掺铒光纤放大器在现代光纤通信系统中的应用.docx
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掺铒光纤放大器在现代光纤通信系统中的应用
掺铒光纤放大器在现代光纤通信系统中的应用
作者:
厥类
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（OpticalFiberAmpler，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的相关理论。
首先对掺铒光纤放大器的历史进行大致的简介，以及对光放大器的种类和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
Abstract
OpticalFiberCommunication,istheuseofopticalfibertotransmitlightwavescarryinformationinordertoachievethepurposeofcommunication.Largecapacityopticalfibercommunicationwiththecommunication,transmissionrate,longlifeandmanyotherfeatures.Andsoitgenerallyshouldbeshipped,inwhichopticalfiberamplifierisanimportantcomponentofthesystem.Fiberamplifierisusedinopticalfibercommunicationlines.Anewtypeofsignalamplificationtoachieveall-opticalamplifiers.
Thispaperdescribestheerbium-dopedfiberamplifiertheories.First,erbium-dopedfiberamplifiergeneralintroductiontothehistoryandtypesofopticalamplifiersanderbium-dopedfiberamplifieroperatingprinciplewasintroduced.Focusontheerbium-dopedfiberamplifierinamodernopticalfibercommunicationsystemshouldbeshipped.
Keywords:
FiberOpticalFiberCommunicationErbium-dopedfiberamplifierShouldbeshipped
前言
人类传播信息方式是多种多样的。
用光来传递信息也是很早之前就有的。
远在周代我国就有了烽火传递信息的方法，烽火作为一种原始的声光通信手段，服务于古代军事战争。
从边境到国都以及边防线上，每隔一定距离就筑起一座烽火台。
内储柴草，当敌人入侵时，便一个接一个地点燃起烽火报警，各路诸侯见到烽火，马上派兵相助,抵抗敌人。
现如今用光纤来传递信息已成为非常重要的信息传递方式。
在光纤通信系统中光放大
又是一个非常重要的环节。
光放大器是可将微弱的光信号直接进行光放大的器件。
它的出现使光纤通信技术产生了质的飞跃；它使光波分复用技术，光孤子通信技术迅速成熟并得于商用，同时他为未来的全光通信网奠定了扎实的基础，成为现代和未来光纤通信系统中不可少的重要器件。
第一章掺铒光放大器的发展史及其介绍
1.1掺铒光放大器的发展史.
掺铒光纤放大器（EDFA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（Er）离子的光纤，它是掺铒光纤放大器的核心。
从20世纪80年代后期开始，掺铒光纤放大器的研究工作不断取得重大的突破。
WDM技术、1999年，分子光电公司和蒂姆光子学公司制成首件掺饵波导放大器产品。
极大地增加了光纤通信的容量。
成为当前光纤通信中应用最广的光放大器件。
（1）
1.2对掺铒光纤放大器的介绍
词名：
掺铒光纤放大器；英文名：
ErbiumDopedFiberAmplifier；
缩写：
EDFA
来历：
Er-DopedFiberAmplifier
相关术语：
OpticalAmplifier
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。
（2）
下图为掺铒光纤放大器实物图
图1-1掺铒光纤放大器
第二章掺铒光纤放大器的工作原理及性能参数
2.1EDFA放大器的组成.
