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1、掺稀土元素的光纤放大器,姓名：刘尧 学号：200901188 班级：物理091班,稀土元素,稀土就是化学元素周期表中镧系元素镧(La）、铈(Ce）、镨(Pr）、钕(Nd）、钷(Pm）、钐(Sm）、铕(Eu）、钆(Gd）、铽(Tb）、镝(Dy）、钬(Ho）、铒(Er）、铥(Tm）、镱(Yb）、镥(Lu），以及与镧系的15个元素密切相关的两个元素钪(Sc）和钇(Y）共17种元素，称为稀土元素。 周期系B族中原子序数为21、39和5771的17种化学元素的统称。其中原子序数为5771的15种化学元素又统称为镧系元素。,稀土元素的共性,它们的原子结构相似； 离子半径相近（REE3+离子半径1.0610
2、10m0.8410-10m，Y3+为0.8910-10m）； 它们在自然界密切共生。,稀土元素的分组,目前最常用的有两种： 两分法：铈族稀土，La-Eu，亦称轻稀土（LREE） 钇族稀土，Gd-Lu+Y，亦称重稀土（HREE） 两分法分组以Gd划界的原因是：从Gd开始在4f亚层上新增加电子的自旋方向改变了。而Y归入重稀土组主要是由于Y3+离子半径与重稀土相近，化学性质与重稀土相似，它们在自然界密切共生。 三分法：轻稀土为LaNd；中稀土为SmHo；重稀土为ErLu+Y 根据稀土元素物理化学性质的相似性和差异性，除钪之外（有的将钪划归稀散元素），划分成三组，即轻稀土组为镧、铈、镨、钕、钷；中稀土
3、组为钐、铕、钆、铽、镝；重稀土组为钬、铒、铥、镱、镥、钇。,光纤放大器（fiber-optic amplifier ）,能将光信号进行功率放大的一种光器件 光纤放大器（Optical Fiber Ampler，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。 根据它在光纤线路中的位置和作用，一般分为中继放大、前置放大和功率放大三种。同传统的半导体激光放大器（SOA）相比较，OFA不需要经过光电转换、电光转换和信号再生等复杂过程，可直接对信号进行全光放大，具有很好的“透明性”，特别适用于长途光通信的中继放大。可以说，OFA为实现全光通信奠定了一项技术基础。,光纤放大器（f
4、iber-optic amplifier ）,光纤放大器技术就是在光纤的纤芯中掺入能产生激光的稀土元素，通过激光器提供的直流光激励，使通过的光信号得到放大。传统的光纤传输系统是采用光电光再生中继器，这种中继设备影响系统的稳定性和可靠性，为去掉上述转换过程，直接在光路上对信号进行放大传输，就要用一个全光传输型中继器来代替这种再生中继器。适用的设备有掺铒光纤放大器（EDFA）、掺镨光纤放大器（PDFA）、掺铌光纤放大器（NDFA）。目前光放大技术主要是采用EDFA。,光纤放大器（fiber-optic amplifier ）,90年代初期，掺铒光纤放大器（EDFA）的研制成功，打破了光纤通信传输距
5、离受光纤损耗的限制，使全光通信距离延长至几千公里，给光纤通信带来了革命性的变化，被誉为光通信发展的一个“里程碑”。那么，究竟什么是光纤放大器呢？ 根据放大机制不同，OFA可分为两大类：掺稀土OFA和非线性OFA。,掺稀土元素光纤放大器,制作光纤时，采用特殊工艺，在光纤芯层沉积中掺入极小浓度的稀土元素，如铒、镨或铷等离子，可制作出相应的掺铒、掺镨或掺铷光纤。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。这种OFA实质上是一种特殊的激光器，它的工作腔是一段掺稀土粒子光纤，泵浦光源一般采用半导体激光器。 当前光纤通信系统工作在两个低损耗
6、窗口：1.55m波段和1.31m波段。选择不同的掺杂元素，可使放大器工作在不同窗口。,掺铒光纤放大器（EDFA）,EDFA工作在1.55m窗口，该窗口光纤损耗系数1.31m窗低（仅0.2dB/km）。已商用的EDFA噪声低，增益曲线好，放大器带宽大，与波分复用（WDM）系统兼容，泵浦效率高，工作性能稳定，技术成熟，在现代长途高速光通信系统中备受青睐。目前，“掺铒光纤放大器（EDFA）+密集波分复用（DWDM）+非零色散光纤（NZDF）+光子集成（PIC）”正成为国际上长途高速光纤通信线路的主要技术方向。,掺镨光纤放大器（PDFA）,PDFA工作在1.31m波段，已敷设的光纤90%都工作在这一窗
