造成增益的下降，同时也会引起噪声系数的增大。(3)如果需要更高的光功率输出，几十瓦甚至上百瓦，可考虑更高级联的方法，因为随着增益的增大，泵浦源由于转换效率的问题，功率需求会很高，所需的单级EDF长度也会大大增长，这样的工作条件往往不易达到，且稳定性不强，采用更高级联可以将增益划分到多级，易于实现和控制，光模块的整体增益特性也有较大提高。3.9掺铒光纤放大器 掺铒光纤放大器是利用掺铒光纤这一活性介质，当泵浦光输入到EDF中时，就可以将大部分处于基态的Er3+抽运到激发态上，处于激发态的Er3+又迅速无辐射地转移到亚稳态上，由于Er3+在
17、亚稳态上的平均停留时间为10ms，因此很容易在亚稳态与基态之间形成粒子数反转，此时，信号光子通过掺铒光纤，在受激辐射效应作用下产生大量与自身完全相同的光子，使信号光子迅速增多，这样在输出端就可以得到被不断放大的光信号。自80年代末至90年代初研制成掺铒光纤放大器（EDFA），并开始应用于1.55mm频段的光纤通信系统以来，推动了光纤通信向全光传输方向发展，且目前EDFA的技术开发和商品化最成熟；应用广泛的C波段EDFA通常工作在15301565nm光纤损耗最低的窗口，具有输出功率大、增益高、与偏振无关、噪声指数低、放大特性与系统比特率和数据格式无关，且同时放大多路波长信号等一系列的特性，在长途
18、光通信系统中得到了广泛的应用。其不足是C-BandEDFA的增益带宽只有35nm，仅覆盖石英单模光纤低损耗窗口的一部分，制约了光纤固有能够容纳的波长信道数；然而随着因特网技术的迅速发展，要求光纤传输系统的传输容量要不断地扩大，面对传输容量的扩大，目前主要有三种解决途径：（1）增加每个波长的传输速率；（2）减少波长间距；（3）增加总的传输带宽。对于第一种办法，如果速率提高到10Gbit/s将带来新的色散补偿问题，况且现在的电子系统还存在着所谓电子瓶颈效应问题。第二种办法如果将信号间距从100GHz降低到50GHz或25GHz将给系统带来四波混频（FWM）等非线性效应，且要求系统采用波长稳定技术。
19、从而研究新的光纤放大器如L波段的EDFA是增加总的传输带宽的一种，它将EDFA工作波长由C波段15301560nm扩展到L波段15701605nm，使EDFA的放大增益谱扩展了一倍。尽管L波段EDFA的波长覆盖了EDF增益谱的尾部，但仍可与性能先进的C波段EDFA产品相媲美：例如两者的基本结构相类似，大多数C波段EDFA的设计和制造技术仍可应用于L波段EDFA研制；L波段EDFA有较小的辐射和吸收以及较低的平均反转因子，增益波动系数远小于C波段EDFA，所存在的是L波段EDFA的EDF较长带来无源光纤损耗较大，3.10半导体光放大器 半导体光放大器（SOA）是采用通信用激光器相类似的工艺制作而
20、成的一种行波放大器，当偏置电流低于振荡阈值时，激光二极管就能对输入相干光实现光放大作用。由于半导体放大器具有体积小、结构较为简单、功耗低、寿命长、易于同其它光器件和电路集成、适合批量生产、成本低，可实现增益兼开关功能等特性，在全光波长变换、光交换、谱反转、时钟提取、解复用中的应用受到了广泛的重视，特别是目前应变量子阱材料的半导体光放大器的研制成功，已引起人们对SOA的广泛研究兴趣。国内武邮院与华中科技大学合作成功地研制开发了在光网络中的关键器件-半导体光放大器，并很快实现了产品化，成为继Alcatel公司之后能够批量供应国际市场应用于光开关的半导体光放大器的供货商，这标志着我国自行研制的应变量
21、子阱器件迈出了商品化生产的关键一步。但半导体光放大器与掺铒光纤放大器相比存在着噪声大、功率较小、对串扰和偏振敏感、与光纤耦合时损耗大，工作稳定性较差等缺陷，迄今为止，其性能与掺铒光纤放大器仍有较大的差距。又由于半导体光放大器覆盖了13001600nm波段，既可用于1300nm窗口的光放大器，也可以用于1550nm窗口的光放大器，且在DWDM多波长光纤通信系统中，无需增益锁定，那么它不仅可作为光放大器一种有益的选择方案，而且还可以促成1310nm窗口DWDM系统的实现。3.11光纤拉曼放大器 受激拉曼散射（SRS）是光纤中的一种非线性现象，它将一小部分入射光功率转移到频率比其低的斯托克斯波上；如
