实验目的:
1. 理解掺铒光纤放大的原理; 2. 学习Optisystem 软件的使用; 3. 加深对光放大技术的认识。
实验仪器:
1. Optisystem 软件
实验原理:
1. EDFA的概念
EDFA采用掺铒离子单模光纤为增益介质,在泵浦光作用下产生粒子数反转,在信号光
诱导下实现受激辐射放大。
信号光与波长较其为短的光波(泵浦光)同沿光纤传输,泵浦光的能量被光纤中的稀土元素离子吸收而使其跃迁至更高能级,并可通过能级间的受激发射转移为信号光的能量。信号光沿光纤长度得到放大,泵浦光沿光纤长度不断衰减。
泵浦波长可以是520、650、800、980、1480nm,波长短于980nm的泵浦效率低,因而通常采用980和1480nm泵浦。
2. 掺铒光纤放大器的基本结构
掺铒光纤:当一定的泵浦光注入到掺铒光纤中时,Er3+
从低能级被激发到高能级上,由于在高能级上的寿命很短,很快以非辐射跃迁形式到较低能级上,并在该能级和低能级间形成粒子数反转分布。
半导体泵浦二极管:为信号放大提供足够的能量,使物质达到粒子数反转。 波分复用耦合器:将信号光和泵浦光合路进入掺铒光纤中。
光隔离器:使光传输具有单向性,放大器不受发射光影响,保证稳定工作。 EDFA的三种泵浦方式进行比较:
同向泵浦(前向泵浦)型:好的噪声性能 反向泵浦(后向泵浦)型:输出信号功率高
双向泵浦型:输出信号功率比单泵浦源高3dB,且放大特性与信号传输方向无关
实验内容:
增益G是描述光放大器对信号放大能力的参数。定义为:
G与光放大器的泵浦功率、掺杂光纤的参数和输入光信号有很复杂的关系。用Optisystem 软件完成如下测量。
1. 增益对输入光功率的依存关系 2. 增益G与输入光波长的关系 3. 小信号增益随泵浦功率的关系 4. 小信号增益随EDF长度的关系
实验报告要求:
根据实验内容,完成器件选择与数据测量,绘图并对实验现象进行分析。
附:
掺铒光纤放大器和拉曼光纤放大器分析和比较
掺铒光纤放大器和拉曼光纤放大器分析和比较
摘 要:光放大器技术是新一代光纤通信系统中一项必不可少的关键技术,目前几种主要的光放大器技术在工程应用中各有所长。此文介绍了光放大器技术的基本原理,并对现有主要几种光放大器技术在性能、应用和发展方向上进行了比较。
关键词:掺铒光纤放大器;光纤拉曼放大器
0、综述
20世纪90年代以来,Internet 的普及发展和各种信息(如语音、图像、数据等) 业务的快速增长,人们对现代通信系统提出了更高的要求。在市场需求的大力推动下,通信技术取得了长足的进步,其中光纤通信技术脱颖而出,以其高速优质的特点,一跃成为当今长距离、大容量传输干线的主流技术。但由于光纤损耗和非线性的影响,无中继传输距离成为制约系统容量和速率的瓶颈,而中继放大技术成了光通信领域的关键技术之一。传输系统中的光纤损耗使信号随传输距离呈指数衰减,极大地限制了通信传输跨距和网络的可扩展性,因此必须在通信线路上设置中继器对信号进行再生放大。在光放大器没有出现之前,光纤传输系统普遍采用光-电-光(OEO)的混合中继器,但这种中继方式存在“电子瓶颈”现象,在很大程度上限制了传输速率的提高,而且价格昂贵、结构复杂。20世纪80年代出现的光放大器技术具有对光信号进行实时、在线、宽带、高增益、低噪声、低功耗以及波长、速率和调制方式透明的直接放大功能,是新一代光纤通信系统中不可缺少的关键技术。此技术既解决了衰减对光网络传输距离的限制,又开创了1550nm 波段的波分复用,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(DWDM)、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(1)。又由于此技术与调制形式和比特率无关,因而在光纤通信系统中得到了广泛应用。
1、光放大器分类及原理
光放大器(OA)一般由增益介质、泵浦光和输入输出耦合结构组成,其作用就是对复用后的光信号进行光放大,以延长无中继系统或无再生系统的光缆传输距离。一个好的光放大器应具有输出功率高、放大带宽宽、噪声系数低、增益谱平坦等特性。光放大器主要分为光纤型放大器(FA )和半导体放大器(SOA )两大类,其中光纤型放大器(FA )还可再分为掺稀土光纤放大器和常规光纤放大器,
(2)具体分类详见图1. 本文中,仅对掺铒光纤放大器(EDFA)和光纤拉曼放大器(FRA)
