EDFA的泵浦激光器驱动源功率控制技术研究

EDFA的泵浦激光器驱动源功率控制技术研究 分类号: 密级, , ,: 编号 ,,,,的泵浦激光器驱动源 功率控制技术研究 ,,,,,,,, ,, ,,,,, ,,,,,,, ,,,,,,,,,, ,, ,， ,,, ,,,,, ,,，,, ,,,,,, ,, ,,,, 学位授予单位及代码:益益型工太茔 (,,,鳗, 学科专业名称及代码:虫土抖芏与煎盔,,,,,,, , 研究方 向:出虫挂盛当光电拯测挂盔 申请学位级别:亘—二, 指导教师:奎湛挂教援 研 亢 生:直—且 论文起止时，剖:麴幽,,,业,,:,, 长春理工大学硕士学位论文原创性声明 本人郯重声明:所呈交的硕士学位论文，《,,,,的泵浦激光器驰功源功率控制技术研究》是本人在指导教师的指导下，独立进行研究丁作所取得的成果。除文中已经注明引用的 内容 财务内部控制制度的内容财务内部控制制度的内容人员招聘与配置的内容项目成本控制的内容消防安全演练内容 外(本论文不包含任何其他个人或集体已经发 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人利集体(均已在立中以明确方式标叫;本人完全意让:到本声明的法律结果山本人承担。 作青簦躬:刍豳—。～～旦年—生月丑日 长春理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“长春理工大学硕士、博士学位论文版权使用规定”(同意,眷理工大学保留并向中国科学信息研究所、中困优秀博硕士学位论文全文数据库和,,,，系列数掘库及其它国家有关部?或机构送交学位论文的复印件和电子版，允日:论文被查阅和借阅。本人授权长春理工大学可以将本学位论文的仝音,，或部分内容编八有关数掘库进行检索，也可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论文。 作者箍名:南曲立～生年—五月—鳗同 要 随着光纤通信系统向着大功率、长距离、高速导师虢秀雅毕巡一年』月掣, 摘 率方向的发展，掺铒光纤放大器(,,,，,。)在其中扮演着很重要的角色。随着它的广泛应用，对其性能的要求也越来越严格，特别是它的输出功率的稳定度。在这其中泵浦激光器的性能对其影响很大。 本文首先 分析 定性数据统计分析pdf销售业绩分析模板建筑结构震害分析销售进度分析表京东商城竞争战略分析 了,,,,和泵浦激光器的理论基础，包括它们的工作原理、基本组成以及工作特性参数等，并对自动电流控制和自动功率控制两种方法进行了分析比较。本文采用的是用光电探测器来对输入输出信号进行电流检测，通过微处理器进行处理后，控制数字电位器来调整泵浦激光器的驱动电流，进而保证,,,,输出功率的稳定度。由于温度对系统的影口向，还包括对温度控制电路的设计。最后通过实验测试，系统基本能够达到性能要求。关键字:掺铒光纤放大器、泵浦激光器、驱动电路、功率控制 ,,,,,,;, ,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,),,,,, ,,,,,,,,,,,, ,,,,,,,,, ,,、,,,,,,,, ,,,,,,,,,, ;,,,,,,;,,,,, ,,?,?,,,, ,,曲,, ,,,,, ,,,,,, ,,,,,,;, ,,, ,,,,,, ,,,,, ,,,, ,,,,,;,,,,,,, ,,,,,;,,,,, ,,,,,,(,,,;,,,,,,,,, ,,, ,,, ,,,,,,,,,;, ,,, ,,,, ,,, ,,,, ,,,,,(,,,,;,