光纖放大器

光纖放大器的寫法

光纖放大器介紹

光纖放大器不但可對光信號進行直接放大，同時還具有實時、高增益、寬帶、在線、低噪聲、低損耗的全光放大功能，是新一代光纖通信系統(tǒng)中必不可少的關鍵器件；由于這項技術不僅解決了衰減對光網絡傳輸速率與距離的限制，更重要的是它開創(chuàng)了1550nm頻段的波分復用，從而將使超高速、超大容量、超長距離的波分復用（WDM）、密集波分復用（DWDM）、全光傳輸、光孤子傳輸等成為現實，是光纖通信發(fā)展史上的一個劃時代的里程碑。在目前實用化的光纖放大器中主要有摻鉺光纖放大器（EDFA）、半導體光放大器（SOA）和光纖拉曼放大器（FRA）等，其中摻鉺光纖放大器以其優(yōu)越的性能現已廣泛應用于長距離、大容量、高速率的光纖通信系統(tǒng)、接入網、光纖CATV網、軍用系統(tǒng)（雷達多路數據復接、數據傳輸、制導等）等領域，作為功率放大器、中繼放大器和前置放大器。

光纖放大器一般都由增益介質、泵浦光和輸入輸出耦合結構組成。目前光纖放大器主要有摻鉺光纖放大器、半導體光放大器和光纖拉曼放大器三種，根據其在光纖網絡中的應用，光纖放大器主要有三種不同的用途：在發(fā)射機側用作功率放大器以提高發(fā)射機的功率；在接收機之前作光預放大器以極大地提高光接收機的靈敏度；在光纖傳輸線路中作中繼放大器以補償光纖傳輸損耗，延長傳輸距離。

產品應用

引言

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(yōu)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，會對無線光通信系統(tǒng)的傳播信號產生衰耗作用?？諝庵械纳⑸淞Ｗ?，會使光線在空問、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，在無線光通信系統(tǒng)中光纖通信系統(tǒng)低損耗的傳播路徑已不復存在。大氣環(huán)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(fā)展，穩(wěn)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。

1EDFA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(yōu)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(wěn)定的功率放大。

1．1EDFA的原理

EDFA的泵浦過程需要使用三能級系統(tǒng)，如圖1所示。

在摻鉺光纖中注入足夠強的泵浦光，就可以將大部分處于基態(tài)的Er3+離子抽運到激發(fā)態(tài)，處于激發(fā)態(tài)的Er3+離子又迅速無輻射地轉移到亞穩(wěn)態(tài)。由于Er3+離子在亞穩(wěn)態(tài)能級上壽命較長，因此很容易在亞穩(wěn)態(tài)與基態(tài)之間形成粒子數反轉。當信號光子通過摻鉺光纖時，與處于亞穩(wěn)態(tài)的Er3+離子相互作用發(fā)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+離子處于亞穩(wěn)態(tài)時，除了發(fā)生受激輻射和受激吸收以外，還要產生自發(fā)輻射(ASE)，它造成EDFA的噪聲。

1．2EDFA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制光反射，以確保放大器工作穩(wěn)定，它必須是插入損耗低，與偏振無關，隔離度優(yōu)于40dB。

圖2為單向泵浦方式結構，此外還有反向泵浦，雙向泵浦方式結構。

1．3EDFA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(xù)信號功率。增益系數是指從泵浦光源輸入1mW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系數，由于增益飽和現象，隨著信號功率的增加，增益系數下降；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，與摻雜系數、熒光時間和躍遷截面有關。

增益和增益系數的區(qū)別在于：增益主要是針對輸入信號而言的，而增益系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980nm和1480nm。由于各處的增益系數是不同的，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。

1．4EDFA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(qū)域。實際上的EDFA的增益頻率變化關系比理論的復雜得多，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的增益頻譜范圍在1525～1565nm之間。

2EDFA的級聯應用

2．1EDFA的級聯結構

EDFA對光信號功率的放大，特別在無線光通信大功率(瓦級)應用中，常常采用級聯的方式，比如兩級或者三級放大。之所以采用級聯的方式，是因為在EDFA的摻鉺光纖(EDF)中插入一個光隔離器，構成帶光隔離器的兩段級聯EDFA，由于光隔離器有效地抑制了第二段：EDF的反向自發(fā)輻射(ASE)，使其不能進入段EDF，減少了泵浦功率在反向ASE上的消耗，使泵浦光子更有效地轉換成信號光能量，從而可以明顯改善EDFA的增益、噪聲系數和輸出功率等特性。本文采用麗級級聯放大，將1～2mW的1550nm光信號，經EDFA放大到1W左右。級聯結構如圖3所示。

光信號由LD激光器產生，是已調制的信號，級放大采用單包層摻鉺光纖放大器，980nm單模半導體激光器作為泵浦源，將光功率放大到50mW附近。級采用單模半導體激光器泵浦，先將光信號穩(wěn)定可靠的放大到一定功率，保證了整個光信號的完整，又為下一級光放大提供了較高的光功率基礎。第二級采用雙包層光纖放大器，多模半導體激光器泵浦源將光功率放大到1W左右。雙包層光纖放大器纖芯比單包層纖芯大，泵浦功率可以有效地耦臺到纖芯中，使第二級光信號的輸出功率可達到瓦級。

