光纖放大器工作原理及其在無線光通訊的應用0引言無線光通訊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訊方式。與微波通訊相比，無線光通訊所使用的激光頻率高，方向性強(保密性好)，可用的頻譜寬，無需申請頻率使用許可；與光纖通訊相比，無線光通訊造價低，施工簡便、迅速。它結合了光纖通訊和微波通訊的上風，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注。但是，惡劣的天氣情況，會對無線光通訊系統的傳播信號產生衰耗作用。空氣中的散射粒子，會使光線在空問、時間和角度上產生不同程度的偏差。大氣中的粒子還可能吸收激光的能量，使信號的功率衰減，在無線光通訊系統中光纖通訊系統低損耗的傳播路徑已不復存在。大氣環境多變的客觀性無法改變，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。隨著光纖放大器(EDFA)的迅速發展，穩定可靠的大功率光源將在各種應用中滿足無線光通訊的要求。1EDFA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點，直接對光信號進行放大，無需轉換成電信號，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的泵浦過程需要使用三能級系統，如圖1所示。在摻鉺光纖中注進足夠強的泵浦光，就可以將大部分處于基態的Er3+離子抽運到激發態，處于激發態的Er3+離子又迅速無輻射地轉移到亞穩態。由于Er3+離子在亞穩態能級上壽命較長，因此很輕易在亞穩態與基態之間形成粒子數反轉。當信號光子通過摻鉺光纖時，與處于亞穩態的Er3+離子相互作用發生受激輻射效應，產生大量與自身完全相同的光子，這時通過摻鉺光纖傳輸的信號光子迅速增多，產生信號放大作用。Er3+離子處于亞穩態時，除了發生受激輻射和受激吸收以外，還要產生自發輻射(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，在纖芯中摻人固體激光工作物質鉺離子，在幾米至幾十米的摻鉺光纖內，光與物質相互作用而被放其中：Pout表示EDFA兩級放大后的輸出光功率，Pin表示需要放大的輸進光功率。在本文中，光放大采用了兩級級聯放大，第一級增益為G1：其中第一級的輸出為第二級的輸進，P'out=P'in=P，所以：即，整體增益即是兩級增益之和，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的光功率經過準直聚焦，再有光學鏡頭發射到大氣信道，大大進步了光信號的有效傳輸間隔。2．2．2影響增益的因素EDFA的增益與諸多因素有關，如摻鉺光纖的長度，隨著摻鉺光纖長度的增加，增益經歷了從增加到減少的過程，這是由于隨著光纖長度的增加，光纖中的泵浦功率將下降，使得粒子反轉數降低，終極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生的光子，引起增益下降。由上述討論可知，對于某個確定的進射泵浦功率，存在著一個摻鉺光纖的最佳長度，使得增益最大。增益與摻鉺光纖長度的關系如圖4所示。EDFA的增益還跟輸進光的程度、泵浦光功率及光纖中鉺離子Er3+的濃度都有關系，如小信號輸進時的增益系數大于大信號輸進時的增益系數。當輸進光弱時，高能位電子的消耗減少并可從泵激得到充分的供給，因而，受激輻射就能維持達到相當的程度。當輸進光變強時，由于高能位的電子供給不充分，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，3dB飽和輸出功率也就越大。其次與當Er3+的濃度超過一定值時，增益反而會降低，因此要控制好摻鉺光纖的鉺離子濃度。采用EDFA后，進步了注進光纖的功率，但當大到一定數值時，將產生光纖非線性效應和光泄漏效應，這影響了系統的傳輸間隔和傳輸質量。另外色散題目變成了限制系統的突出題目，可以選用G653光纖(色散位移光纖DSF)或非零色散光纖(NZDF)來解決這一題目。2．3EDFA級聯的改進之所以采用EDFA級聯的方式，一是插進兩級間的光隔離器有效地抑制了第二段EDF的反向自發輻射(ASE)，使其不能進進第一段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境改變相應的增益。但是，要在保證信號無失真的情況下得到最佳的光功率增益，還需要解決一些題目：(1)由于增益分為兩級，如何分配兩級問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現更輕易，這與EDF的放大能力，泵浦遠功率大小、穩定性，泵浦光波長及其模式等均有密切相關。(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度。當EDF過短時，由于對泵浦吸收的不充分而導致增益降低；而當EDF過長時，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，就不能形成粒子數反轉，此時，這部分EDF不僅對信號光無放大作用，反而吸收了已放大的部分信號，造成增益的下降，同時也會引起噪聲系數的增大。(3)假如需要更高的光功率輸出，幾十瓦甚至上百瓦，可考慮更高級聯的方法，由于隨著增益的增大，泵浦源由于轉換效率的題目，功率需求會很高，所需的單級EDF長度也會大大增長，這樣的工作條件往往不易達到，且穩定性不強，采用更高級聯可以將增益劃分到多級，易于實現和控制，光模塊的整體增益特