,,,, ,, ,,, ,,,,,,,,,, ,,,,, ,,,,,, ,,,, ,(,,,,, ,,,,(,,, ,,,, ,,,,,,,,,,, ,,;,,, ,,,,, ,,,,,,,,,;, ,,,,, ,,,, ，,,,, ,,,, ,,,,;,, ,,,,,,, ,,,,,,,,, ,, ,,,, ,,, ,, ,,, ,,,,,,,,,,】,,,,,,,,,,,, ,,,,, ,,,,,,, ,,,, ,,,,,,,,,;,,,,,, ,,,,, ,,;,,,,, ,(;,,,,,,,,,,,, ;,,,,;,,,,,,,; ,,,,,,,,,, ,,, ,;,,,,,,,,, ,, ,、, ,,,,,,,:,,,,,,,,; ;,,,,,, ,,,,,,,, ,,, ,,,,,,,,; ,,,,, ;,,,,,,,,,,,,,,;,,,; ,,,,;,,,, ,,,, ,,,,,,,, ,, ,,,,,,, ,,, ;,,,,,, ,, ,,,,, ,,,,,, ,,,,,,,, ,, ,,,;,,;,,,,,,,, ,,,;, ,,,;,,,,, ,,, ,,,, ,,, ;,,,,,，, , ,,,,出,,,,,,,,,,,,”,, ,,,,, ,,,,,,?,,, ;,,,,,,， ,,,,, ,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,, ,,,,,,,,,,,,,, ,,,,,, ,,,,,(,,,,,,,,,,,,;,,,,,, ;,,;,,, ,, ,,,, ,,,,,,,, ,, ,,,,,,,,,, ,,, ,,,,,,,,, ,,,,,,,,,,,,, ,,,, ,,,,,,, ,,,,,,,,,,,,,,, ,,,,, ,,, ,,,,,, ,,,,;,,,, ,,,,, ,,, , ,,,,, ,,？,,,,,,,,,,, ,,,,:,,,, ,,,, ,,,,, ,,,,, ;,,;,,, ,,,,, ;,,,,,, 目 录摘 要,,,,,,,, 目 录第一章绪论 ( ((((( , ,概述 , , ,,,,的发展历史及研究现状 , , ,,,,的特点及应用前景( ( , ,本课题主要研究内容第二章, ，光放大器的种类 , , ,,,,的工作,,,和泵浦激光器的理论基础(( , 原理及泵浦方式 , ,泵浦激光器的构成和特性参数 , , ,,,,的工作特性参数第三章,,,,的泵浦激光器功率控制技术研究 , ,自动电流控制原理( ( , ,自动功率控制原理 ( , ,本章小结 (第四章,,,,的泵浦激光器功率控制电路设计 , ,整体电路设计 , ,泵浦激光器的驱动电路设计 , ,功率检测部分设计 , , ,,,)控制器件 ( ,控制电路设计 , ( ,泵浦激光器温度控制 , , ,系统软件设计 (第五章系统实验测试与分析( (((((( , ,泵浦激光器输出功率控制测试 , ,温度控制实验结果与分析 , , ,,,,输出功率稳定测试总 结((( ((((( ((((((((致 谢 ((((( ((((( ((((参考文献 (((((( ( (((((((( 一,?””,均虬弛毖船硒甜弘?蛆帖拍钉? 虬驰 第一章绪论 ,概述 众所周知，现今是信息时代，社会信息化进程正在逐渐的深入，整个社会受信息运行的影口日也随之越来越大。随着因特同的普及和网上应用，使人们对一些新型信息服务的需求越来越迫切，例如家庭办公、远程教育、电子商务等(因此这就需要用到 功能强大的通信网络。