掺饵光纤放大器 光纤通信课程设计
光学课程设计报告二
光学课程设计报告姓名：学号：班级：学校：EDFA掺铒光纤放大器一、设计任务与要求设计目的与要求：掺饵光纤放大器的设计，系统要求为：1、进一步熟练Optisystem软件的使用，双向系统的模拟；2、掌握掺铒光纤放大器的工作原理；3、设计前向泵浦的EDFA，并采用光学延迟工具来解决双向模拟问题；4、研究掺铒光纤放大器的增益与噪声指数随信号光波长的变化。
5、掺铒光纤的长度（2 m~40m）范围内进行优化，使得EDFA的增益最大，记录优化后的光纤长度。
二、设计原理EDFA（Erbium Doped Fiber Amplifier）掺铒光纤放大器作为新一代光通信系统的关键部件，具有增益高、输出功率大、工作光学带宽较宽、与偏振无关、噪声指数较低、放大特性与系统比特率和数据格式无关等优点。
掺铒光纤放大器是利用掺铒光纤中掺杂离子在泵浦光的作用下，形成粒子数反转，从而对入射光信号提供光增益。
对于波长为980nm的泵浦源，掺铒光纤相当于一个三能级的系统。
铒离子通过受激吸收入射波长为980nm的光子的能量，从N1能级跃迁到N3能级，由于N3能到N2能级的驰豫时间很短，N3能级上的粒子很快跃迁到N2能级，N3能级上的粒子数基本上可认为是零。
掺饵光纤放大器的工作原理图N2能级到N1能级的驰豫时间比较长，为毫秒量级，是一个亚稳态。
当有波长1550nm左右的信号光子输入时，N2能级的粒子受激辐射向N1能级跃迁，产生和入射光子同频、同相、同方向的光子，于是，入射光就得到放大。
N2能级没有受激辐射的粒子会以自发辐射的方式向N1能级跃迁，产生波长1550nm左右的光子，其频率、相位、方向时随机的。
掺铒光纤放大器的基本物理结构：在输入端和输出端各有一个隔离器，目的是使光信号单向传输。
泵浦激器波长为980nm或1480nm，用于提供能量。
耦合器的作用是把输入光信号和泵浦光耦合进掺铒光纤中，通过掺铒光纤作用把泵浦光的能量转移到输入光信号中，实现输入光信号的能量放大。
掺铒光放大器的设计与仿真1
摘要光放大器在光纤通信领域中承担着重要的角色，也是光纤通信中必不可少的组成部分。
其中，掺铒光放大器（EDFA）的研究和实用化，更是促进了光纤通信领域的发展。
EDFA 在密集波分复用（dense wavelength division multiplexing, DWDM）光通信系统和光纤有线电视（Community Antenna Television, CATV）系统中都有着广泛地应用。
掺铒光纤放大器直接对光信号进行放大，无需进行光电光变换，且具有输出功率大、增益高、工作频带宽、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，已成为现代光通信系统的重要器件之一。
关键词：光纤通信，光放大器，掺铒光纤放大器（EDFA），设计，仿真ABSTRACTDWDM (dense where division multiplexing, DWDM) optical communication system and optical fiber cable (Community can Antenna Television be used, CATV) are widely used in the system. Direct optical signal is amplified and erbium doped fiber amplifier without photoelectric light transformation, and has a large output power, high gain, wide working frequency band and has nothing to do with the polarization, low noise figure, amplification characteristics has nothing to do with the system bit rate, data format, etc, has become one of the important device of modern optical communication system.Key words: optical fiber communication, optical amplifier, erbium-doped fiber amplifier (EDFA), design and simulation引言在新一代光纤通信中，人们采用光放大器代替原有的光电光中继，实现全光信号的高速传输和信息处理。
光纤通信课程设计
