湖北工业大学理学院2010届毕业设计 (论文) 毕 业 设 计（论 文）题 目 L波段掺铒光纤放大器的研究姓 名 所在学院 理学院 专业班级 06光信1 学 号 指导教师 日 期 2009年12月15日 I摘 要作为光通信系统中的一个关键器件在光通信领域中扮演着十分重要的角色。然而随着系统容量的不断增加，目前所使用的波段已不能满足系统扩容的要求，这就迫切需要向波段或更短的波段扩展。由于工作在波段的波长远离掺铒光纤()的吸收峰()，导致波段的增益效率受到了一定的限制，因此如何提高波段的增益效率具有重要的学术意义和实际应用价值。本论文在前人的基础上，对提高波段的增益效率进行了系统的研究和模拟仿真。通过模拟不同结构的波段掺铒光纤放大器，得到了不同的系统增益特性及其他性能指标。例如：.模拟仿真了基于光环形器的双通结构波段。结果表明：基于光环形器的双通结构波段其增益较传统波段提高了，功率转换效率提高到.。.模拟仿真了波段双级级联双程放大的放大器结构。结果表明：在小信号功率（）输入条件下、波长范围内，放大器输出增益都大于同时增益平坦度优于。其噪声指数在整个L波段都小于（处噪声指数仅为）。关键词：光放大器 掺铒光纤 L波段 C波段 AbstractEDFA as optical communication systems, a key device in optical communications field plays an important role. However, with the continuous increase in system capacity, The C-band currently in use can not meet the requirements of the system expansion, There is an urgent need to EDFA or less to the L-band S-band extension. As the work in the L-band wavelength away from the erbium-doped fiber (EDF) of the absorption peak (1531nm), Leading to L-band EDFA gain efficiency by certain restrictions, Therefore, how to improve the efficiency of L-Band EDFA gain significant academic significance and practical application value.In the predecessors of this paper, based on improving the efficiency of L-band EDFA gain a systematic study and simulation. By simulating different structures of the L-band erbium-doped fiber amplifier, has been a different system gain characteristics and other performance indicators. For example:1. Simulation of the device based on optical ring structure of the double-pass L-band EDFA. The results showed that: device based on optical ring structure of the double-pass L-band EDFA its more traditional L-band EDFA gain increases 7dB, power conversion efficiency increased to 27.29%.2. Simulation of the L-band two-stage double-pass amplification of the amplifier cascade structure. Results showed that: In the small-signal power (-30dBm) input condition, 1568 1602nm wavelength range, Amplifier output gain is greater than 38.84dB the same time, gain flatness is better than 2.04dB. The noise index in the whole L-band are less than 5.29dB (1590nm at noise figure of only 3.95dB).Key words：Optical amplifier Erbium-doped fiber C-band L-band目 录1 绪论11.1光纤放大器简介21.1.1半导体激光放大器31.1.2基于非线性效应光纤放大器31.1.3掺稀土元素光纤放大器51.2掺铒光纤放大器的研究进展及应用61.3论文内容安排及研究方法82 掺铒光纤放大器的基本理论92.1 