22、果一个弱信号与一强泵浦光波同时在光纤中传输，并使弱信号波长置于泵浦光的拉曼增益带宽内，弱信号光即可以得到放大，这种基于受激拉曼散射机制的光放大器即称为光纤拉曼放大器（FRA）。近年来光纤拉曼放大器倍受关注，已成为研制开发的热点，它具有许多优点：（1）增益介质为普通传输光纤，与光纤系统具有良好的兼容性；（2）增益波长由泵浦光波长决定，不受其它因素的限制，理论上只要泵浦源的波长适当，就可以放大任意波长的信号光；（3）增益高、串扰小、噪声指数低、频谱范围宽、温度稳定性好。正因为光纤拉曼放大器有这么多的优点，它可以放大掺铒光纤放大器所不能放大的波段，并可在12921660nm光谱范围内进行光放大，获得
23、比EDFA宽得多的增益带宽；再次增益介质为普通光纤，可制作分立式或分布式FRA，分布式光纤拉曼放大器可以对信号光进行在线放大，增加光放大的传输距离，应用于40Gbit/s的高速光网络中，也特别适用于海底光缆通信系统，而且因为放大是沿着光纤分布而不是集中作用，所以输入光纤的光功率大为减少，从而非线性效应尤其是四波混频效应大大减少，这对于大容量DWDM系统是十分适用的。FRA是EDFA的补充，而不是代替，两者结合起来可获得大于100nm增益平坦宽带，这就是采用分布式光纤拉曼放大器的好处。 但光纤拉曼放大器有一个主要的缺点就是需要特大功率的泵浦激光器，解决这个问题的主要途径有：一是研究降低阈值功率的
24、泵浦激光器，使得普通的大功率半导体激光器能作为拉曼泵浦使用；其二是提高获得更大输出功率泵浦激光器的研制水平；其三是将多个泵浦源激光器的波长采用列阵、单片组合的方法复用在一起，获得一个大功率输出的泵浦激光器，此种方法不但可提供一个宽带的增益谱，而且还可以通过调节单个激光器的功率来调整增益斜率。4.光纤放大器应用EDFA在功能应用上可以分为用作远距离传输的线路放大器、用作光发射机输出的功率放大器和用作接收机前 端的前置放大器。 (1) 功率放大器 把EDFA置于光发射机半导体激光器之后，光信号经EDFA放大后进入光纤线路，从而使光纤传输的无中继距离 增大，可达200km以上。具有输出功率大、输出稳
25、定、噪声小、增益频带宽、易于监控等优点。 (2) 线路放大器 处于功率放大器之后，用于周期性地补偿线路传输损耗，一般要求比较小的噪声指数，较大的输出光功率。 EDFA作为线路放大器有许多特殊功能是电子线路放大器不可比拟的。 (3) 前置放大器 处于分波器之前，线路放大器之后，用于信号放大，提高接收机的灵敏度。EDFA具有接近量子极限的低噪声 优点，因而可用作接收机的前置放大器以提高接收灵敏度，要求噪声指数很小，对输出功率没有太大的要求。 把EDFA置于光接收机PIN光检侧器的前面，来自光纤的信号经EDFA放大后再由PIN检测。强大的光信号使电子放大器的噪声可以忽略，用EDFA作预放的光接收机具
26、有更高的灵敏度。 如果综合上述各种应用，一个EDFA用作接收机前置放大器，另一个EDFA用作发送机的功率提升放大器， 就可以实现长距离的无中继传输。这类系统主要用于海底光纤通信系统。 EDFA作前置放大器时，放在光接收机之前，以提高光接收机的灵敏度，一般工作于小信号或线性状态，信号输入功率约一40dBm。要求EDFA的增益足够高，噪声系数则越小越好。 EDFA用作线路放大器时，可以直接插入到光纤传输链路中作为光中继放大器，省去了电中继器的光电光转换过程，直接放大光信号，以补偿传输线路损耗，延长中继距离。一般工作在近饱和区，信号输入功率约一20dBm。要求EDFA同时具有较高的增益和输出光功率，