《光纤通信》课程设计学院：姓名：班级：学号：指导老师：高速光纤通信中的偏振模色散及其补偿技术目录1．引言 (03)2．光纤中偏振模色散的定义 (03)3．偏振模色散的测量方法 (05)4．偏振模色散的补偿技术 (05)4.1光补偿方案之一 (05)4.2光补偿方案之二 (05)4.3电补偿方案之一 (06)4.4电补偿方案之二 (06)5．偏振模色散的研究动态 (07)6．结束语 (08)摘要偏振模色散已成为当前发展下一代高速长距离光纤传输系统的主要限制因素。
介绍了偏振模色散的概念、描述方法以及测试和补偿技术。
根据国外的研究情况和我国的具体实情,指出研究偏振模色散的测试和补偿技术对提高高速光纤通信技术的水平具有重大意义。
最后在此基础上提出了开展相关研究的建议。
关键词高速光纤通信，偏振模色散，补偿技术1．引言当代社会是信息化的社会，用户对通信容量的需求日益增加。
在这种需求的推动下，作为现代长途干线通信主体的光纤通信一直在朝着高速率、大容量和长距离的方向发展。
在单信道速率不断提升的同时，密集波分复用技术(DWDM)也已日趋成熟并商用化。
从技术的角度来看，限制高速率信号长距离传输的因素主要包括光纤衰减、非线性和色散。
掺铒光纤放大器(EDFA)的研制成功，使光纤衰减对系统的传输距离不再起主要限制作用。
而非线性效应和色散对系统传输的影响随着非零色散位移光纤（NZDSF）的引入也逐渐减小和消除。
随着单信道传输速率的提高和模拟信号传输带宽的增加，原来在光纤通信系统中不太被关注的偏振模色散(PMD)问题近来变得十分突出。
与光纤非线性和色散一样，PMD能损害系统的传输性能，限制系统的传输速率和距离，并被认为是限制高速光纤通信系统传输容量和距离的最终因素。
正是由于PMD对高速大容量光纤通信系统有着不可忽视的影响，所以近十几年来，已引起了广泛关注，并正成为目前光纤通信领域研究的热点。
2．光纤中偏振模色散的定义单模光纤中，基模是由两个相互垂直的偏振模组成的。
掺铒光纤放大器在通信网中的应用课程设计
光纤通信课程设计题目：掺铒光纤放大器在通信网中旳应用院（系）名称专业班级学号学生姓名指导教师6月20日摘要光纤通信，就是运用光纤来传播携带信息旳光波以到达通信旳目旳。
光纤通信具有通信容量大、传播速率高、使用寿命长,等诸多特点。
因而得到了普遍旳应运，其中光放大器是光纤系统中旳重要构成部分。
光放大器旳问世不仅处理了光旳衰减对光信号传播距离旳限制，并且在光纤通信中引起一场技术革命，其性能旳优劣直接影响到网络通信旳容量和质量。
掺铒光纤放大器是未来很长一段时间内光纤通信系统中最具实用价值旳无源光器件之一，掺铒光纤放大器及有关技术旳迅速实用化和商业化，标志着一种以光纤放大器为支撑旳光通信技术产业化时代旳到来，将在未来“信息高速公路”旳建设中发挥重要作用。
本论文简介了掺铒光纤放大器旳有关理论。
首先对掺铒光纤放大器旳历史进行大体旳简介，以及对光放大器旳种类和掺铒光纤放大器工作原理进行了简介，进而深入剖析了EDFA工作机理。
本文旳重点在于在熟悉EDFA光放大机理和工作原理旳前提下，运用OptiSystem软件构造研究EDFA特性旳系统电路图，然后对EDFA电路图进行数据模拟仿真，进而得到仿真图，通过图形来研究分析EDFA旳特性。
关键字：光纤通信，光放大器，掺铒光纤放大器，OptiSystem仿真目录1绪论 01.1概述 01.2掺铒光放大器旳发展及简介 01.3 EDFA旳优缺陷 (1)2 EDFA旳工作原理及应用 (3)2.1 EDFA光放大机理 (3)2.2 EDFA旳工作原理 (6)2.3 EDFA构造和泵浦方式 (7)2.3.1同向泵浦 (7)2.3.2反向泵浦 (8)2.3.3双向泵浦 (8)2.4 EDFA旳重要应用 (9)2.4.1 EDFA作为前置放大器 (9)2.4.2 EDFA作为功率放大器 (9)2.4.3 EDFA作为光中继器 (10)3 EDFA旳工作特性分析 (11)3.1 EDFA旳重要工作特性参数 (11)3.1.1功率增益 (11)3.1.2输出饱和功率 (13)3.1.3噪声系数 (14)3.2 EDFA性能旳定性分析 (14)4 基于OptiSystem旳EDFA仿真 (16)4.1掺铒光纤放大器在通信网中瑞利散射效应旳仿真 (16)4.1.1仿真系统电路图布局 (17)4.1.2 仿真参数设置及成果分析 (17)4.2掺铒光纤放大器增益对波分复用光波系统旳仿真 (23)4.2.1 仿真系统电路图布局 (24)4.2.2 仿真参数设置及成果分析 (24)5 结论 (27)道谢 (28)参照文献 (29)1绪论1.1概述如今用光纤来传递信息已成为非常重要旳信息传递方式。
掺铒光纤放大器教案
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掺铒光纤放大器(EDFA)
