1 EDFA的原理及結(jié)構(gòu)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(zhuǎn)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。1.1 EDFA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(zhuǎn)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(shù)反轉(zhuǎn)。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(chǎn)生大量與自身完全相同的光子,這時通過摻鉺光纖傳輸?shù)男盘柟庾友杆僭龆?,產(chǎn)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(chǎn)生自發(fā)輻射(ASE),它造成EDFA的噪聲。1.2 EDFA的結(jié)構(gòu) 典型的EDFA結(jié)構(gòu)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(zhì),在纖芯中摻人固體激光工作物質(zhì)鉺離子,在幾米至幾十米的摻鉺光纖內(nèi),光與物質(zhì)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(guān),隔離度優(yōu)于40 dB。 圖2為單向泵浦方式結(jié)構(gòu),此外還有反向泵浦,雙向泵浦方式結(jié)構(gòu)。
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(xù)信號功率。增益系數(shù)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系數(shù),由于增益飽和現(xiàn)象,隨著信號功率的增加,增益系數(shù)下降;Is,Ps分別為飽和光強和飽和光功率,是表明增益物質(zhì)特性的量,與摻雜系數(shù)、熒光時間和躍遷截面有關(guān)。 增益和增益系數(shù)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(shù)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(guān),目前采用的主要泵浦波長是980 nm和1 480 nm。由于各處的增益系數(shù)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(qū)域。實際上的EDFA的增益頻率變化關(guān)系比理論的復雜得多,它還與基質(zhì)光纖及其摻雜有關(guān)。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1 525~1 565 nm之間。
2 EDFA的級聯(lián)應用2.1 EDFA的級聯(lián)結(jié)構(gòu)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(lián)的方式,比如兩級或者三級放大。之所以采用級聯(lián)的方式,是因為在EDFA的摻鉺光纖(EDF)中插入一個光隔離器,構(gòu)成帶光隔離器的兩段級聯(lián)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),使其不能進入第一段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)換成信號光能量,從而可以明顯改善EDFA的增益、噪聲系數(shù)和輸出功率等特性。本文采用麗級級聯(lián)放大,將1~2 mW的1 550 nm光信號,經(jīng)EDFA放大到1 W左右。級聯(lián)結(jié)構(gòu)如圖3所示。
光信號由LD激光器產(chǎn)生,是已調(diào)制的信號,第一級放大采用單包層摻鉺光纖放大器,980 nm單模半導體激光器作為泵浦源,將光功率放大到50 mW附近。第一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(chǔ)。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到纖芯中,使第二級光信號的輸出功率可達到瓦級。
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