【正文】 是Z的函數(shù)，因而g也是z的函數(shù)。由于增益飽和現(xiàn)象，隨著信號功率的增加，增益系數(shù)下降。將g(z)在光纖長度上進(jìn)行積分并令始端功率為Pin，則得到 （53） （54） （55）如果己知增益系g(z)，則可求出放大器的增益G。放大器增益與增益系數(shù)g有關(guān)。下面將對增益進(jìn)行具體的討論。當(dāng)泵浦光功率足夠強(qiáng)，而信號光與ASE光很弱時，上下能級粒子數(shù)反轉(zhuǎn)程度很高，并可以認(rèn)為沿EDF長度方向的上能級粒子數(shù)保持不變，放大器增益將達(dá)到很高的值，而且隨輸著入射信號光功率的小量增加，增益仍維持在恒定值，這種增益稱為小信號增益。5 EDFA的工藝及相關(guān)參數(shù)控制 主要器件功能介紹PDpumpIsolatorWDMEDFCoupler 51 EDFA產(chǎn)品外形a) PUMP：主要是提供激光光源；b) EDF：對光信號進(jìn)行放大作用，其內(nèi)部主要是能使光信號通過后起到放大作用的物質(zhì)；c) WDM：主要是將絕大多數(shù)的信號光與泵浦光合路于EDF中；d) PD：即光電轉(zhuǎn)換器，主要作用是將光信號轉(zhuǎn)換為電信號，以識別光信號的強(qiáng)度和變化；e) Coupler：一類能使傳輸中的光信號在特殊結(jié)構(gòu)的耦合區(qū)發(fā)生耦合，并進(jìn)行再分配的器件；f) ISO：防止光路光反射引起激光振蕩，保護(hù)光源使系統(tǒng)工作穩(wěn)定；g) PCBA：驅(qū)動PD、PUMP，控制電路。其采用最先進(jìn)的薄膜技術(shù)，并使用MEMS（微電機(jī)系統(tǒng)）進(jìn)行加工，從而得到體積非常小的TEC。有些甚至要求將TEC和激光器同時采用TO封裝，這就要求TEC的體積非常小。TEC的用途非常廣泛，最典型的應(yīng)用是激光器的溫控和PCR的溫控。一對電偶產(chǎn)生的熱電效應(yīng)很小，故在實(shí)際中都將上百對熱電偶串聯(lián)在一起，所有的冷端集中在一邊，熱端集中在另一邊，這樣生產(chǎn)出用于實(shí)際的致冷器。TEC包括一些P型和N型對（組），它們通過電極連在一起，并且夾在兩個陶瓷電極之間；當(dāng)有電流從TEC流過時，電流產(chǎn)生的熱量會從TEC的一側(cè)傳到另一側(cè)，在TEC上產(chǎn)生″熱″側(cè)和″冷″側(cè)，這就是TEC的加熱與致冷原理。所謂珀?duì)柼?yīng)，是指當(dāng)直流電流通過兩種半導(dǎo)體材料組成的電偶時，其一端吸熱，一端放熱的現(xiàn)象。當(dāng)半導(dǎo)體激光器在穩(wěn)定工作的情況下，由于各種因素引起的溫度變化轉(zhuǎn)換成電壓信號傳送到 PID 的負(fù)輸入端，使得正負(fù)輸入端的電位差發(fā)生變化，其輸出相應(yīng)產(chǎn)生變化，經(jīng)過控制電流調(diào)節(jié)電路，向半導(dǎo)體制冷器輸出改變后的控制電流，進(jìn)行制冷控制，從而實(shí)現(xiàn)對半導(dǎo)體激光器溫度的動態(tài)控制。因此，為了保證它恒溫工作，制冷器需要一制冷電流來降溫，這一電流即為直流工作點(diǎn)。然后把溫度變化情況反饋到熱敏電阻，形成一個反饋控制環(huán)，這樣便可動態(tài)地控制激光器的溫度，使其溫度穩(wěn)定在設(shè)定值上。圖47為溫控電路的整體框圖。因此，為了保證它恒溫工作，制冷器需要一制冷電流來降溫。d）光功率穩(wěn)定度，激光器輸出功率會隨著時間的變化而變化，經(jīng)過一段時間后激光器輸出值的變化值成為光功率穩(wěn)定度，變化量越低表明輸出功率越穩(wěn)定。一般EDFA的泵浦激光器的峰值波長為980nm或1480nm。一般輸出功率都根據(jù)實(shí)際光路的要求來確定，并不是越大越好。 