光纤通信技术光纤放大器概要文档格式.docx
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光放大器主要有3种:
光纤放大器、拉曼放大器、半导体光放大器。
光纤放大器就是在光纤中掺杂稀土离子(如铒、错、铥等)作为激光活性物质。
每一种掺杂剂的增益带宽是不同的;
掺铥光纤放大器的增益带是S波段;
号光
掺错光纤放大器的增益带在1310nm附近。
而喇曼光放大器则是利用喇曼散射效应制作成的光放大器,即大功率的激光注入光纤后,会发生非线性效应?
喇曼散射。
在不断发生散射的过程中,把能量转交给信号光,从而使信号光得到放大。
由此不难理解,喇曼放大是一个分布式的放大过程,即沿整个线路逐渐放大的。
其工作带宽可以说是很宽的,几乎不受限制。
这种光放大器已开始商品化了,不过相当昂贵。
半导体光放大器(S0A一般是指行波光放大器,工作原理与半导体激光器相类似。
1.引言
无线光通信是以激光作为信息载体,是一种不需要任何有线信道作为传输媒介的通信方式。
与微波通信相比,无线光通信所使用的激光频率高,方向性强(保密性好),可用的频谱宽,无需申请频率使用许可;
与光纤通信相比,无线光通信造价低,施工简便、迅速。
它结合了光纤通信和微波通信的优势,已成为一种新兴的宽带无线接人方式,受到了人们的广泛关注。
但是,恶劣的天气情况,会对无线光通信系统的传播信号产生衰耗作用。
空气中的散射粒子,会使光线在空问、时间和角度上产生不同程度的偏差。
大气中的粒子还可能吸收激光的能量,使信号的功率衰减,在无线光通信系统中光纤通信系统低损耗的传播路径已不复存在。
大气环境多变的客观性无法改变,要获得更好更快的传输效果,对在大气信道传输的光信号就提出了更高的要求,一般地,采用大功率的光信号可以得到更好的传输效果。
随着光纤放大器(EDFA)的迅速发展,稳定可靠的大功率光源将在各种应用中满足无线光通信的要求。
2.光纤放大器的发展方向
由于超高速率、大容量、长距离光纤通信系统的发展,对作为光纤通信领域的关键器件一一光纤放大器在功率、带宽和增益平坦方面提出了新的要
求,因此,在未来的光纤通信网络中,光纤放大器的发展方向主要有以下几个方面:
(1)EDFA从C-Band向l_-Band发展;
(2)宽频谱、大功率的光纤拉曼放大器;
(3)将局部平坦的EDFA与光纤拉曼放大器进行串联使用,获得超宽带的平坦增益放大器;
(4)发展应变补偿的无偏振、单片集成、光横向连接的半导体光放大器光开关;
(5)研发具有动态增益平坦技术的光纤放大器;
(6)小型化、集成化光纤放大器。
随着新材料、新技术的不断突破,光纤放大器在1292~166Onm波长范围内获得带宽为300nm超宽带将不是梦想,Tbit/sDWD光网络传输系统将一定会实现。
光纤放大器一般都由增益介质、泵浦光和输入输出耦合结构组成。
目前光纤放大器主要有掺铒光纤放大器、半导体光放大器和光纤拉曼放大器三种,根据其在光纤网络中的应用,光纤放大器主要有三种不同的用途:
在发射机侧用作功率放大器以提高发射机的功率;
在接收机之前作光预放大器以极大地提高光接收机的灵敏度;
在光纤传输线路中作中继放大器以补偿光纤传输损耗,延长传输距离。
人、【/.
