掺铒光纤放大器和拉曼光纤放大器分析和比较

掺铒光纤放大器和拉曼光纤放大器分析和比较摘要：光放大器技术是新一代光纤通信系统中一项必不可少的关键技术，目前几种主要的光放大器技术在工程应用中各有所长。此文介绍了光放大器技术的基本原理，并对现有主要几种光放大器技术在性能、应用和发展方向上进行了比较。

关键词：掺铒光纤放大器；光纤拉曼放大器

0、综述

20世纪90年代以来，Internet的普及发展和各种信息(如语音、图像、数据等)业务的快速增长，人们对现代通信系统提出了更高的要求。在市场需求的大力推动下，通信技术取得了长足的进步，其中光纤通信技术脱颖而出，以其高速优质的特点，一跃成为当今长距离、大容量传输干线的主流技术。但由于光纤损耗和非线性的影响，无中继传输距离成为制约系统容量和速率的瓶颈，而中继放大技术成了光通信领域的关键技术之一。传输系统中的光纤损耗使信号随传输距离呈指数衰减，极大地限制了通信传输跨距和网络的可扩展性，因此必须在通信线路上设置中继器对信号进行再生放大。在光放大器没有出现之前，光纤传输系统普遍采用光－电－光(OEO)的混合中继器，但这种中继方式存在“电子瓶颈”现象，在很大程度上限制了传输速率的提高，而且价格昂贵、结构复杂。20世纪80年代出现的光放大器技术具有对光信号进行实时、在线、宽带、高增益、低噪声、低功耗以及波长、速率和调制方式透明的直接放大功能，是新一代光纤通信系统中不可缺少的关键技术。此技术既解决了衰减对光网络传输距离的限制，又开创了1550nm波段的波分复用，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（1）。又由于此技术与调制形式和比特率无关，因而在光纤通信系统中得到了广泛应用。

1、光放大器分类及原理

光放大器(OA)一般由增益介质、泵浦光和输入输出耦合结构组成，其作用就是对复用后的光信号进行光放大，以延长无中继系统或无再生系统的光缆传输距离。一个好的光放大器应具有输出功率高、放大带宽宽、噪声系数低、增益谱平坦等特性。光放大器主要分为光纤型放大器（FA）和半导体放大器（SOA）两大类，其中光纤型放大器（FA）还可再分为掺稀土光纤放大器和常规光纤放大器，具体分类详见图1（2）.本文中，仅对掺铒光纤放大器(EDFA)和光纤拉曼放大器(FRA)作以介绍和分析。

图1 光放大器的分类

1、1掺铒光纤放大器（EDFA）的原理

掺铒放大器的工作机理基于受激辐射，这里首先讨论激活介质掺饵石英的能级图，如图2所示。掺铒光纤中的饵离子（Er3+）所处的能量状态是不能连续取值的，它只能处在一系列分立的能量状态上，这些能量状态称为能级，掺饵石英的能级图用3个能级表示。

图2 石英光纤中饵离子的能级

饵离子从能级2到能级1的跃迁产生的受激辐射光，其波长范围为1500~1600nm，这是掺铒光纤放大器能得到广泛应用的原因。当供给激光媒体能量使其处于激励状态时，即会产生光的受激辐射现象，如果能满足使受激辐射持续进行的条件，并用输入光去感应，则能得到比其强的输出光，从而起到放大作用。为了实现受激辐射，需要产生能级2与能级1之间的粒子数反转，既需要泵浦源将饵离子从能级1激发到能级2。有两种波长的泵浦源可以满足要求，一种是980nm波长的泵浦源。在这种情况下，饵离子受激不断的从能级1转移到能级3上，在能级3上停留很短的时间（生存期），约1us，然后无辐射的落到能级2上。由于饵离子在能级2上的生存期约为10ms，所以能级2上的饵离子不断累积，形成了能级1、2之间的粒子数反转。在输入光子（信号光）的激励下，饵离子从能级2跃迁到能级1上，这种受激跃迁将伴随着与输入光子具有相同波长、方向和相位的受激辐射，使得信号光得到了有效的放大。另一种是1480nm波长的泵浦源，它可以直接将饵离子从能级1激发到能级2上去，实现粒子数反转。