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EDFA的输出功率与泵浦功率和输入信号功率的关系EDFA同样具有增益饱和特性
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五、EDFA的噪声特性对于EDFA，同样有
由于N1和N2与泵浦光功率和信号光功率相关，因此F与泵浦光和输入信号光功率以及放大器长度有关高的泵浦功率和较低的输入信号有利于获得较低的噪声指数由于980nm泵浦的EDFA为三能级系统，易于获得较高的粒子数反转（nsp，980=1.05~1.10； nsp，1480=1.3~1.8） ，所以980nm泵浦具有较低的噪声系数通常，EDFA的F~5
1544
1569
典型的EDFA增益谱
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四、EDFA的小信号增益和饱和特性EDFA的增益与Er3+浓度与径向分布、光纤尺寸、放大器长度、泵浦功率、输入信号功率等参数有关计算表明：对于给定的放大器长度（EDF长度），增益随泵浦功率在开始时按指数增加，当泵浦功率超过一定值时，增益增加变缓，并趋于一恒定值。当泵浦功率一定时，放大器在某一最佳长度时获得最大增益，如果放大器长度超过此值，由于泵浦的消耗，最佳点后的掺铒光纤不能受到足够泵浦，而且要吸收已放大的信号能量，导致增益很快下降。因此，在EDFA的设计中，需要在掺铒光纤结构参数的基础上，选择合适的泵浦功率和光纤长度，使放大器工作于最佳状态。
掺铒光纤放大器(EDFA)
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增益平坦EDFA
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新型宽谱带掺杂光纤： 如掺铒氟化物玻璃光纤（30nm平坦带宽）、铒/铝共掺杂光纤（20nm）等， 静态增益谱的平坦，掺杂工艺复杂
第7章掺铒光纤放大器
( P / s ) PP ,in G 1
例题： 一个在 980nm 泵浦的 EDFA ，其泵浦
功率为40mW，如果在1550nm处的增益是
22dB ，求 EDFA 的最大输入、输出光信号
功率。
体激光器已完全商用化，并且泵浦效率 高于其他波长，故得到了最广泛的应用。
在泵浦光的激励下，4I11/2能级上的粒 很快跃迁到亚稳态 4I13/2能级，从而实现了 粒子数反转。
子数不断增加，又由于其上的粒子不稳定，
当有 1.55μm 信号光通过已被激活的掺铒 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
种结构具有较高的输出信号功率，但噪声特性较
差。
后向（反向）泵浦掺铒光纤放大器
掺铒光纤 光耦合器
光信号输入
光隔离器
光隔离器
光信号输出
泵浦LD
3、双向泵浦掺铒光纤放大器
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。
双向泵浦掺铒光纤放大器
7.2.1 掺铒光纤 掺铒光纤是 EDFA 的核心元件，它以
石英光纤作基质材料，并在其纤芯中掺入
一定比例的稀土元素铒离子（Er），便形 成了掺铒光纤（EDF）。
掺入铒元素的目的是，促成被动的传 输光纤转变为具有放大能力的主动光纤。
掺杂浓度在百万分之几十至百万分之
几百。
除了所掺的铒以外，这种光纤的构
掺铒光纤 光耦合器 光耦合器
光信号输入 光隔离器
光隔离器
光信号输出
泵浦LD
泵浦LD
7.4 EDFA的最大输入、输出光信号功率 根据能量守恒原理，EDFA的输入、输 出光信号功率可以表示为：
光纤通信课程设计
课程设计任务书2015—2016学年第二学期专业：学号：姓名：课程设计名称：光纤通信系统课程设计设计题目：EDFA在WDM传输系统中的应用完成期限：自2016 年 6 月 6 日至2015 年 6 月19 日共 2 周一、设计依据在长距离传输中,由于受发送功率、接收机灵敏度,甚至色散等因素的影响和制约,使得光脉冲从光发射机输出经过光纤传输一定距离后,其幅度会受到衰减,波形也会出现失真。
因此,要进行长距离的信号传输,就需要在光信号传输一定距离后加中继器,以放大衰减的信号,使光脉冲得到再生。
掺铒光纤放大器（EDFA）可以省去大量的光中继器,延长传输距离,这对于长途干线传输系统具有重要意义，本设计主要研究EDFA在WDM中的应用。
二、要求及主要内容1．查阅相关的文献，概要介绍了EDFA的研究背景，包括掺铒光纤放大器的特点、应用、发展前景以及研究的必要性；2．对掺EDFA研制过程中的主要光电器件从原理及性能等方面作了系统的描述；3．介绍EDFA在波分复用系统WDM中的应用，进行仿真分析。