光放大器不但可对光信号进行直接放大,同时还具有实时、高增益、宽带、低噪声、低损耗的全光放大功能,是新一代光纤通信系统中必不可少的关键器件;
由于这项技术不仅解决了衰减对光网络传输速率与距离的限制,更重要的是它开创了1550nm频段的波分复用,从而将使超高速、超大容量、超长距离的波分复用(WDM、密集波分复用(DWD)、全光传输、光孤子传输等成为现实,是光纤通信发展史上的一个划时代的里程碑。
在目前实用化的光纤放大器中主要有掺铒光纤放大器(EDFA、半导体(SOA和光纤拉曼放大器(FRA等,其中掺铒光纤放大器以其优越的性能现已广泛应用于长距离、大容量、高速率的光纤通信系统、接入网、光纤CATV网、军用
系统(雷达多路数据复接、数据传输、制导等)等领域,作为功率放大器、中继放大器和前置放大器。
3.光纤放大器原理及分类
3.1EDFA的原理
EDFA勺泵浦过程需要使用三能级系统,在掺铒光纤中注入足够强的泵浦光,就可以将大部分处于基态的Er3+离子抽运到激发态,处于激发态的Er3+离子又迅速无辐射地转移到亚稳态。
由于Er3+离子在亚稳态能级上寿命较长,因此很容易在亚稳态与基态之间形成粒子数反转。
当信号光子通过掺铒光纤时,与处于亚稳态的Er3+离子相互作用发生受激辐射效应,产生大量与自身完全相同的光子,这时通过掺铒光纤传输的信号光子迅速增多,产生信号放大作用。
Er3+离子处于亚稳态时,除了发生受激辐射和受激吸收以外,还要产生自发辐射(ASE),它造成EDFA勺噪声。
掺铒光纤放大器(EDFA)具有增益高、噪声低、频带宽、输出功率高、连接损耗低和偏振不敏感等优点,直接对光信号进行放大,无需转换成电信号,能够保证光信号在最小失真情况下得到稳定的功率放大。
3.2EDFA的结构
典型的EDFA吉构主要由掺铒光纤(EDF)、泵浦光源、耦合器、隔离器等组成。
40dB。
掺铒光纤是EDFA勺核心部件。
它以石英光纤作为基质,在纤芯中掺人固体激光工作物质铒离子,在几米至几十米的掺铒光纤内,光与物质相互作用而被放大、增强。
光隔离器的作用是抑制光反射,以确保放大器工作稳定,它必须是插入损耗低,与偏振无关,隔离度优于
3.3EDFA的特性及性能指标
疋表
增益特性表示了放大器的放大能力,其定义为输出功率与输入功率之比,Pout,Pin分别表示放大器输出端与输入端的连续信号功率。
增益系数是指从泵浦光源输入1mW泵浦光功率通过光纤放大器所获得的增益。
g0是由泵浦强度定的小信号增益系数,由于增益饱和现象,随着信号功率的增加,增益系数下降;
Is,Ps分别为饱和光强和饱和光功率,是表明增益物质特性的量,与掺杂系数、荧光时间和跃迁截面有关。
增益和增益系数的区别在于:
增益主要是针对输入信号而言的,而增益系数主要是针对输入泵浦光而言的。
另外,增益还与泵浦条件(包括泵浦功
率和泵浦波长)有关,目前采用的主要泵浦波长是980nm和1480nm由于各处的增益系数是不同的,而增益须在整个光纤上积分得到,故此特性可用以通过选择光纤长度得到较为平坦的增益谱。
3.4EDFA的带宽
增益频谱带宽指信号光能获得一定增益放大的波长区域。
实际上的EDFA
的增益频率变化关系比理论的复杂得多,它还与基质光纤及其掺杂有关。
在EDFA勺增益谱宽已达到上百纳米.而且增益谱较平坦。
ED-FA的增益频谱范
围在1525〜1565nm之间。
3.5EDFA的级联结构
EDFA寸光信号功率的放大,特别在无线光通信大功率(瓦级)应用中,常常采用级联的方式,比如两级或者三级放大。
之所以采用级联的方式,是因为在EDFA勺掺铒光纤(EDF)中插入一个光隔离器,构成带光隔离器的两段级联EDFA由于光隔离器有效地抑制了第二段:
EDF的反向自发辐射(ASE),使其不能进入第一段EDF减少了泵浦功率在反向ASE上的消耗,使泵浦光子更有效地转换成信号光能量,从而可以明显改善EDFA勺增益、噪声系数