掺饵光纤放大器（EDFA）是利用掺饵（Er3+）光纤作为增益介质、使用激光

器二极管发出的泵浦光对信号光进行放大的器件。图3给出了掺饵光纤放大器的结构。

图3 掺铒光纤放大器的典型结构

掺饵光纤是掺铒光纤放大器（EDFA）的核心部件。它以石英光纤作为基质，在纤芯中掺入固体激光工作物质——饵离子。在几米至几十米的掺饵光纤内，光与物质相互作用而被放大、增强。光耦合器的作用是将信号光和泵浦光合在一起，一般采用波分复用器实现。光隔离器的作用是抑制光反射，以确保光放大器工作稳定，它必须是插入损耗低，与偏振无关，隔离度优于40dB。光滤波器的作用是降低自发辐射产生的噪声对系统的影响（3）。

1、2拉曼光纤放大器（RFA）原理

拉曼光纤放大器的工作原理是基于石英光纤中的受激拉曼散射效应,在形式上表现为处于泵浦光的拉曼增益带宽内的弱信号与强泵浦光波同时在光纤中传输,从而使弱信号光即得到放大。其工作原理示意如图4所示。泵浦光子入射到光纤,光纤中电子受激并从基态跃迁到虚能级,然后处在虚能级的电子在信号光的感应下回到振动态高能级,同时发出一种和信号光相同频率、相同相位、相同方向的低频的斯托克斯光子,而剩余能量被介质以分子振动(光学声子)的形式吸收,完成振动态之间的跃迁。斯托克斯频移γr=γp-γs由分子振动能级决定,其值决定了受激拉曼散射的频率范围,其中γp是泵浦光的频率,γs是信号光的频率。对非晶态石英光纤来说,其分子振动能级融合在一起,形成了一条能带,因而可在较宽频差γpγs范围(40THz)内通过SRS实现信号光的放大（4）。

图4 拉曼光纤放大器工作原理示意图

用激光器产生的泵浦光经光隔离器(工50)耦合到波分复用器，并与信号光一起通过波分复用器(WDM)耦合到一段光纤中，在这段光纤内利用受激拉曼散射效应使泵浦光能量向信号光转移，从而信号光得到放大。如图5所示（5）。

图5 受激拉曼光纤放大器的基本结构

受激拉曼光纤放大器的泵浦方式有前向泵浦、后向泵浦及前后同时泵浦三种方式。泵浦光可以是连续的，也可以是脉冲式的。当泵浦功率较低时，前向泵浦和后向泵浦方式的拉曼增益一致。在处于泵浦饱和区域时，这两种泵浦方式总的放大特征会有很大不同。

3、光放大器的技术比较及应用

3、1掺铒光纤放大器优、缺点及应用

掺铒光纤放大器的优点是: （1)通常工作在1530～1565nm光纤损耗最低的窗口;（2)增益高,在较宽的波段内提供平坦的增益,是WDM理想的光纤放大器;（3)噪声系数低,接近量子极限,各个信道间的串扰极小,可级联多个放大器;（4)放大频带宽,可同时放大多路波长信号;（5)放大特性与系统比特率和数据格式无关;（6)输出功率大,对偏振不敏感;（7)结构简单,与传输光纤易耦合。缺点是:（1)在第3窗口以上的波长,光纤的弯曲损耗较大,而常规的掺铒光纤放大器不能提供足够的增益,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。制约了光纤能够容纳的波长信道数;（2)不便于查找故障,泵浦源寿命不长;（3)存在基于泵浦源调制和光时域反射计(OTDR)的监测与控制技术问题,控制内容包括输出功率的控制和不同波长通道的增益均衡,EDFA的增益对100kHz以上的高频调制不敏感,对低于1kHz的调制,掺铒光纤放大器的输出信号会产生失真（6）。