泵浦驅(qū)動的原理分析選擇泵浦激光器時，要考慮其特性參數(shù)。緩啟動電路啟動以后，A端負(fù)電壓值逐漸上升。開機(jī)和剛啟動時，A端電壓高于基準(zhǔn)電壓，運(yùn)放輸出為低電位，圖46 LD保護(hù)裝置控制電路圖T不導(dǎo)通，JC閉合，將LD短路。Jc為繼電器的常閉觸點(diǎn)，電源不工作時將LD短路，以防止靜電的破壞，圖45 LD及其保護(hù)裝置圖同時在電源開機(jī)(關(guān)機(jī))的瞬問也防止了對LD的浪涌沖擊。c）LD及其保護(hù)裝置電路保護(hù)電路的原理圖如45所示，圖中的LD即為我們所用的泵浦二極管。恒定電流值的改變可通過改變可調(diào)電位器的阻值來實(shí)現(xiàn)。b）半導(dǎo)體激光器的穩(wěn)流電路設(shè)計(jì)圖44 穩(wěn)流電路圖圖43為連續(xù)可調(diào)的穩(wěn)流電路原理圖，圖中，R1，C穩(wěn)壓管2CW及可調(diào)電阻R2組成帶有一定延時功能的基準(zhǔn)電壓，在電路啟動時，電位器中心點(diǎn)的電位是緩慢上升的，當(dāng)2CW啟動后，其基準(zhǔn)電壓才為一定值，、T構(gòu)成了一個射極跟隨器，Vc2=VR4。后才能使T逐漸導(dǎo)通，A點(diǎn)電壓跟隨C6上的電壓變化，最后達(dá)到穩(wěn)定值。圖中，C1C8是濾波電容，L1，C2，C3，C4組成π型濾波器，R1，T(復(fù)合管)，C5，C6，C7，C8構(gòu)成具有電了濾波性能的緩啟動電路。為了保護(hù)泵浦激光器，要對其驅(qū)動電流進(jìn)行限流，這就需要保護(hù)電路。其產(chǎn)生的主要原因有以下幾個方面：a) 電源開關(guān)的干擾；b) 上電或斷電過程引起的浪涌；c) 激光器管腳接觸不良或控制過快；d) 與半導(dǎo)體激光器并聯(lián)電容的放電產(chǎn)生過電流；e) 各種噪聲導(dǎo)致的浪涌； 泵浦驅(qū)動電路設(shè)計(jì)在摻鉺光纖放大器中，對泵浦激光器的控制是非常重要的，泵浦功率對EDFA性能的影響是很大的，基于EDFA的自動增益控制下，對泵浦激光器的驅(qū)動電流設(shè)計(jì)尤為重要。由于其工作特性受溫度影響很大并且極易損壞，因此設(shè)計(jì)和使用時必須注意防止浪涌的危害。 泵浦驅(qū)動系統(tǒng) 驅(qū)動電路功能EDFA中使用的泵浦源主要是980nm的泵浦激光器，980nm和1480nm相比，在轉(zhuǎn)換效率和噪聲方面更具優(yōu)勢。利用光電導(dǎo)效應(yīng)工作的光電二極管叫光電導(dǎo)探測器。在沒有反向偏壓和負(fù)載電阻時，P區(qū)和N區(qū)兩端出現(xiàn)一個電動勢，稱之為光電壓。 PD光電探測電路設(shè)計(jì)PD監(jiān)控電路（PD Monitor Circuit）：圖41 跨阻放大電路圖42 對數(shù)放大電路(AD8305) 系統(tǒng)的原理分析PIN光電二極管是利用PN結(jié)區(qū)電場收集光生載流子的光電探測器，基本工作原理是：如果半導(dǎo)體的PN收到光照，且能大于或等于半導(dǎo)體材料的帶隙能量時，光子會釋放它的能量，并把電子由價帶激發(fā)到導(dǎo)帶而產(chǎn)生光生載流子，及電子和空穴。系統(tǒng)主要有PD光電探測器、A/D轉(zhuǎn)換器、泵浦驅(qū)動電路、泵浦制冷電路及微處理器組成，即如圖41所示的控制電路（control circuit ）。 本章小結(jié)本章主要從系統(tǒng)組成、數(shù)學(xué)模型等方面，分析了EDFA系統(tǒng)?？紤]帶寬為Δυ K ，中心波長為λ K = c /υ K的N束光在EDF中傳播，其中包括泵浦光及信號光( Δυ K = 0)。目前980nm和1480nm的LD已商品化，所以一般采用980nm和1480nm的半導(dǎo)體激光器作泵源。