光纖放大器工作原理及其在無線光通信的應(yīng)用

　　0 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(qiáng)(保密性好)，可用的頻譜寬，無需申請(qǐng)頻率使用許可；與光纖通信相比，無線光通信造價(jià)低，施工簡(jiǎn)便、迅速。它結(jié)合了光纖通信和微波通信的優(yōu)勢(shì)，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(guān)注。但是，惡劣的天氣情況，會(huì)對(duì)無線光通信系統(tǒng)的傳播信號(hào)產(chǎn)生衰耗作用?？諝庵械纳⑸淞Ｗ?，會(huì)使光線在空問、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(fù)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(duì)在大氣信道傳輸?shù)墓庑盘?hào)就提出了更高的要求，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)展，穩(wěn)定可靠的大功率光源將在各種應(yīng)用中滿足無線光通信的要求。

　　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(diǎn)，直接對(duì)光信號(hào)進(jìn)行放大，無需轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，能夠保證光信號(hào)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(jí)系統(tǒng)，如圖1所示。

　　在摻鉺光纖中注入足夠強(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(jí)上壽命較長(zhǎng)，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(dāng)信號(hào)光子通過摻鉺光纖時(shí)，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(yīng)，產(chǎn)生大量與自身完全相同的光子，這時(shí)通過摻鉺光纖傳輸?shù)男盘?hào)光子迅速增多，產(chǎn)生信號(hào)放大作用。Er3+離子處于亞穩(wěn)態(tài)時(shí)，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(qiáng)。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(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(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)功率的增加，增益系數(shù)下降；Is，Ps分別為飽和光強(qiáng)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(shí)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(duì)輸入信號(hào)而言的，而增益系數(shù)主要是針對(duì)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(zhǎng))有關(guān)，目前采用的主要泵浦波長(zhǎng)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(gè)光纖上積分得到，故此特性可用以通過選擇光纖長(zhǎng)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(hào)光能獲得一定增益放大的波長(zhǎng)區(qū)域。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，它還與基質(zhì)光纖及其摻雜有關(guān)。在EDFA的增益譜寬已達(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)聯(lián)應(yīng)用

　　2．1 EDFA的級(jí)聯(lián)結(jié)構(gòu)

　　EDFA對(duì)光信號(hào)功率的放大，特別在無線光通信大功率(瓦級(jí))應(yīng)用中，常常采用級(jí)聯(lián)的方式，比如兩級(jí)或者三級(jí)放大。之所以采用級(jí)聯(lián)的方式，是因?yàn)樵?EDFA的摻鉺光纖(EDF)中插入一個(gè)光隔離器，構(gòu)成帶光隔離器的兩段級(jí)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(jìn)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(hào)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(jí)級(jí)聯(lián)放大，將1～2 mW的1 550 nm光信號(hào)，經(jīng)EDFA放大到1 W左右。級(jí)聯(lián)結(jié)構(gòu)如圖3所示。

　　光信號(hào)由LD激光器產(chǎn)生，是已調(diào)制的信號(hào)，第一級(jí)放大采用單包層摻鉺光纖放大器，980 nm單模半導(dǎo)體激光器作為泵浦源，將光功率放大到50 mW附近。第一級(jí)采用單模半導(dǎo)體激光器泵浦，先將光信號(hào)穩(wěn)定可靠的放大到一定功率，保證了整個(gè)光信號(hào)的完整，又為下一級(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，多模半導(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，使第二級(jí)光信號(hào)的輸出功率可達(dá)到瓦級(jí)。

　　2．2 EDFA級(jí)聯(lián)應(yīng)用的增益

　　2．2．1 增益計(jì)算

　　對(duì)EDFA級(jí)聯(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率。

　　在本文中，光放大采用了兩級(jí)級(jí)聯(lián)放大，第一級(jí)增益為G1：

　　其中第一級(jí)的輸出為第二級(jí)的輸入，P'out=P'in=P，所以：

　　即，整體增益等于兩級(jí)增益之和，本文的整體光功率增益為：

　　第一級(jí)增益為17 dB，第二級(jí)增益為13 dB，1 W的光功率經(jīng)過準(zhǔn)直聚焦，再有光學(xué)鏡頭發(fā)射到大氣信道，大大提高了光信號(hào)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(guān)，如摻鉺光纖的長(zhǎng)度，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程，這是因?yàn)殡S著光纖長(zhǎng)度的增加，光纖中的泵浦功率將下降，使得粒子反轉(zhuǎn)數(shù)降低，最終在低能級(jí)上的鉺離子數(shù)多于高能級(jí)上的鉺離子數(shù)，粒子數(shù)恢復(fù)到正常的數(shù)值。

　　由于摻鉺光纖本身的損耗，造成信號(hào)光中被吸收掉的光子多于受激輻射產(chǎn)生的光子，引起增益下降。由上述討論可知，對(duì)于某個(gè)確定的入射泵浦功率，存在著一個(gè)摻鉺光纖的最佳長(zhǎng)度，使得增益最大。增益與摻鉺光纖長(zhǎng)度的關(guān)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(guān)系，如小信號(hào)輸入時(shí)的增益系數(shù)大于大信號(hào)輸入時(shí)的增益系數(shù)。當(dāng)輸入光弱時(shí)，高能位電子的消耗減少并可從泵激得到充分的供應(yīng)，因而，受激輻射就能維持達(dá)到相當(dāng)?shù)某潭?。?dāng)輸入光變強(qiáng)時(shí)，由于高能位的電子供應(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，摻鉺光纖越長(zhǎng)，3 dB飽和輸出功率也就越大。其次與當(dāng)Er3+的濃度超過一定值時(shí)，增益反而會(huì)降低，因此要控制好摻鉺光纖的鉺離子濃度。

　　采用EDFA后，提高了注入光纖的功率，但當(dāng)大到一定數(shù)值時(shí)，將產(chǎn)生光纖非線性效應(yīng)和光泄漏效應(yīng)，這影響了系統(tǒng)的傳輸距離和傳輸質(zhì)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。

　　2．3 EDFA級(jí)聯(lián)的改進(jìn)

　　之所以采用EDFA級(jí)聯(lián)的方式，一是插入兩級(jí)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(jìn)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(hào)光能量；二是分為兩級(jí)后，各自的增益可以任意分配，可以根據(jù)不同的增益要求和應(yīng)用環(huán)境改變相應(yīng)的增益。但是，要在保證信號(hào)無失真的情況下得到最佳的光功率增益，還需要解決一些問題：

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

　　(2)在每一級(jí)各自一定的泵浦功率下，找到摻鉺光纖的最佳長(zhǎng)度。當(dāng)EDF過短時(shí)，由于對(duì)泵浦吸收的不充分而導(dǎo)致增益降低；而當(dāng)EDF過長(zhǎng)時(shí)，由于泵浦光在 EDF內(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)，就不能形成粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，此時(shí)，這部分EDF不僅對(duì)信號(hào)光無放大作用，反而吸收了已放大的部分信號(hào)，造成增益的下降，同時(shí)也會(huì)引起噪聲系數(shù)的增大。

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

　　3 結(jié)語

　　本文提出了采用EDFA級(jí)聯(lián)的方法，實(shí)現(xiàn)了光信號(hào)30dB的增益，滿足無線光通信光功率傳播的要求，使得光信號(hào)能在大氣信道進(jìn)行遠(yuǎn)距離，高穩(wěn)定性傳輸。同時(shí)在現(xiàn)有的基礎(chǔ)上，提出了需改進(jìn)的問題，為今后研究的進(jìn)一步開展指出了方向。