三、途径和方法1．查找相关文献，了解EDFA的工作原理，主要包括掺铒光纤的基本概念及参数；2．着重了解现代通信系统中EDFA的作用；3．运用的理论分析，介绍了EDFA在WDM中的基本原理，对掺铒光纤放大器的参数进行了详细的介绍。
四、时间安排1．课题讲解：2小时。
2．阅读资料：10小时。
3．撰写设计说明书：12小时。
4．修订设计说明书：6小时。
五、主要参考资料[1] 王延恒．光纤通信技术基础[M]．北京：天津大学出版社，1990[2]黄章勇．光纤通信用光电子器件和组件[M]．北京：北京邮电大学出版社，2001.[3] 黄章勇．光纤通信用新型光无源器件[M]．北京：北京邮电大学出版社，2002[4] 孙学军，张述军等．DWDM传输系统原理与测试．北京：人民邮电出版社，1997[5] 纪越峰．光波分复用系统[M]．北京：北京邮电大学出版社,1999[6]原荣．光纤通信技术[M]．机械工业出版社，2011指导教师（签字）：教研室主任（签字）：批准日期：年月日EDFA在WDM传输系统中的应用摘要在长距离传输中,由于受发送功率、接收机灵敏度,甚至色散等因素的影响和制约,使得光脉冲从光发射机输出经过光纤传输一定距离后,其幅度会受到衰减,波形也会出现失真。
掺铒光纤放大器实验
实验十二掺铒光纤放大器实验实验目的：1. 理解掺铒光纤放大的原理；2. 学习Optisystem 软件的使用;3. 加深对光放大技术的认识。
实验仪器：1. Optisystem 软件实验原理：1. EDFA 的概念EDFA 采用掺铒离子单模光纤为增益介质，在泵浦光作用下产生粒子数反转，在信号光 诱导下实现受激辐射放大。
1530nm-i 570nm980nm or」信号光与波长较其为短的光波 （泵浦光）同沿光纤传输，泵浦光的能量被光纤中的稀土元素离子吸收而使其跃迁至更高能级，并可通过能级间的受激发射转移为信号光的能量。
信号光沿光纤长度得到放大，泵浦光沿光纤长度不断衰减。
泵浦波长可以是 520、650、800、980、1480nm,波长短于980nm 的泵浦效率低，因而 通常采用980和1480nmAmplified output signalFiber containing9ft0nm 畢态H80uin■ • ■ ■■2. 掺铒光纤放大器的基本结构Er-DOPED FIBER AMPLIFIER掺铒光纤：当一定的泵浦光注入到掺铒光纤中时， 从低能级被激发到高能级上，由于在高能级上的寿命很短，很快以非辐射跃迁形式到较低能级上， 并在该能级和低能级间形成粒子数反转分布。
半导体泵浦二极管：为信号放大提供足够的能量，使物质达到粒子数反转。
波分复用耦合器：将信号光和泵浦光合路进入掺铒光纤中。
光隔离器：使光传输具有单向性，放大器不受发射光影响，保证稳定工作。
EDFA 勺三种泵浦方式进行比较 ：同向泵浦（前向泵浦）型：好的噪声性能 反向泵浦（后向泵浦）型：输出信号功率高 双向泵浦型：输出信号功率比单泵浦源高3dB,且放大特性与信号传输方向无关实验内容：增益G 是描述光放大器对信号放大能力的参数。
定义为：pG （dB ） 1Olog 10 s,outFs,inG 与光放大器的泵浦功率、掺杂光纤的参数和输入光信号有很复杂的关系。
实验一掺铒光纤放大器实验
光纤通信实验报告一、实验目的1.理解惨耳光纤放大器（EDFA）的基本结构和功能；2.测试掺铒光纤放大器（EDFA）的各种参数并通过测量的参数计算增益，输出饱和功率，噪声系数二，实验仪器DFB光源；隔离器；EDFA测试仪u；光可变衰减器；光固定衰减器；跳线；光功率计。
三，实验原理掺铒光纤放大器的基本结构及工作原理：EDFA主要由掺铒光纤，泵浦光源，波分复用器，隔离器等组成，EDFA的内部按泵浦方式分为三中最基本的结构，即同向泵浦，反向泵浦和双向泵浦。
四，实验步骤1.测量EDFA的增益曲线：接通EDFA测试仪电源，稍候（大约5分钟）至稳定工作状态。
a，测量信号功率，跳过EDFA ,将两个隔离器连接起来，调整衰减器到合适值，功率计上显示的读数可以认为是EDFA的输入功率。
b，EDFA无输入，EDFA输出端按图一次连接，功率计上的读数可以认为是通过滤波器带宽内的ASE功率。
c，将第一个隔离器的输出接到ＥＤＦＡｄｅ输入端，此时功率计上的读数可以认为是放大后的信号和ASEde混合功率。
调整衰减器（通常5~10倍一个点），重复a,b,c步骤，用功率及测量并记录信号光的输出功率Pin，同时对应没一个输入功率值，都要测的一个经过ＥＤＦＡ的放大后输出功率Pout，同时测量每组衰减状态下EDFA的输入悬空，输出接光功率计，测得EDFA的自发辐射噪声功率；并将使用数据填入表20-1中，并通过公式计算出各个输入功率下的增益值G和NF，绘制出增益曲线。