作以介绍和分析。
图1 光放大器的分类
1、1掺铒光纤放大器(EDFA )的原理
掺铒放大器的工作机理基于受激辐射,这里首先讨论激活介质掺饵石英的能级图,如图2所示。掺铒光纤中的饵离子(Er3+)所处的能量状态是不能连续取值的,它只能处在一系列分立的能量状态上,这些能量状态称为能级,掺饵石英的能级图用3个能级表示。
图2 石英光纤中饵离子的能级
饵离子从能级2到能级1的跃迁产生的受激辐射光,其波长范围为1500~1600nm,这是掺铒光纤放大器能得到广泛应用的原因。当供给激光媒体能量使其处于激励状态时,即会产生光的受激辐射现象,如果能满足使受激辐射持续进行的条件,并用输入光去感应,则能得到比其强的输出光,从而起到放大作用。为了实现受激辐射,需要产生能级2与能级1之间的粒子数反转,既需要泵浦源将饵离子从能级1激发到能级2。有两种波长的泵浦源可以满足要求,一种是980nm 波长的泵浦源。在这种情况下,饵离子受激不断的从能级1转移到能级3上,在能级3上停留很短的时间(生存期),约1us ,然后无辐射的落到能级2上。由于饵离子在能级2上的生存期约为10ms ,所以能级2上的饵离子不断累积,形成了能级1、2之间的粒子数反转。在输入光子(信号光)的激励下,饵离子从能级2跃迁到能级1上,这种受激跃迁将伴随着与输入光子具有相同波长、方向和相位的受激辐射,使得信号光得到了有效的放大。另一种是1480nm 波长的泵浦源,它可以直接将饵离子从能级1激发到能级2上去,实现粒子数反转。
掺饵光纤放大器(EDFA )是利用掺饵(Er3+)光纤作为增益介质、使用激光
器二极管发出的泵浦光对信号光进行放大的器件。图3给出了掺饵光纤放大器的结构。
图3 掺铒光纤放大器的典型结构
掺饵光纤是掺铒光纤放大器(EDFA )的核心部件。它以石英光纤作为基质,在纤芯中掺入固体激光工作物质——饵离子。在几米至几十米的掺饵光纤内,光与物质相互作用而被放大、增强。光耦合器的作用是将信号光和泵浦光合在一起,一般采用波分复用器实现。光隔离器的作用是抑制光反射,以确保光放大器工作稳定,它必须是插入损耗低,与偏振无关,隔离度优于40dB 。光滤波器的作用是降低自发辐射产生的噪声对系统的影响(3)。
1、2拉曼光纤放大器(RFA )原理
拉曼光纤放大器的工作原理是基于石英光纤中的受激拉曼散射效应, 在形式上表现为处于泵浦光的拉曼增益带宽内的弱信号与强泵浦光波同时在光纤中传输, 从而使弱信号光即得到放大。其工作原理示意如图4所示。泵浦光子入射到光纤, 光纤中电子受激并从基态跃迁到虚能级, 然后处在虚能级的电子在信号光的感应下回到振动态高能级, 同时发出一种和信号光相同频率、相同相位、相同方向的低频的斯托克斯光子, 而剩余能量被介质以分子振动(光学声子) 的形式吸收, 完成振动态之间的跃迁。斯托克斯频移γr=γp-γs 由分子振动能级决定, 其 值决定了受激拉曼散射的频率范围, 其中γp 是泵浦光的频率, γs 是信号光的频率。对非晶态石英光纤来说, 其分子振动能级融合在一起, 形成了一条能带, 因而可在较宽频差γp γs 范围(40THz)内通过SRS 实现信号光的放大(4)。
图4 拉曼光纤放大器工作原理示意图
用激光器产生的泵浦光经光隔离器(工50) 耦合到波分复用器,并与信号光一起通过波分复用器(WDM)耦合到一段光纤中,在这段光纤内利用受激拉曼散射效应使泵浦光能量向信号光转移,从而信号光得到放大。如图5所示(5)。
图5 受激拉曼光纤放大器的基本结构
受激拉曼光纤放大器的泵浦方式有前向泵浦、后向泵浦及前后同时泵浦三种方式。泵浦光可以是连续的,也可以是脉冲式的。当泵浦功率较低时,前向泵浦和后向泵浦方式的拉曼增益一致。在处于泵浦饱和区域时,这两种泵浦方式总的放大特征会有很大不同。
3、光放大器的技术比较及应用
3、1掺铒光纤放大器优、缺点及应用
掺铒光纤放大器的优点是: (1) 通常工作在1530~1565nm 光纤损耗最低的窗口; (2) 增益高, 在较宽的波段内提供平坦的增益, 是WDM 理想的光纤放大器;
(3) 噪声系数低, 接近量子极限, 各个信道间的串扰极小, 可级联多个放大器; (4) 放大频带宽, 可同时放大多路波长信号; (5) 放大特性与系统比特率和数据格式无关; (6) 输出功率大, 对偏振不敏感; (7) 结构简单, 与传输光纤易耦合。缺点是:
(1) 在第3窗口以上的波长, 光纤的弯曲损耗较大, 而常规的掺铒光纤放大器不能提供足够的增益, 增益带宽只有35nm, 仅覆盖石英单模光纤低损耗窗口的一部分。制约了光纤能够容纳的波长信道数; (2) 不便于查找故障, 泵浦源寿命不长;
(3) 存在基于泵浦源调制和光时域反射计(OTDR)的监测与控制技术问题, 控制内容包括输出功率的控制和不同波长通道的增益均衡,EDFA 的增益对100kHz 以上的高频调制不敏感, 对低于1kHz 的调制, 掺铒光纤放大器的输出信号会产生失真
(6)。
在光纤通信系统中, 掺铒光纤放大器的应用有线路放大、功率放大、前置放大和局域网。线路放大的最重要的应用就是作为线路放大器以提高系统的传输距离。在长途通信线路, 掺铒光纤放大器用作中断放大有很大的优势。在局域网(LAN) 光纤通信系统中, 需要用光放大器来补偿光合束器、光学路由器等光学元件的损耗。在一个采用几个星形耦合和掺铒光纤放大器相结合的LAN 实验中, 实现了几乎无损耗的分配网。掺铒光纤放大器有平坦增益谱、高饱和输出功率、低串音等优点在有线电视系统(CATV ) 中有广阔的用途。掺铒光纤放大器工作在 1550nm 窗口。该窗口光纤损耗系数较 1310nm 窗口低, 噪声低, 增益曲线好、
放大带宽大。与波分复用(WDM) 系统兼容。泵浦效率高。工作性能稳定。目前“掺铒光纤放大器 EDFA+密集波分复用 (WDM) +非零色散光纤(NI—DSF)+光子集成(PIC)”正成为国际长途高速光纤通信系统的主要技术方向(7)。
3、2拉曼光纤放大器的优、缺点及应用
拉曼光纤放大器的优点及缺点包括:(1)增益波长由泵浦光波长决定, 理论上可对光纤窗口内任一波长的信号进行放大, 包括光纤的整个低损耗区(1 270~1 670 nm) 。(2)增益频谱比较宽, 单波长泵浦可实现40 nm 范围的有效增益, 如果采用多个泵浦源, 则可容易地实现宽带放大。而EDFA 由于能级跃迁机制所限, 增益带宽最大只有100 nm左右。(3)增益介质为传输光纤本身, 因为放大是沿光纤分布而不是集中作用, 光纤中各处的信号光功率都比较小, 从而可降低非线性效应尤其是四波混频(FWM)效应的干扰, 与EDFA 相比优势相当明显。(4)拉曼光纤放大器的噪声指数(NF)比EDFA 要低。二者配合使用, 可以有效降低系统总噪声, 提高系统的信噪比, 从而延长无中继传输距离及总传输距离。(5)拉曼光纤放大器的主要缺点是所需的泵浦光功率高, 集总式要几瓦到几十瓦, 分布式要几百毫瓦; 作用距离长, 分布式作用距离要几十至上百千米, 只适合于长途干线网的低噪声放大。
拉曼光纤放大器的应用包括:(1)增大无中继传输距离。主要是由光传输系统信噪比决定的, 分布式拉曼光纤放大器的等效噪声指数极低, 为-2~0 dB,比EDFA 的噪声指数低4.5 dB, 利用分布式拉曼光纤放大器作前置放大器可明显增大无中继传输距离。康宁公司通过实验和系统建模发现,2.5倍的延伸是有可能的。在有线电视HFC 网的建设中, 特别是在城乡联网时, 需要将前端光信号送到100 km 外的分前端。考虑到安全、维护及供电困难等因素, 很多情况下, 中途是不允许进行中继放大的。从成本考虑, 采用SDH 系统是不可能的, 采用模拟1 550 nm系统是最好的选择。要保证足够高的系统信噪比, 普通模拟1 550 nm 传输系统无中继传输距离一般不大于70 km 。如果采用分布式拉曼光纤放大器作接收前置放大器, 能提高系统的信噪比, 相应地也就增加了无中继传输距离。根据理论计算及实际经验, 采用DRA 作前置放大能使模拟1 550 nm系统无中继传输距离增加到120 km左右。图6为实现方案框图。
图6 实现方案框图
(2)提升光纤的复用程度和光网络的传输容量。分布式拉曼光纤放大器的低噪声特性可以减小信道间隔, 提高光纤传输的复用程度和传输容量。从数值模拟可以得到, 原始设计为10 Gbit/s,信道间隔为100 GHz的系统, 采用拉曼光纤
放大器可被升级到信道间隔为50 GHz而无需任何附加代价。NTT 最新报道已经实现了间隔为25 GHz 的超密集波分复用。(3)拓展频谱利用率和提高传输系统速率。普通光纤的低损耗区间是1 270~1 670 nm,而普通的EDFA 只能工作在1 525~1 625 nm范围内, 所以EDFA 系统的光纤频带利用率是很低的。拉曼光纤放大器的全波段放大特性使得它可以工作在光纤整个低损耗区, 极大地拓展了频谱利用率, 提高了传输系统的速率。分布式拉曼光纤放大器是将现有系统的传输速 率升级到40 Gbit/s的关键器件之一(8)。