27、还应有对其工作状态的实时监控。 EDFA作为功率放大器时，装在光发送机之后，对光源发出的光信号进行放大，以补偿无源光器件的损耗和提高发送光功率。通常工作于深饱和区，要求EDFA在保持适中的增益和噪声系数下，能提供尽可能高的输出光功率，必要时可用双泵浦。5.EDFA在密集波分复用（DWDM）系统中应用的分析5.1 EDFA在DWDM系统中的作用和应用方式EDFA是目前光放大器市场的主流品种，在DWDM系统、接入网和有线电视领域得到广泛应用，在CATV系统中通常作为功率放大器以提高发射机的功率，使发射机覆盖的用户数大大增加，也可作为光纤线路的中继放大器，以补偿光分路器及线路损耗，使传输距离大大增加
28、。光纤放大器与其他放大器比较，具有输出功率大、增益高、工作带宽宽、与偏振无关、噪声指数低、放大特性与系统比特率、数据格式无关等特点，它已成为新一代光通信系统的关键器件之一。掺铒光纤放大器用在系统发射机输出短，提高发送功率，延长传输距离；用在光纤传输链路中，补偿光能量的损失，可增加传输距离；用在光接收机前，对信号进行预防大，可提高光接收机灵敏度。应用范围包括干线高速光通信系统、海缆系统、本地网、用户接入网、掺铒光纤放大器作为功率放大器有许多特殊功能是电子线路放大器所不能比拟的，分述 xUPgc0 如下：掺铒光纤放大器可用作数字、模拟以及相干光通信的功率放大器。即如果线路上已采用掺铒光纤放大器做功
29、率放大器，那么，不管它需要传输数字信号还是传输模拟信号，不必改变掺铒光纤放大器线路设备。 C;YtMY: b2O$ l 掺铒光纤放大器可传输不同的码率。如果需要扩容，由低码率改变为高码率时，不必改变掺铒光纤放大器线路设备。 meM&1Ba :Vrji- 掺铒光纤放大器做功率放大器，可在不改变原有噪声特性和误码率的前提下，直接放大数字、模拟活二者混合的数据格式，特别适合光纤传输网络升级。实现语音、图像、数据同网传输，不必改变掺铒光纤放大器线路设备。 (Bss% 3BWT 一个掺铒光纤放大器可同时传输若干波长的光信号，即用光波复用扩容时，不必改变掺铒光纤放大器线路设备。 实践证明，使用掺铒光纤放大
30、器的光纤干线传输，经过近千公里的传输后的误码率人能达到 。如果采用饱和功率为18dBm的放大器，可是实现160200km无中继通信。如果有必要，还可将中继距离延长更远。 )gG_K$08? O:lO 5.1.1前置放大器 Gdr 7d m,SWG 把掺铒光纤放大器置于光接收机关监测器前面。来自光纤的光信号经掺铒光纤放大器放大后再由光检测器检测。由于掺铒光纤放大器的信噪比由于电子放大器，所以用掺铒光纤放大器作预放大器的光接收机具有较高的灵敏度，其灵敏度甚至不亚于相干光接收机的。5.1.2线路放大器 TYedem$ mam(hf$ 把掺铒光纤放大器至于光纤传输线路中，将已被衰减了的小信号进行放大，
31、可以大大延长传输距离，也成为中继放大器。线路放大器的显著优点是增益高，通常大于30dB。由于可以级联使用，特别适合海底远程通信和陆地超长距离传输使用。使用线路放大器必须解决远程监控问题，国际标准化组织已制定出多种监控标准，可以按照标准进行远程监控。 In qa;TQz 5.1.3用户接入网中的光纤放大器 $1myf Z *Q KjD 光纤放大器在用户接入网中也占有重要地位。在光纤用户网中，虽然用户系统的距离较短，但是用户网的分子太多，光线干线中的光信号功率要进行众多的分配，甚至是多级进行分配。这样一来被分配到每个分支获得光信号就相当的弱，不能保证用户的终端设备的接收质量。为此，需要将光信号进行
32、放大，这就需要光纤放大器。将光纤放大器置于光发射机后端，以提高入纤的光功率，使整个线路系统的光功率得到提高，以满足各级需要，这就要用到光纤功率放大器。 9Pf G= %I;iP|/ 在用户网中，当用户系统距离过长时需要使用线路放大器；为了提高各支路的光功率分配数量，也要使用这类放大器。 G 4 C 7 fQYBFhlr 总之，光线放大器在用户接入网中主要是提高光信号的功率，即可以补偿光耦合器灯光器件所造成的光损耗，又可以大大提高用户数量以及复用密度，对降低用户网建设成本也会起到很大作用。掺铒光纤放大器在密集波分复用系统中的应用主要是补偿传输中的光纤损耗，根据放大器在系统中的位置及作用，可以分成