表２０－１实验数据表五，实验数据分析按公式G=10log10（（Pout-Pase）/Pin）NF=10log10（Pase*Pin/（hVB(Pout-Pase)+Pin/(Pout-Pase)）;其中h=6.628*10^(-34)V=3*10^8*155*10^(-9)B=688.24Ghz得到数据填入上述表格按下关数据画图如下：由图知数据明显与理论相差太大也符合当输入功率过大时数据产生明显失真的结论。
(完整版)掺铒光纤放大器的原理与应用毕业设计
毕业设计（论文）报告题目掺铒光纤放大器的原理与应用系别尚德光伏学院专业应用电子技术（光电子技术方向）班级0903学生姓名刘钰华学号090264指导教师2012年4 月掺铒光纤放大器的原理与应用摘要:光纤通信就是利用光纤来传输携带信息的光波以达到通信的目的。
光纤通信具有通信容量大、传输速率高、使用寿命长,等诸多特点。
因而得到了普遍的应运，其中光放大器是光纤系统中的重要组成部分。
光纤放大器（简写OFA）是指运用于光纤通信线路中，实现信号放大的一种新型全光放大器。
本论文介绍了掺铒光纤放大器(简写EDFA)的相关理论。
首先对光纤放大器的种类进行大致的简介，其次阐述了掺铒光纤放大器的历史和发展，以及对掺铒光纤放大器工作原理进行了介绍。
重点关注了掺铒光纤放大器在现代光纤通信系统中的应运。
关键字：光纤、光纤通信、掺铒光纤放大器、应运Principles and applications of the erbium-doped fiberamplifierAbstract：Optical Fiber Communication, is the use of optical fiber to transmit light waves carry information in order to achieve the purpose of communication. Large capacity optical fiber communication with the communication, transmission rate, long life and many other features. And so it generally should be shipped, in which optical fiber amplifier is an important component of the system. Fiber amplifier is used in optical fiber communication lines. A new type of signal amplification to achieve all-optical amplifiers.This paper describes the erbium-doped fiber amplifier theories. First, erbium-doped fiber amplifier general introduction to the history and typesof optical amplifiers and erbium-doped fiber amplifier operating principlewas introduced. Focus on the erbium-doped fiber amplifier in a modern optical fiber communication system should be shipped.Keywords:Fiber 、Optical Fiber Communication 、Erbium-dopedfiber 、amplifier Should be shipped目录前言 (1)第一章绪论 (2)1.1 光纤通信系统中放大技术 (3)1.1.1光纤放大器的分类 (3)1.1.2 半导体光放大器 (4)1.1.3 光纤放大器 (6)1.2 掺铒光纤放大器的发展历史 (6)1.3 EDFA 的发展方向 (8)第二章掺铒光纤放大器的工作原理及性能参数 (10)2.1掺铒光纤放大器的介绍 (10)2.1.1 EDFA放大器的组成 (10)2.1.2 EDFA的放大原理 (11)2.1.3 EDFA的基本性能 (12)2.2 EDFA的优缺点 (12)2.3 EDFA的主要应用形式. (14)2.4 EDFA的增益特性 (15)第三章 EDFA在密集波分复用系统中应用与研究 (18)3.1 波分复用（WDM）的基本概念 (18)3.1.1 波分复用系统的组成 (18)3.1.2 EDFA在WDM系统中的应用 (19)3.1.3 WDM系统对EDFA的要求 (19)3.1.4 密集波分复用（DWDM）原理概述 (21)3.2 EDFA在密集波分复用（DWDM）系统中应用的分析 (22)3.2.1 EDFA在DWDM系统中的作用和应用方式 (22)3.2.2 DWDM中对EDFA的主要性能要求 (24)第四章总结 (27)致谢 (28)参考文献前言人类传播信息方式是多种多样的。