在光纤通信系统中, 掺铒光纤放大器的应用有线路放大、功率放大、前置放大和局域网。线路放大的最重要的应用就是作为线路放大器以提高系统的传输距离。在长途通信线路, 掺铒光纤放大器用作中断放大有很大的优势。在局域网(LAN) 光纤通信系统中, 需要用光放大器来补偿光合束器、光学路由器等光学元件的损耗。在一个采用几个星形耦合和掺铒光纤放大器相结合的LAN 实验中, 实现了几乎无损耗的分配网。掺铒光纤放大器有平坦增益谱、高饱和输出功率、低串音等优点在有线电视系统（CATV）中有广阔的用途。掺铒光纤放大器工作在 1550nm 窗口。该窗口光纤损耗系数较 1310nm 窗口低, 噪声低,增益曲线好、

放大带宽大。与波分复用(WDM) 系统兼容。泵浦效率高。工作性能稳定。目前“掺铒光纤放大器 EDFA+密集波分复用 (WDM) +非零色散光纤(NI—DSF)+光子集成(PIC)”正成为国际长途高速光纤通信系统的主要技术方向（7）。

3、2拉曼光纤放大器的优、缺点及应用

拉曼光纤放大器的优点及缺点包括:(1)增益波长由泵浦光波长决定,理论上可对光纤窗口内任一波长的信号进行放大,包括光纤的整个低损耗区(1 270~1 670 nm)。(2)增益频谱比较宽,单波长泵浦可实现40 nm范围的有效增益,如果采用多个泵浦源,则可容易地实现宽带放大。而EDFA由于能级跃迁机制所限,增益带宽最大只有100 nm左右。(3)增益介质为传输光纤本身,因为放大是沿光纤分布而不是集中作用,光纤中各处的信号光功率都比较小,从而可降低非线性效应尤其是四波混频(FWM)效应的干扰,与EDFA相比优势相当明显。(4)拉曼光纤放大器的噪声指数(NF)比EDFA要低。二者配合使用,可以有效降低系统总噪声,提高系统的信噪比,从而延长无中继传输距离及总传输距离。(5)拉曼光纤放大器的主要缺点是所需的泵浦光功率高,集总式要几瓦到几十瓦,分布式要几百毫瓦;作用距离长,分布式作用距离要几十至上百千米,只适合于长途干线网的低噪声放大。

拉曼光纤放大器的应用包括：（1）增大无中继传输距离。主要是由光传输系统信噪比决定的,分布式拉曼光纤放大器的等效噪声指数极低,为-2~0 dB,比EDFA的噪声指数低4.5 dB,利用分布式拉曼光纤放大器作前置放大器可明显增大无中继传输距离。康宁公司通过实验和系统建模发现,2.5倍的延伸是有可能的。在有线电视HFC网的建设中,特别是在城乡联网时,需要将前端光信号送到100 km外的分前端。考虑到安全、维护及供电困难等因素,很多情况下,中途是不允许进行中继放大的。从成本考虑,采用SDH系统是不可能的,采用模拟1 550 nm 系统是最好的选择。要保证足够高的系统信噪比,普通模拟1 550 nm传输系统无中继传输距离一般不大于70 km。如果采用分布式拉曼光纤放大器作接收前置放大器,能提高系统的信噪比,相应地也就增加了无中继传输距离。根据理论计算及实际经验,采用DRA作前置放大能使模拟1 550 nm系统无中继传输距离增加到120 km左右。图6为实现方案框图。

图6 实现方案框图

（2）提升光纤的复用程度和光网络的传输容量。分布式拉曼光纤放大器的低噪声特性可以减小信道间隔,提高光纤传输的复用程度和传输容量。从数值模拟可以得到,原始设计为10 Gbit/s,信道间隔为100 GHz的系统,采用拉曼光纤

