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光纤放大器在无线光通信的使用

本站为您提供的光纤放大器在无线光通信的应用,光纤放大器在无线光通信的应用
中心议题:

EDFA的原理及结构
EDFA的级联应用
EDFA级联应用的增益
解决方案

光纤扩大器在无线光通讯的运用


中心议题:



  • EDFA的原理及结构
  • EDFA的级联运用
  • EDFA级联运用的增益

处理方案:



  • 增益分为两级,需正确分配两级问的增益
  • 每一级各自必定的泵浦功率下,找到掺铒光纤的最佳长度

无线光通讯是以激光作为信息载体,是一种不需求任何有线信道作为传输前言的通讯办法。与微波通讯比较,无线光通讯所运用的激光频率高,方向性强(保密性好),可用的频谱宽,无需请求频率运用答应;与光纤通讯比较,无线光通讯造价低,施工简洁、敏捷。它结合了光纤通讯和微波通讯的优势,已成为一种新式的宽带无线接人办法,受到了人们的广泛重视。

可是,恶劣的天气情况,会对无线光通讯体系的传达信号发作衰耗效果。空气中的散射粒子,会使光线在空问、时刻和角度上发作不同程度的误差。大气中的粒子还或许吸收激光的能量,使信号的功率衰减,在无线光通讯体系中光纤通讯体系低损耗的传达途径已不复存在。大气环境多变的客观性无法改动,要取得更好更快的传输效果,对在大气信道传输的光信号就提出了更高的要求,一般地,选用大功率的光信号能够得到更好的传输效果。跟着光纤扩大器(EDFA)的敏捷发展,安稳牢靠的大功率光源将在各种运用中满意无线光通讯的要求。

EDFA的原理及结构

掺铒光纤扩大器(EDFA)具有增益高、噪声低、频带宽、输出功率高、衔接损耗低和偏振不灵敏等长处,直接对光信号进行扩大,无需转化成电信号,能够确保光信号在最小失真情况下得到安稳的功率扩大。

1.1EDFA的原理
EDFA的泵浦进程需求运用三能级体系,如图1所示。
  

在掺铒光纤中注入满意强的泵浦光,就能够将大部分处于基态的Er3+离子抽运到激发态,处于激发态的Er3+离子又敏捷无辐射地转移到亚稳态。因为Er3+离子在亚稳态能级上寿数较长,因而很简单在亚稳态与基态之间构成粒子数回转。当信号光子通过掺铒光纤时,与处于亚稳态的Er3+离子相互效果发作受激辐射效应,发作很多与自身完全相同的光子,这时通过掺铒光纤传输的信号光子敏捷增多,发作信号扩大效果。Er3+离子处于亚稳态时,除了发作受激辐射和受激吸收以外,还要发作自发辐射(ASE),它构成EDFA的噪声。

1.2EDFA的结构
典型的EDFA结构首要由掺铒光纤(EDF)、泵浦光源、耦合器、隔离器等组成。

掺铒光纤是EDFA的核心部件。它以石英光纤作为基质,在纤芯中掺人固体激光作业物质铒离子,在几米至几十米的掺铒光纤内,光与物质相互效果而被扩大、增强。光隔离器的效果是按捺光反射,以确保扩大器作业安稳,它有必要是刺进损耗低,与偏振无关,隔离度优于40dB。

图2为单向泵浦办法结构,此外还有反向泵浦,双向泵浦办法结构。
     

1.3EDFA的特性及性能指标
增益特性标明了扩大器的扩大才能,其界说为输出功率与输入功率之比:


式中:Pout,Pin别离标明扩大器输出端与输入端的接连信号功率。增益系数是指从泵浦光源输入1mW泵浦光功率通过光纤扩大器所取得的增益,其单位为dB/mW:

式中:g0是由泵浦强度定的小信号增益系数,因为增益饱满现象,跟着信号功率的添加,增益系数下降;Is,Ps别离为饱满光强和饱满光功率,是标明增益物质特性的量,与掺杂系数、荧光时刻和跃迁截面有关。

增益和增益系数的差异在于:增益首要是针对输入信号而言的,而增益系数首要是针对输入泵浦光而言的。别的,增益还与泵浦条件(包含泵浦功率和泵浦波长)有关,现在选用的首要泵浦波长是980nm和1480nm。因为遍地的增益系数是不同的,而增益须在整个光纤上积分得到,故此特性可用以通过挑选光纤长度得到较为平整的增益谱。

1.4EDFA的带宽
增益频谱带宽指信号光能取得必定增益扩大的波长区域。实际上的EDFA的增益频率改动联系比理论的杂乱得多,它还与基质光纤及其掺杂有关。在EDFA的增益谱宽已到达上百纳米.并且增益谱较平整。ED-FA的增益频谱范围在1525~1565nm之间。

EDFA的级联运用

2.1EDFA的级联结构

EDFA对光信号功率的扩大,特别在无线光通讯大功率(瓦级)运用中,常常选用级联的办法,比方两级或许三级扩大。之所以选用级联的办法,是因为在EDFA的掺铒光纤(EDF)中刺进一个光隔离器,构成带光隔离器的两段级联EDFA,因为光隔离器有用地按捺了第二段:EDF的反向自发辐射(ASE),使其不能进入榜首段EDF,削减了泵浦功率在反向ASE上的耗费,使泵浦光子更有用地转化成信号光能量,然后能够显着改善EDFA的增益、噪声系数和输出功率等特性。本文选用丽级级联扩大,将1~2mW的1550nm光信号,经EDFA扩大到1W左右。级联结构如图3所示。

