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        摻鉺光纖放大器(EDFA)

        發布時間:2016-05-14     發布人:69os2

                  基本工作原理:

                  摻鉺光纖放大器(EDFA)是以鉺離子為媒介,實現能量轉換。能量放大的工作波長窗口為1 550 nm,寬度為50 am,與光纖的低損耗窗口吻合,能量的注入窗口為980 nm和1 480 nm。一般制成摻鉺離子光纖作為EDFA放大核心,即有源介質。放大系統是一個激光三能級系統,注入的980 nm的光能,被鉺離子吸收到高能級4“,,,通過弛豫振蕩躍遷到激光的躍遷能級4n,,,由于能級的壽命長,積累大量的激活粒子,儲備大量的能量,然后通過與信號光的受激輻射,得到倍增的同頻、同相位的信號光,使粒子回到基態4幾,,。放大過程中引人的噪聲是自發輻射(Amplified Spontaneous Emission,ASE),它與泵浦的波長有關。一般情況下,使用980 nm的激光器泵浦的效率低、噪聲??;而使用1 480 nm的激光器泵浦的效率高、噪聲大。所以在設計過程中,一般前置光纖放大器EDFA使用980 nm泵浦;發射端的推動放大器Booster EDFA使用980 nm和1 480 nm的混合泵浦方式,并根據DWDM對光學均衡濾波器的要求,專門設計介質膜片平坦濾波器。

                摻鉺光纖放大器(FDFA)的基本結構:

                一個典型的EDFA由摻鉺光纖、泵浦源、波分復用器、光隔離器和光濾波器等組成。其中摻鉺光纖提供放大,泵浦源提供足夠強的泵浦功率,波分復用器將信號光與泵浦光合在一起輸入摻鉺光纖中,光隔離器保證光單向傳輸,以防由于光反射形成光振蕩以及反饋光引起信號激光器工作狀態的紊亂。光濾波器的作用是濾除光放大器中的ASE噪聲,提高EDFA的信噪比。通常EDFA有3種泵浦形式:同向泵浦、反向泵浦和雙向泵浦。    為了保證EDFA的放大倍數恒定(即前置和線路的線性放大器)或輸出功率恒定(即發送端的飽和功率放大器),需要設計輔助電路對EDFA的輸入和輸出功率進行監測,以及對泵浦光源的工作狀態進行監測和控制。根據所監測結果適當調節泵浦光源的工作參數,使EDFA工作在最佳狀態。此外,輔助電路部分還包括自動溫度控制和自動功率控制等保護功能的電路。

                摻鉺光纖放大器(EDFA)的基本性能 :

                EDFA的基本性能體現在增益、輸出功率和噪聲,以及帶寬與均衡等。   

                1.增益特性    增益特性表示了光放大器的輸出功率與輸入功率之比的放大能力,它與多種因素有關,一般使用dB表示,常用的放大系數為15~40 dB。    一般情況下,增益與泵浦功率有直接的關系,也與摻鉺光纖長度有關,通過實驗可以找到它們的最佳值。 

                2.輸出功率特性  對于理想的線性光放大器,無論輸入光功率多大,光信號都能按同樣的增益被放大和輸出。為了保證這個條件,一般只有當輸入小的光信號時,通過足夠的增益放大后的光信號輸出,不足以減弱泵浦功率注入激光上能級的粒子數。但是當輸入光功率足夠大時,注入的功率不足以彌補放大后輸出功率的大小,從而使反轉的粒子數出現飽和而減少,于是輸出光功率下降,影響到放大倍數的下降,即增益飽和,使放大進入非線性放大飽和區。EDFA的最大輸出功率常用3 dB飽和輸出功率表示,指當飽和增益下降3 dB時所對應的輸出功率,反映了EDFA的最大功率輸出能力。EDFA的飽和輸出特性與泵浦功率大小、摻鉺光纖長度和結構有關。泵浦光功率越大,3 dB飽和輸出功率越大;摻鉺光纖長度越長,3 dB飽和輸出功率也越大。

                3.噪聲特性    EDFA在放大過程中引入的光噪聲,主要是在激活的摻鉺光纖中的自發輻射光功率,然后又經過摻鉺光纖的有源區放大,它是一種被放大的自發輻射光噪聲。噪聲來源主要有4種:信號光的散粒噪聲、被放大的自發輻射光ASE的散粒噪聲、白發輻射ASE光譜與信號光之間的差拍噪聲、自發輻射ASE光譜間的差拍噪聲。其中,后兩種影響最大,自發輻射ASE光譜與信號光之間的差拍噪聲是決定EDFA性能的主要因素。衡量EDFA的噪聲特性可用噪聲系數NF來表示,即EDFA的輸入信噪比與輸出信噪比的比值,用dB表示。它與同相傳輸的自發輻射頻譜密度和放大器增益密切相關,與輸入信號功率、泵浦功率和泵浦方式等有關。    在小的光信號輸入下,光放大器的噪聲系數NF隨著輸人信號光功率的增大使受激輻射增大,而減弱了自發輻射的比率,從而使噪聲系數NF減小。    在大的光信號輸入下,光放大器的噪聲系數NF隨著輸入信號功率的增大使放大倍率下降,而參與自發輻射的光功率增大,從而使噪聲系數NF增大。    噪聲系數隨著泵浦功率的增加而減小。EDFA的噪聲功率由兩部分組成,一部分是每一小段光纖產生的白發輻射,而大部分是該段光纖對前面部分光纖所產生的自發輻射的放大,即放大的自發輻射。泵浦功率越大,前一部分所占的比重就越小,因為雖然輸出噪聲功率隨泵浦功率的增大而增大,但是信號同樣也獲得增益,因而每一段光纖產生的自發輻射的比重較小,所以總的信噪比提高,即噪聲系數NF降低。

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