4、结束语
通过本文的介绍和主要特点的比较,不难看出掺铒光纤放大器由于其工作波长恰好与光纤通信最佳窗口(1540nm )相吻合,并且,其技术开发和商品化最成熟,因而是目前最令人满意的光放大器。拉曼光纤放大器由于采用分布式放大,因此可以补偿器件、色散带来的损耗,同时也可以避免非线性效应;拉曼光纤放大器能在掺铒光纤放大器所不能放大的波段实现放大,既能在全波长范围能放大光信号,又特别适用于超长距离传输和海底光缆通信等不方便设立中继器的场合,因而很受欢迎,并随着泵浦激光器小型化、商用化而进入实用化,成为继掺铒光纤放大器之后的一个重要的应用。随着城域网建设的兴起,光放大器在低价领域必然会有很大作用。总之,高增益、大输出功率、低噪声系数是掺铒光纤放大器和拉曼光纤放大器的共同发展方向。
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掺铒光纤放大器的增益特性
第22卷 第1期2001年3月
发 光 学 报
CHINESEJOURNALOFLUMINESCENCE
Vol 22No.1
Mar.,2001
研究快报
掺铒光纤放大器的增益特性
李丽娜
(中国科学院长春光学精密机械与物理研究所,吉林长春 130021)
摘要:采用980nm无铝InGaAs/InGAsP/InGaP高功率量子阱激光器泵浦掺铒光纤放大器。在泵浦功率为
20mW时,增益为33dB,最大增益系数6 7dB/mW,饱和输出功率为6dBm。并给出掺铒光纤长度和泵浦功率与增益特性的关系,以及输出功率与增益特性的关系。
关 键 词:掺铒光纤;放大器;增益
中图分类号:TN256 文献标识码:A 文章编号:1000 7032(2001)01 0085 03
1 引 言
随着光通信技术的深入开展,以掺铒光纤放大器(EDFA)作为光直接放大的技术发展已成为当今研究的主流方向。EDFA具有掺铒光纤与通信光纤的兼容性、耦合损耗小、稳定性好并且具有高增益、高带宽、高效率、低噪声、无偏振依赖性,结构简单等特点。由于体积小、使用方便、有很高的实用价值。因此,它是相干光通信、光弧子通信、量子光通信等,实现全光型光纤通信的关键性部件。这样自然就引起了各国科学家的极大关注,尤其是半导体激光器泵浦的掺铒光纤放大器,成为近年来的热门课题。实验表明,发射波长为
980nm的半导体激光器是掺铒光纤放大器的最佳泵浦源[1]。因为980nm不仅没有受激态吸收,并且泵浦效率高,响应速度快,量子转换效率接近百分之百,从而有高增益系数、低噪声、高饱和输出功率等优点。
实验用的泵浦源为本组研制的980nm无铝InGaAs/InGaAsP/InGaP高功率量子阱激光器。信号光源是外腔型激光二极管,波长1 48~1 58 m可调。信号光和泵浦光通过合波器进入掺铒光纤。掺铒光纤芯径2 m,铒掺杂浓度200ppm,数值孔径0 3。图1为EDFA器件结构示意图。两个偏振不灵敏的光隔离器用来避免激光振荡和放大自发辐射(ASE)反馈。窄带光滤波
[2,3]
图1 EDFA器件结构示意图
Fig.1 SchematicdiagramofEDFAstructure.
器可以把ASE以及掺铒光纤没能吸收完的泵浦
光滤掉增加放大器的增益带宽。图2为增益光谱。从图中可以看出在1 533 m和1 553 m附近有两个峰值,所以我们以这两个波长为信号波
收稿日期:2000 10 13;修订日期:2000 11 13
长进行比较。图3为关于两个信号波长,不同的
光纤长度与增益系数的关系曲线。对于给定的泵浦功率,放大器的最大增益对应一个最佳光纤长度。在泵浦波长为980nm、泵浦功率12mW、信号
基金项目:吉林省科委资助项目(951007)
(),女,,,
图2 增益光谱Fig.2 Gain
spectrum.
图4 泵浦功率与增益的函数关系Fig.4 Gainasafunctionofpump
powers.
图3 光纤长度与增益系数的函数关系Fig.3 Gaincoefficientasafunctionoffiberlength.