和输出功率等特性。
本文采用丽级级联放大,将1〜2mW的1550nm光信
号,经EDFA放大到1W左右。
级联结构如图3所示。
光信号由LD激光器产生,是已调制的信号,第一级放大采用单包层掺铒光纤放大器,980nm单模半导体激光器作为泵浦源,将光功率放大到50mW附近。
第一级采用单模半导体激光器泵浦,先将光信号稳定可靠的放大到一定功率,保证了整个光信号的完整,又为下一级光放大提供了较高的光功率基础。
第二级采用双包层光纤放大器,多模半导体激光器泵浦源将光功率放大到1W左右。
双包层光纤放大器纤芯比单包层纤芯大,泵浦功率可以有效地耦台到纤芯中,使第二级光信号的输出功率可达到瓦级。
3.6影响增益的因素
EDFA勺增益与诸多因素有关,如掺铒光纤的长度,随着掺铒光纤长度的增加,增益经历了从增加到减少的过程,这是因为随着光纤长度的增加,光纤中的泵浦功率将下降,使得粒子反转数降低,最终在低能级上的铒离子数多于高能级上的铒离子数,粒子数恢复到正常的数值。
由于掺铒光纤本身的损耗,造成信号光中被吸收掉的光子多于受激辐射产生的光子,引起增益下降。
由上述讨论可知,对于某个确定的入射泵浦功率,存在着一个掺铒光纤的最佳长度,使得增益最大。
EDFA勺增益还跟输入光的程度、泵浦光功率及光纤中铒离子Er3+的浓
度都有关系,如小信号输入时的增益系数大于大信号输入时的增益系数。
当输入光弱时,高能位电子的消耗减少并可从泵激得到充分的供应,因而,受激辐射就能维持达到相当的程度。
当输入光变强时,由于高能位的电子供应不充分,受激辐射光的增加变少,于是就出现饱和。
泵浦光功率越大,掺铒光纤越长,3dB饱和输出功率也就越大。
其次与当Er3+的浓度超过一定值时,增益反而会降低,因此要控制好掺铒光纤的铒离子浓度。
采用EDFA后,提高了注入光纤的功率,但当大到一定数值时,将产生光纤非线性效应和光泄漏效应,这影响了系统的传输距离和传输质量。
另外色散问题变成了限制系统的突出问题,可以选用G653光纤(色散位移光纤
DSF)或非零色散光纤(NZDF)来解决这一问题。
3.7EDFA级联的改进
之所以采用EDFA级联的方式,一是插入两级间的光隔离器有效地抑制了第二段EDF的反向自发辐射(ASE),使其不能进入第一段EDF减少了泵浦功率在反向ASE上的消耗,使泵浦光子更有效地转换成信号光能量;
二是分为两级后,各自的增益可以任意分配,可以根据不同的增益要求和应用环境改变相应的增益。
但是,要在保证信号无失真的情况下得到最佳的光功率增益,还需要解决一些问题:
(1)由于增益分为两级,如何分配两级问的增益才能在现有的EDF泵浦源功率等条件下使得光放大的实现更容易,这与EDF的放大能力,泵浦远功率大小、稳定性,泵浦光波长及其模式等均有密切相关。
(2)在每一级各自一定的泵浦功率下,找到掺铒光纤的最佳长度。
当EDF
过短时,由于对泵浦吸收的不充分而导致增益降低;
而当EDFa长时,由于
泵浦光在EDF内被铒离子吸收,泵浦功率逐渐下降,当功率降至泵浦阈值以下时,就不能形成粒子数反转,此时,这部分EDF不仅对信号光无放大作用,反而吸收了已放大的部分信号,造成增益的下降,同时也会引起噪声系数的增大。
(3)如果需要更高的光功率输出,几十瓦甚至上百瓦,可考虑更高级联的方法,因为随着增益的增大,泵浦源由于转换效率的问题,功率需求会很高,所需的单级EDF长度也会大大增长,这样的工作条件往往不易达到,且
稳定性不强,采用更高级联可以将增益划分到多级,易于实现和控制,光模块的整体增益特性也有较大提高。
3.9掺铒光纤放大器
掺铒光纤放大器是利用掺铒光纤这一活性介质,当泵
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- 光纤通信 技术 光纤 放大器 概要