中心議題：
- EDFA的原理及結構
- EDFA的級聯(lián)應用
- EDFA級聯(lián)應用的增益
解決方案：
- 增益分為兩級，需正確分配兩級問(wèn)的增益
- 每一級各自一定的泵浦功率下，找到摻鉺光纖的最佳長(cháng)度
無(wú)線(xiàn)光通信是以激光作為信息載體，是一種不需要任何有線(xiàn)信道作為傳輸媒介的通信方式。與微波通信相比，無(wú)線(xiàn)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(wú)需申請頻率使用許可；與光纖通信相比，無(wú)線(xiàn)光通信造價(jià)低，施工簡(jiǎn)便、迅速。它結合了光纖通信和微波通信的優(yōu)勢，已成為一種新興的寬帶無(wú)線(xiàn)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 )對無(wú)線(xiàn)光通信系統的傳播信號產(chǎn)生衰耗作用?？諝庵械纳⑸淞Ｗ?，會(huì )使光線(xiàn)在空問(wèn)、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，使信號的功率衰減，在無(wú)線(xiàn)光通信系統中光纖通信系統低損耗的傳播路徑已不復存在。大氣環(huán)境多變的客觀(guān)性無(wú)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(zhù)光纖放大器(EDFA)的迅速發(fā)展，穩定可靠的大功率光源將在各種應用中滿(mǎn)足無(wú)線(xiàn)光通信的要求。
EDFA的原理及結構
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)，直接對光信號進(jìn)行放大，無(wú)需轉換成電信號，能夠保證光信號在最小失真情況下得到穩定的功率放大。
1．1EDFA的原理
EDFA的泵浦過(guò)程需要使用三能級系統，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(wú)輻射地轉移到亞穩態(tài)。由于Er3+離子在亞穩態(tài)能級上壽命較長(cháng)，因此很容易在亞穩態(tài)與基態(tài)之間形成粒子數反轉。當信號光子通過(guò)摻鉺光纖時(shí)，與處于亞穩態(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(shí)通過(guò)摻鉺光纖傳輸的信號光子迅速增多，產(chǎn)生信號放大作用。Er3+離子處于亞穩態(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。
1．2EDFA的結構
典型的EDFA結構主要由摻鉺光纖(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，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定，它必須是插入損耗低，與偏振無(wú)關(guān)，隔離度優(yōu)于40dB。
圖2為單向泵浦方式結構，此外還有反向泵浦，雙向泵浦方式結構。
1．3EDFA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信號功率。增益系數是指從泵浦光源輸入1mW泵浦光功率通過(guò)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，由于增益飽和現象，隨著(zhù)信號功率的增加，增益系數下降；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、熒光時(shí)間和躍遷截面有關(guān)。
增益和增益系數的區別在于：增益主要是針對輸入信號而言的，而增益系數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(cháng))有關(guān)，目前采用的主要泵浦波長(cháng)是980nm和1480nm。由于各處的增益系數是不同的，而增益須在整個(gè)光纖上積分得到，故此特性可用以通過(guò)選擇光纖長(cháng)度得到較為平坦的增益譜。
1．4EDFA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(cháng)區域。實(shí)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1525～1565nm之間。
EDFA的級聯(lián)應用
2．1EDFA的級聯(lián)結構
EDFA對光信號功率的放大，特別在無(wú)線(xiàn)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(gè)光隔離器，構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(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換成信號光能量，從而可以明顯改善EDFA的增益、噪聲系數和輸出功率等特性。本文采用麗級級聯(lián)放大，將1～2mW的1550nm光信號，經(jīng)EDFA放大到1W左右。級聯(lián)結構如圖3所示。