图2-1为EDFA的结构图
图2-1EDFA的结构
2.1.1 一个典型的掺铒光纤放大器主要由以下几部分组成:
（1）掺铒光纤——是EDFA的主体,在石英基质中掺入饵离子制成。
（2）泵浦光源——泵浦光用于供给掺铒光纤中铒粒子的能量,使其吸收能量跃迁到亚稳态能级。
（3）隔离器——用于抑制光的来回反射,保证放大器工作稳定。
（4）耦合器——用于将信号光和泵浦光耦合到掺铒光纤中。
（5）控制电路——从放大器输出端抽取监测信号,对放大器的泵浦光功率及输入信号光等进行调节、控制增益的大小,保证输出信号的稳定。
（6）光滤波器———带宽为1nm以下的窄带光滤波器,用于消除放大器的自发辐射光,以降低放大器的噪声。
2.2EDFA的放大原理
2.2.1EDFA的放大原理
EDFA的放大作用是通过1550nm波段的信号光在掺铒光纤中传输与Er3+离子相互作用产生的。
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+离子抽运到激发态上，处于激发态的Er3+离子又迅速无辐射地转移到亚稳态上。
由于Er3+离子在亚稳态上能级寿命较长，因此，很容易在亚稳态与基态之间形成粒子数反转，即处于亚稳态的Er3+粒子数比处于基态的Er3+粒子数多。
当信号光子通过掺铒光纤，与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；只有少数处于基态的Er3+离子对信号光子产生受激吸收效应，吸收光子。
2.2.2图2-2为Er3+能级图
图2-2Er3+能级图
2.3.EDFA的基本性能
（1）增益特性：
增益特性表示了光放大器的放大能力，定义为输出功率和输入功率之比。
EDFA的增益大小与多种因素有关，增益一般为15dB~40dB。
（2）输出功率特性：
EDFA的最大输出功率常3dB饱和输出功率来表示。
3dB饱和输出功率是指当饱和增益下降3dB时所对应的输出功率，该参数反映了EDFA的最大功率输出能力，EDFA的饱和输出特性与泵浦功率大小、掺铒光纤长短有关。
泵浦光功率越大，3dB饱和输出功率越大；掺铒光纤长度越长，3dB饱和输出功率也越大。
（3）噪声特性：
EDFA的输出光中，除了有信号光外，还有被放大的噪声。
EDFA的噪声主要有4种：
信号光的散粒噪声；被放大的自发辐射光ASEde散粒噪声；自发辐射ASE光谱与信号光之间的差拍噪声；自发辐射ASE光谱间的差拍噪声。
2.4EDFA的优缺点
优点：
（1）工作波长与光纤最小损耗窗口一致，可在光纤通信中获得广泛应用。
（2）耦合效率高。
因为是光纤型放大器，易于光纤耦合连接，也可用熔接技术与传输光纤熔接在一起，损耗可降至0.1dB，这样的熔接反射损耗也很小，不易自激。
（3）能量转换效率高。
激光工作物质集中在光纤芯子，且集中在光纤芯子中的近轴部分，而信号光和泵浦光也是在近轴部分最强，这使得光与物质作用很充分。
（4）增益高，噪声低。
输出功率大，增益可达40dB，输出功率在单向泵浦时可达14dBm
双向泵浦时可达17dBm，甚至可达20dBm，充分泵浦时，噪声系数可低至3~4dB，串话也很小。
（5）增益特性不敏感。
首先是EDFA增益对温度不敏感，在100°C内增益特性持
稳定，另外，增益也与偏振无关。
（6）可实现信号的透明传输，即在波分复用系统中可同时传输模拟信号和数字
号，高速率信号和低速率信号，系统扩容时，可只改动端机而不改动线路。
EDFA也有固有的缺点：
（1）波长固定，只能放大1.55μm左右的光波，换用不同基质的光纤时，铒离子能级也只能发生很小的变化，可调节的波长有限，只能换用其他元素；
（2）增益带宽不平坦，在WDM系统中需要采用特殊的手段来进行增益谱补偿。
（4）
第三章掺铒光纤放大器在密集波分复用系统中的应用
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。
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_x_U_Pg~c0
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如下：
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2.1.1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。
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2.1.2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。
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2.1.3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。
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2.1.4一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。
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2.1.5掺铒光纤放大器做功率放大器，不必经过光电转换可以直接对光信号放大，结构简单，成本低，性能稳定可靠。
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实践证明，使用掺铒光纤放大器的光纤干线传输，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160—200km无中继通信。
如果有必要，还可将中继距离延长更远。
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2.2前置放大器G_
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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。
光纤2.3线路放大器_TYede_m<$
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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，可以大大延长传输距离，也成为中继放大器。
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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。