2．2EDFA級聯應用的增益

2．2．1增益計算

對EDFA級聯的整體光功率增益：

其中：Pout表示EDFA兩級放大后的輸出光功率，Pin表示需要放大的輸入光功率。

在本文中，光放大采用了兩級級聯放大，級增益為G1：

其中級的輸出為第二級的輸入，P'out=P'in=P，所以：

即，整體增益等于兩級增益之和，本文的整體光功率增益為：

級增益為17dB，第二級增益為13dB，1W的光功率經過準直聚焦，再有光學鏡頭發(fā)射到大氣信道，大大提高了光信號的有效傳輸距離。

2．2．2影響增益的因素

EDFA的增益與諸多因素有關，如摻鉺光纖的長度，隨著摻鉺光纖長度的增加，增益經歷了從增加到減少的過程，這是因為隨著光纖長度的增加，光纖中的泵浦功率將下降，使得粒子反轉數降低，最終在低能級上的鉺離子數多于高能級上的鉺離子數，粒子數恢復到正常的數值。

由于摻鉺光纖本身的損耗，造成信號光中被吸收掉的光子多于受激輻射產生的光子，引起增益下降。由上述討論可知，對于某個確定的入射泵浦功率，存在著一個摻鉺光纖的長度，使得增益。增益與摻鉺光纖長度的關系如圖4所示。

EDFA的增益還跟輸入光的程度、泵浦光功率及光纖中鉺離子Er3+的濃度都有關系，如小信號輸入時的增益系數大于大信號輸入時的增益系數。當輸入光弱時，高能位電子的消耗減少并可從泵激得到充分的供應，因而，受激輻射就能維持達到相當的程度。當輸入光變強時，由于高能位的電子供應不充分，受激輻射光的增加變少，于是就出現飽和。泵浦光功率越大，摻鉺光纖越長，3dB飽和輸出功率也就越大。其次與當Er3+的濃度超過一定值時，增益反而會降低，因此要控制好摻鉺光纖的鉺離子濃度。

采用EDFA后，提高了注入光纖的功率，但當大到一定數值時，將產生光纖非線性效應和光泄漏效應，這影響了系統(tǒng)的傳輸距離和傳輸質量。另外色散問題變成了限制系統(tǒng)的突出問題，可以選用G653光纖(色散位移光纖DSF)或非零色散光纖(NZDF)來解決這一問題。

2．3EDFA級聯的改進

之所以采用EDFA級聯的方式，一是插入兩級間的光隔離器有效地抑制了第二段EDF的反向自發(fā)輻射(ASE)，使其不能進入段EDF，減少了泵浦功率在反向ASE上的消耗，使泵浦光子更有效地轉換成信號光能量；二是分為兩級后，各自的增益可以任意分配，可以根據不同的增益要求和應用環(huán)境改變相應的增益。但是，要在保證信號無失真的情況下得到的光功率增益，還需要解決一些問題：

(1)由于增益分為兩級，如何分配兩級問的增益才能在現有的EDF、泵浦源功率等條件下使得光放大的實現更容易，這與EDF的放大能力，泵浦遠功率大小、穩(wěn)定性，泵浦光波長及其模式等均有密切相關。

(2)在每一級各自一定的泵浦功率下，找到摻鉺光纖的長度。當EDF過短時，由于對泵浦吸收的不充分而導致增益降低；而當EDF過長時，由于泵浦光在EDF內被鉺離子吸收，泵浦功率逐漸下降，當功率降至泵浦閾值以下時，就不能形成粒子數反轉，此時，這部分EDF不僅對信號光無放大作用，反而吸收了已放大的部分信號，造成增益的下降，同時也會引起噪聲系數的增大。

(3)如果需要更高的光功率輸出，幾十瓦甚至上百瓦，可考慮更聯的方法，因為隨著增益的增大，泵浦源由于轉換效率的問題，功率需求會很高，所需的單級EDF長度也會大大增長，這樣的工作條件往往不易達到，且穩(wěn)定性不強，采用更聯可以將增益劃分到多級，易于實現和控制，光模塊的整體增益特性也有較大提高。

3結語

本文提出了采用EDFA級聯的方法，實現了光信號30dB的增益，滿足無線光通信光功率傳播的要求，使得光信號能在大氣信道進行遠距離，高穩(wěn)定性傳輸。同時在現有的基礎上，提出了需改進的問題，為今后研究的進一步開展指出了方向。

技術指標

注意事項

1.切勿將光纖輸出口指向人體，尤其是眼睛，以免造成損傷。

2.切勿在通電狀態(tài)下進行路由的連接，以免因操作不當造成輸出尾纖端面燒傷。

3.由于產品的輸出功率較大，使用時請關注本機的工作室溫，保持通風良好。

故障解決

光放大器，面板顯示和實際輸出是同步的，如果面板顯示正常，則說明光放大器輸出正常，如果這種情況下測試光放大器時光功率下降或不夠，的可能性有以下幾種：

1.光功率計不準，國產的光功率計只能測試光功率輸出較小的設備，不能測試大功率輸出的EDFA，測試光放大器的光功率計必須原裝進口，不能把不準確的儀器當作標準來使用。

2.輸出口的法蘭損壞，這個可能性較小。

3.用戶使用不當，在機器工作時插拔尾纖，燒傷光放大器輸出的尾纖頭，造成光放大器輸出功率下降，如發(fā)生這種情況，只要重新熔接光放大器的輸出接頭即可。

4.用戶使用的尾纖質量太差，纖芯過長，在插入尾纖后擦傷光放大器的輸出接頭，這個現象是次測試是好的，第二次插入再次測試時就光功率下降了，解決這個問題也只要重新熔接光放大器的輸出接頭就可，

5.光源的波長不對，如果1550nm光發(fā)射機的波長有偏差，會造成光放大器的輸出光功率不夠，也會造成面板顯示偏小。

6.輸入光放大器的光功率較小，如果低于標準值時可能會造成光功率變小，同時面板顯示也會變小。