放大器可被升级到信道间隔为50 GHz而无需任何附加代价。NTT最新报道已经实现了间隔为25 GHz的超密集波分复用。（3）拓展频谱利用率和提高传输系统速率。普通光纤的低损耗区间是1 270~1 670 nm,而普通的EDFA只能工作在1 525~1 625 nm范围内,所以EDFA系统的光纤频带利用率是很低的。拉曼光纤放大器的全波段放大特性使得它可以工作在光纤整个低损耗区,极大地拓展了频谱利用率,提高了传输系统的速率。分布式拉曼光纤放大器是将现有系统的传输速率升级到40 Gbit/s的关键器件之一（8）。

4、结束语

通过本文的介绍和主要特点的比较，不难看出掺铒光纤放大器由于其工作波长恰好与光纤通信最佳窗口（1540nm）相吻合，并且，其技术开发和商品化最成熟，因而是目前最令人满意的光放大器。拉曼光纤放大器由于采用分布式放大，因此可以补偿器件、色散带来的损耗，同时也可以避免非线性效应；拉曼光纤放大器能在掺铒光纤放大器所不能放大的波段实现放大，既能在全波长范围能放大光信号，又特别适用于超长距离传输和海底光缆通信等不方便设立中继器的场合，因而很受欢迎，并随着泵浦激光器小型化、商用化而进入实用化，成为继掺铒光纤放大器之后的一个重要的应用。随着城域网建设的兴起，光放大器在低价领域必然会有很大作用。总之，高增益、大输出功率、低噪声系数是掺铒光纤放大器和拉曼光纤放大器的共同发展方向。

参考文献

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【2】魏澎. 光放大器的原理及应用分析. 邮电设计技术, 2003(04)

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【4】熊伦. 拉曼光纤放大器的应用与研究进展. 现代电子技术, 2007(02)

【5】张国昌. 典型拉曼光纤放大器及其特点. 飞通光电子技术, 2001(09)

【6】魏景芝. 光放大器技术的比较. 光纤与电缆及其应用技术,2002(05)

【7】林凤华. 掺铒光纤放大器(EDFA)特性与技术介绍. 科技创业月刊,2007(07)

【8】莫敏杰. 拉曼光纤放大器及其应用. 中国有线电视,2004(Z1)

实验十二掺铒光纤放大器(edfa)的性能测试

实验十二掺铒光纤放大器（EDFA）的性能测试 一、实验目的 1. 了解掺铒光纤放大器（EDFA）的工作原理、基本结构及相关特性； 2. 测试掺铒光纤放大器（EDFA）的各种参数，并根据测量的参数计算增益、输出饱和功率和噪声系数； 二、实验原理 在光纤放大器实用化以前，为了克服光纤传输中的损耗，每传输一段距离都要进行“再生”，即把传输后的弱光信号转换成电信号，经过放大、整形后，再去调制激光器，生成一定强度的光信号，即所谓的O—E—O光电混合中继。但随着传输码率的提高，“再生”的难度也随之提高，于是中继部分成了信号传输容量扩大的“瓶颈”。光纤放大器的出现解决了这一难题，其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；由于这项技术不仅解决了损耗对光网络传输速率与距离的限制，更重要的是它开创了C＋L波段的波分复用，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。 在目前实用化的光纤放大器中主要有掺铒光纤放大器（Erbium-Doped Fiber Amplifier，EDFA）、半导体光放大器（SOA）和光纤喇曼放大器（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。在系统中EDFA有三种基本的应用方式：功率放大器（Power booster-Amplifier）、中继放大器（Line-Amplifier）和前置放大器（Pre-Amplifier）。它们对放大器性能有不同的要求，功放要求输出功率大，前放对噪声性能要求高，而中放两者兼顾。 1．掺铒光纤放大器的工作原理 Er3+能级图及放大过程：掺铒光纤放大器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4I15/2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到不同的能级，当用980nm波长的光泵浦时，如图15-1所示，Er＋3从基态跃迁至泵浦态4I11/2。由于泵浦态上的载流子的寿命只有1μs，电子迅速以非辐射方式由泵浦态豫驰至亚稳态，在亚稳态上载流子有较长的寿命，在源源不断的泵浦下，亚稳态上的粒子不断累积，从而实现粒子数反转分布。当有1550nm的信号光通过已被激活的铒光纤时，在信号光的感应下，亚稳态上的粒子以收集受激辐射的方式跃迁到基态，同时释放出一个与感应光子全同的光

