技術篇:光纖放大器原理及調節方法

無線光通信是以激光作為信息載體,是一種不需要任何有線信道作為傳輸媒介的通信方式。與微波通信相比,無線光通信所使用的激光頻率高,方向性強(保密性好),可用的頻譜寬,無需申請頻率使用許可;與光纖通信相比,無線光通信造價低,施工簡便、迅速。它結合了光纖通信和微波通信的優勢,已成為一種新興的寬帶無線接人方式,受到了人們的廣泛關注。

  但是,惡劣的天氣情況,會對無線光通信係統的傳播信號產生衰耗作用。空氣中的散射粒子,會使光線在空間、時間和角度上產生不同程度的偏差。大氣中的粒子還可能吸收激光的能量,使信號的功率衰減,在無線光通信係統中光纖通信係統低損耗的傳播路徑已不複存在。大氣環境多變的客觀性無法改變,要獲得更好更快的傳輸效果,對在大氣信道傳輸的光信號就提出了更高的要求,一般地,采用大功率的光信號可以得到更好的傳輸效果。隨著光纖放大器(EDFA)的迅速發展,穩定可靠的大功率光源將在各種應用中滿足無線光通信的要求。

  1、EDFA的原理及結構

  摻鉺光纖放大器(EDFA)具有增益高、噪聲低、頻帶寬、輸出功率高、連接損耗低和偏振不敏感等優點,直接對光信號進行放大,無需轉換成電信號,能夠保證光信號在最小失真情況下得到穩定的功率放大。

  1.1、EDFA的原理

  在摻鉺光纖中注入足夠強的泵浦光,就可以將大部分處於基態的Er3+離子抽運到激發態,處於激發態的Er3+離子又迅速無輻射地轉移到亞穩態。由於 Er3+離子在亞穩態能級上壽命較長,因此很容易在亞穩態與基態之間形成粒子數反轉。當信號光子通過摻鉺光纖時,與處於亞穩態的Er3+離子相互作用發生受激輻射效應,產生大量與自身完全相同的光子,這時通過摻鉺光纖傳輸的信號光子迅速增多,產生信號放大作用。Er3+離子處於亞穩態時,除了發生受激輻射和受激吸收以外,還要產生自發輻射(ASE),它造成EDFA的噪聲。

  1.2、EDFA的結構

  典型的EDFA結構主要由摻鉺光纖(EDF)、泵浦光源、耦合器、隔離器等組成。 摻鉺光纖是EDFA的核心部件。它以石英光纖作為基質,在纖芯中摻人固體激光工作物質鉺離子,在幾米至幾十米的摻鉺光纖內,光與物質相互作用而被放大、增強。光隔離器的作用是抑製光反射,以確保放大器工作穩定,它必須是插入損耗低,與偏振無關,隔離度優於40 dB。

  1.3、EDFA的特性及性能指標

  增益特性表示了放大器的放大能力,其定義為輸出功率與輸入功率之比:

  式中:Pout,Pin分別表示放大器輸出端與輸入端的連續信號功率。增益係數是指從泵浦光源輸入1 mW泵浦光功率通過光纖放大器所獲得的增益,其單位為dB/mW:

  式中:g0是由泵浦強度定的小信號增益係數,由於增益飽和現象,隨著信號功率的增加,增益係數下降;Is,Ps分別為飽和光強和飽和光功率,是表明增益物質特性的量,與摻雜係數、熒光時間和躍遷截麵有關。

  增益和增益係數的區別在於:增益主要是針對輸入信號而言的,而增益係數主要是針對輸入泵浦光而言的。另外,增益還與泵浦條件(包括泵浦功率和泵浦波長)有關,目前采用的主要泵浦波長是980 nm和1 480 nm。由於各處的增益係數是不同的,而增益須在整個光纖上積分得到,故此特性可用以通過選擇光纖長度得到較為平坦的增益譜。 1.4、EDFA的帶寬

  增益頻譜帶寬指信號光能獲得一定增益放大的波長區域。實際上的EDFA的增益頻率變化關係比理論的複雜得多,它還與基質光纖及其摻雜有關。在EDFA的增益譜寬已達到上百納米.而且增益譜較平坦。ED-FA的增益頻譜範圍在1 525~1 565 nm之間。 

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