2011年第7章 掺铒光纤放大器
WDM系统的基本构成主要有以下两种形式：
1 光发射机
…
(1) 双纤单向传输。
1
光接收机 解复用器
…
1
复用器
光纤放大器
n
光发射机
n
1′ 光接收机 解复用器
1 … n 1
光纤放大器 复用器
光接收机
n
光发射机
…
1′
n′
光接收机
由于各信号是通过不同光波长携带的，因而彼此之间不会混淆。 在接收端通过光解复用器将不同波长的信号分开， 完成多路 光信号传输的任务。
注：泵浦（pump，抽运）
LD和EDF 区别
外加源 输入信号 工作物质 输出信号 工作机理 放大作用
半导体激光器 正向电压 电信号 半导体 光信号 受激辐射 谐振腔
EDFA 激光 光信号 掺铒光纤 光信号 受激辐射 光纤本身
四、掺铒光纤放大器结构
泵浦 激光 (98 0 n m或 1 48 0 n m)
六、掺铒光纤放大器
泵浦波长为1480nm、信号波长为1550nm时，EDFA 增益与光纤长度和泵浦功率依存关系
七、掺铒光纤放大器的优点和应用
(1)工作波长正好落在光纤通信最佳波段 (1500～1600 nm)； 其主体
是一段光纤(EDF)，与传输光纤的耦合损耗很小， 可达0.1 dB。
(2) 增益高，约为 30 ～ 40 dB; 饱和输出光功率大， 约为 10 ～ 15 dBm; 增益特性与光偏振状态无关。
二、光放大器的种类 1、半导体光放大器（SOA）
普通光放大器的基本工作原理
二、光放大器的种类 2、光纤放大器（DFA） 非线性光纤放大器 掺铒光纤放大器
非线性光纤放大器：利用强的光源对光纤进行激发，使光
EDFA放大器WDM系统设计课程设计
EDFA放大器WDM系统设计课程设计1.光纤通信系统光纤通信系统可分为三个基本单元：光发射机，光纤和光接收机。
构成示意图如图1-1所示。
图1-1光纤通信系统构成示意图光发射机有将带有信息的电信号转换成光信号的转换装置和将光信号送入光纤的传输装置组成。
光源是其核心器件，有半导体发光二极管LED过着激光二极管LD构成；光纤在实用系统中一般以光缆的形式存在；光接收机由光检测器，放大电路和信号恢复电路组成。
光发射机和光接收机也称为光端机。
在光纤通信系统中还包括大量的有源，无源器件，连接器起着各种设备与光纤之间的连接作用，光耦合器用于需要传输的光分路或合路的场合，光放大器起着对光波放大的作用，用于弥补光信号传输一定距离后，因光纤衰减产生的光功率减弱。
2.掺杂光纤放大器2.1放大器光放大器是可将微弱光信号直接进行光放大的器件。
光信号沿光纤传输一定距离后，会因为光纤的衰减特性而减弱，从而使传输距离受到限制。
光纤通信早起使用的是光——电——光再生中继器，需要进行光电转换，电放大，再定时脉冲整形及电光转换。
在光纤网络中，当有许多光发送器以不同比特率和不同格式将光发送到许多接收器时，无法使用传统的中继器，因此产生了对光放大器的需要。
与传统的中继器比较起来，它具有两个明显的优势： 1.它可以对任何比特率和格式的信号都加以放大，即光放大器对任何比特率和格式的信号格式都是透明的； 2.它不只是对单个信号波长，而是在一定的波长范围内对若干个信号都可以放大。
2.2放大器的原理光放大器是基于受激辐射机理来实现入射光功率放大的。
工作原理如图2-1所示。
图2-1光放大器工作原理图图中的激活介质为一种稀土掺杂光纤，它吸收了泵浦源提供的能量，使电子跳到高能级上，产生粒子数反转，输入信号光子通过受激辐射过程这些这些已经激活的电子，使他们跃迁到较低的能级，从而产生一个放大的信号。
2.3掺杂光纤放大器掺杂光纤放大器是利用光纤中掺杂稀土引起的增益机制实现光放大的。
光电技术实验-掺铒光纤放大器
掺铒光纤放大器(EDFA) 特性参数测量一、实验目的1. 了解掺铒光纤放大器的工作原理及相关特性；2. 掌握掺铒光纤放大器性能参数的测量方法；二、实验原理掺铒光纤放大器(Er Droped Fiber Amplifier,EDFA) 的出现是光纤通信发展史上一个重要里程碑。
1986 年英国南安普敦大学制作出了最初的掺铒光纤放大器。
在此之前，由于不能直接放大光信号，所有的光纤通信系统都只能采用光- 电-光中继方式。
光纤放大器可直接放大光信号，这就可使光- 电- 光中继变为全光中继。
这是一次极为重要的飞跃，把光通信推向了一个新的阶段，其意义可与当年用晶体管代替电子管相提并论。