33、以下三种类型： 功率放大器（booster-Amplifier），处于合波器之后，用于对合波以后的多个波长信号进行功率提升，然后再进行传输，由于合波后的信号功率一般都比较大，所以，对一功率放大器的噪声指数、增益要求并不是很高，但要求放大后，有比较大的输出功率。 线路放大器（Line-Amplifier），处于功率放大器之后，用于周期性地补偿线路传输损耗，一般要求比较小的噪声指数，较大的输出光功率。 前置放大器（Pre-Amplifier），处于分波器之前，线路放大器之后，用于信号放大，提高接收机的灵敏度（在光信噪比(OSNR)满足要求情况下，较大的输入功率可以压制接收机本身的噪声，提高接收灵敏
34、度），要求噪声指数很小，对输出功率没有太大的要求。6.新型光纤放大器掺铒光纤放大器对于波长为1540-1560nm的第三个光纤通信窗口很有吸引力。虽然已经取得了很大进步，但是为了得到高容量的光纤通信，我们还在继续发展高增益的EDFA。然而，光纤系统还在遭受由于光纤材料的不同的固有特性导致的损耗。因此，很多研究都直接指向了新材料和系统的优化。很多系统结构被提出了，来提高放大器的增益，减少噪声。我们知道，目前还没有达到54db附近增益的报道。一个减少ASE自饱和的技术在1976年被提出了。但是，这个结构遇到了由于连接处和其他光部件的缺陷导致的额外反射。其他报告显示出，滤波器可以和光隔离器一起使用来
35、抑制前向的ASE，并且提高信号增益。另一种得到高增益的方法是让光信号通过EDFA两次。本文的系统结构，通过使用一个相对较短的掺铒光纤，可以得到更高的增益和更好的噪声指数。这个系统结构由一个循环连接器和四个端口构成。端口1用来输入信号，端口2用来信号输出，另外两个端口连接到连接器2和连接器3，这两个连接器每个都有三个端口，用来使信号循环。在实验中这个结构还可以变化出很多结构来。结果及论证图一显示了使用DS-DP结构得到的两级四倍放大器。两个TBF包含在了系统中，在CIR2和CIR3的端口1和端口3之间。一个980nm的半导体激光器用来作为泵浦源，它的最大功率为300mw。第一级和第二级由EDF1
36、和EDF2组成，它们分别为10m和15m。EDF1和EDF2在1527波长处有6db/m的峰值吸收率。校准实验显示出，每次通过信号会减弱12db。这样，增强的信号从CIR1的端口1向端口2传播，然后通过EDF1，得到第一次放大，然后从CIR2的端口2向端口3传播，它第一次通过了TBF滤波器进入端口1并且回到端口2，当它第二次通过EDF1的时候它又一次得到了放大，进入到CIR1的端口2.，然后进入第二级放大，通过EDF2和CIR2。光谱分析仪连接到了CIR1的端口4.这一技术使得信号通过两级放大器后增加了四倍。图一：DSQP实验结构图二显示了一个1550nm波长的信号得到增益的细节。这一细节针对
37、了功率在-20dbm，-35dbm和-50dbm的信号。泵浦功率要优化到如下程度：第一级固定为10mw，第二级从10mw增加到220mw，每步增加10mw。增益值在两级的泵浦功率都只有10mw时可以达到41db，得到了对于-50dbm信号的增益系数为4.1db/mw。三个信号的增益都逐步增加着，直到泵浦功率达到80mw时，增益值就增加得慢了。最高的增益为61db，它是对于-50db信号，泵浦功率为220mw时得到的。图二： 1550nm波长信号实验增益和泵浦功率之间关系图三是噪声系数和泵浦功率的关系。它显示出泵浦功率增加时噪声系数不变。这可以由噪声系数和泵浦功率的关系来解释，这可能是由于滤波器
