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光纖放大器在無線光通信的應用


  無線光通信是以激光作爲信息載體,是一種不需要任何有線信道作爲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,已成爲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的傳播信號産生衰耗作用。空氣中的散射粒子,會使光線在空問、時間和角度上産生不同程度的偏差。大氣中的粒子還可能吸收激光的能量,使信號的功率衰減,在無線光通信系統中光纖通信系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的原理及结构 
  掺铒光纖放大器(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*小失真情况下得到稳定的功率放大。
  1.1光纖放大器 EDFA的原理
  EDFA的泵浦過程需要使用三能級系統,如圖1所示。

  在摻铒光纖中注入足夠強的泵浦光,就可以將大部分處于基態的Er3+離子抽運到激發態,處于激發態的Er3+離子又迅速無輻射地轉移到亞穩態。由于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。當信號光子通過摻铒光纖時,與處于亞穩態的Er3+離子相互作用發生受激輻射效應,産生大量與自身完全相同的光子,這時通過摻铒光纖傳輸的信號光子迅速增多,産生信號放大作用。Er3+離子處于亞穩態時,除了發生受激輻射和受激吸收以外,還要産生自發輻射(ASE),它造成EDFA的噪聲。
  1.2光纖放大器 EDFA的結構
  典型的EDFA結構主要由摻铒光纖(EDF)、泵浦光源、耦合器、隔離器等組成。
  掺铒光纤是EDFA的核心部件。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40 dB。
  圖2爲單向泵浦方式結構,此外還有反向泵浦,雙向泵浦方式結構。

  1.3 EDFA的特性及性能指标
  增益特性表示了放大器的放大能力,其定義爲輸出功率與輸入功率之比:

  式中: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1 mW泵浦光功率通过光纖放大器所获得的增益,其单位为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分別爲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980 nm和1 480 nm。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。
  1.4 EDFA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的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1 525~1 565 nm之间。
2 EDFA的级联应用 
   2.1 EDFA的级联结构
  EDFA对光信号功率的放大,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的掺铒光纤(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**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的增益、噪声系数和输出功率等特性。本文采用丽级级联放大,将1~2 mW的1 550 nm光信号,经EDFA放大到1 W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,**级放大采用单包层掺铒光纖放大器,980 nm单模半导体激光器作为泵浦源,将光功率放大到50 mW附近。**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,又为下上等光放大提供了较高的光功率基础。第二级采用双包层光纖放大器,多模半导体激光器泵浦源将光功率放大到1 W左右。双包层光纖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。

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