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100901240106 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

第四次实验报告-测量掺铒光纤放大器放大特性

现代通信光电子学实验报告 实验名称：测量掺铒光纤放大器放大特性 学生姓名： 学号： 同组学生姓名：何子力 实验日期：2017.5.14 报告提交日期：2017.5.28

目录 一、实验目的和要求 (1) 二、实验内容和原理 (2) 2.1 掺铒光纤放大器的工作原理 (2) 2.2 增益特性分析 (5) 三、主要仪器设备 (6) 四、操作方法与实验步骤 (6) 五、实验结果记录 (9) 六、实验结果分析 (12) 七、结论与思考 (15) 八、参考资料 (16) 九、附件 (16)

一、实验目的和要求 1、了解掺铒光纤放大器的工作原理 2、理解惨耳光纤放大器（EDFA）的基本结构和功能； 3、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 4、了解影响掺铒光纤放大器放大率的因素 5、了解怎样使用实验仪器 6、确定掺铒光纤放大器工作的临界状态，绘制放大特性曲线 二、实验内容和原理 在光纤放大器实用化以前，为了克服光纤传输中的损耗，每传输一段距离都要进行“再生”，即把传输后的弱光信号转换成电信号，经过放大、整形后，再去调制激光器，生成一定强度的光信号，即所谓的O—E—O光电混合中继。但随着传输码率的提高，“再生”的难度也随之提高，于是中继部分成了信号传输容量扩大的“瓶颈”。光纤放大器的出现解决了这一难题，其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；由于这项技术不仅解决了损耗对光网络传输速率与距离的限制，更重要的是它开创了C＋L波段的波分复用，从而将使超高速、超大容量、超长距离的波分复用、密集波分复用、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。

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。 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1480nm泵浦。

2. 掺铒光纤放大器的基本结构 掺铒光纤：当一定的泵浦光注入到掺铒光纤中时， Er3+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 的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： G 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。用Optisystem 软件完成如下测量。 1. 增益对输入光功率的依存关系 2. 增益G 与输入光波长的关系 3. 小信号增益随泵浦功率的关系 4. 小信号增益随EDF 长度的关系 实验报告要求： 根据实验内容，完成器件选择与数据测量，绘图并对实验现象进行分析。

掺铒光纤放大器(电子版) 2

光纤通信技术课程设计

掺铒光纤放大器(EDFA Erbium-Doped Fiber Amplifier)的设计 0概述 光线通信中采用光纤来传输光信号，一般它会受到两个方面的限制：损耗和色散。 就损耗而言，目前光纤的典型值在1.3um波段为0.35dB/km，在1.55um波段为0.20dB/km，由于光纤损耗的限制，所以在无中继传输距离一般为50—100km。20世纪80年代末期，波长为1.55um的摻铒光纤放大器（EDFA Erbium-Doped Fiber Amplifier）的研制成功并投入使用，打破了光纤通信传输距离受光纤色散和损耗的制约，使全光通信距离延长至几千公里，给光纤通信带来了革命性变化，把光纤通信技术推向一个新的高度，成为光纤通信发展史上一个重要的里程碑。 1 摻铒光纤放大器的工作原理 铒是一种稀土元素，原子序数三68，原子量为167.3。铒的自由离子具有不连续的能级，当Er3+被结合到硅光纤时，它们的每个能级被分裂为许多紧密相关的能级---能带。 而能带的作用是，第一：使EDFA对光信号的放大不只是单个波长而是一组波长的能力，即在一段波长范围内的光波长都可以得到放大；第二：避免了细调泵浦激光波长。 下图1是掺铒光纤放大器的工作原理，说明了光信号被放大的原因。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，信号光诱导实现受激辐射放大。从图1可以看出，在掺铒光纤放大器中，铒离子有三个能级：能级1代表基态，能量是最低的；能级2是亚稳态，处在中间能级；能级3代表激发态，能量最高。 Er3+在未任何光激励的情况下，处于最低能级基态上。在泵浦光的作用下，当泵浦光的光子能量等于能级3和能级1的能量差时，电子不断从基态能级吸收泵浦光的能量跃迁到激发态，但是电子在激发态的生存期很短，而且激发态是很不稳定的，平均寿命为1us，电子迅速以“非辐射方式跃迁至亚稳态，在亚稳态上电子有较长的寿命，在源源不断的泵浦下，亚稳态上的粒子数积累，从而实现粒子数反转分布；铒离子被泵浦光不断地泵浦到亚稳态上，此时电子在亚稳态上生存期较长（~10ms），不断地积累实现粒子数反转分布。 图1