功率-38dBm时,信号波长1 533nm和1 553nm的最佳光纤长度都是12m,对应的最大增益系数分别为6 7和5 7dB/mW。当光纤长度超过最佳值后增益系数很快下降。其原因是放大器超出最佳长度的部份没有被泵浦,反而吸收了放大的信号。图4是泵浦功率与增益的函数关系。当泵浦功率为20mW,信号功率为38dBm、光纤长12m时,信号波长为1 533 m、增益为33dB,
其阈值功率参 考 文 献:
图5 输出信号功率与信号增益函数关系Fig.5 Signalgainasafunctionofoutputsignalpower.
为1 3mW。信号波长为1 553 m、增益为23dB,其阈值功率1mW。图5是输出功率与增益的关
系曲线。当增益下降到3dB时的饱和输出功率为6dBm。
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ElectronicsLett.,1991,27(25):2319 2321.
GainStabilityofErbiumDopedFiberAmplifier
LILi na
(ChangchunInstituteofOptics,FineMechanicsandPhysics,ChineseAcademyofSciences,Changchun 130021,China)
Abstract:ErbiumdopedfiberamplifierwaspumpedbyAl free980nmInGaAs/InGaAsP/InGaPhighpowerquantumwelllaser.Atpumppowerof20mW,thegainis33dB,themaximumgaincoefficientis6 7dB/mWandthesaturatedoutputpoweris6dBm.Thegainisasafunctionoffiberlengthandpumppowers,itisalsoasafunctionofoutputpowers.Keywords:erbiumdopedfiber;amplifier;gain
Received13October2000
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掺铒光纤放大器(电子版) 2
光纤通信技术课程设计
掺铒光纤放大器 (EDFA Erbium-Doped Fiber Amplifier) 的设计
0概述
光线通信中采用光纤来传输光信号,一般它会受到两个方面的限制:损耗和色散。 就损耗而言, 目前光纤的典型值在 1.3um 波段为 0.35dB/km, 在 1.55um 波段为 0.20dB/km, 由于光纤损耗的限制, 所以在无中继传输距离一般为 50— 100km 。 20世纪 80年代末期, 波长为 1.55um 的摻铒光纤放大器(EDFA Erbium-Doped Fiber Amplifier)的研制 成功并投入使用,打破了光纤通信传输距离受光纤色散和损耗的制约,使全光通信距离 延长至几千公里,给光纤通信带来了革命性变化,把光纤通信技术推向一个新的高度, 成为光纤通信发展史上一个重要的里程碑。
1 摻铒光纤放大器的工作原理
铒是一种稀土元素,原子序数三 68,原子量为 167.3。铒的自由离子具有不连续的 能级, 当 Er 3+被结合到硅光纤时, 它们的每个能级被分裂为许多紧密相关的能级 ---能带。 而能带的作用是, 第一:使 EDFA 对光信号的放大不只是单个波长而是一组波长的能力, 即在一段波长范围内的光波长都可以得到放大;第二:避免了细调泵浦激光波长。 下图 1是掺铒光纤放大器的工作原理,说明了光信号被放大的原因。 EDFA 采用掺 铒离子单模光纤为增益介质, 在泵浦光作用下产生粒子数反转, 信号光诱导实现受激辐 射放大。 从图 1可以看出, 在掺铒光纤放大器中, 铒离子有三个能级:能级 1代表基态, 能量是最低的;能级 2是亚稳态,处在中间能级;能级 3代表激发态,能量最高。 Er 3+在未任何光激励的情况下,处于最低能级基态上。在泵浦光的作用下,当泵浦光的 光子能量等于能级 3和能级 1的能量差时, 电子不断从基态能级吸收泵浦光的能量跃 迁到激发态, 但是电子在激发态的生存期很短, 而且激发态是很不稳定的, 平均寿命为 1us ,电子迅速以“非辐射方式跃迁至亚稳态,在亚稳态上电子有较长的寿命,在源源 不断的泵浦下, 亚稳态上的粒子数积累, 从而实现粒子数反转分布; 铒离子被泵浦光不 断地泵浦到亚稳态上,此时电子在亚稳态上生存期较长(~10ms) ,不断地积累实现粒 子数反转分布。