但由于在807nm及小于807nm波長處存在強(qiáng)烈的激發(fā)態(tài)吸收（ESA），泵浦效率較低。 泵浦源 （Pumping Supply）泵浦源為信號放大提供能量，即實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布。目前應(yīng)用的光濾波器的帶寬為1～3nm。另一方面，對于插入級聯(lián)放大器以及很多信道橫跨整個增益帶寬內(nèi)的WDM系統(tǒng)，波長濾波器僅可以放在接收機(jī)前，它將使噪聲減到最小并對多信道解復(fù)用。必須用某種方法對它們加以限制，以使得接受機(jī)中有適當(dāng)?shù)腟NR。為了防止系統(tǒng)的性能退化，光濾波器是必需的。要求隔離度在40dB 以上，插入損耗低，與偏振無關(guān)。在輸入端加光隔離器消除因放大的自發(fā)輻射反向傳播可能引起的干擾，輸出端保護(hù)器件免受來自下段可能的逆向反射。當(dāng)反射出現(xiàn)時噪聲系數(shù)可能會增大，這是由于反載流子使不需要的反射場放大而沒有放大所需要的信號。通常光反射會干擾器件的正常輸出，產(chǎn)生諸如強(qiáng)度漲落、頻率漂移和噪聲增加等不利影響。要求在上述波長附近插入損耗都小，耦合效率高，耦合頻帶具有一定的寬度且耦合效率平坦，對偏振不敏感。為此，在摻鉺光纖的輸入和輸出處必定需要WDM。當(dāng)然，信號傳輸?shù)姆较蚴枪潭ǖ摹Ｒ粚橘|(zhì)進(jìn)行泵浦和使信號得到增益。 光耦合器（WDM）帶光耦合器有合波信號光與泵浦光的作用，也稱光合波器和波分復(fù)用器。為保證泵浦光與信號光的單模傳輸，光纖的截止波長應(yīng)適當(dāng)。為使每個鉺離子受到的泵浦速率最大，同時所需的泵浦功率最小，泵浦功率及鉺離子必須盡可能的限制在最小的模截面內(nèi)，鉺光纖應(yīng)具有高的數(shù)值孔徑NA，小芯徑且只有纖芯摻雜，通常將光纖設(shè)計(jì)為雙層結(jié)構(gòu)。c)摻鉺光纖的內(nèi)部設(shè)計(jì)關(guān)鍵點(diǎn)：摻有Er3+的石英光纖具有激光增益特性，鉺光纖的光譜性質(zhì)主要由鉺離子和光纖基質(zhì)決定，鉺離子起主導(dǎo)作用，摻Er3+濃度及在纖芯中的分布等對EDFA 的特性有很大影響。必須仔細(xì)地將兩根光纖接在一起。b)摻鉺光纖與普通光纖的匹配：摻鉺光纖纖芯直徑可以比較小，或者是標(biāo)準(zhǔn)的8um單模光纖的尺寸。5V電路模塊9針D型插座48V告警顯示電源開關(guān)圖31 EDFA的基本結(jié)構(gòu) EDFA的關(guān)鍵模塊 摻鉺光纖（EDF）圖32 EDF結(jié)構(gòu)圖a)摻鉺光纖電子組態(tài)：EDF是放大器的主體，纖芯中摻有鉺元素（Er），Er屬稀土锎系元素，Er逸出兩個6S和一個4f電子而顯示為+3價。 本章小結(jié)本章主要從EDFA的產(chǎn)生、發(fā)展、機(jī)理、組態(tài)等方面的分析研究EDFA技術(shù)。因?yàn)閹捄艽螅采w200nm左右。因?yàn)槲覀兿Ｍ糯笃饔斜M可能多的用途以適應(yīng)各種各樣的應(yīng)用需要，增益帶寬應(yīng)該盡可能的寬和均勻。利用摻雜劑可以達(dá)到1000ppm（每百萬）。 EDFA摻雜物及原因分析共摻雜有其它材料的鉺光纖的重要性有兩點(diǎn)：第一，鉺離子比硅原子大得多，因而不太溶于硅中，因此難以達(dá)到高的摻雜濃度使得能在長度上獲得高的增益值。這種展寬起因于能級的斯托克斯分裂，它允許偏離某一特定的波長。 EDFA實(shí)際的展寬譜吸收和發(fā)射譜皆具有與相關(guān)聯(lián)的帶寬。幸運(yùn)的是利用QW半導(dǎo)體材料，可實(shí)現(xiàn)輸出功率100mW，而且已商用化。鉺的發(fā)射意外地處在標(biāo)準(zhǔn)硅光纖的最小損耗去附近。