     

光信号由LD激光器发作,是已调制的信号,榜首级扩大选用单包层掺铒光纤扩大器,980nm单模半导体激光器作为泵浦源,将光功率扩大到50mW邻近。榜首级选用单模半导体激光器泵浦,先将光信号安稳牢靠的扩大到必定功率,确保了整个光信号的完好,又为下一级光扩大供给了较高的光功率根底。第二级选用双包层光纤扩大器,多模半导体激光器泵浦源将光功率扩大到1W左右。双包层光纤扩大器纤芯比单包层纤芯大,泵浦功率能够有用地耦台到纤芯中,使第二级光信号的输出功率可到达瓦级。

EDFA级联运用的增益

2.2.1增益核算
对EDFA级联的全体光功率增益:


其间:Pout标明EDFA两级扩大后的输出光功率,Pin标明需求扩大的输入光功率。
在本文中,光扩大选用了两级级联扩大,榜首级增益为G1:

其间榜首级的输出为第二级的输入,P''''''''''''''''out=P''''''''''''''''in=P,所以:

即,全体增益等于两级增益之和,本文的全体光功率增益为:

榜首级增益为17dB,第二级增益为13dB,1W的光功率通过准直聚集,再有光学镜头发射到大气信道,大大进步了光信号的有用传输间隔。

影响增益的要素

EDFA的增益与许多要素有关,如掺铒光纤的长度,跟着掺铒光纤长度的添加,增益阅历了从添加到削减的进程,这是因为跟着光纤长度的添加,光纤中的泵浦功率将下降,使得粒子回转数下降,终究在低能级上的铒离子数多于高能级上的铒离子数,粒子数康复到正常的数值。

因为掺铒光纤自身的损耗,构成信号光中被吸收掉的光子多于受激辐射发作的光子,引起增益下降。由上述评论可知,关于某个确认的入射泵浦功率,存在着一个掺铒光纤的最佳长度,使得增益最大。增益与掺铒光纤长度的联系如图4所示。
  

EDFA的增益还跟输入光的程度、泵浦光功率及光纤中铒离子Er3+的浓度都有联系,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,高能位电子的耗费削减并可从泵激得到充沛的供给,因而,受激辐射就能保持到达适当的程度。当输入光变强时,因为高能位的电子供给不充沛,受激辐射光的添加变少,于是就呈现饱满。泵浦光功率越大,掺铒光纤越长,3dB饱满输出功率也就越大。其次与当Er3+的浓度超越必定值时,增益反而会下降,因而要操控好掺铒光纤的铒离子浓度。

选用EDFA后,进步了注入光纤的功率,但当大到必定数值时,将发作光纤非线性效应和光走漏效应,这影响了体系的传输间隔和传输质量。别的色散问题变成了约束体系的杰出问题,能够选用G653光纤(色散位移光纤DSF)或非零色散光纤(NZDF)来处理这一问题。

EDFA级联的改善

之所以选用EDFA级联的办法,一是刺进两级间的光隔离器有用地按捺了第二段EDF的反向自发辐射(ASE),使其不能进入榜首段EDF,削减了泵浦功率在反向ASE上的耗费,使泵浦光子更有用地转化成信号光能量;二是分为两级后,各自的增益能够恣意分配,能够依据不同的增益要求和运用环境改动相应的增益。可是,要在确保信号无失真的情况下得到最佳的光功率增益,还需求处理一些问题:

(1)因为增益分为两级,怎么分配两级问的增益才能在现有的EDF、泵浦源功率等条件下使得光扩大的完成更简单,这与EDF的扩大才能,泵浦远功率巨细、安稳性,泵浦光波长及其形式等均有密切相关。

(2)在每一级各自必定的泵浦功率下,找到掺铒光纤的最佳长度。当EDF过短时,因为对泵浦吸收的不充沛而导致增益下降;而当EDF过长时,因为泵浦光在EDF内被铒离子吸收,泵浦功率逐步下降,当功率降至泵浦阈值以下时,就不能构成粒子数回转,此刻,这部分EDF不仅对信号光无扩大效果,反而吸收了已扩大的部分信号,构成增益的下降,一起也会引起噪声系数的增大。

(3)假如需求更高的光功率输出,几十瓦乃至上百瓦,可考虑更高级联的办法,因为跟着增益的增大,泵浦源因为转化功率的问题,功率需求会很高,所需的单级EDF长度也会大大增加,这样的作业条件往往不易到达,且安稳性不强,选用更高级联能够将增益划分到多级,易于完成和操控,光模块的全体增益特性也有较大进步。

本文提出了选用EDFA级联的办法,完成了光信号30dB的增益,满意无线光通讯光功率传达的要求,使得光信号能在大气信道进行远间隔,高安稳性传输。一起在现有的根底上,提出了需改善的问题,为往后研讨的进一步展开指出了方向。

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