掺铒光纤放大器的特性指标——饱和输出功率(精)
掺饵光纤放大器
掺饵光纤放大器物电学院08电子一班侯进：200840620110概论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(E r)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。
掺铒光纤放大器(EDFA)的研究与应用
-东海科学技术学院毕业论文（设计）题目：系：学生姓名：专业：班级：指导教师：起止日期：年月日掺铒光纤放大器（EDFA）的研究与应用摘要巨大的技术优势和容量潜力使光纤通信得到了迅猛发展，光放大器作为光通信系统中的关键器件之一，对光纤通信技术产生的影响，堪比电域中的放大器对电子和通信技术的影响，光放大器的问世不仅解决了光的衰减对光信号传输距离的限制，而且在光纤通信中引起一场技术革命，其性能的优劣直接影响到网络通信的容量和质量。
掺铒光纤放大器是将来很长一段时间内光纤通信系统中最具实用价值的无源光器件之一，掺铒光纤放大器及相关技术的迅速实用化和商业化，标志着一个以光纤放大器为支撑的光通信技术产业化时代的到来，将在未来“信息高速公路”的建设中发挥重要作用。
本文首先介绍了光纤通信情况及EDFA 的发展状况和前景，并简要叙述了本文的主要任务，接着介绍了光放大器对光纤通信系统性能的影响及分析，然后介绍各类光放大器，进而深入剖析了EDFA工作机理，最后对EDFA 基于软件 OptiSystem进行了性能的仿真。
本文的重点在于在熟悉EDFA光放大机理和工作原理的前提下，运用OptiSystem软件构造研究EDFA特性的系统电路图，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的特性。
关键字：光纤通信；光放大器；EDFA；OptiSystemErbium-doped fiber amplifier (EDFA) Research andApplicationAbstractHuge technological advantage and capacity of optical fiber communication has been the potential to bring rapid development of optical amplifiers for optical communication systems one of the key devices for optical fiber communication technology impact, comparable to the amplifier power in the domain of electronic and communication technologies influence , the advent of optical amplifiers not only solved the attenuation of light transmission limit of optical signals, and in optical communication lead to a technological revolution, its performance will directly affect the capacity and quality of network traffic. Erbium-doped fiber amplifier is a very long time in future optical fiber communication system the most practical value to one of passive optical devices, erbium-doped fiber amplifiers and related technologies and commercialization of rapid practical marks for the support of a fiber amplifier of optical communication technology industry coming of age, will in the future "information highway" to play an important role in the building. This paper introduces the situation and EDFA optical fiber communication situation and prospects of development and a brief description of the