掺饵光纤放大器 光纤通信课程设计

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)

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+WDM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的工作原理 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4I15/2能带称为基态；4I 能带称为亚稳态，在亚稳态上粒子的平均寿命时间达到10ms。4I11/2能带为13/2 泵浦态，粒子在泵浦态上的平均寿命为1us。除图中标出的吸收带外，Er+3还有800nm等其它吸收带。由于980 nm和1 480 nm大功率半导体激光器已完全商用化，并且泵浦效率高于其它波长，故得到了最广泛的应用。 掺铒光纤之所以能放大光信号的基本原理在于Er+3吸收泵浦光的能量，由基态4I15/2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

掺铒光纤放大器和拉曼光纤放大器分析和比较

掺铒光纤放大器和拉曼光纤放大器分析和比较摘要：光放大器技术是新一代光纤通信系统中一项必不可少的关键技术，目前几种主要的光放大器技术在工程应用中各有所长。此文介绍了光放大器技术的基本原理，并对现有主要几种光放大器技术在性能、应用和发展方向上进行了比较。 关键词：掺铒光纤放大器；光纤拉曼放大器 0、综述 20世纪90年代以来，Internet的普及发展和各种信息(如语音、图像、数据等)业务的快速增长，人们对现代通信系统提出了更高的要求。在市场需求的大力推动下，通信技术取得了长足的进步，其中光纤通信技术脱颖而出，以其高速优质的特点，一跃成为当今长距离、大容量传输干线的主流技术。但由于光纤损耗和非线性的影响，无中继传输距离成为制约系统容量和速率的瓶颈，而中继放大技术成了光通信领域的关键技术之一。传输系统中的光纤损耗使信号随传输距离呈指数衰减，极大地限制了通信传输跨距和网络的可扩展性，因此必须在通信线路上设置中继器对信号进行再生放大。在光放大器没有出现之前，光纤传输系统普遍采用光－电－光(OEO)的混合中继器，但这种中继方式存在“电子瓶颈”现象，在很大程度上限制了传输速率的提高，而且价格昂贵、结构复杂。20世纪80年代出现的光放大器技术具有对光信号进行实时、在线、宽带、高增益、低噪声、低功耗以及波长、速率和调制方式透明的直接放大功能，是新一代光纤通信系统中不可缺少的关键技术。此技术既解决了衰减对光网络传输距离的限制，又开创了1550nm波段的波分复用，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（1）。又由于此技术与调制形式和比特率无关，因而在光纤通信系统中得到了广泛应用。 1、光放大器分类及原理 光放大器(OA)一般由增益介质、泵浦光和输入输出耦合结构组成，其作用就是对复用后的光信号进行光放大，以延长无中继系统或无再生系统的光缆传输距离。一个好的光放大器应具有输出功率高、放大带宽宽、噪声系数低、增益谱平坦等特性。光放大器主要分为光纤型放大器（FA）和半导体放大器（SOA）两大类，其中光纤型放大器（FA）还可再分为掺稀土光纤放大器和常规光纤放大器，具体分类详见图1（2）.本文中，仅对掺铒光纤放大器(EDFA)和光纤拉曼放大器(FRA)作以介绍和分析。