图 1
如果输入信号光的光子能量等于能级 2和能级 1的能量差, 则处于能级 2的铒离子 将跃迁至基态,产生受激辐射,并产生与输入光子完全一样(具有相同波长、相同方向 和相同相位)的光子,从而实现信号光的放大。因此,简单地说, EDFA 放大就是把泵 浦能量转换为信号光的能量,而且它的效率很高。
2泵浦源选择 980nm 的泵浦光
如下图 2是泵浦源为 980nm 时的摻铒光纤放大器光路结构方框图。 图中 WDM 耦合 器的是指波长敏感型光纤耦合器(WDM ) ,将泵浦光和信号光复用耦合进 EDF ,作用是 把输入的光信号耦合到光纤。隔离器的作用是阻止反射光保证光信号正向传输的器件、 防止反射光影响 EDFA 的工作稳定性。光隔离器是一种只允许光沿一个方向通过而在相 反方向阻挡光通过的光无源器件。 它通过光纤回波反射的光能够被光隔离器很好的隔离, 隔离度代表了光隔离器对回波隔离(阻挡)能力。
图 2
下图 3是泵浦源为 980nm 时的摻铒光纤放大器的电路图模块。
图 3
3如何选择 980nm 和 1480nm 的泵浦光源
在 980nm 泵浦光的作用下, 电子不断从基态能级吸收泵浦光的能量跃迁到激发态, 但是电子在激发态的生存期很短,对于,平均寿命为 1us ,电子迅速以“非辐射方式跃 迁至亚稳态,在亚稳态上电子有较长的寿命,在源源不断的泵浦下,亚稳态上的粒子数 积累,从而实现粒子数反转分布;电子被 1480nm 的泵浦光不断地泵浦到亚稳态上,此 时电子在亚稳态上生存期较长(~10ms),不断地积累实现粒子数反转分布,如图 1所 示。
泵浦效率等因素的影响, 980nm 、 1480nm 半导体激光器更适合于 EDFA 的泵浦光源, 而且这两种半导体激光器已经得到很好的商用化。 另外, 980nm 相对于 1480nm 而言, 增
益高、噪声小,是目前 EDFA 的首选泵浦光源。但是由于光纤对 1480nm 的光损耗较小, 所以 1480nm 泵浦光常用于遥泵方式。
4 掺铒光纤放大器的性能特性
(1)增益 G
增益是评价一个光放大器时的第一特性,是输出光功率与输入光功率之比。
即: G=Pout /Pin
以分贝表示:
◆增益饱和 (饱和输出功率) :当 P in 增大到一定值后, 光放大器的增益 G 开始下降。 如 下图 4.
◆饱和输出功率:增益相对小信号增益减少 3dB 时的输出信号的光功率称为饱和输出功
率。
图 4
◆增益 G 是激励光纤长度的函数。 EDF 中泵浦租用是沿激励光纤长度提供的,对于一定 的泵浦光功率,如果 EDF 的长度超过了一定的范围,泵浦光功率沿光纤衰减,然后消 耗到阈值功率以下,信号光将会受到越来越小的增益,并且最终经受损耗, EDF 有一 最佳长度,它与光纤的特性有关,如:掺杂浓度、增益带宽等。
◆小信号增益随泵浦功率而变,对于给定的放大器长度(EDF 长度) ,增益随泵浦功率在 开始时按指数增加,当泵浦功率超过一定值时,增益增加变缓,并趋于一恒定值。 ◆增益 G 是输入波长的函数。
(2)噪声
EDFA 中,放大信号时产生其自身的噪声,把自发辐射或散射叠加到信号光上,并且 占有整个放大带宽,光放大器改变了输入信号和输出信号的信噪比 SNR ,导致被放大信 号的信噪比下降。
如下图 5所示。
) ( log 1010
dB P P G in
out
图 5
主要噪声源:放大的自发辐射噪声 ASE (Amplified Spontaneous Emission),它源于放大 器介质中电子空穴对的自发复合。 自发复合导致了与光信号一起放大的光子的宽谱背景。 一 部分电子自发辐射到低能级的能带上,这些自发辐射产生的光子在信号光相同频率范围内, 但它们在相位和方向上是随机的, 那些与信号同方向的自发辐射光子被活性物质放大。 这些 自发辐射并经放大的光子放大的自发辐射噪声 ASE 。它们在相位是随机的,对于信号光没 有贡献而产生了信号带宽内的噪声。
5 EDFA 进行级联
EDFA 的级联,引入一方面使系统的中继距离加大,节省设备成本;另一方面也产生了 一些新的问题,如非线性、高的输出功率(增益钳制) 、噪声积累和增益均衡等,并且对高 速线路系统构成影响。下文中将讨论 EDFA 进行级联所产生的问题以及解决方法。
(1)噪声积累
第一级 EDFA 对信号进行放大的同时,产生放大的自发辐射噪声 ASE (前向与后向) , 此时 ASE 与放大信号一同沿光纤传输, 会被第二级、 第三级 · · · EDFA放大, 同时, 第二级、 第三级 · · · EDFA也将产生自己的 ASE 噪声,并且不断积累。