main tasks of this article, and then to the optical amplifier on the performance of optical fiber communication systems and analysis, and then describes various types of optical amplifiers, and then analyzed in depth EDFA working mechanism, and finally carried out on the EDFA performance software-based OptiSystem simulation. This paper will focus on familiar EDFA optical zoom mechanism and working principle of the premise, the use of OptiSystem EDFA characteristics of the software system structure diagram, and then the data on the EDFA circuit simulation, and then be simulated map, to research and analysis through graphical characteristics of EDFA .Keywords: optical fiber communication；Optical Fiber Communication；EDFA；Optisystem目录第1章绪论 (1)1.1光纤通信概述 (1)1.2 EDFA的发展现状及前景 (1)1.3 本文的主要任务 (1)第2章光放大器对光纤通信系统性能影响的分析 (2)2.1光纤通信系统 (2)2.1.1光纤通信系统的分类 (2)2.1.2光纤通信系统的主要优点 (2)2.2 IM-DD系统的工作原理 (3)2.3光放大器对中继距离的影响分析 (6)第3章光放大器 (6)3.1 光放大器 (6)3.1.1光放大器的意义 (7)3.1.2光放大器的分类 (7)3.2 半导体光放大器 (7)3.3 光纤放大器 (8)3.3.1 掺稀土光纤放大器 (8)3.3.2 非线性光纤放大器 (8)3.4 EDFA的优势 (9)第4章EDFA的理论基础及应用研究 (10)4.1 EDFA光放大机理 (10)4.2 EDFA的工作原理 (11)4.3 EDFA结构和泵浦方式 (12)4.4 EDFA的主要应用 (13)4.5 EDFA的工作特性分析 (14)4.5.1 EDFA的主要工作特性参数 (14)4.5.2 EDFA性能的定性分析 (16)第5章基于OptiSystem的EDFA仿真 (18)5.1 OptiSystem介绍 (18)5.2 在掺铒光纤放大器上的瑞利散射效应研究 (18)5.3掺铒光纤放大器增益对波分复用光波系统的优化研究 (24)小结 (26)致谢 (27)参考资料 (28)第1章绪论1.1光纤通信概述光纤通信是以光纤为传输介质的一种通信方式。
光纤通信复习题库(整合版)
光纤通信复习题库（整合版）一、填空题1.有规律地破坏长连“0”和长连“1”的码流，以便时产生信号的提取，称_扰码电路 __ 。
2.PIN光电二极管是在P型材料和N型材料之间加一层_ _I___型材料，称为__耗尽层。
3.APD中促使其电流猛增的是__倍增效应。
碰撞电离4．在半导体激光器的P—I 曲线上，当I＞It 时，激光器发出的是激光，反之为荧光5. EDFA在光纤通信系统中主要的应用形式主要有作前置放大器使用、作功率放大器使用和作_线路放大器使用。
6. SDH网有一套标准化的信息结构等级，称为_同步传送模块STM-N_。
7.从波动理论的观点看，光波作为一种电磁波来处理。
8.目前光纤通信的长波波长低损耗工作窗口是 1.31μm和1.55um 。
9.光纤主要由纤芯和包层两部分构成。
10.LED适用于模拟的光纤传输系统。
11．光纤中的传输信号由于受到光纤的损耗和色散的影响，使得信号的幅度受到衰减，波形出现失真。
12．光纤数值孔径的物理意义是表示光纤端面_ 集光 _的能力。
接受和传输光13.准同步数字体系的帧结构中，如果没有足够的开销字节，就不能适应网络管理、运行和维护。
14.SDH中STM—1的速率是 155Mb/s 。
15. 按照泵浦方式的不同，EDFA可分为正向泵浦结构、反向泵浦结构和双向泵浦结构等三种形式。
16.响应度和量子效率都是描述光电检测器光电转换能力的一种物理量。
17.目前光纤通信三个实用的低损耗工作窗口是0.85um ,1.55um 和__1.31um_。
18.PDH复用成SDH信号必须经过映射、定位、复用三个步骤。