实验二十掺铒光纤放大器的性能测试

实验二十掺铒光纤放大器（EDFA）的性能测试 一、实验目的 1.测试掺铒光纤放大器（EDFA）的各种参数，并根据测量的参数计算增益、输出饱和功率和噪声系数； 2.了解掺铒光纤放大器（EDFA）的基本结构和功能。 二、实验原理 在光纤放大器实用化以前，为了克服光纤传输中的损耗，每传输一段距离都要进行“再生”，即把传输后的弱光信号转换成电信号，经过放大、整形后，再去调制激光器，生成一定强度的光信号，即所谓的O—E—O光电混合中继。但随着传输码率的提高，“再生”的难度也随之提高，于是中继部分成了信号传输容量扩大的“瓶颈”。光纤放大器的出现解决了这一难题，其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；由于这项技术不仅解决了损耗对光网络传输速率与距离的限制，更重要的是它开创了C＋L波段的波分复用，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。 在目前实用化的光纤放大器中主要有掺铒光纤放大器（Erbium-Doped Fiber Amplifier，EDFA）、半导体光放大器（SOA）和光纤喇曼放大器（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。在系统中EDFA有三种基本的应用方式：功率放大器（Power booster-Amplifier）、中继放大器（Line-Amplifier）和前置放大器（Pre-Amplifier）。它们对放大器性能有不同的要求，功放要求输出功率大，前放对噪声性能要求高，而线放两者兼顾。 3．掺铒光纤放大器的工作原理

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 570nm 980nm 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 1480nm Amplified output signal Fiber containing

9ft0nm 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： p G （dB ） 1Olog 10 s,out Fs,in G 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。 用Optisystem 软 件完成如下测量。 1. 增益对输入光功率的依存关系 2. 增益G 与输入光波长的关系 3?小信号增益随泵浦功率的关系 4?小信号增益随EDF 长度的关系 实验报告要求: 根据实验内容，完成器件选择与数据测量，绘图并对实验现象进行分析。 Pump L*MF Inpul Signal I Er^Dopfid Fiber Ootlc.1 PumpSlQn*! 器鶯呎 PT AfflplWied Signal ■ Optical IsoLatof

实验七__掺铒光纤放大器(EDFA)的性能测试

实验七掺铒光纤放大器（EDFA）的性能测试 一、实验目的 1.测试掺铒光纤放大器（EDFA）的各种参数，并根据测量的参数计算增益、输出饱和功率和噪声系数； 2.了解掺铒光纤放大器（EDFA）的基本结构和功能。 二、实验原理 在光纤放大器实用化以前，为了克服光纤传输中的损耗，每传输一段距离都要进行“再生”，即把传输后的弱光信号转换成电信号，经过放大、整形后，再去调制激光器，生成一定强度的光信号，即所谓的O—E—O光电混合中继。但随着传输码率的提高，“再生”的难度也随之提高，于是中继部分成了信号传输容量扩大的“瓶颈”。光纤放大器的出现解决了这一难题，其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；由于这项技术不仅解决了损耗对光网络传输速率与距离的限制，更重要的是它开创了C＋L波段的波分复用，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。 在目前实用化的光纤放大器中主要有掺铒光纤放大器（Erbium-Doped Fiber Amplifier，EDFA）、半导体光放大器（SOA）和光纤喇曼放大器（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。在系统中EDFA有三种基本的应用方式：功率放大器（Power booster-Amplifier）、中继放大器（Line-Amplifier）和前置放大器（Pre-Amplifier）。它们对放大器性能有不同的要求，功放要求输出功率大，前放对噪声性能要求高，而线放两者兼顾。 3．掺铒光纤放大器的工作原理

(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 fiber amplifier Abstract：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.