◆放大累计的 ASE 被接收机接收,影响系统的性能(误码率、灵敏度等) ;
◆当 ASE 幅度增加到一定程度时,它开始使光放大器饱和并减小信号增益。
解决方法:
◆滤波器滤除;
◆噪声积累到一定程度后,插入一个 O/E/O中继器,使含有累积噪声的输出信号由相关电 路(经门限电路判决)去掉该噪声。如下图 6所示。
图 6
(2)增益均衡(增益平坦化)
EDFA 对不同波长光信号的放大增益不同,从而在 EDFA 多级串联后,使不同波长的光 增益相差很大(贫富差距拉大) ,这就限制了 WDM 系统中使用的信道数量。
解决方法:
◆插入衰减器法;
◆单独放大法;
◆滤波器法;
◆增益互补法;
◆新型宽谱带掺杂光纤;
◆声光滤波调节法;
◆预失真补偿法。
滤波器法增益平坦化:在 EDFA 中插入损耗谱与 EDFA 增益谱相反的光纤光栅增益 平坦滤波器是比较常用的一种增益平坦技术。 所用的光纤光栅, 可以是闪耀光栅或 闪耀光栅的复合体,也可以是长周期光栅。对于通过光纤中闪耀光栅的信号,可从 光纤芯区的导模耦合到后向传播的包层模或辐射模中逸出光纤, 通过选择合适的光 栅参数,如闪耀角、周期等,就可使光纤放大器的增益谱峰值减小,从而达到平坦 化的目的。如下图 7。
图 7
6 结束语
掺铒光纤放大器 ( EDFA) 是一种十分重要的新型光通信器件 , 在通信网中得到了广泛应 用。 通信系统对 EDFA 的特性有很高的要求 , 通常要求 EDFA 具有高增益、 高输出功率、 低噪声 和宽带宽特性。 在超大容量和更高速的光纤通信中, 光放大器都起着举足轻重的作用, 而光 纤放大器的研制成功, 使光纤通信逐步走向全光传输和全光通信阶段。 特别是掺铒光纤放大 器 (EDFA) 的实用化,实现了直接光放大,节省了大量的再生中继器,简化了系统,扩大了 传输容量,促进了真正意义上的密集波分复用 (DWDM) 技术的飞速发展,引起了光纤通信 领域的重大变革。在今后的通信系统中,掺铒光纤放大器的应用会更加广泛和普遍, 因为掺铒光纤放大器拥有许多其他放大器无法比拟的优势, 如增益高、 噪声系数小、 频带宽等。
掺铒光纤放大器的原理及其应用
, 导读: 光纤放大器与其他放大器比较,具有输出功率大、增益高、工作带宽宽、与偏振无关、噪声
指数低、放大特性与系统比特率、数据格式无关等特点,它已成为新一代光通信系统的关键器件之
一。
o 关键字
o 光纤放大器 EDFA 掺铒光纤
一、掺铒光纤的放大原理
EDFA的放大作用是通过1550nm波段的信号光在掺铒光纤中传输与Er3+ 离子相互作用产生的。在光与物质相互作用时,光可以被看作由光子组成的粒子束,每个光子的能量为:E=hv 其中E为光子的能量,v为光的频率,h为普朗克常数。
掺铒光纤中的Er3+离子所出的能量状态是不能连续取值的,它只能处在一系列分立的能量状态成为能级上,这些能量状态成为能级。当在掺铒光纤中传输的光子能量与Er3+离子的某两个能级之间的能量差相等时,Er3+离子就会与光子发生相互作用,产生收激辐射和收激吸收效应。受激辐射是指Er3+离子与光子相互作用从高能级跃迁到低能级,发射出一个与激发光子完全相同的光子(激光子的频率、相位、传播方向、偏振态相同);受激吸收是指Er3+离子与光子相互作用从低能集跃迁到高能级,并且吸收激发光子。
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+离子抽运到高能态上,处于高能态的Er3+离子又迅速无辐射地转移到亚稳态上。由于 Er3+离子在亚稳态上能级寿命较长,因此,很容易在亚稳态与基态之间形成粒子数反转,即处于亚稳态的Er3+粒子数比处于基态的Er3+粒子数多。当信号光子通过掺耳光弦,与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,这时通过掺耳光纤传输的信号光子迅速增多,产生信号放大作用;只有少数处于基态的Er3+离子队信号光子产生受激吸收效应,吸收光子。Er3+离子的亚稳态和基态具有一定的宽度,使EDFA的放大效应具有一定波长范围,其典型值维1530—1570nm。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,即Er3+离子在亚稳态上暂短停留还没有机会与光子相互作用,就会自发地从亚稳态跃迁到基态并发射出1550nm波段的光子,这种光子与信号光不同,它构成EDFA的噪声。由于自发辐射光子在掺铒光纤中传输时也会得到放大,因此在EDFA的输入光功率较低时,会产生较大的噪声。