当作为掺铒光纤放大器泵浦源的0.98um 和1.48um 的大功率半导体激光器研制成功后，掺铒光纤放大器趋于成熟，进入了实用化阶段。
掺铒光纤放大器的意义不仅在于可进行全光中继，它还在多方面推动了光纤通信的发展，引起了光纤通信的革命性变革。
其中最突出的是在波分复用(WDM光纤通信系统中的应用。
波分复用是在一根光纤上传输多个光信道，从而充分利用光纤带宽，有效扩展通信容量的光纤通信方式。
由于掺铒光纤放大器具有约40nm的极宽带宽，可覆盖整个波分复用信号的频带，因而用一只掺铒光纤放大器就可取代与信道数相应的光一电一光中继器，实现全光中继。
这极大地降低了设备成本，提高了传输质量。
这一优越性推动了波分复用技术的发展。
现在EDFA+WD已成为高速光纤通信网发展的主流，代表新一代的光纤通信技术。
(1)EDFA勺工作原理铒(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。
EDFA利用了镧系元素的4f能级，图1是Er"3的能级图。
在掺铒光纤中.由于石英基质的作用，4f的每一个能级分裂成一个能带。
图中4|15/2能带称为基态；4I l3/2能带称为亚稳态，在亚稳态上粒子的平均寿命时间达到10ms。
4|11/2能带为泵浦态，粒子在泵浦态上的平均寿命为1us。
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掺饵光纤放大器光纤通信课程设计光纤通信课程设计题目：掺饵放大器学院：物理与电子科学学院年级专业： 08级电子<1>班作者：侯进学号： 200840620110指导教师：刘广东目录概述 (3)1. 铒离子的电子能级图 (3)2. 掺铒光纤的光放大原理 (5)3.掺饵光纤放大器的基本结构 (6)4. 掺饵光纤放大器的特点 (7)4.1 优点 (7)4.2 缺点 (7)5. 掺饵光纤放大器的应用 (8)6. EDFA的增益特性 (8)6.1 EDFA的放大特性 (8)6.2 EDFA对增益的影响 (8)7. 技术展望 (9)参考文献 (9)掺饵光纤放大器概述光纤通信中采用光纤来传输光信号，一般它受到两方面的限制:损耗和色散。
就损耗而言，目前光纤损耗的典型值在1.3μm波段为0.35dB/km，在1.55μm波段为0.20dB/km。
由光纤损耗限制的光纤无中继传输距离为50-100km. 90年代初期EDFA的研制成功，打破了光纤通信传输距离受光纤损耗的限制，使全光通信距离延长至几千公里，给光纤通信带来了深刻的变化。
一般，光放大器都由增益介质、泵源、输入输出耦合结构组成。
根据增益介质的不同，目前主要有两类放大器，一类采用活性介质，如半导体材料和掺稀土元素的光纤。
掺稀土光放大器，是在光纤芯层中掺入极小浓度的稀土元素，如饵、谱或铥等离子制作出相应的掺饵、掺镨或掺铥光纤。
光纤中掺杂离子在受到泵浦光激励后跃迁到亚稳定的高激发态，在信号光诱导下，产生受激辐射，形成对信号光的相干放大。
主要有: 掺铒光纤放大器（EDFA－Erbium Doped Fiber Amplifier）、掺镨光纤放大器(PDFA- Praseodymium Doped Fiber Amplifier) 和掺铥光纤放大器 (TDFA- Thulium Doped Fiber Amplifier)等；另一类基于光纤的非线性效应，利用光纤的非线性实现对信号光放大的一种激光放大器。
当光纤中光功率密度达到一定阈值时，将产生受激喇曼散射(SRS- Stimulated Raman Scattering)或受激布里渊散射(SBS-Stimulated Brillouin Scattering)，形成对信号光的相干放大，如光纤喇曼放大器(FRA－Fiber Raman Amplifier)和光纤布里渊放大器(FBA- Fiber Brillouin Amplifier)。
本文仅对EDFA 作相应的讨论。
一、铒离子的电子能级图----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L＝0，1，2，3，4，5，6，……的状态。
将数值2s＋1写在L的左上角，这样的符号2s＋1L称为光谱项。
用J表示光谱项中能级的进一步分裂。
符号2s＋1LJ称为光谱支项。
对铒离子Er 3+，量子数分别为：3156,,22L S J===，则其光谱支项2s＋1LJ 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4I9/2，对应800nm 波长，从4I 15/2到4I 11/2，对应980nm 波长，从4I 15/2到4I 13/2，，对应1480nm 波长。
E r 3+的发射过程主要发生在从4I 13/2到4I 15/2能级，对应1530nm 波长。
