掺铒光纤放大器实验

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。

三模掺铒光纤放大器仿真设计及实验研究
伍文韬;张鹏
【期刊名称】《长春理工大学学报（自然科学版）》
【年(卷),期】2024(47)1
【摘要】少模光纤放大技术是确保模分复用光纤通信系统远距离传输的关键技术,其增益、噪声系数及模式间增益差直接影响通信性能。

为设计可用于模分复用的高增益、低噪声系数三模掺铒光纤放大器,建立少模掺铒光纤放大器理论模型,仿真设计其各项参数,之后结合实验结果进行参数优化,实现小信号增益大于30 dB,噪声系数小于6 dB,模式间增益差小于2 dB,并且各模式信号光在三模掺铒光纤放大器中稳定传输放大,光束轮廓无明显畸变。

所设计的三模掺铒光纤放大器为进一步模分复用通信实验研究打下了基础。

【总页数】8页(P34-41)
【作者】伍文韬;张鹏
【作者单位】长春理工大学光电工程学院
【正文语种】中文
【中图分类】TN929.1
【相关文献】
1.掺铒光纤放大器的应用实验系统设计及研究
2.长波段掺铒光纤放大器用掺铒光纤的设计考虑
3.基于小信号放大的掺铒光纤放大器的仿真与实验
4.光纤型少模掺铒光纤放大器的差模增益可调性研究
5.基于退火算法的四模掺铒光纤放大器设计
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摘要光放大器在光纤通信领域中承担着重要的角色，也是光纤通信中必不可少的组成部分。

其中，掺铒光放大器（EDFA）的研究和实用化，更是促进了光纤通信领域的发展。

EDFA 在密集波分复用（dense wavelength division multiplexing, DWDM）光通信系统和光纤有线电视（Community Antenna Television, CATV）系统中都有着广泛地应用。

掺铒光纤放大器直接对光信号进行放大，无需进行光电光变换，且具有输出功率大、增益高、工作频带宽、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，已成为现代光通信系统的重要器件之一。

关键词：光纤通信，光放大器，掺铒光纤放大器（EDFA），设计，仿真ABSTRACTDWDM (dense where division multiplexing, DWDM) optical communication system and optical fiber cable (Community can Antenna Television be used, CATV) are widely used in the system. Direct optical signal is amplified and erbium doped fiber amplifier without photoelectric light transformation, and has a large output power, high gain, wide working frequency band and has nothing to do with the polarization, low noise figure, amplification characteristics has nothing to do with the system bit rate, data format, etc, has become one of the important device of modern optical communication system.Key words: optical fiber communication, optical amplifier, erbium-doped fiber amplifier (EDFA), design and simulation引言在新一代光纤通信中，人们采用光放大器代替原有的光电光中继，实现全光信号的高速传输和信息处理。

-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。

得分：_______ 光纤通信技术实验(2) 掺铒光纤激光器的设计实验报告一、实验目的1、完成环形腔掺铒光纤激光器谐振腔的设计，通过选择环形腔中耦合器的不同耦合比，优化设计激光器的阈值特性和输出效率。

2、通过使用不同滤波特性的滤波器，完成环形腔掺铒光纤激光器输出纵模特性的设计和选择。

3、完成光纤激光器的构建，并进行相关性能参数的测试。

二、实验原理与背景知识1.掺铒光纤(EDF)与掺铒光纤放大器(EDFA)当泵浦光通过掺杂光纤中的稀土离子（Er3+、Nd3+、Tm3+、Yb3+等）时，稀土离子吸收泵浦光，使稀土原子的电子激励到较高激发态能级，从而实现通常所说的粒子数反转。

反转后的高能态粒子在外界光场的诱使下，以光辐射的形式从高能级转移到基态，完成受激光辐射。

掺铒光纤放大器主要由波分复用器、大功率泵浦激光器、光隔离器和掺铒光纤构成。

根据泵浦光和信号光传播方向的相对关系, 掺铒光纤放大器的结构可分为正向泵浦、反向泵浦和双向泵浦三种形式。

EDFA 是利用掺铒光纤中掺杂的稀土离子在泵浦光(波长980nm 或1480nm ) 的作用下, 形成粒子数反转, 产生受激辐射, 辐射光随入射光的变化而变化, 进而对入射光信号提供光增益。

其放大范围为1530～1565 nm , 增益谱比较平坦的部分是1540～1560nm , 几乎可以覆盖整个1550nm工作窗口。

2.掺铒光纤激光器(EDFL)掺铒光纤激光器是在掺铒光纤放大器技术基础上发展起来的。

目前掺稀土元素光纤激光器的研究受到了世界各国的普遍重视，成为国际激光器技术研究领域一个十分活跃的前沿研究方向。

和传统的固体、气体激光器一样，掺稀土光纤激光器基本也是由泵浦源、增益介质、谐振腔三个基本的要素组成。

泵浦源一般采用高功率半导体激光器( LD) , 增益介质为掺稀土光纤，谐振腔可以由光纤光栅等光学反馈元件构成各种直线型谐振腔，也可以用耦合器构成各种环形谐振腔。

泵浦光经适当的光学系统耦合进入增益光纤，增益光纤在吸收泵浦光后形成粒子数反转或非线性增益并产生自发辐射。

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。

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 EDFA 的结构图15-1所示：Er 3+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Er 3＋吸收泵浦光的能量，由基态4I 15/2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15-2所示，Er ＋3从基态跃迁至泵浦态4I 11/2。