掺饵光纤放大器的特性研究

掺饵光纤放大器的特性研究单击此处添加副标题主要内容2掺饵光纤放大器的结构原理3掺饵光纤放大器的特性研究1掺饵光纤放大器历史发展光放大器的分类•（1）半导体放大器•（2）掺稀土元素的光纤放大器，主要是掺饵(Er)光纤放大器，还有掺铥(Tm)光纤放大器及掺镨（Pr）光纤放大器。•（3）非线性的光纤放大器，主要是光纤喇曼放大器。•我们主要介绍掺饵光纤放大器，首先了解一下它的历史发展掺饵光纤放大器的历史发展•1964年，提出掺钕（Nd3+）光纤放大器的设想•1985年，低损耗掺杂SiO2光纤研制成功•目前，掺(Er3+)光纤放大器（EDFA）最为成熟，是光纤通信系统必备器件。掺饵光纤放大器的特性研究•1.EDFA的基本结构典型掺饵光纤放大器(EDFA)的基本结构如图2-1所示在输入端和输出端各有一个隔离器，目的是使光信号单向传输。泵浦激器波长为980nm或1480nm，用于提供能量。耦合器的作用是把输入光信号和泵浦光耦合进掺铒光纤中，通过掺铒光纤作用把泵浦光的能量转移到输入光信号中，实现输入光信号的能量放大。实际使用的掺铒光纤放大器为了获得较大的输出光功率，同时又具有较低的噪声指数等其他参数，采用两个或多个泵浦源的结构，中间加上隔离器进行相互隔离。为了获得较宽较平坦的增益曲线，还加入了增益平坦滤波器。掺饵光纤放大器的特性研究•2.EDFA的工作原理•信号光和泵浦光在掺铒光纤内可在同一方向(同向泵浦)、相反方向(反向泵浦)或两个方向(双向泵浦)传播。掺饵光纤放大器的特性研究•EDFA的激光增益媒质是掺铒光纤，即为掺有少量铒离子的光纤；其能级结构符合对1550nm波长区的光进行放大的要求，即其稳态能级E2与基态能级E1之差，恰好等于1550nm波长区域光波的光子能量hν。因此EDFA的工作机理是：当信号光和泵浦光同时注入到掺铒光纤中时，铒离子在泵浦光作用下被激发到亚稳态能级E3上，并很快以无辐射形式（不释放光子）跃迁到稳态能级E2上，随后又在入射信号光作用下回到基态E1，并发射出与信号光同频率的光子，从而使信号放大。掺饵光纤放大器的特性研究•2.EDFA的工作原理•利用泵浦光把处于基态能级E1的铒离子激励到亚稳态能级E3；因E3为亚稳态，所以铒离子很快以无辐射形式（不释放光子）跃迁到稳态能级E2，从而使材料中处于E2能级上的铒离子数远远大于处于E1能级上的铒离子数，形成粒子数反转分布。•掺饵光纤放大器的特性研究•2.EDFA工作原理•当有1550nm波长区的外来光信号入射时，大量处E2能级上的铒离子很快以受激辐射形式跃迁到E1能级，并释放大量的光子而发光；释放光子的能量等于E2与E1能级之差(hν)，释放光子的频率恰恰与外入射光信号的频率相同，从而产生光放大作用。掺饵光纤放大器的特性研究•3.EDFA特点：•（1）增益谱宽——EDFA的信号增益谱很宽，达30nm或更高，可用于宽带信号的放大，尤其适用密集波分复用（DWDM）光纤通信系统。•（2）带宽利用率可控•（3）饱和输出功率高——EDFA具有较高的饱和输出功率（10~20dBm），可用作发射机后的功率放大，提高无中继线路传输距离或分配的光节点数。（4）耦合损耗小，噪声低——EDFA与光纤线路的耦合损耗小（＜1dB），噪声低(4~8dB)。•（5）增益与偏振无关——增益与光纤的偏振状态无关，故稳定性好。•（6）弛豫时间长——弛豫时间很长（越10ms）。•（7）泵浦功率低——所需的浦功率低（数十毫瓦）。•损耗小、增益高、带宽大、与偏振无关，低噪声、低串扰、高输出功率等掺饵光纤放大器的特性研究•4.影响增益的四个因素•如小信号输入时的增益系数大于大信号输入时的增益系数。当输入光弱时，高能位电子的消耗减少并可从泵激得到充分的供应，因而，感应辐射就能维持达到相当的程度。当输入光变强时，由于高能位的电子供应不充分，感应辐射光的增加变少，于是就出现饱和。泵浦光功率越大，掺铒光纤越长，3db饱和输出功率也就越大。其次与Er的浓度超过一定值时，增益反而会降低，因此要控制好掺饵光纤的铒离子浓度。•①掺饵光纤的长度②泵浦光功率③输入光的程度④光纤中铒离子(Er)的浓度掺饵光纤放大器的特性研究•采用EDFA后，提高了注入光纤的功率，但当大到一定数值时，将产生光纤非线性效应和光泄漏效应，这影响了系统的传输距离和传输质量。另外色散问题变成了限制系统的突出问题，可以选用G.653光纤(色散位移光纤DSF)或非零色散光纤(NZDF)来解决这一问题。掺饵光纤放大器的特性研究•5增益与泵浦功率、掺饵光纤长度的变化关系•EDFA的增益与诸多因素有关，如掺饵光纤的长度，如图3-7所示(泵浦波长1480nm、信号波长1550nm)。随着掺饵光长度的增加，增益经历了从增加到减少的程，这是因为着光纤长度的增加，光纤中的泵浦功率降低，使得粒子反转数降低，最终在低能级上的饵离子数多于高能级上的Er离子数，粒子数恢复到正常的数值。掺饵光纤放大器的特性研究•由于掺饵光纤本身的损耗，造成信号光中被吸收掉的光子多于受激辐射产生的光子，引起增益下降,由上述讨论可知，对于某个确定的入射泵浦功率，存在着一个掺饵光纤的最佳长度，使得增益最大。掺饵光纤放大器的发展现状光放大器的原理•在泵浦能量（电或光）的作用下，实现粒子数反转（非线性光纤放大器除外），然后通过受激辐射实现对入射光的放大，其机理与激光器完全相同。•实际上，光放大器在结构上就是一个没有反馈或反馈较小的激光器。前言•任何光纤通信系统的传输距离都受到光纤损耗或色散的限制，因此，在长距离传输系统中，每隔一定距离就需设置一个中继器以保证信号的质量。•中继器是将传输中衰减的光信号转变为电信号，并放大、整形和定时处理，恢复信号的形状和幅度，然后再变换为光信号(也就是光－电－光的转换过程)，再继续由光纤传输。