二、光纤放大器的基本结构
光纤放大器与其他放大器比较,具有输出功率大、增益高、工作带宽宽、与偏振无关、噪声指数低、放大特性与系统比特率、数据格式无关等特点,它已成为新一代光通信系统的关键器件之一。
掺铒光纤放大器用在系统发射机输出短,提高发送功率,延长传输距离;用在光纤传输链路中,补偿光能量的损失,可增加传输距离;用在光接收机前,对信号进行预防大,可提高光接收机灵敏度。应用范围包括干线高速光通信系统、海缆系统、本地网、用户接入网、光纤CATV等工程。
2.1 功率放大器
掺铒光纤放大器作为功率放大器有许多特殊功能是电子线路放大器所不能比拟的,分述如下:
2.1.1 掺铒光纤放大器可用作数字、模拟以及相干光通信的功率放大器。即如果线路上已采用掺铒光纤放大器做功率放大器,那么,不管它需要传输数字信号还是传输模拟信号,不必改变掺铒光纤放大器线路设备。
2.1.2 掺铒光纤放大器可传输不同的码率。如果需要扩容,由低码率改变为高码率时,不必改变掺铒光纤放大器线路设备。
2.1.3 掺铒光纤放大器做功率放大器,可在不改变原有噪声特性和误码率的前提下,直接放大数字、模拟活二者混合的数据格式,特别适合光纤传输网络升级。实现语音、图像、数据同网传输,不必改变掺铒光纤放大器线路设备。
2.1.4 一个掺铒光纤放大器可同时传输若干波长的光信号,即用光波复用扩容时,不必改变掺铒光纤放大器线路设备。
2.1.5 掺铒光纤放大器做功率放大器,不必经过光电转换可以直接对光信号放大,结构简单,成本低,性能稳定可靠。
实践证明,使用掺铒光纤放大器的光纤干线传输,经过近千公里的传输后的误码率人能达到 。如果采用饱和功率为18dBm的放大器,可是实现160—200km无中继通信。如果有必要,还可将中继距离延长更远。
2.2 前置放大器
把掺铒光纤放大器置于光接收机关监测器前面。来自光纤的光信号经掺铒光纤放大器放大后再由光检测器检测。由于掺铒光纤放大器的信噪比由于电子放大器,所以用掺铒光纤放大器作预放大器的光接收机具有较高的灵敏度,其灵敏度甚至不亚于相干光接收机的。各类接收机灵敏度示于图3。
2.3 线路放大器
线路放大器的显著优点是增益高,通常大于30dB。由于可以级联使用,特别适合海底远程通信和陆地超长距离传输使用。
把掺铒光纤放大器至于光纤传输线路中,将已被衰减了的小信号进行放大,可以大大延长传输距离,也成为中继放大器。
使用线路放大器必须解决远程监控问题,国际标准化组织已制定出多种监控标准,可以按照标准进行远程监控。
2.4 用户接入网中的光纤放大器
光纤放大器在用户接入网中也占有重要地位。在光纤用户网中,虽然用户系统的距离较短,但是用户网的分子太多,光线干线中的光信号功率要进行众多的分配,甚至是多级进行分配。这样一来被分配到每个分支获得光信号就相当的弱,不能保证用户的终端设备的接收质量。为此,需要将光信号进行放大,这就需要光纤放大器。
将光纤放大器置于光发射机后端,以提高入纤的光功率,使整个线路系统的光功率得到提高,以满足各级需要,这就要用到光纤功率放大器。
在用户网中,当用户系统距离过长时需要使用线路放大器;为了提高各支路的光功率分配数量,也要使用这类放大器。
, 2.5 光纤CATV中的放大器
对于光纤/同轴混合结构的多种系统并存的CATV网络,掺铒光纤放大器日益抽到重视,尤其是
前端集中的系统,点对多点的光波式结构和长距离的干线传输系统更是如此。对于CATV设计者最
常用的树形分配网络中,系统的效率是由每个用户成本所决定的。因此,采用掺铒光纤放大器提高
光功率可以在原有发射设备基础上,为更多的用户服务,从而降低发射机单位毫瓦的造价。另外,
在近几年来,包含有掺铒光纤放大器的1550nm光发射设备可以最廉价的实现光纤到路边和光纤到
大楼。总而言之,在CATV光纤干线传输和功率分配系统以及逐步实现语音、图像、数据通路传输
的“三网合一”,为最终实现宽带的综合服务数字网,掺铒光纤放大器将发挥不可估量的作用。
如上所述,掺铒光纤放大器在光纤CATV中的应用示于图4。在这三种用途中,当前主要作为
功率放大器和线路放大器,其目的是补偿光纤传输损耗或用作补偿光分路器的分支损耗。
功率放大器是在CATV系统的前段将发射机的输出光放大后再进行分配,以供各方向的光纤干
线传输用。功率放大器于功率分配器也可考虑做成两端重复使用。从原理前短处奖光纤干线分支时,
可在分支前面接入掺铒光纤放大器,作为线路放大器,以补偿分支损耗。
2.6 在密集型波分复用(DWDM)系统中的应用
由于EDFA具有30nm的工作带宽,它可以同时放大多个波长不同的光信号,因此它可以十分方
便的应用于DWDM系统中,补偿各种光衰耗。