19.受激辐射过程中发射出来的光子与外来光子不仅频率相同，而且相位、偏振方向、传播方向都相同，因此，称它们是_相干光 ___。
20. SDH中STM—4的速率是 622 Mb/s 。
21.常用的SDH设备有：终端复用器、__再生器_和数字交叉连接设备等。
22.在光接收机中，与___光检测器__紧相连的放大器称为前置放大器。
北邮光纤通信期末复习题
)
A.放大 B.消除噪声干扰 C.均衡成矩形脉冲 D.均衡成有利于判决的波形
28.通常,影响光接收机灵敏度的主要因素是( )
A.光纤色散 B.光接收机噪声 C.光纤衰减 D.暗电流
29.EDFA 中用于降低放大器噪声的器件是(
)
A.光耦合器 B.波分复用器 C.光滤波器 D.光衰减器
30.以下哪一样不是无源光器件。( )
光纤通信复习题
一、单项选择题
1.薄膜波导中的单模传输条件为(
)
A.λc(TE0)<λ0<λc(TM0)
B.λc(TM0)<λ0<λc(TE0)
C.λc(TE1)<λ0<λc(TM1)
D.λc(TM0)<λ0<λc(TE1)
2.光纤相对折射指数差的定义为(
)
A.Δ=n1－n2 C.Δ=(n21－n22)/2n21
)
A.自发辐射 B.受激吸收 C.受激辐射 D.非辐射复合
33.目前在光纤通信系统中已获得广泛应用的光放大器是( )
4
A.半导体光放大器 B.掺铒光纤放大器 C.拉曼光纤放大器 D.布里渊光纤放大器
34.阶跃光纤中,子午线在包层和纤芯分界面上形成全反射的条件为( )
A. 1 ≥ sin 1
n1 n2
D.先逐渐增大，后逐渐减少
6.在光纤通信系统中，EDFA 以何种应用形式可以显著提高光接收机的灵敏度(
)
A.作前置放大器使用
B.作后置放大器使用
C.作功率放大器使用
D.作光中继器使用
7.在下列选项中，光纤通信的监控系统不能监控的项目为(
)
A.光中继器的接收光功率 B.电源的电压
C.光缆线路的色散特性
文献综述-掺铒光纤放大器(EDFA)的研究与应用
文献综述前言：随着信息业务量的快速增长,语音、数据和图像等业务综合在一起传输,从而对通信带宽的容量提出了更高要求,但是无线电频谱和电缆带宽非常有限,其极限速率只有20Gb/s左右,使得这种综合传输受到了限制,即所谓的“电子瓶颈”。
光作为信息传输的载体带宽可达30THz以上,但是由于量子效应导致光纤线路中各种复用/解复用和光电/电光转换器件处理电信号时仍存在着速率“瓶颈”,限制了信息的传输速率。
进入20世纪90年代,以光波分复用(WDM)为基础的全光通信网(AON)成为人们研究的热点。
目前全光通信的研究还处于起步阶段,许多技术难点需要克服。
虽然光纤放大器不能解决全光通信中所有的技术难点,但是对光纤放大器的研究可以解决全光通信系统中许多关键技术。
掺铒光纤放大器的出现，是光纤通信发展史上的重要里程碑。
克服了传统的光—电—光中继方式导致的通信系统复杂化、效率低、造价高等问题，迅速成为光通信网络中的重要器件，获得了广泛的应用，极大地推动了WDM/DWDM通信系统发展。
WDM/DWDM通信系统的发展，又对EDFA的性能提出了更多的要求，譬如要求光纤放大器具有更大的带宽，智能化的增益控制、功率控制等。
正文：自从有了人类，就有了信息交流和传递的需要。
我国古代的狼烟和烽火可以说是最早的利用光进行信息传递的方式。
随着科技的进步，电话、电报一直到目前连接全球的因特网，通信技术，特别是近代通信技术，经历了一个从低频到高频，从高频到微波进而到达光频的演变过程。
通信技术在人类社会起到了越来越大的作用，成为这个信息时代的支柱技术。
光纤通信技术的诞生和发展是电信史上的一次重要革命，二十多年以来，在经历了三代进化之后，它正以超摩尔定律的速度向前发展。
目前世界上80％以上的信息是通过光纤传送的，未来的传送网必然是建立在光纤通信技术之上的。
近年来，信息和通信技术的飞速发展，光纤放大器的研究和发展又进一步扩大了增益带宽，将光纤通信系统推向了高速率、大容量、长距离方向发展。
掺铒光纤放大器知识讲解
•噪声指数
SNR
F
in
SNR
G1 2nsp G2nsp2
out
四、应用
•线路放大（In-line）： 周期性补偿各段光纤损 耗
•功率放大（Boost）： 增加入纤功率，延长传 输距离
•前置预放大（Pre-Amplifier） 提高接收灵敏度
五、光放大器特点
1、对信号格式及码率透明 2、工作波段可选 3、宽带放大 4、高增益 5、低噪声
掺铒光纤放大器(EDFA)
一、发展历程 •1964年，提出掺钕（Nd3+）光纤放大器的设想 •1985年，低损耗掺杂SiO2光纤研制成功 •目前，掺Er3+光纤放大器（EDFA）最为成熟，是光纤通信 系统必备器件 •特点： –插损小、高增益、大带宽、偏振无关 –低噪声、低串扰、高输出功率等
掺铒光纤放大器(EDFA)