38、的影响，它使噪声系数为一个固定值。-50dbm信号有最低噪声系数，为7db。-20db信号噪声系数最高。噪声系数与泵浦功率无关。图三：1550nm波长信号实验噪声系数和泵浦功率关系图四显示了增益和噪声系数与1550nm波长输入信号功率之间关系。第二级的泵浦功率设置为220,150,100和50mw，第一级的泵浦功率仍然固定为10mw。对于-30dbm信号，用最低功率50mw泵浦时，增益值超过了40db，因此，最高增益在泵浦功率超过50mw，信号功率低于-30dbm时获得。对于小信号（-40dbm）我们没有观察到明显的增益饱和现象。我们期望对于更低功率的信号（-60dbm）增益值可以超过70db
39、。放大器的噪声系数也被记录了下来，它随着信号功率的增加而增加。对于低于-30dbm的信号，噪声系数达到了最低值，最低值在7db和10db之间。图四：增益和噪声系数与1550nm波长输入信号功率之间关系图五显示出输出功率和增益之间关系。信号输出功率和增益都随着泵浦功率的增加而增加，并且二者都是常量。泵浦功率为10,30,70和90mw时，输出饱和功率分别为3,8,10.5和13dbm。未达到饱和的增益值为41,47,51,53和54db。对于波长为1550nm的功率为0dbm的输入信号有一个输出功率最大值，为13.01dbm（泵浦90mw），-50dbm信号最大增益值为61db。图五：1550n
40、m波长信号输出功率和增益之间关系图六描述了输出信号功率值和输入信号功率值在不同泵浦功率下的关系。图表显示出随着输入信号的增加，输出信号也增加。图表显示出了输出功率对于输入功率的依赖关系。系统显示出对于-30dbm信号的一个较高的输出功率值，为18dbm。信号功率从0dbm减少到-30dbm时，输出信号基本不变。低于-30dbm时输出开始持续降低了。对于-45dbm和-50dbm之间输入信号，输出不足10dbm了。图六：1550nm波长信号输出信号功率值和输入信号功率值的关系7.光放大器应用要求为了确保WDM系统的传输质量，WDM系统中使用的EDFA应具有足够的带宽、平坦的增益、低噪声系数和高输
41、出功率。 EDFA增益带宽 目前，EDFA可用增益频谱范围为l530l565nm，增益带宽为35nm左右，可以满足432信道的WDM系统。如果希望进一步增大带宽，以利用波长资源，则必须开发新型的光放大器。 WDM系统对EDFA增益平坦度的要求 EDFA的增益平坦度(GF)是指在整个可用增益的带宽内，最大增益波长点的增益与最小增益波长点的增益之差。在WDM系统中，要求EDFA的GF越小越好。 一般EDFA在它的工作波段内存在着一定的增益起伏，即不同波长所得到的增益不同。虽然增益差值不大，但当多个EDFA级联应用时，这种增益差值会线性积累，严重时，信号到达接收端后，有些高增益信道的接收光功率过大使
42、接收机过载，而某些低增益信道的接收光功率过小而达不到接收机灵敏度。因此，要使各信道上的增益偏差处于允许范围内，放大器的增益就必须平坦。 使光纤放大器增益平坦的技术有两种途径：一是增益均衡技术；二是光纤技术。 a增益均衡技术增益均衡技术是利用损耗特性与放大器的增益波长特性相反的增益均衡器来抵消增益的不均匀性，这种技术的关键在于放大器的增益曲线和均衡器的损耗特性精密吻合，使综合特性平坦。增益均衡技术可以分为固定式的和动态的。现阶段实用化的固定式增益平坦技术主要有光纤光栅技术和介质多层薄膜滤波器技术等。增益均衡用的光纤光栅是一种长周期光纤光栅。其光栅周期一般为数百um。通过多个长周期的光栅组合，可以
43、构成具有与EDFA增益波长特性相反的增益均衡器。使用该技术，在15281568nm的40nm带宽内，可以实现增益偏差在5以内的带宽增益平坦的EDFA。 动态的增益均衡技术是指动态增益可调的增益平坦滤波器技术，主要有法拉第旋转体型增益可调滤波器技术、波导MZ型增益可调型滤波器技术、阵列波导型动态增益可调滤波器技术和声光型动态增益可调滤波器技术等。b光纤技术所谓光纤技术是指通过改变光纤材料或者利用不同光纤的组合来改变EDF的特性，从而改善EDFA的增益平坦性。可分为滤波器型和本征型两类。 滤波器型是在EDFA中内插无源滤波器将1530nm的增益峰降低，或专门设计其透射谱与EDFA增益谱相反的光滤波