光纤通信作为一种理想的通信手段，具有了诸如较大的通信容 量、较长的无中继通信距离、良好的保符性等许多的优点，这使得光纤通信取代其它通信手段是一种必然的趋势。 随着光纤通信系统日益向着高速率、大容量、长距离等方向发展，系统中的光纤损耗和色散等因素对其存在着一定的限制作用。,,世纪,,年代，随着光放大器技术的产生，光纤通信领域经历了一次革命。它的出现不仅开创了,,,,,,波段的波分复用， 也使得全光传输、光孤子传输等的传输速率更高、传输容量更大、传输距离更长。它 能够对光信号进行直接放大，成为了光纤通信发展过程中的一项关键技术。由于这项技术不受光信号调制形式及比特率的影啊，使得它在光纤通信领域中得到了较为广泛 的应用。 在光放大器中，掺铒光纤放大器(,,,,)的技术比较成熟， 自身性能较好，所以它的应用比较广泛;它具有高增益、低噪声，输出功率大，串话小，对温度偏振不敏感(耦台效率高，易与传输光纤耦台连接，损耗低，不易自激，对信号建率和格式透明(并具有几十纳米的放大带宽等优点…。由于它几乎接近完美的特性及半导体泵浦源 的使用(导致了它在波分复用系统中的广泛应用。随着光纤通信向速度更快、带宽更大方向的发展，随之对,,,,的性能也有着更高的要求。, , ,,,,的发展历史及研究现状 ，、国内: 随着我国,,,计划的实施，光放大器技术正在不断的提高，,,,,技术正在逶步走 向成熟。一些在我国具有明显优势的研宄部门己经开发出来较为实用化的,,,,，它具有成本低、体积小、 标准 excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载 化等特点，该产品的研发水平与国际先进水平不相上下，它实现了,,,,多种类型产品的定型，此外，这些部门还成功研制出在,,,,系统中使用的,,,,系列产品。 在我国，中兴公司开发研制的宽带混合光放大器己经被列入国家重点新产品的行列中，使得我国在混合光纤放大器领域获得了重大的突破。该公司还开发出多波长的,,,,,』，它能够在,、;和,三个波段中的任何一个波段工作。上海亨通公司和北京大学联合开芨的,?缎诺朗 滞ㄐ牛牛模疲粒 ü 种品糯笃鞯姆糯笞苑? 洌 档土朔糯笃鞯脑肷 ㄗ畹涂晌 ?,,,)，使输出功率获得提高(,,,,,)。上海拜安科技最近开发出的新产品，拥有三项专利技术(它利用多模泵浦推动，铒镱共掺技术，在,波段上的单模输出光功率可毗达到,,,,(,,)。 光迅科技公司开发研制的,波段,,,,的技术己经达到国际水平。公司研制的宽带系列产品，它们的工作波长能够覆盖,和,波段。此外，在,波段，采用,,,,,,与,,,,,,波长混合泵浦及掺铥光纤的应用，使,波段的光放大器获得实现。波长为,,,,—,,,,,,时，光放大器的输出功率最低为,, ,,,,,，增益最低为,,,,，功率不平坦度是, ,,,，功率转换效率超过,, ,,。公司正在研发的,十,，,波段超宽带光放大器的工作波长范围能够达到,,,,,。 ,、国外: 从第一台掺铒光纤放大器被英国南安普敦大学研制成功以来，在各国科学家的努力下，,,,,技术已经逐渐趋于成熟，它在光纤通信系统中的广泛应用，促进了自身的迅速发展;目前使用的,,,,己经由原来的单通道变化为现在的多通道、多功能型(在光纤通信系统和,,,,等领域获得广泛的应用。 随着,,,,在商业中的广泛应用，小型化,,,,模块也有很大的发展。，,, ,,,,,,,,,公司开发出第一台商用,,,,(它的波长可以进行调节。英国,,,,,,,,,,,大学与美国,,,,,,, ,公司联合开发出了一种自适应,,,,模块。它的增益带宽为,,,, , ,,,,,，噪声系数小于,,,，能够提供的增益为,,,,，输出功率为,,,,,。