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光纖放大�
閱讀�23566�(shí)間:2010-09-06 10:35:18

  光纖放大器不但可�(duì)光信�(hào)�(jìn)行直接放�,同�(shí)還具有實(shí)�(shí)、高增益、寬帶、在�、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�(guān)鍵器�;由于這項(xiàng)技�(shù)不僅解決了衰減對(duì)光網(wǎng)�(luò)傳輸速率與距離的限制,更重要的是它開(kāi)�(chuàng)�1550nm頻段的波分復(fù)�,從而將使超高�、超大容量、超�(zhǎng)距離的波分復(fù)用(WDM�、密集波分復(fù)用(DWDM�、全光傳�、光孤子傳輸?shù)瘸蔀楝F(xiàn)�(shí),是光纖通信�(fā)展史上的一�(gè)劃時(shí)代的里程�。在目前�(shí)用化的光纖放大器中主要有摻鉺光纖放大器(EDFA)、半�(dǎo)�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�(yōu)越的性能�(xiàn)已廣泛應(yīng)用于�(zhǎng)距離、大容量、高速率的光纖通信系統(tǒng)、接入網(wǎng)、光纖CATV�(wǎng)、軍用系�(tǒng)(雷�(dá)多路�(shù)�(jù)�(fù)�、數(shù)�(jù)傳輸、制�(dǎo)等)等領(lǐng)�,作�功率放大�、中繼放大器和前置放大器�

  光纖放大器一般都由增益介�(zhì)、泵浦光和輸入輸出耦合�(jié)�(gòu)組成。目前光纖放大器主要有摻鉺光纖放大器、半�(dǎo)體光放大器和光纖拉曼放大器三�,根�(jù)其在光纖�(wǎng)�(luò)中的�(yīng)�,光纖放大器主要有三種不同的用途:在發(fā)射機(jī)�(cè)用作功率放大器以提高�(fā)射機(jī)的功�;在接收�(jī)之前作光�(yù)放大器以極大地提�光接收機(jī)的靈敏度;在光纖傳輸線路中作中繼放大器以�(bǔ)償光纖傳輸損�,延�(zhǎng)傳輸距離�

�(chǎn)品應(yīng)�

  � 言

  �(wú)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(wú)線光通信所使用的激光頻率高,方向性強(qiáng)(保密性好),可用的頻譜�,無(wú)需申請(qǐng)頻率使用許可;與光纖通信相比,無(wú)線光通信造價(jià)�,施工簡(jiǎn)�、迅速。它�(jié)合了光纖通信和微波通信的優(yōu)�(shì),已成為一種新興的寬帶�(wú)線接人方式,受到了人們的廣泛�(guān)�。但�,惡劣的天氣情況,會(huì)�(duì)�(wú)線光通信系統(tǒng)的傳播信�(hào)�(chǎn)生衰耗作�??諝庵械纳⑸淞W?,會(huì)使光線在空問(wèn)、時(shí)間和角度上產(chǎn)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(hào)的功率衰�,在�(wú)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�(fù)存在。大氣環(huán)境多變的客觀性無(wú)法改變,要獲得更好更快的傳輸效果,對(duì)在大氣信道傳�?shù)墓庑�?hào)就提出了更高的要�,一般地,采用大功率的光信號(hào)可以得到更好的傳輸效果。隨著光纖放大器(EDFA)的迅速發(fā)�,穩(wěn)定可靠的大功率光源將在各種應(yīng)用中滿足�(wú)線光通信的要��

  1 EDFA的原理及�(jié)�(gòu)

  摻鉺光纖放大�(EDFA)具有增益�、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)�(diǎn),直接對(duì)光信�(hào)�(jìn)行放�,無(wú)需�(zhuǎn)換成電信�(hào),能夠保證光信號(hào)在最小失真情況下得到�(wěn)定的功率放大�

  1�1 EDFA的原�

  EDFA的泵浦過(guò)程需要使用三能級(jí)系統(tǒng),如�1所��

  在摻鉺光纖中注入足夠�(qiáng)的泵浦光,就可以將大部分處于基態(tài)的Er3+離子抽運(yùn)到激�(fā)�(tài),處于激�(fā)�(tài)的Er3+離子又迅速無(wú)輻射地轉(zhuǎn)移到亞穩(wěn)�(tài)。由于Er3+離子在亞�(wěn)�(tài)能級(jí)上壽命較�(zhǎng),因此很容易在亞�(wěn)�(tài)與基�(tài)之間形成粒子�(shù)反轉(zhuǎn)。當(dāng)信號(hào)光子通過(guò)摻鉺光纖�(shí),與處于亞穩(wěn)�(tài)的Er3+離子相互作用�(fā)生受激輻射效應(yīng),產(chǎn)生大量與自身完全相同的光子,這時(shí)通過(guò)摻鉺光纖傳輸?shù)男盘?hào)光子迅速增�,產(chǎn)生信�(hào)放大作用。Er3+離子處于亞穩(wěn)�(tài)�(shí),除了發(fā)生受激輻射和受激吸收以外,還要產(chǎn)生自�(fā)輻射(ASE),它造成EDFA的噪��

  1�2 EDFA的結(jié)�(gòu)

  典型的EDFA�(jié)�(gòu)主要由摻鉺光�(EDF)、泵浦光�、耦合器、隔離器等組��

  摻鉺光纖是EDFA的核心部�。它以石英光纖作為基�(zhì),在纖芯中摻人固體激光工作物�(zhì)鉺離�,在幾米至幾十米的摻鉺光纖內(nèi),光與物�(zhì)相互作用而被放大、增�(qiáng)。光隔離器的作用是抑制光反射,以確保放大器工作穩(wěn)�,它必須是插入損耗低,與偏振�(wú)�(guān),隔離度�(yōu)�40 dB�

  �2為單向泵浦方式結(jié)�(gòu),此外還有反向泵浦,雙向泵浦方式�(jié)�(gòu)�

  1�3 EDFA的特性及性能指標(biāo)

  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(hào)功率。增益系�(shù)是指從泵浦光源輸�1 mW泵浦光功率通過(guò)光纖放大器所獲得的增�,其單位為dB/mW�

  式中:g0是由泵浦�(qiáng)度定的小信號(hào)增益系數(shù),由于增益飽和現(xiàn)象,隨著信號(hào)功率的增�,增益系�(shù)下降;Is,Ps分別為飽和光�(qiáng)和飽和光功率,是表明增益物質(zhì)特性的量,與摻雜系�(shù)、熒光時(shí)間和躍遷截面有關(guān)�

  增益和增益系�(shù)的區(qū)別在于:增益主要是針�(duì)輸入信號(hào)而言�,而增益系�(shù)主要是針�(duì)輸入泵浦光而言�。另�,增益還與泵浦條�(包括泵浦功率和泵浦波�(zhǎng))有關(guān),目前采用的主要泵浦波長(zhǎng)�980 nm�1 480 nm。由于各處的增益系數(shù)是不同的,而增益須在整�(gè)光纖上積分得�,故此特性可用以通過(guò)選擇光纖�(zhǎng)度得到較為平坦的增益譜�

  1�4 EDFA的帶�

  增益頻譜帶寬指信�(hào)光能獲得一定增益放大的波長(zhǎng)區(qū)�。實(shí)際上的EDFA的增益頻率變化關(guān)系比理論的復(fù)雜得多,它還與基�(zhì)光纖及其摻雜有關(guān)。在EDFA的增益譜寬已�(dá)到上百納米.而且增益譜較平坦。ED-FA的增益頻譜范圍在1 525�1 565 nm之間�

  2 EDFA的級(jí)�(lián)�(yīng)�

  2�1 EDFA的級(jí)�(lián)�(jié)�(gòu)

  EDFA�(duì)光信�(hào)功率的放�,特別在�(wú)線光通信大功�(瓦級(jí))�(yīng)用中,常常采用級(jí)�(lián)的方�,比如兩�(jí)或者三�(jí)放大。之所以采用級(jí)�(lián)的方�,是�?yàn)樵贓DFA的摻鉺光�(EDF)中插入一�(gè)光隔離器,構(gòu)成帶光隔離器的兩段級(jí)�(lián)EDFA,由于光隔離器有效地抑制了第二段:EDF的反向自�(fā)輻射(ASE),使其不能�(jìn)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(zhuǎn)換成信號(hào)光能�,從而可以明顯改善EDFA的增益、噪聲系�(shù)和輸出功率等特�。本文采用麗�(jí)�(jí)�(lián)放大,將1�2 mW�1 550 nm光信�(hào),經(jīng)EDFA放大�1 W左右。級(jí)�(lián)�(jié)�(gòu)如圖3所��

  光信�(hào)由LD激光器�(chǎn)�,是已調(diào)制的信號(hào),級(jí)放大采用單包層摻鉺光纖放大器�980 nm單模半導(dǎo)體激光器作為泵浦�,將光功率放大到50 mW附近。級(jí)采用單模半導(dǎo)體激光器泵浦,先將光信號(hào)�(wěn)定可靠的放大到一定功�,保證了整�(gè)光信�(hào)的完�,又為下一�(jí)光放大提供了較高的光功率基礎(chǔ)。第二級(jí)采用雙包層光纖放大器,多模半�(dǎo)體激光器泵浦源將光功率放大到1 W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(tái)到纖芯中,使第二�(jí)光信�(hào)的輸出功率可�(dá)到瓦�(jí)�

  2�2 EDFA�(jí)�(lián)�(yīng)用的增益

  2�2�1 增益�(jì)�

  �(duì)EDFA�(jí)�(lián)的整體光功率增益�

  其中:Pout表示EDFA兩級(jí)放大后的輸出光功率,Pin表示需要放大的輸入光功��

  在本文中,光放大采用了兩�(jí)�(jí)�(lián)放大,級(jí)增益為G1�

  其中�(jí)的輸出為第二�(jí)的輸入,P'out=P'in=P,所以:

  �,整體增益等于兩�(jí)增益之和,本文的整體光功率增益為�

  �(jí)增益�17 dB,第二級(jí)增益�13 dB�1 W的光功率�(jīng)�(guò)�(zhǔn)直聚�,再有光�(xué)鏡頭�(fā)射到大氣信道,大大提高了光信�(hào)的有效傳輸距��

  2�2�2 影響增益的因�

  EDFA的增益與諸多因素有關(guān),如摻鉺光纖的長(zhǎng)�,隨著摻鉺光纖長(zhǎng)度的增加,增益經(jīng)歷了從增加到減少的過(guò)程,這是�?yàn)殡S著光纖長(zhǎng)度的增加,光纖中的泵浦功率將下降,使得粒子反�(zhuǎn)�(shù)降低,最終在低能�(jí)上的鉺離子數(shù)多于高能�(jí)上的鉺離子數(shù),粒子數(shù)恢復(fù)到正常的�(shù)��

  由于摻鉺光纖本身的損�,造成信號(hào)光中被吸收掉的光子多于受激輻射�(chǎn)生的光子,引起增益下�。由上述討論可知,對(duì)于某�(gè)確定的入射泵浦功率,存在著一�(gè)摻鉺光纖的長(zhǎng)�,使得增益。增益與摻鉺光纖�(zhǎng)度的�(guān)系如�4所��

  EDFA的增益還跟輸入光的程�、泵浦光功率及光纖中鉺離子Er3+的濃度都有關(guān)系,如小信號(hào)輸入�(shí)的增益系�(shù)大于大信�(hào)輸入�(shí)的增益系�(shù)。當(dāng)輸入光弱�(shí),高能位電子的消耗減少并可從泵激得到充分的供�(yīng),因�,受激輻射就能維持�(dá)到相�(dāng)?shù)某潭取.?dāng)輸入光變�(qiáng)�(shí),由于高能位的電子供�(yīng)不充分,受激輻射光的增加變少,于是就出現(xiàn)飽和。泵浦光功率越大,摻鉺光纖越�(zhǎng)�3 dB飽和輸出功率也就越大。其次與�(dāng)Er3+的濃度超�(guò)一定值時(shí),增益反而會(huì)降低,因此要控制好摻鉺光纖的鉺離子濃��

  采用EDFA后,提高了注入光纖的功率,但�(dāng)大到一定數(shù)值時(shí),將�(chǎn)生光纖非線性效�(yīng)和光泄漏效應(yīng),這影響了系統(tǒng)的傳輸距離和傳輸�(zhì)量。另外色散問(wèn)題變成了限制系統(tǒng)的突出問(wèn)�,可以選用G653光纖(色散位移光纖DSF)或非零色散光�(NZDF)�(lái)解決這一�(wèn)題�

  2�3 EDFA�(jí)�(lián)的改�(jìn)

  之所以采用EDFA�(jí)�(lián)的方�,一是插入兩�(jí)間的光隔離器有效地抑制了第二段EDF的反向自�(fā)輻射(ASE),使其不能�(jìn)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(zhuǎn)換成信號(hào)光能�;二是分為兩�(jí)�,各自的增益可以任意分配,可以根�(jù)不同的增益要求和�(yīng)用環(huán)境改變相�(yīng)的增�。但是,要在保證信號(hào)�(wú)失真的情況下得到的光功率增益,還需要解決一些問(wèn)題:

  (1)由于增益分為兩級(jí),如何分配兩�(jí)�(wèn)的增益才能在�(xiàn)有的EDF、泵浦源功率等條件下使得光放大的�(shí)�(xiàn)更容�,這與EDF的放大能�,泵浦遠(yuǎn)功率大小、穩(wěn)定�,泵浦光波長(zhǎng)及其模式等均有密切相�(guān)�

  (2)在每一�(jí)各自一定的泵浦功率�,找到摻鉺光纖的�(zhǎng)度。當(dāng)EDF�(guò)短時(shí),由于對(duì)泵浦吸收的不充分而導(dǎo)致增益降�;而當(dāng)EDF�(guò)�(zhǎng)�(shí),由于泵浦光在EDF�(nèi)被鉺離子吸收,泵浦功率逐漸下降,當(dāng)功率降至泵浦閾值以下時(shí),就不能形成粒子�(shù)反轉(zhuǎn),此�(shí),這部分EDF不僅�(duì)信號(hào)光無(wú)放大作用,反而吸收了已放大的部分信號(hào),造成增益的下�,同�(shí)也會(huì)引起噪聲系數(shù)的增��

  (3)如果需要更高的光功率輸�,幾十瓦甚至上百瓦,可考慮更聯(lián)的方�,因?yàn)殡S著增益的增大,泵浦源由于�(zhuǎn)換效率的�(wèn)�,功率需求會(huì)很高,所需的單�(jí)EDF�(zhǎng)度也�(huì)大大增長(zhǎng),這樣的工作條件往往不易�(dá)�,且�(wěn)定性不�(qiáng),采用更�(lián)可以將增益劃分到多級(jí),易于實(shí)�(xiàn)和控�,光模塊的整體增益特性也有較大提高�

  3 �(jié)�(yǔ)

  本文提出了采用EDFA�(jí)�(lián)的方�,實(shí)�(xiàn)了光信號(hào)30dB的增益,滿足�(wú)線光通信光功率傳播的要求,使得光信號(hào)能在大氣信道�(jìn)行遠(yuǎn)距離,高�(wěn)定性傳�。同�(shí)在現(xiàn)有的基礎(chǔ)�,提出了需改�(jìn)的問(wèn)�,為今后研究的�(jìn)一步開(kāi)展指出了方向�

技�(shù)指標(biāo)

注意事項(xiàng)

  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�(tài)下�(jìn)行路由的連接,以免因操作不當(dāng)造成輸出尾纖端面燒傷�

  3.由于�(chǎn)品的輸出功率較大,使用時(shí)�(qǐng)�(guān)注本�(jī)的工作室�,保持通風(fēng)良好�

故障解決

  光放大器,面板顯示和�(shí)際輸出是同步�,如果面板顯示正�,則�(shuō)明光放大器輸出正�,如果這種情況下測(cè)試光放大器時(shí)光功率下降或不夠,的可能性有以下幾種�

  1.光功率計(jì)不準(zhǔn),國(guó)�(chǎn)的光功率�(jì)只能�(cè)試光功率輸出較小的設(shè)�,不能測(cè)試大功率輸出的EDFA,測(cè)試光放大器的光功率計(jì)必須原裝�(jìn)�,不能把不準(zhǔn)確的儀器當(dāng)作標(biāo)�(zhǔn)�(lái)使用�

  2.輸出口的法蘭損壞,這�(gè)可能性較��

  3.用戶使用不當(dāng),在�(jī)器工作時(shí)插拔尾纖,燒傷光放大器輸出的尾纖�,造成光放大器輸出功率下降,如�(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(zhì)量太�,纖芯過(guò)�(zhǎng),在插入尾纖后擦傷光放大器的輸出接頭,這�(gè)�(xiàn)象是次測(cè)試是好的,第二次插入再次�(cè)試時(shí)就光功率下降�,解決這�(gè)�(wèn)題也只要重新熔接光放大器的輸出接頭就可,

  5.光源的波�(zhǎng)不對(duì),如�1550nm光發(fā)射機(jī)的波�(zhǎng)有偏差,�(huì)造成光放大器的輸 出光功率不夠,也�(huì)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(biāo)�(zhǔn)值時(shí)可能�(huì)造成光功率變小,同時(shí)面板顯示也會(huì)變小�

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