光信號由LD激光器產(chǎn)生，是已調制的信號，第一級放大采用單包層摻鉺光纖放大器，980nm單模半導體激光器作為泵浦源，將光功率放大到50mW附近。第一級采用單模半導體激光器泵浦，先將光信號穩定可靠的放大到一定功率，保證了整個(gè)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。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1W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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EDFA級聯(lián)應用的增益
2．2．1增益計算
對EDFA級聯(lián)的整體光功率增益：
其中：Pout表示EDFA兩級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，光放大采用了兩級級聯(lián)放大，第一級增益為G1：
其中第一級的輸出為第二級的輸入，P''''''''''''''''out=P''''''''''''''''in=P，所以：
即，整體增益等于兩級增益之和，本文的整體光功率增益為：
第一級增益為17dB，第二級增益為13dB，1W的光功率經(jīng)過(guò)準直聚焦，再有光學(xué)鏡頭發(fā)射到大氣信道，大大提高了光信號的有效傳輸距離。
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(cháng)度，隨著(zhù)摻鉺光纖長(cháng)度的增加，增益經(jīng)歷了從增加到減少的過(guò)程，這是因為隨著(zhù)光纖長(cháng)度的增加，光纖中的泵浦功率將下降，使得粒子反轉數降低，最終在低能級上的鉺離子數多于高能級上的鉺離子數，粒子數恢復到正常的數值。
由于摻鉺光纖本身的損耗，造成信號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，對于某個(gè)確定的入射泵浦功率，存在著(zhù)一個(gè)摻鉺光纖的最佳長(cháng)度，使得增益最大。增益與摻鉺光纖長(cháng)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，如小信號輸入時(shí)的增益系數大于大信號輸入時(shí)的增益系數。當輸入光弱時(shí)，高能位電子的消耗減少并可從泵激得到充分的供應，因而，受激輻射就能維持達到相當的程度。當輸入光變強時(shí)，由于高能位的電子供應不充分，受激輻射光的增加變少，于是就出現飽和。泵浦光功率越大，摻鉺光纖越長(cháng)，3dB飽和輸出功率也就越大。其次與當Er3+的濃度超過(guò)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，但當大到一定數值時(shí)，將產(chǎn)生光纖非線(xiàn)性效應和光泄漏效應，這影響了系統的傳輸距離和傳輸質(zhì)量。另外色散問(wèn)題變成了限制系統的突出問(wèn)題，可以選用G653光纖(色散位移光纖DSF)或非零色散光纖(NZDF)來(lái)解決這一問(wèn)題。
EDFA級聯(lián)的改進(jìn)
之所以采用EDFA級聯(lián)的方式，一是插入兩級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換成信號光能量；二是分為兩級后，各自的增益可以任意分配，可以根據不同的增益要求和應用環(huán)境改變相應的增益。但是，要在保證信號無(wú)失真的情況下得到最佳的光功率增益，還需要解決一些問(wèn)題：
(1)由于增益分為兩級，如何分配兩級問(wèn)的增益才能在現有的EDF、泵浦源功率等條件下使得光放大的實(shí)現更容易，這與EDF的放大能力，泵浦遠功率大小、穩定性，泵浦光波長(cháng)及其模式等均有密切相關(guān)。
(2)在每一級各自一定的泵浦功率下，找到摻鉺光纖的最佳長(cháng)度。當EDF過(guò)短時(shí)，由于對泵浦吸收的不充分而導致增益降低；而當EDF過(guò)長(cháng)時(shí)，由于泵浦光在EDF內被鉺離子吸收，泵浦功率逐漸下降，當功率降至泵浦閾值以下時(shí)，就不能形成粒子數反轉，此時(shí)，這部分EDF不僅對信號光無(wú)放大作用，反而吸收了已放大的部分信號，造成增益的下降，同時(shí)也會(huì )引起噪聲系數的增大。
(3)如果需要更高的光功率輸出，幾十瓦甚至上百瓦，可考慮更高級聯(lián)的方法，因為隨著(zhù)增益的增大，泵浦源由于轉換效率的問(wèn)題，功率需求會(huì )很高，所需的單級EDF長(cháng)度也會(huì )大大增長(cháng)，這樣的工作條件往往不易達到，且穩定性不強，采用更高級聯(lián)可以將增益劃分到多級，易于實(shí)現和控制，光模塊的整體增益特性也有較大提高。
本文提出了采用EDFA級聯(lián)的方法，實(shí)現了光信號30dB的增益，滿(mǎn)足無(wú)線(xiàn)光通信光功率傳播的要求，使得光信號能在大氣信道進(jìn)行遠距離，高穩定性傳輸。同時(shí)在現有的基礎上，提出了需改進(jìn)的問(wèn)題，為今后研究的進(jìn)一步開(kāi)展指出了方向。