除此之外，黄国朗讯科技公司研制的,,,,模块，它工作在,波段，具有较高的输出功率,,,,,，并且在,,,,一】,,,,,范围内增益较为平坦。为了提高放大器的功率，还采用了,,,,,共掺光纤放大器，以后还将对它进行更深入的研究。 宽带宽的,,,,的发展也同样受到人们的关注。双波段光纤放大器(,,,,)，它的组成部分一部分包括通常的,,,,(另一部分是扩展波段光纤放大嚣(,,,,)，它的带宽在, ,,,—,,,,,,。宽带宽,,,,能够放大;和,波段，共有,,,,的带宽(功率增益比较平坦为,,,,(它具有较大的输出功率。贝尔研友出的超宽带光放大器能够同时覆盖;波段(,,,,—,,,,,,)与,波段(,,,,—,,,,,,)，可用带宽为,,,,。宽带宽 ,,,,已经被应用在,,,,,,的光通信系统中，而对于速率能够超过,,,,,,的系统中，,,,,,,,,,,混合式光纤放大器的发展同样很迅速。美国朗讯科技公司开发的混合式在线放大器能够在光纤长度为,,,,,,的光纤中，传输出, ,,,,,,(,,×,, ,,,,,),,,。碲化物,,,,的增益带宽能够达到,,,,，可以利用增益均衡的办法使,,,,—,,,,,,带宽都能够应用在,,,系统中。 法国,,;,,,,开发的,,,,,，结合了,,,,、,,,,和,,,，它的波长范围,,,,—,,,,,,(具有,, ,,,,的带宽，它的出现会使,,,系统在不久的将来能够工作在单根光纤容量,，,,,,,的光纤链路中,,,。,酬模块式高功率;波段光放大器的饱和输出功率为,, ,,,,,(,,,)，输入功率为, ,,,,,，它的信噪比比较低，采用,,,和,,,两种模式。随着技术的不断进步,,,,将具有更加广淘的发展前景, , ,,,,的特点及应用前景 , , ,,,,的特点 掺铒光纤放大器具有以下特点: (,)工作在光纤损耗最低的窗口，即,,,, ,,, (,)它的增益较高，在波分复用系统中获得比较广泛的应用; (,),,,波段: 嗓声系数低，能够接近量子极限。当在渡分复用系统中使用时，各个信道串扰很 小，能够级联多个放大器: (,)比特率及数据格式对放大特性没有影响: (,)放大频带较宽，增益饱和恢复的时间比较长，能够同时放大多路波长信号: (,)输出功率大并且对偏振不敏感: (,,结构简单，比较容易与传输光纤耦舍。 , , ,,,,的应用前景 随着光纤通信技术的日益发展，,,,,存在多种应用形式，其中主要的应用形式包括…?】: (，】用在宽带光波分配系统 掺铒光纤放大器能够应用在有线电视(,,,,)分配网中，它不仅可以扩大范围，增加用户的数量，还可以补偿一些由外界因素引起的损耗。 (, ,用作前置放大器 由于,,,,自身具有的低噪声特性，它被应用于接收机的前置光放大器。原理是在光信号还没有进入光接收机之前，,,,,能够通过对光信号的放大来消除噪声，使光接收机的灵敏度获得提高。这个系统要求,,,,的噪声系数较低，但对输出功率并没有特别要求。系统灵敏度的提高，不仅与,,,,的噪声系数有关，还会受到它的自发辐射谱宽度的影响。灵敏度随着噪声系数的降低而提高，随着谱线宽度的增加而降低。所以可以通过在,,,,后面加上一个光滤波器的方法来降低噪声对整个系统的影响。 ,光发射机,,,前置放大器,光接收机『 光纤 图， ， ,,,,用作前置放大器的结构形式 (,)用作功率放大器 ,,,,作为功率放大器时，它的作用是能够使系统的输出功率获得提高，一般可以达到数十毫瓦，甚至高于,,,,,。它不仅要求噪声系数比较低，还要有较高的输出功率。将它用在光发射机之后，使发射功率获得提升，传输距离能够增加】,,,,,,。 —鬲磊〕,—,厂磊两;,厂磊,两 图, , 光纤 ,,,,用作功率放大器的鲒构形式 (,)用作线路放大器 这个应用使得它在被分复用系统中获得比较广泛的应用，原理是当信号带宽小于光纤放大器的带宽时，利用掺铒光纤放大器就能够使所有的波分复用信号得到放大，改善了传统光一电一光中继系统中复杂的情况。在这个系统中，,,,,要具有足够的带宽，并且在这个带宽范围内(增益是均匀的。如果系统具有多级放大器级联，这就要求其中前两级的放大器的噪声系数较低。 医匦卜斗固…区亟卜叫习 光纤 图, ,线路放大器的应用结构形式 光纤 ,本课题主要研究内容 本论文主要研宽内容: (,)了解掺铒光纤放大器(,,,,)的相关理论，包括它的 发展、特点及应用等。还要分析,,,,和泵浦激光器的理论基础，包括它们的工作原理和工作特性参数等，充分掌握它们的理论基础。 (,)分别对自动电流控制(,,,)和自动功率控制(,,,)两种方法进行分析与比较(确定出本课题中所选用的方法。 (,)对泵浦激光器驱动源的功率控制电路进行设计(其中包括它的驱动电路、控制电路、,,探测电路、,,,转换电路和温度控制电路的设计。 (,)最后对论文的设计内容进行实验测试和具体分析，对系统的稳定,生和控制精度进行了分析研究。 第二章,,,,和泵浦激光器的理论基础, ,光放大器的种类 目前光纤通信中采用的光放大器主要有以下几类: (,)半导体激光放大器(,,,) 可以利用处于粒子数反转状态的半导体,,结对光的增益效应来实现对光信号的放大(这就是半导体激光放大器(,,,)的工作机理，它的基本结构如图, ,所示。半导体激光器在不同的应用条件和不同的端面反射率情况下，可以得到不同类型的半导体光放大器。如果半导体激光器的驱动电流低于其闽值川，设有产生激光，这时向它的一端输人光信号，只要这个光信号的频率处于激光器的频谱中心附近，它便被放大后从另一端输出(这种半导体光放大器被称为法布里,珀罗型激光放大器(,,—,,,):如果将激光器偏置在其闽值以上，从一端输入微弱的单模光信号，这个光信号的频率只要处于这个多模激光器的频谱内，光信号就会被放大，并且锁定到某一模式上，这种光放大器被称为注入锁定型放大器(，,—,,,)。如果将半导体激光器的两个端镜面涂覆或蒸镀上一层防反射膜，降低它的反射率，使其无法形成法布里一珀罗谐振腔，这时光信号通过有源波导层时，将一边行进一边放大，这种光放大器称被为行波型光放大器 (,, ,,,)。 输入光纤 输出光纤 —,?——一, , ,互互,,乙,,乙召 、、?———， 输入信号 输出信号 内增益,—型,—, 自镕?,二型, ,, 黼,，——～塑———， 圈, ,半导体激光放大器的基本结构 在光通信系统中，,,,可用作功率放大器、在线中继放大器及前置放大器。它的优点是体积小(频带很宽(增益也很高，但最大的弱点是与光纤的耦合损耗太大，易受环境温度影响(园此，稳定性较差。半导体光放大器容易集成(尤其是它可与其他光子器件集战，构成光电子集成电路或光子集成电路。此外，基于,,,中的非线性特性，它在光互联、光计算和光信号处理中有广阔的应用，如光开关、波长变换、光逻辑等。 (,)非线性光纤放大器，如拉曼光纤放大器(,,,)和布里渊光纤放大器(,,,) 拉曼光纤放大器(,,,)的基本原理是光纤中的受激拉曼散射(,,,)。它具有增益高、频带宽、输出功率大、串扰小、响应陕、噪声低，温度稳定眭好等特点“】。由于它的增益介质就是传输光纤本身，因此与光纤系统有着很好的兼容性，与光纤线路的耦台损耗也较小，一般情况下(连接损耗小于, ,,,。它还具有比较宽的增益带宽，在用单波长进行泵浦时，可以达到大约,,,,的增益带宽，而用多波长泵浦时，可以实现的放火带宽大于,,,,,。