•行波半导体光放大器要求放大器的残余反射满足：
G R1R2 0.17
此时，放大器的增益特性，主要决定于G（）
•降低端面反射的方法： 倾斜有源区法
半导体光放大器（SOA)
窗面结构
二、行波半导体放大器特性
•带宽由介质的增益谱决定，可达70nm
•增益系数与载流子浓度的关系 •载流子浓度由速率方程决定
g
Vg
dP gP dz
•放大器带宽：放大器增益（放大倍数）降至最大放大倍数一 半处的全宽度（FWHM）
A gg0Lln2ln2
二、增益饱和与饱和输出功率 •起因：增益系数与功率的依从关系
•饱和输出功率： 放大器增益降至最大 小n2 G0 2
Ps
•最大输出功率
一、工作原理
半导体光放大器（SOA)
半导体光放大器（SOA)
光通信原理与技术第6章2
WDM系统的基本结构
WDM系统的基本结构 光发射机 光中继放大 光接收机 光监控信道 网络管理系统
光发射机
光发射机位于WDM系统的发送端。在发送端首先 将来自终端设备（如SDH端机）输出的光信号， 利用光转发器（OTU）把符合ITU-TG.957建议的 非特定波长的光信号。OUT对输入端的信号波长 没有特殊要求，可以兼容任意厂家的SDH信号， 其输出端满足G.692的光接口，即标准的光波长 和满足长距离传输要求的光源；利用合波器合成 多路光信号；通过光功率放大器（BA：Booster Amplifier）放大输出多路光信号。
掺饵光纤放大器的最大输出功率常用3dB饱和 输出功率来表示。当饱和增益下降3dB时所对应 的输出功率值为3dB饱和输出功率。它代表了掺 饵光纤放大器的最大输出能力
噪声系数
掺饵光纤放大器的噪声主要来源有： • 信号光的散弹噪声
• 信号光波与放大器自发辐射光波间的差拍 噪声
• 被放大的自发辐射的散弹噪声
光中继放大
经过一定距离传输后，要用掺饵光纤放大器 （EDFA）对光信号进行中继放大。在应用时可 根据具体情况，将EDFA用作“线放（LA：Line Amplifier）”、“功放（BA）”和“前放（PA： Preamplifier）”。在WDM系统中，对EDFA必须 采用增益平坦技术，使得EDFA对不同波长的光 信号具有接近相同的放大增益。与此同时，还要 考虑到不同数量的光信道同时工作的各种情况， 保证光信道的增益竞争不影响传输性能
SOA的主要优点是尺寸小、功率消耗低， 便于光电集成，其主要缺点是插入损耗大、 对偏振态敏感
非线性光纤放大器
• 受激拉曼散射光纤放大器（SRA）
掺铒光纤放大器
特点：光路简单，电路控制灵活性强
24
均衡EDFA的工作原理— 增益锁定
隔离器
泵浦源
掺铒光纤
信号输入
可调滤波器 可调衰减器
激光箝制放大器（光控）
隔离器 信号输出
环形腔结构
LD PUMP
ISO
WDM
Input Signal
Grating 1
EDF
ISO
Grating 2
Output Signal
特点：完全自动， 精确度高
增益谱的形状随信号功率而变，在有信道上、下的动 态情况下，失衡情况更加严重
22
WDM+EDFA系统的均衡技术—立足EDFA
立足于EDFA的均衡功能的开发 • 采用新型宽谱带掺杂光纤：
掺铒氟化物光纤（30nm)； 高掺铝的铒铝共掺光纤（17nm）；
• 采用与掺杂光纤增益谱反对称的滤波器；
只能适应静态情况的平坦，当信道功率变化时仍不能保持平坦
29
长波段（L-band）掺铒光纤放大器
30
k
g
*k
/
h k
14
掺铒光纤放大器的基本理论模型(4)
增益：
G
exp
L 0
g
*
n2 nt
n1
nt
dz
增益的大小和谱分布由粒子数反转水平及掺铒光纤长度决定
噪声系数：
NF
10log10
SNRin SNRout
10 log10
2nsph G 1 ase
hG ase
10 log10
Pase
什么是掺铒光纤放大器
电子轨道 电子能级 跃迁
辐射跃迁（发光） 非辐射跃迁（不发光） 受激吸收（光泵浦） 受激辐射（光放大） 自发辐射（产生噪声） 获得光放大的基本条件：粒子数反转
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掺铒光纤放大器的特性指标——饱和输出功率
教学环境
多媒体机房
教学
内容
1.小信号增益
2．饱和输出功率
教学
目标
1.了解小信号增益
2．掌握饱和输出功率
重点
难点
1.饱和输出功率
教学
方法
讲授、讨论、总结
教学
过程
讲授：
1.小信号增益
给出小信号增益的定义，当输入功率较小时，增益是一个常数，输出光功率与输入光功率成正比关系，这个增益定义为小信号增益。
用图片展示小信号增益，加深学生印象。
2.饱和输出功率
给出饱和输出功率的定义，当信号增大到一定值时，放大器增益开始下降，强调并不是输出功率的下降。当增益下降3dB时，对应的输出功率为饱和输出功率。
用图片展示饱和输出功率