因此我們認(rèn)為第一激發(fā)態(tài)是亞穩(wěn)態(tài)。一經(jīng)光子被吸收和載流子被激發(fā)到更高的能級，后者就又迅速地衰減到第一激發(fā)態(tài)。GSA對應(yīng)于一個光子將一個載流子從基態(tài)激發(fā)到更高的激發(fā)態(tài)，而ESA對應(yīng)于一個光子從非基態(tài)激發(fā)到更高的激發(fā)態(tài)。一般說來，吸收對應(yīng)于：一個光子被吸收并產(chǎn)生一個跳躍到更高能級上的載流子（離子），其能級差，△E=hv，大致與光子的能量相匹配。 基本的光譜特性 EDFA放大的能級機(jī)理為了制造放大器增益介質(zhì)，在標(biāo)準(zhǔn)單模光纖的硅線芯中摻雜鉺離子。此時信號的傳輸已經(jīng)在傳輸線路上經(jīng)受嚴(yán)重的衰減。此時需要考慮濾波和隔離等問題。在線式放大器是用來周期性地糾正光信號衰減，這種損耗或來自光纖的吸收損耗或是網(wǎng)絡(luò)分配引起的分光損耗。如果放大器供給的功率不必原來的激光器發(fā)射機(jī)的功率大，這種組態(tài)無任何優(yōu)點(diǎn)。此外，當(dāng)通過一個有損耗的系統(tǒng)時，功率放大器引入的噪聲將和信號一起被衰減。 基本光放大器的組態(tài)第一種組態(tài)是將光放大器直接放在激光器發(fā)射機(jī)的后面做功率放大器或后置放大器用。在放大過程中信號仍保持光的形式。再生中繼器價格昂貴，比特率和調(diào)制方式也是規(guī)定好了的，消耗功率以及從光子轉(zhuǎn)化為電子并在轉(zhuǎn)化為光子花費(fèi)時間。再生中繼器是用來糾正光纖的衰減和色散的影響。 光放大器的產(chǎn)生1980年之前在系統(tǒng)界是不知道光放大器的。放大器皆有一個品質(zhì)因數(shù)，就是后面提到的低噪聲系數(shù)NF。電放大器需要一個電壓源，而光放大器需要電流源（或光源）。放大器皆能提供信號增益G，不過它們也都在系統(tǒng)中引入加性噪聲（方差=2）。光放大器可被想象成是一個具有反饋機(jī)制的激光器（增益介質(zhì)），其被激發(fā)的載流子放大入射信號而不產(chǎn)生自己的相干信號。這些器件能夠使人們構(gòu)想出和實(shí)驗(yàn)證明激動人心的，新的通信系統(tǒng)。利用光纖光柵，介質(zhì)多層薄膜濾波器，平面光波導(dǎo)作為光纖放大器的內(nèi)部增益均衡器，對放大光譜的增益偏差進(jìn)行補(bǔ)償，保持平坦的增益譜特性，期待低成本的EDFA在網(wǎng)絡(luò)中發(fā)揮更重要作用。開發(fā)摻鉺氟化物光纖放大器EDFFA，放大帶寬75nm，增益18dB，在較寬的頻帶內(nèi)獲得平坦增益。由于超過8個泵浦級時EDFA會變得十分復(fù)雜，期待高能功率芯片在提高光放大功率方面起到更重要的作用。這種設(shè)計(jì)允許用戶根據(jù)需要逐漸升級擴(kuò)容，盡量避免鋪設(shè)新的光纜而增加投入。據(jù)報道，L波長EDFA在若干密集波分復(fù)用DWDM系統(tǒng)中開始使用，批量生產(chǎn)后,兩者價格將相差不大。有些色散位移光纖DSF網(wǎng)絡(luò)制造商已先于C而開發(fā)L波長產(chǎn)品，L波長可能成為DSF的主要工作窗口。L波長EDFA可有效增加信號放大帶寬,傳輸大約在1570～1605nm，這個波長覆蓋了EDF增益曲線的末端,盡管和C波長EDFA所覆蓋增益波峰有差異，但仍可與很多性能先進(jìn)的C波長產(chǎn)品媲美,例如，有較小的輻射和吸收以及較低的平均反轉(zhuǎn)效率,增益波動系數(shù)遠(yuǎn)小于C。其不足是平均增益特性的帶寬只有35nm，僅覆蓋石英單模光纖低損耗窗口的一部分，制約了光纖固有能夠容納的波長信道數(shù)。更重要的是，實(shí)現(xiàn)了光纖通信容量的平滑升級。摻餌光纖放大器的成熟使WDM