此外，它的小信号增益可达,,,,(一个很好的应用前景就是可以使用多个泵清源来扩展放大带宽。在所有各类光放大器中，噪声性能最好的就是拉曼光纤放大器，其噪声优于,,,,，它的噪声系数可以达到,,,以下。它还具有较好的增益稳定性能，成本较低。其主要缺点是泵浦效率低、闽值高，对,,,,,,窗,:,的光信号放大，需要工作波长在,,,,,,左右的大功率泵浦激光器，要求泵浦激光器的输出功率在数百毫瓦到一瓦左右。同时它的作用距离也较长，只适台用于长途干线网中进行低噪声放大。布里渊光纤 放大器(,,,)是一种基于光纤受激布里渊散射(,,,)效应的光放大器。它的频移量与泵浦光的频率有关，并且远远小于拉曼光纤放大器。正因如此，它可以作为一种可调谐窄带光学滤波器，通过对泵浦激光的频率进行调谐(从而对不同频率的信号光进行放大，可用于波分复用系统中的信遵选择。 (,)掺稀土元素光纤放大器(如掺铒光纤放大器(,,,,)(掺镨光纤放大器(,,,,)，掺铥光纤放大器(,,,,)等 掺镨光纤放大器„,,,,)可用于零色散波长附近的,,,,,,窗口的光放大，它的泵浦效率较低(插入损耗大，温度稳定性较差。掺铥光纤放太器(,,,,)工作于,,,,,,附近波段，它利用低粒子反转和使用较长的光纤产生增益位移，从而在整个,波段实现高增益的放大。它也没有合适波长的泵浦源，实际应用受到了一定的限制。掺铒光纤放大器(,,,,)工作在;波段,,,,,,窗口，它具有增益高、带宽大、输出功率高、泵浦效率高、插入损耗低、对偏振态不敏感等优点【,,,。,,,,这些近乎理想的特性带来了光纤通信技术的巨大进步。下表,,,列出了几种光放大器的主要特性及,生能指 ,光放大器参数比较, , ,,,,的工作原理及泵浦方式, , 标的比较。 表, , ,,,,的放大机理 在石英光纤的纤芯中掺入三价稀土金属铒元素，这种光纤在泵浦光的激励下能够形成粒子数反转分布，然后在信号光的作用下产生受激辐射，放出与信号光完全相同的光予，从而形成光的放大。 掺铒光纤工作的基本原理是:,,“在役有任何入射光激励它时，它保持在基态上，这是能级结构中最低的能级,如果有泵浦源发出的光信号激励时，它将吸收入射的光信号的能量，从基杰,，。，跃迁到上面的泵浦态能级,，…，，这个过程针对泵浦波长的不同，它受到激励后跃迁到的能级也会有所不同。当用,,,,,波长的光泵浦时，如图, ,所示(,,?从基态跃迁至泵浦态,，，…由于泵浦态上载流子的寿命时间只有，‖,，铒离子迅速以非辐射方式由泵浦态弛豫至亚稳态口】。在亚稳态上载流予有较长的寿命，在源源不断的泵浦下(亚稳态上的粒子数积累(从而实现了粒子数反转分布。当有,,,,,,信号光通过己被澈活的掺铒光纤时，亚稳志上的粒子以受激辐射的方式跃迁到基态，并辐射出一个与激发光子完全相同的光子，即光子的频率、相位、传播方向、偏振态完全相同(从而实现了信号光在掺铒光纤的传播过程中不断放大。在放大过程中，亚稳态的粒子也会以自发辐射的方式跃迁到基态，自友辐射产生的光子也会被放大，这种放大的自发辐射(,,,)会消耗泵浦功率井引入噪声。如果采用波长为,,,,,,的光进行泵浦(铒离子由,，…跃迁到,』,，能级的上面，随后它会立刻通过非辐射方式弛豫到这个能级的下面，通过粒子的积累形成反转状态。依据这个原理可以知道(波长为 —,———————————,,,,,,,,,泵浦时，光纤放大器是一个三能级结构:而在波长为,,,,,,泵浦时(它是一个二能级结构。这就造成这两种泵浦波长的,,,,在,些特性上存在比较明显的区别。 ,———,,—— 二 ‰ —————』——, ———————————一 .