图1-1 铒离子的电子能级-----由图1-2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 I 15/2 →⎢⎢⎢⎣⎡→→→)1480.0(I )0.980(I )0.800(I 13/2411/249/24波长对应波长对应波长对应nm nm nm 荧光发射：从激发态4 I 13/2 →4I 15/2 （对应1530nm 波长）E r 3+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4I 15/2是基态能级(E 1)；4 I 13/2为受激发射上能级，这个能级是一个亚稳能级(E 2)，粒子具有较长的寿命（～10ms ）；4I 11/2是泵浦能级(E 3)，其上的粒子可以以无辐射跃迁的形式极快地转移到4 I 13/2能级上。
饵离子的三能级模型如图1-2所示：图1-24I-4I15/2能级之间的跃迁对应980nm的泵浦带，4 I13/2－4 11/2I15/2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，掺饵光纤(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 I13/2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，掺饵光纤是3+先从基态激发到泵浦能级上，然后一个三能级系统: Er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3+就会以受激发射的方式从上能布。
在外部光激励下，Er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泵浦的EDFA将具有更好的泵浦效率和噪声特性。
二、掺铒光纤的光放大原理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，Er 3+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1μs，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1-3所示。
图1-4所示的是掺铒光纤的放大器。
图1-3 在泵浦光激发下实现粒子数反转分布图1-4 掺铒光纤的放大器当有1.55μm 信号光通过已被激活的掺铒光纤时，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1-5所示。
图1-6所示的是掺铒光纤的放大器。
图1-5 在信号光的激励下实现光的放大图1-6 掺铒光纤的放大器三、掺饵光纤放大器的基本结构掺铒光纤放大器是由一段掺铒光纤(几十米左右长的掺饵石英光纤，芯径3--5μm,掺杂浓度25～1000 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饵光纤中时，饵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。
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饵光纤内为前向（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工作在1.55μm窗口的损耗系数较1.3μm窗口的低，仅0.2dB/km。
已商用的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，“掺饵光纤放大器(EDFA)+密集波分复用 (DWDM－Dense Wavelength Division Multiplexing)+非零色散光纤 (NZDF－Zero Dispersion Fiber)+光子集成 (PIC－Photonic 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。
四、掺饵光纤放大器的特点EDFA之所以得到迅速的发展，源于它一系列突出的优点。
(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，饵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20-40dB。
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4～7dB:(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。