增益平坦型掺铒光纤放大器的设计与实验研究

发布时间：2020-08-21 22:10

【摘要】：随着信息时代的发展,信息交互变得越来越重要,传统的电通信方式早已脱离时代主流,取而代之的是传输速率更快、传输误码率也更低的光纤传输方式。在通信市场中独树一帜的光纤通信成为当前最火热的传输方式,但随着光纤通信的发展,人们发现信号随传输距离的增加出现信号逐渐衰减的情况,甚至会出现信号截止失真的情况,所以在传输过程中实现信号放大显得迫在眉睫。人们相继研究出不同类型的光放大器,最早出现的放大器是通过将光信号转化为电信号进行放大,光电转换本身就存在转换效率的问题,不可能达到百分之百的转化,这在无形之中也给通信成本造成巨大压力。全光放大器顺应时代需求应运而生,它是通过光学器件组合直接对光进行放大。其中掺铒光纤放大器(Erbium-doped Fiber Amplifier,EDFA)作为主流的光放大器之一也是目前被学者们研究最多的对象。在光纤中掺杂铒离子,利用光纤中的受激铒离子对信号光进行放大以补偿在传输过程中的各种损耗。但随着密集波分复用系统的普及,要求在光纤内传播的所有波长的信号光经过放大器后具有相同的增益倍数。由于不同波长的光放大倍数不等造成增益谱的上下波动即EDFA系统的不平坦性。则在远距离传输时单个放大器并不能完全解决损耗问题,当信号光经过一段距离后必须再次放大,如果每次放大后增益谱都会出现类似波动,这会进一步加重最终输出光谱的不稳定性,在不同波长处的增益差值叠加会造成各信道之间的功率不同,会导致增益谱波峰对应的波长信道发生功率饱和引发非线性效应。导致在增益谱波谷对应的波长信道可能会出现失真现象从而增加传输过程中的误码率。为解决该情况,增益均衡问题就亟待得到解决。本论文主要的研究方向就是降低EDFA系统不平坦度的同时减少增益损耗、不引入额外的噪声且尽可能降低实验成本。论文工作主要从以下几个部分进行展开:首先在宏观结构分析EDFA系统各组成部分和设计要求,在微观结构分析掺铒光纤放大器的工作原理并讨论性能特性指标。其次,利用OptiSystem仿真软件进行实验,仿真信号源、泵浦源、掺铒光纤长度等结构因素对掺铒光纤放大器的影响,通过分析仿真结果确定最佳的结构参数。在前人的工作经验基础上提出了增益平坦思路,将传统单级放大光路升级为单泵浦双极放大光路,并基于薄膜滤波器进一步降低平坦度。最终将研究和设计得到的最佳结构参数和增益平坦优化思路融合为实际光路并进行测试,所得增益平坦度降为±dB32.0,证实本论文所设计的掺铒光纤放大器符合设计要求。
【学位授予单位】：吉林大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TN722
【图文】：

第 1 章 绪论纤放大器种类的光-电-光放大方式的放大器造价昂贵、结构复杂，为了解决问题全光放大器应运而生。其主要分为：一类是通过掺杂稀土体元素制作而成的光纤放大器，主要利用掺杂元素的受激辐射，在吸收泵浦能量之后会发生跃迁形成上下能级之间的粒子能级的掺杂元素碰撞后产生大量光子从而实现信号的放大[7]。铒、镱、铥、镨等元素，当在光纤中掺杂不同稀土元素后，可进行放大[8]。如图 1.1 所示是目前市场上的掺铒光纤放大器，器供实验室测量，也可以做成光模块更方便组成其它更复杂

体元素制作而成的光纤放大器，主要利用掺杂元素的受激辐，在吸收泵浦能量之后会发生跃迁形成上下能级之间的粒子能级的掺杂元素碰撞后产生大量光子从而实现信号的放大[7]铒、镱、铥、镨等元素，当在光纤中掺杂不同稀土元素后，进行放大[8]。如图 1.1 所示是目前市场上的掺铒光纤放大器器供实验室测量，也可以做成光模块更方便组成其它更复图 1.1 机架式 EDFA

图 1.3 高功率台式 EDFA 图 1.4 瀚宇公司台式 EDFA在进入 21 世纪后，光纤放大器仍处于研究和发展之中，目前的研究思路主要有两个：一个是根据传输网络的特性设计体积小、成本低并且某些特定功能的新产品。另一方面是采用先进的光学技术进一步降低噪声和提高增益以提升产品的性能[18]。本论文将对两个方向综合考量研究，通过对 EDFA 系统的分析，优化各系统参数，致力于开发一款体积小、价格低、噪声低同时平坦度好的 EDFA。

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本文编号：2799912