EDFA的基本结构92.2 EDFA的工作原理102.3掺铒光纤放大器理论模型132.3.1掺铒光纤放大系统的原子速率方程132.3.2光纤放大系统的传输方程153 L 波段掺铒光纤放大器的模拟仿真173.1 L 波段掺铒光纤放大器的优化设计173.1.1 L波段EDFA的基本原理173.1.2 L波段EDFA的模型173.1.3 设计和验证183.2 L 波段EDFA的输出特性的模拟仿真213.2.1放大器增益与带宽213.2.2放大器增益饱和与饱和输出功率223.2.3放大器噪声特性243.3高增益低噪声L波段掺铒光纤放大器实验研究283.3.1设计和验证294 总结与展望314.1总结314.2展望315 参考文献326 致谢331 绪论广义地说 ，通信就是彼此间传递信息，“光”被用于通信已经有很久远的历史了。我国古代记载的汉武帝时代利用烽火台的烽火向远处报警的方式，就是最早的光通信。1880年电话发明家贝尔(A. G. Bell)发明了光学电话，以阳光为光源，用硒晶体作光接收器件，成功地进行了距离达200米远的大气传输通信实验，贝尔的实验奠定了当今光通信的基础。到20世纪早期，仍有不少科学家致力于光通信的研究，但由于缺乏理想的光源，进展不大，直到1960年梅曼(T. H. Mainman)研制成功世界上第一台红宝石激光器。激光器的出现为长期处于停顿状态的光通信解决了一大难题，并成为光通信系统的关键性部件之一。传输媒质是光通信的另一大难题。1966年7月，英籍华人科学家高馄(K. C. Kao)博士和他的合作者霍克汉(G. A. Hockhan)在伦敦电气工程师协会(IEE)会刊上发表题为用于光频的介质纤维表面波导的文章，研究了石英玻璃的损耗机理是基于石英材料中的杂质吸收，指出通过制造技术的改进，石英玻璃可以制成损耗为20dB/km 的通信光导纤维(简称光纤)，而当时世界上最优良的光纤损耗仍高达1000dB/km,高馄的预见为光纤通信的发展指出了方向。到1970年美国康宁玻璃公司宣布研制成功衰减为20dB/km 的光纤，低损耗光纤的出现给光纤通信的发展带来了第一次革命，从此世界上许多国家竞相开展光纤通信的研究，正式揭开发展光纤通信的序幕。1976年以后各种实用的光纤通信系统相继问世。到1979年在1.55波长上光纤损耗降低到0.2dB/km，这已接近了石英光纤理论上的损耗极限。目前的研究水平可达到0.1dB/km以下。鉴于光纤具有的频带宽，容量大，传输损耗低，不易受电磁干扰，保密性强，重量低，易弯曲以及制造光纤的材料自然界有取之不尽的源泉等一系列优点，所以光纤通信的出现被认为是通信史上一次根本性变革，光纤通信已成为通信系统的主流。在光波导技术快速发展的同时，与之相配合的半导体技术(它提供光纤通信所需的光源和光检测器)也相应地发展起来，促成了光纤通信的实用化。1970年，美国贝尔实验室的0.85的GaAIAs半导体激光器在室温下实现连续振荡，随后，为配合光纤的长波长窗口(1.21, 1.31, 1.55),研制出InGaAsP长波长激光器和发光二极管。因此，1976年后，光纤通信的发展进入实用化阶段，各种实用的光纤通信系统陆续出现。在1978年，出现了商用的短波长(0.85砷化稼激光器)多模光纤系统，无中继距离仅在lOkm左右，这就是第一代光纤通信系统，但此波长处光纤的损耗和色散都较大。第二代光纤通信系统出现在八十年代早期，是长波1.3的多模光纤和单模光纤通信系统，无中继距离达40km。虽然光纤的零色散就位于1.3上，但在此波长上光纤的损耗仍限制通信的中继距离，光纤的最小损耗位于1.55处，1.55单模光纤通信是第三代光纤通信系统，现己在公用通信网上得到大规模应用。目前通信的研究热点是长距离、大容量、超高速的光纤通信系统，其中光纤放大器和DWDM起着极其重要的作用。随着技术的不断发展，全光通信已成为通信发展的必然趋势。1.1光纤放大器简介光纤制造技术已经把光纤损耗降低到理论极限值，但在长距离通信中，光纤损耗和色散仍不可避免，这就需要每隔一段距离增加一个再生中继器来保证信号的传输质量。传统的中继放大是在光信号传输过程中，将光信号转变为电信号，对电信号进行再生、整形和定时处理，恢复信号的形状和幅度，然后再转换回光信号沿光纤线路继续传输。这种光一电一光转换的中继器有许多缺点，如设备复杂，需要昂贵的脉冲限幅，重新定时和整形的电子器件以及光探测器件和光发射器件，系统稳定性和可靠性不高，对多信道的通信系统，设备更复杂，费用更昂贵，而且电子线路的1OGb/s的响应极限已经成为限制通信速率的“电子瓶颈”。因此，最理想的中继放大是光一光直接放大，不需要经过光一电一光转换过程。光放大器应运而生。光放大器主要包括半导体激光放大器和光纤型放大器两类。光纤型放大器有光纤喇曼放大器（FRA）、光纤布里渊放大器(FBA)、和掺杂光纤放大器（如EDFA）等几种。其中掺铒光纤放大器（EDFA）技术已变得相当成熟并商用化。1.1.1半导体激光放大器所有靠近阈值但在阈值以下偏置的半导体激光器都可以实现光放大，做成半导体激光放大器（SOA）。对于半导体激光放大器（SOA）的研究，早在1926年发明半导体激光器不久就已经开始了。然而，只是80年代在认识到它将在光纤系统中具有广泛应用前景时，才对SOA进行了广泛的研究和开发。为了提高增益带宽，在半导体光放大器放大芯片的两个解理端面上，蒸镀抗反射膜已降低端面放射系数。按照端面反射系数的大小，可将半导体光放大器分为两类：一类为法布里泊罗（F-