7、口。PDFA对现有光通信线路的升级和扩容有重要的意义。目前已经研制出低噪声、高增益的PDFA，但是它的泵浦效率不高，工作性能不稳定，增益对温度敏感，离实用还有一段距离。,掺铒光纤放大器（EDFA）,EDFA工作在1.55m窗口，该窗口光纤损耗系数1.31m窗低（仅0.2dB/km）。已商用的EDFA噪声低，增益曲线好，放大器带宽大，与波分复用（WDM）系统兼容，泵浦效率高，工作性能稳定，技术成熟，在现代长途高速光通信系统中备受青睐。目前，“掺铒光纤放大器（EDFA）+密集波分复用（DWDM）+非零色散光纤（NZDF）+光子集成（PIC）”正成为国际上长途高速光纤通信线路的主要技术方向。,EDF
8、A的基本结构,它主要由有源媒质（几十米左右长的掺饵石英光纤，芯径3-5微米，掺杂浓度（25-1000)x10-6）、泵浦光源（990或1480nm LD）、光耦合器及光隔离器等组成。信号光与泵浦光在铒光纤内可以在同一方向（同向泵浦）、相反方向（反向泵浦）或两个方向（ 掺铒光纤放大器 双向泵浦）传播。当信号光与泵光同时注入到铒光纤中时，铒离子在泵光作用下激发到高能级上，三能级系统），并很快衰变到亚稳态能级上，在入射信号光作用下回到基态时发射对应于信号光的光子，使信号得到放大。其放大的自发发射（ASE）谱，带宽很大（达20-40nm），且有两个峰值，分别对应于1530nm和1550nm。,掺铒光纤
9、放大器的工作原理,掺铒光纤放大器主要是由一段掺铒光纤（长约10-30m）和泵浦光源组成。其工作原理是：掺铒光纤在泵浦光源（波长980nm或1480nm）的 掺铒光纤放大器 作用下产生受激辐射，而且所辐射的光随着输入光信号的变化而变化，这就相当于对输入光信号进行了放大。研究表明，掺铒光纤放大器通常可得到15-40db的增益，中继距离可以在原来的基础上提高100km以上。那么，人们不禁要问：科学家们为什么会想到在光纤放大器中利用掺杂铒元素来提高光波的强度呢？我们知道，铒是稀土元素的一种，而稀土元素又有其特殊的结构特点。长期以来，人们就一直利用在我学器件中掺杂稀土元素的方法，来改善光学器件的性能，所
10、以这并不是一个偶然的因素。另外，为什么泵浦光源的波长选在980nm或1480nm呢？其实，泵浦光源的波长可以是520nm、650nm、980nm、和1480nm，但实践证明波长1480nm的泵浦光源激光效率最高，次之是波长980nm的泵浦光源。,优点,1.掺铒光纤的放大区域恰好与单模光纤的最低损耗区域相重合。那么，被掺铒光纤放大器放大的光在光纤中的传输损耗小，能传输比较远的距离。 2.对数字信号的格式及数据率“透明”。 3.放大频带宽，能在同一根光纤中传输几十甚至上百个信道。 4.噪声指数低，接近量子极限，意味着可级联多个放大器。 5.增益饱和的恢复时间长，各个信道间的串扰极小。,实际应用,掺
11、铒光纤放大器在常规光纤数字通信系统中应用，可以省去大量的光中继机，而且中继距离也大为增加，这对于长途光缆干线系统具有重要意义。其主要应用包括： 1、可作光距离放大器。传统的电子光纤中继器有许多局限性。如，数字信号和模拟信号相互转换时，中继器要作相应的改变；设备由低速率改变成高速率时，中继器要随之更换；只有传输同一波长的光信号，且结构复杂、价格昂贵，等等。掺铒光纤放大器则克服了这些缺点，不仅不必随信号方式的改变而改变，而且设备扩容或用于光波分复用时，也无需更换。,2、可作不发送机的后置放大器及光接收机的前置放大器。作光发送机的后置放大器时，可将激光器的发送功率从0db提高到+10db。作光接收机的前置放大器时，其灵敏度也可大大提高。因此，只需在线路上设1-2个掺铒放大器，其信号传输距离即可提高100-200km。此外，掺铒光纤放大器待解决的问题 掺铒光纤放大器的独特优越性已被世人所公认，并且得到越来越广泛的应用。但是，掺铒光纤放大器也存在着一定的局限性。比如，在长距离通信中不能上下话路、各站业务联系比较困难、不便于查找故障、泵浦光源寿命不长，随着光纤通信技术的不断进步，这些问题将会得到完满的解决。,
