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掺铒光纤放大器的智能化设计及实现

肖涛  
【摘要】: 掺铒光纤放大器(erbium-doped fiber amplifier, EDFA)的研究及实用化,极大地促进了光通信技术的发展。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。 目前,实际中应用的EDFA有很多种。从功能上分,主要包括传统技术的EDFA和具有自适应功能的EDFA。在EDFA传统技术中,研究比较多而且比较成熟的是根据输出光信号功率改变放大器的泵浦参数从而调节放大器增益的自动增益控制技术(AGC)。AGC技术无法根据输入光信号功率而选择各项最佳的工作参数,很难适应不同场合的需要。EDFA的自适应技术是指EDFA具备一定的智能,可根据外界条件(输入光信号功率或输出光信号功率等),调整自身的工作参数使放大器的性能最优,可适用于不同的场合。已有的自适应技术研究,包括调节铒纤长度,或者采用多级泵浦功率控制等。在采用调节铒纤长度的技术中,对于不同的输入光信号选择的铒纤长度是不同的,但是铒纤不被重复利用,因此需要大量的铒纤,结构较复杂且成本高昂。而采用多级泵浦功率控制的技术,则比较难达到很好的自适应性能。 本文通过改进已有EDFA技术中的不足,基于铒纤的研究得到了EDFA智能化优化技术方案。该掺铒光纤放大器的关键技术是通过若干个1×2的光开关将若干段相同或不同长度的铒纤串接起来,控制这些1×2的光开关选择对于不同输入光信号功率所需要的最佳铒纤长度,结合泵浦功率的调节,可以得到需要的增益和输出光信号功率。实验根据不同的输入光信号功率,对铒纤长度和泵浦功率优化,从而确定和设计放大器的各项最佳参数。实验结果表明本文中提出的EDFA有较好的性能,能够自适应用于光纤系统的前置放大、线路放大、功率放大,同时还带来结构和性能价格上的优势。该EDFA智能优化技术方案不仅可以适用于光纤CATV系统,也同样适用于波分复用的光通信系统。 本文第一章全面地介绍了在光通信领域中应用的各种光放大器,重点讲述了EDFA的发展历史和近年来EDFA的研究进展,讲述了光放大器的背景及掺铒光纤放大器在光纤通信中的应用优势。 第二章阐述了EDFA的理论基础。详细分析了EDFA的理论模型和影响EDFA性能的参数,阐述了EDFA的光放大原理和特性指标,并列举了现有的各种计算光纤放大器的理论模型,重点研究了应用最为广泛的Saleh和Giles模型。这些理论很好的为EDFA研究方向奠定了基础。 第三章讲述了新型EDFA的设计方案,提出了具体的实现方案。该掺铒光纤放大器的关键技术是通过对铒纤长度和泵浦功率优化,若干个1×2的光开关将若干段相同或不同长度的铒纤串接起来,控制这些1×2的光开关选择对于不同输入光信号功率所需要的最佳铒纤长度,结合泵浦功率的调节,可以得到需要的增益和输出光信号功率。在智能EDFA光模块设计的过程中,EDFA的增益、噪声指数以及增益谱是优化时的主要控制指标。对给定的输入光信号功率,掺铒光纤存在一个最佳长度范围,输入光信号功率不同长度则不同;对泵浦功率的仿真也有类似的结论。以此为依据,提出了一种新的智能EDFA结构。 第四章介绍了EDFA的驱动设计其中包括软件与硬件设计。软硬件设计是EDFA的关键技术之一,给出了温度自动控制与功率自动控制的电路以及软件实现方法。设计的主要目的完成对EDFA的工作状态的监测,根据输入光功率和工作要求调整泵浦功率、掺铒光纤长度和输入衰减量等参数。在实验中,EDFA实现了恒定增益和恒定功率的控制模式。泵浦温度和功率自动控制电路则是智能EDFA稳定工作的保障,是使得EDFA实现智能化的基础,使之能适应多种应用。 第五章对论文进行了总结并介绍了今后掺铒光纤放大器的研究前景。


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