保偏掺铒光纤放大器的实验研究

朱军，曹志刚，阮于华，俞本立 (安徽大学 光电信息获取与控制教育部重点实验室，安徽 合肥 230039) E-mail: zhuj@https://www.wendangku.net/doc/4a10174682.html, 摘 要： 给出了一种全保偏掺铒光纤放大器。通过对放大器结构和光纤参数的优化，提高了泵浦效率、输出信噪比和输出功率，使放大器的输出性能达到最佳。实验表明，该放大器的输出功率可达105mW，偏振消光比在15dB以上，输出信噪比达到40dB以上。 关键词：掺铒光纤放大器 保偏 高功率 中图分类号：TN253 1. 引 言 随着光纤通信技术以及光纤传感技术的发展，特别是在一些相干通信和相干型传感系统当中，需要具有单频线偏振而且高功率输出的光源。一般保偏光纤激光器虽然可以满足线偏振输出，但功率上却很难达到要求。这种情况下，通过光放大器来提高功率是一个很好的方案，但普通掺铒光纤放大器由于在其放大过程中会改变激光的偏振状态，所以并不能满足要求，这就需要一种既能保持激光的偏振特性又可以实现高增益的光纤放大器。目前，国外已有相关机构展开了这方面的研究[1-2]，而此类研究在国内还未见到报道。本文在双向泵浦光纤放大器结构的基础上，利用保偏器件和保偏掺铒光纤，构建了一种全保偏掺铒光纤放大器，并且通过实验对放大器的结构以及光纤参数进行了优化，使放大器输出性能达到最佳。2. 实验装置 一般掺铒光纤放大器（EDFA）往往采用双向泵浦结构如图1所示，这种泵浦方式结合了同向泵浦和反向泵浦的优点，使泵浦光在掺铒光纤（EDF）中均匀分布，从而实现增益在EDF中的均匀分布。然而在小信号放大的EDFA中，输出端剩余的泵浦光功率一般仍然大于粒子数反转的阈值功率，似乎意味着增加EDF的长度仍可增大增益，但当EDF的长度增加到大于最佳长度，又会导致输入端附近的反向ASE功率大大增加，它又将以消耗反转粒子的方式阻碍增益的增加[3]。因此，采用这种双向泵浦结构虽然可以使增益在EDF中均匀分布，但是总的泵浦利用效率尚显不高。 图1 普通双向泵浦EDFA原理图 1本课题得到安徽省优秀青年科技基金（项目编号：04042045）资助。

光纤通信仿真实验

光纤通信仿真实验

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实验一光通讯系统WDＭ系统设计 一.实验目的 １．了解光通讯系统WDＭ系统的组成； 2.学会掌握使用optisystem仿真软件; 二.实验原理 (1）WＤＭ系统的基本构成 WDM系统的基本构成主要分双纤单向传输和单纤双向传输两种方式。单向WＤM是指所有光通路同时在一根光纤上沿同一方向传送，在发送端将载有各种信息的具有不同波长的已调光信号通过光延长用器组合在一起，并在一根光纤中单向传输，由于各信号是通过不同波长的光携带的,所以彼此间不会混淆,在接收端通过光的复用器将不同波长的光信号分开,完成多路光信号的传输，而反方向则通过另一根光纤传送。双向WDM是指光通路在一要光纤上同时向两个不同的方向传输，所用的波长相互分开，以实现彼此双方全双工的通信联络。 (２）双纤单向ＷDM系统的组成 以双纤单向WDＭ系统为例,一般而言，WDM系统主要由以下5部分组成：光发射机、光中继放大器、光接收机、光监控信道和网络管理系统。 1.光发射机 光发射机是WDＭ系统的核心，除了对WＤM系统中发射激光器的中心波长有特殊的要求外,还应根据WＤM系统的不同应用（主要是传输光纤的类型和传输距离）来选择具有一定色度色散容量的发射机。在发送端首先将来自终端设备输出的光信号利用光转发器把非特定波长的光信号转换成具有稳定的特定波长的信号，再利用合波器合成多通路光信号，通过光功率放大器（BA)放大输出。 2.光中继放大器 经过长距离（80~１20ｋm）光纤传输后,需要对光信号进行光中继放大,目前使用的光放大器多数为掺铒光纤光放大器（EＤFA）。在WDM系统中必须采