光纖放大器工作原理及其在無線光通信的應用

　　0 引 言

　　無線光通信是以雷射作為信息載體，是一種不需要任何有線信道作為傳輸媒介的通信方式。與微波通信相比，無線光通信所使用的雷射頻率高，方向性強(保密性好)，可用的頻譜寬，無需申請頻率使用許可；與光纖通信相比，無線光通信造價低，施工簡便、迅速。它結合了光纖通信和微波通信的優勢，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，會對無線光通信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雷射的能量，使信號的功率衰減，在無線光通信系統中光纖通信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，採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信的要求。

　　1 EDFA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。

　　1．1 EDFA的原理

　　EDFA的泵浦過程需要使用三能級系統，如圖1所示。

　　在摻鉺光纖中注入足夠強的泵浦光，就可以將大部分處於基態的Er3+離子抽運到激發態，處於激發態的Er3+離子又迅速無輻射地轉移到亞穩態。由於 Er3+離子在亞穩態能級上壽命較長，因此很容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，與處於亞穩態的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+離子處於亞穩態時，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。

　　1．2 EDFA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，在纖芯中摻人固體雷射工作物質鉺離子，在幾米至幾十米的摻鉺光纖內，光與物質相互作用而被放大、增強。光隔離器的作用是抑制光反射，以確保放大器工作穩定，它必須是插入損耗低，與偏振無關，隔離度優於40 dB。

　　圖2為單向泵浦方式結構，此外還有反向泵浦，雙向泵浦方式結構。

　　1．3 EDFA的特性及性能指標

　　增益特性表示了放大器的放大能力，其定義為輸出功率與輸入功率之比：

　　式中：Pout,Pin分別表示放大器輸出端與輸入端的連續信號功率。增益係數是指從泵浦光源輸入1 mW泵浦光功率通過光纖放大器所獲得的增益，其單位為dB／mW：

　　式中：g0是由泵浦強度定的小信號增益係數，由於增益飽和現象，隨著信號功率的增加，增益係數下降；Is，Ps分別為飽和光強和飽和光功率，是表明增益物質特性的量，與摻雜係數、螢光時間和躍遷截面有關。

　　增益和增益係數的區別在於：增益主要是針對輸入信號而言的，而增益係數主要是針對輸入泵浦光而言的。另外，增益還與泵浦條件(包括泵浦功率和泵浦波長)有關，目前採用的主要泵浦波長是980 nm和1 480 nm。由於各處的增益係數是不同的，而增益須在整個光纖上積分得到，故此特性可用以通過選擇光纖長度得到較為平坦的增益譜。

　　1．4 EDFA的帶寬

　　增益頻譜帶寬指信號光能獲得一定增益放大的波長區域。實際上的EDFA的增益頻率變化關係比理論的複雜得多，它還與基質光纖及其摻雜有關。在EDFA的增益譜寬已達到上百納米．而且增益譜較平坦。ED-FA的增益頻譜範圍在1 525～1 565 nm之間。

　　2 EDFA的級聯應用

　　2．1 EDFA的級聯結構

　　EDFA對光信號功率的放大，特別在無線光通信大功率(瓦級)應用中，常常採用級聯的方式，比如兩級或者三級放大。之所以採用級聯的方式，是因為在 EDFA的摻鉺光纖(EDF)中插入一個光隔離器，構成帶光隔離器的兩段級聯EDFA，由於光隔離器有效地抑制了第二段：EDF的反向自發輻射 (ASE)，使其不能進入第一段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，從而可以明顯改善EDFA的增益、噪聲係數和輸出功率等特性。本文採用麗級級聯放大，將1～2 mW的1 550 nm光信號，經EDFA放大到1 W左右。級聯結構如圖3所示。

　　光信號由LD雷射器產生，是已調製的信號，第一級放大採用單包層摻鉺光纖放大器，980 nm單模半導體雷射器作為泵浦源，將光功率放大到50 mW附近。第一級採用單模半導體雷射器泵浦，先將光信號穩定可靠的放大到一定功率，保證了整個光信號的完整，又為下一級光放大提供了較高的光功率基礎。第二級採用雙包層光纖放大器，多模半導體雷射器泵浦源將光功率放大到1 W左右。雙包層光纖放大器纖芯比單包層纖芯大，泵浦功率可以有效地耦臺到纖芯中，使第二級光信號的輸出功率可達到瓦級。

　　2．2 EDFA級聯應用的增益

　　2．2．1 增益計算

　　對EDFA級聯的整體光功率增益：

　　其中：Pout表示EDFA兩級放大後的輸出光功率，Pin表示需要放大的輸入光功率。

　　在本文中，光放大採用了兩級級聯放大，第一級增益為G1：

　　其中第一級的輸出為第二級的輸入，P'out=P'in=P，所以：

　　即，整體增益等於兩級增益之和，本文的整體光功率增益為：

　　第一級增益為17 dB，第二級增益為13 dB，1 W的光功率經過準直聚焦，再有光學鏡頭髮射到大氣信道，大大提高了光信號的有效傳輸距離。

　　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，這是因為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，最終在低能級上的鉺離子數多於高能級上的鉺離子數，粒子數恢復到正常的數值。

　　由於摻鉺光纖本身的損耗，造成信號光中被吸收掉的光子多於受激輻射產生的光子，引起增益下降。由上述討論可知，對於某個確定的入射泵浦功率，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係如圖4所示。

　　EDFA的增益還跟輸入光的程度、泵浦光功率及光纖中鉺離子Er3+的濃度都有關係，如小信號輸入時的增益係數大於大信號輸入時的增益係數。當輸入光弱時，高能位電子的消耗減少並可從泵激得到充分的供應，因而，受激輻射就能維持達到相當的程度。當輸入光變強時，由於高能位的電子供應不充分，受激輻射光的增加變少，於是就出現飽和。泵浦光功率越大，摻鉺光纖越長，3 dB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。

　　採用EDFA後，提高了注入光纖的功率，但當大到一定數值時，將產生光纖非線性效應和光洩漏效應，這影響了系統的傳輸距離和傳輸質量。另外色散問題變成了限制系統的突出問題，可以選用G653光纖(色散位移光纖DSF)或非零色散光纖(NZDF)來解決這一問題。

　　2．3 EDFA級聯的改進

　　之所以採用EDFA級聯的方式，一是插入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)，使其不能進入第一段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；二是分為兩級後，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，還需要解決一些問題：

　　(1)由於增益分為兩級，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容易，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，由於對泵浦吸收的不充分而導致增益降低；而當EDF過長時，由於泵浦光在 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，同時也會引起噪聲係數的增大。

　　(3)如果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，因為隨著增益的增大，泵浦源由於轉換效率的問題，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，採用更高級聯可以將增益劃分到多級，易於實現和控制，光模塊的整體增益特性也有較大提高。

　　3 結語

　　本文提出了採用EDFA級聯的方法，實現了光信號30dB的增益，滿足無線光通信光功率傳播的要求，使得光信號能在大氣信道進行遠距離，高穩定性傳輸。同時在現有的基礎上，提出了需改進的問題，為今後研究的進一步開展指出了方向。