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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。
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2.4用户接入网中的光纤放大器_$1m_yfZ
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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，需要将光信号进行放大，这就需要光纤放大器。
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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。
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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。
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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。
（8）（）
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，可以分成以下三种类型：
1.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。
2.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。
3.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，提高接收灵敏度），要求噪声指数很小，对输出功率没有太大的要求。
为了满足在密集波分复用系统中应用的要求，掺铒光纤放大器的性能和功能上有其特殊的要求，光信号传输后最重要的一个指标是光信噪比（OSNR）。
掺铒光纤放大器除了放大输入的光信号之外，还产生ASE噪声，可以等效成一个理想的增益为G的放大器，和一个功率为Pase的噪声源相叠加。
对于一个N个放大器的级联系统，每一级放大器将前一级的ASE噪声放大G倍，同时叠加上本身产生的ASE噪声，噪声逐级积累，于是，光信噪比（OSNR）将逐级劣化。
光信噪比定义：
OSNR=Psig/Pase可以看出，可以通过提高每个信道的光功率即提高掺铒光纤放大器的总输出功率来提高光信噪比，也可以通过降低放大了大自发辐射噪声（ASE噪声）来提高光信噪比 对于一个N段光纤的系统，有N+1个光放大器级联，假设每一级放大器都一样，每一段光纤损耗都等于放大器的增益，那么，终端的放大了的自发辐射噪声 Pase=F（G-1）hvB0（N+1）可以看出Pase随放大器的级数线性增长，而光纤的损耗是随着光纤长度增长呈指数增长，根据假设，放大器的增益正好补偿光纤损耗，可以得出以下结论：
Pase不变时，降低中继长度（即降低掺铒光纤放大器增益），增加中继个数（即增加掺铒光纤放大器级联个数），要比增加中继长度，减少中继个数传输更远的距离。
换一个角度说，传输距离相同的情况下，降低中继长度，增加中继个数，要比增加中继长度，减少中继个数时有较小的Pase，即提高了接收端光信噪比（OSNR）。
另外，在系统设计中，除了选择中继距离外，选用噪声指数小的掺铒光纤放大器也是提高光信噪比的一种有效的方法。
在密集波分复用系统中为了容纳更多的信道，提高系统容量，有两种方法：
一种是降低信道的间隔；另一种是拓展掺铒光纤放大器的工作波长范围。
在拓展工作波长范围的同时，还必须保证在工作波长范围增益平坦，因为掺铒光纤放大器是级联使用的，每一级小的不平坦，在多级级联后，就会变得很不平坦，造成在线路终端的各个信道功率差别太大。
掺铒光纤放大器的增益特性是小输入光信号增益大，大输入光信号时增益小，在密集波分复用系统中，如果不对线路光纤放大器的增益进行控制的话，那么，在输入信道少时（小输入光信号）的增益要比输入信道多时（大输入光信号）增益大，这会造成输入信道少时，每个信道输出功率大，在极端情况下，只有一个输入信道，那么，就有可能造成输出光信号足够大，在光纤传输中产生非线性失真。
因此，线路放大器必须具有增益锁定功能，保证在输入是大信号和小信号时，增益都是一样的，即每个信道的输出光功率在输入信道增减时都保持恒定。
（7）
（5）EDFA在WDM系统中的应用
EDFA在WDM系统中可以作为前置放大器、线路放大器和功率放大器。
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，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。
（6）WDM系统对EDFA的要求
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、低噪声系数和高输出功率。
①EDFA增益带宽
目前，EDFA可用增益频谱范围为l530～l565nm，增益带宽为35nm左右，可以满足4～32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。
②WDM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1528～1568nm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M—Z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。
③EDFA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，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。
④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（6）
参考文献
1XX百科掺铒光纤放大器
2XX百科掺铒光纤放大器
3参考与北京邮电大学光通信中心课件
4参考老师课件第九章光放大器
5、作者：
福州锐特电子自动化科技有公司
6喇曼和掺铒光纤放大器在WDM系统中的应用来源：
半导体技术|作者：
西安通信学院康晓东尹树华党利宏
7掺铒光纤放大器的原理及在密集波分复用系统中的应用陶峰[1]丁倩雯[2]
[1]无锡市中兴光电子技术有限公司
8、光纤放大器的应用ETSC-TECH东隆科技
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