光纤放大器原理及其应用

光纤放大器原理与应用的研究研电14121142201417张旭一、背景简介二、放大器种类三、掺铒光纤放大器原理四、掺铒光纤放大器的应用由于光纤损耗和光纤色散的存在，任何光纤通信系统的传输距离都受到损耗或色散的限制。光脉冲信号在光纤中传输。随着传输距离的增加，光纤损耗导致脉冲幅度逐渐减小，光信号的能量逐渐降低；光纤色散使得脉冲宽度在时间上发生展宽，产生波形畸变。在长距离光纤传输系统中，必须在线路适当位置设立中继器，对衰减和失真了的光信号进行处理和放大。光纤通信系统中的中继器主要有两种形式：一是光-电-光转换形式的中继器，二是直接对光信号进行放大的光放大器。背景简介3二、光纤放大器种类光纤放大器种类非线性光纤放大器掺杂光纤放大器SRS光纤放大器SBS光纤放大器掺E𝑟3+光纤放大器掺P𝑟3+光纤放大器掺N𝑑3+光纤放大器非线性光纤放大器是利用强的光源对光纤进行激发，使光纤产生非线性效应而出现拉曼散射(SRS)和受激布里渊散射(SBS)，光脉冲信号在这受激发的一段光纤的传输过程中得到放大。这类光纤放大器需要对光纤注入泵浦光，泵浦光能量通过SRS或SBS光纤放大器传送到信号光上，同时有部分能量转换成分子振动(SRS)或声子(SBS)。SRS与SBS光纤放大器尽管很类似，但也有一些不同：(1)对SRS光纤放大器泵浦光与信号光可以同向或反向传输；而而SBS光纤放大器只能逆向泵浦。(2)SBS的Stokes移动要比SRS小三个数量级。(3)SRS光纤放大器的增益带宽为～6THz；而SRS光纤放大器的增益带宽却相当窄，只有30—100MHz。三、光纤放大器原理非线性放大器工作原理掺杂光纤放大器利用掺杂离子在泵浦光作用下的粒子反转而对入射光信号提供光增益，放大器的增益特性和工作波长由掺杂离子决定。以掺铒光纤放大器为例谈谈其工作原理。掺铒光纤放大器的英文缩写为EDFA。EDFA主要由掺铒光纤(EDF)、泵浦光源、光耦合器、光隔离器及光滤波器组成。三、光纤放大器原理掺杂放大器工作原理EDFA的主体部件是泵浦光源和掺铒光纤。各部件的作用各下：(1)光耦合器是将输入光信号和泵浦光源输出的光波混合起来的无源光器件，一般采用波分复用(WDM)。(2)光隔离器是防止反射光影响光放大器的工作稳定性，保持光信号只能正向传输的器件。(3)掺铒光纤是一段长度大约为10—100m的石英光纤，将稀土元素铒离子E𝑟+3注入到纤芯中，浓度为25mg／kg。(4)泵浦光源为半导体激光器，输出光功率约为10—100mW，工作波长为0.98µm。(5)光滤波器的作用是消除光放大器的噪声，降低噪声对系统的影响，提高系统的信噪比。信号光和泵浦光可以同方向传输(称为同向泵)，也可以反向传输(反向泵)和双向传输(双向泵)。三、光纤放大器原理掺杂放大器工作原理在泵浦光源的作用下，在掺铒光纤中出现了粒子数反转分布，产生了受激辐射，从而使光信号得到放大。由于EDFA具有细长的纤形结构，使得有源区的能量密度很高，光和物质的作用区很长，这样可以降低对泵浦光源功率的要求。由理论分析知道，铒离子有三个能级：E1、E2和E3。其中E1能极最低，称为基态；E2能级为亚稳态，E3能级最高，称为激发态。三、光纤放大器原理掺铒光纤放大器工作原理粒子数反转E𝑟3+在未受任何激励的情况下，处在最低能极E1上。当泵浦光源的激光不断地激发光纤时，处于基态的粒子获得了能量就会向高能级跃迁。如由E1跃迁到E3，由于粒子在E3这个高能级上是不稳定的，它将迅速以元辐射跃迁过程落到亚稳态E2上。在该能级上，相对来讲粒子有较长的存活寿命，此时，由于泵浦光源不断激发，则E2能级上的粒子数就不断增加，而E1能级上的粒子数就减少，在这段掺铒光纤中实现了粒子数反转分布状态，就具备了实现光放大的条件。三、光纤放大器原理掺铒光纤放大器工作原理光放大当输入光信号的光子能量E=hf，正好等于E2和E1能级差时，即E1-E2=hf，则亚稳态E2上的粒子将以受激辐射的形式跃迁到基态E1上，并辐射出和输入光信号中光子一样的全同光子，从而大大增加了光子的数量，使得输入光信号在掺铒光纤中变为一个强的输出光信号，实现了对光信号的直接放大。三、光纤放大器原理掺铒光纤放大器工作原理非线性光纤放大器由于需要大功率的半导体激光器作泵浦源(约0.5—1W)，因而很难达到实用。目前，SRS光纤放大器和SBS光纤放大器两种非线性光纤放大器应用于实验系统。掺P𝑟3+和N𝑑3+光纤放大器工作波长为1.3µm波段。掺铒(E𝑟3+)光纤放大器工作波长为1．55µm(范围1.53-1.56µm)。掺铒(E𝑟3+)光纤放大器近年来得到迅速发展，并被广泛采用。四、掺铒光纤光纤放大器的应用光纤放大器的适用波段四、掺铒光纤光纤放大器的应用应用1、作中继器使用，实现全光通信。四、掺铒光纤光纤放大器的应用应用2、作前置放大器。四、掺铒光纤光纤放大器的应用应用3、作发射机的功率放大器