掺铒光纤放大器的设计

东北石油大学课程设计

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苗培梓学号 1

主要内容、基本要求、主要参考资料等

1、主要内容：

的掺铒光纤放通过学习光纤放大器的原理，设计一个能够对波长为1.55m

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

年月日

第1章概述

掺铒光纤放大器，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1985年英国南安普顿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离子的光纤，它是掺铒光纤放大器的核心。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，不需要将光信号转换为电信号，直接对光信号进行放大的一种技术。

1.1研究意义

众所周知，现今是信息时代，社会信息化进程正在逐渐的深入，整个社会受信息运行的影响也随之越来越大，随着因特网的普及和网上应用，使人们对一些新型信息服务的需求越来越迫切，例如家庭办公、远程教育、电子商务等，因此这就需要用到功能强大的通信网络，光纤通信作为一种理想的通信手段，具有了诸如较大的通信容量、较长的无中继通信距离、良好的保密性等许多的优点，这使得光纤通信取代其它通信手段是一种必然的趋势。

在光放大器中，掺铒光纤放大器，即EDFA，的技术比较成熟，自身性能较好，所以它的应用比较广泛。它具有高增益、低噪声、输出功率大、串话小，对温度偏振不敏感，藕合效率高，易与传输光纤藕合连接，损耗低，不易自激，对信号速率和格式透明，并具有几十纳米的放大带宽等优点。由于它几乎接近完美的特性及半导体泵浦源的使用，导致了它在波分复用系统中的广泛应用，随着光纤通信向速度更快、带宽更大方向的发展，随之对掺铒光纤放大器的性能也有着更高的要求。

1.2发展趋势及其前景

掺铒光纤放大器的研究始于60年代早期，E.Snitzer发现掺铒玻璃对1.50微米波长的激光有放大作用，提出了掺杂光纤放大器的设想，但由于当时未能解决热淬灭效应问题，而且随后出现了半导体光放大器，使得掺铒光纤放大器的研究停滞不前。直到80年代中期，南安普敦大学的研究人员通过改进的化学气相沉积法（MCVD）成功研制出了掺铒光纤，并在之后制作出了利用650nm波长50mW 的红染料激光器为泵浦的EDFA具有25dB的小信号增益；几乎同时贝尔实验室

的研究人员也制出了不同波长泵浦源的EDFA，获得了约22dB的小信号增益，对该EDFA的测试结果表明，其多信道放大时不存在串扰现象、增益与偏振无关，用于实际传输系统时具有极小的误码率。1988年1480nm的大功率半导体激光器的研制成功，解决了之前泵浦设备过于庞大不适于应用的问题。1989年日本的NTT公司首先使用1480nm的半导体激光器作为泵浦源获得成功以及同年召开的光放大及应用会议（OAA）标志着EDFA的应用研究推向新的阶段。

EDFA技术于90年代初走向成熟并被迅速投入商业应用。随后的研究继续更深入的展开，目标都是使EDFA有更好的工作特性。两个大的方面，一是对EDF材料的研究，为了获得更平坦的增益、更大的带宽；另一个是从系统的角度考虑。

EDFA是将来很长一段时间内光纤通信系统中最具实用的价值无源光器件之一,掺铒光纤放大器的应用将推动高速光通信的发展,将在未来的高速全光通信系统中扮演重要的角色。

1.3 EDFA的应用

掺铒光纤放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。其主要应用有：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。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2章掺铒光纤放大器工作原理

2.1掺铒光纤放大器的介绍

2.1.1 EDFA放大器的组成

石英光纤掺稀土元素，如Nd、Er、Pr、Tm等，后可构成多能级的激光系统，在泵浦光作用下使输入信号光直接放大。提供合适的反馈后则构成光纤激光器。掺Nd光纤放大器的工作波长为1060nm及1330nm，由于偏离光纤通信最佳宿口及其他一些原因，其发展及应用受到限制。EDFA及PDFA的工作波长分别处于光纤通信的最低损耗(1550nm)及零色散波长(1300nm)窗口，TDFA工作在S波段，都非常适合于光纤通信系统应用。尤其是EDFA，发展最为迅速，已实用化在掺铒光纤发展的基础上，不断出现许多新型光纤放大器，例如，以掺铒光纤为基础的双带光纤放大器(DBFA)，是一种宽带的光放大器，宽带几乎可以覆盖整个波分复用(WDM)带宽。类似的产品还有超宽带光放大器(UWOA)，它的覆盖带宽可对单根光纤中多达100路波长信道进行放大。图2.1为掺铒光纤放大器实物图：

图2.1掺铒光纤放大器

掺铒光纤放大器的主要组成部分，如图2.2所示:

图2.2 EDFA的结构