44、器将增益谱削平，但滤波器型结构工艺都较复杂，附加损耗大，输出功率会减小。 本征型是在EDF中掺入别的杂质(如掺铝EDFA、掺钇EDFA)或改变EDF基质(如氟化物EDFA、碲化物EDFA)。其最大优点是无需制作和引入附加元件。 EDFA增益特性的优化技术 采用放大波段内的增益控制和光谱均衡方法，能取得EDFA增益特性优化的良好结果。EDFA的增益控制技术有许多种，典型的有控制泵浦源增益的方法，EDFA内部的监测电路通过监测输入和输出功率的比值来控制泵浦源的输出，当输入波长某些信号丢失时，输入功率会减小，输出功率和输入功率的比值会增加，通过反馈电路，降低泵浦源的输出功率，保持(输出输入)增益不变
45、，从而使EDFA的总输出功率减少，保持输出信号电平的稳定。 另外，还有饱和波长的方法。在发送端，除了传输信号的工作波长外，系统还发送另一个波长作为饱和波长。在正常情况下，该波长的输出功率很小，当线路的某些信号失去时，饱和波长的输出功率会自动增加，用以补偿丢失的各波长信号的能量，从而保持EDFA输出功率和增益保持恒定。当线路的多波长信 号恢复时，饱和波长的输出功率会相应减少，这种方法直接控制饱和波长激光器的输出，速度较控制泵浦源要快一些。 安全要求 在某些情况下，光放大器的输出功率非常高，可能非常接近光纤安全功率的极限。因此，对于含有光放大器的WDM系统，安全特别重要。ITU-T建议规定：单路或
46、合路入纤最大光功率电平为+17dBm。对链路切断情况下可能引起的强烈“浪涌”效应更应加以重视，必须保证系统能够及时关闭泵浦源和系统，以防止对系统造成损。8.光放大器常见问题及解决方案光放大器，面板显示和实际输出是同步的，如果面板显示正常，则说明光放大器输出正常，如果这种情况下测试光放大器时光功率下降或不够，最大的可能性有以下几种：8.1.光功率计不准，国产的光功率计只能测试光功率输出较小的设备，不能测试大功率输出的EDFA，测试光放大器的光功率计必须原装进口，不能把不准确的仪器当作标准来使用。8.2.输出口的法兰损坏，这个可能性较小。8.3.用户使用不当，在机器工作时插拔尾纤，烧伤光放大器输出
47、的尾纤头，造成光放大器输出功率下降，如发生这种情况，只要重新熔接光放大器的输出接头即可。8.4.用户使用的尾纤质量太差，纤芯过长，在插入尾纤后擦伤光放大器的输出接头，这个现象是第一次测试是好的，第二次插入再次测试时就光功率下降了，解决这个问题也只要重新熔接光放大器的输出接头就可，8.5.光源的波长不对，如果1550nm光发射机的波长有偏差，会造成光放大器的输 出光功率不够，也会造成面板显示偏小。8.6.输入光放大器的光功率较小，如果低于标准值时可能会造成光功率变小，同时面板显示也会变小。9.心得总结本学期学习了光纤通信这门课程，对光纤通信技术有了全面的理解，自己在学习光纤通信这门课的基础上更深
48、入的学习了光纤通信中的重要器件光纤放大器，本文是对我学习了光纤放大器后的一个论文总结。通过本学期对光纤通信这门课程的学习，使我对我的专业有了更深刻的理解，对本专业的学习也更加有兴趣。走的最快的总是时间，来不及感叹，一学期已近尾声，一学期的努力与付出，随着本次论文的完成，将要划下完美的句号。本论文在徐鹏老师的悉心指导和严格要求下业已完成，从课题选择到具体的写作过程，论文初稿与定稿无不凝聚着徐鹏老师的心血和汗水，老师为我提供了种种专业知识上的指导和一些富于创造性的建议，徐鹏老师一丝不苟的作风，严谨求实的态度使我深受感动，没有这样的帮助和关怀和熏陶，我不会这么顺利的完成论文。在此向徐老师表示深深的感谢和敬意！10.参考文献1 孙学康,张金菊等.光纤通信技术。北京：北京邮电大学出版社，2005.2 傅海阳,杨龙向,李文龙.现代电信传输.北京：人民邮电出版社，2000.3 纪越峰等.现代通信技术.北京：北京邮电大
