【正文】 耦合器——用于將信號(hào)光和泵浦光耦合到摻鉺光纖中?？刂齐娐贰獜姆糯笃鬏敵龆顺槿”O(jiān)測(cè)信號(hào)，對(duì)放大器的泵浦光功率及輸入信號(hào)光等進(jìn)行調(diào)節(jié)、控制增益的大小，保證輸出信號(hào)的穩(wěn)定。光濾波器———帶寬為1 nm以下的窄帶光濾波器，用于消除放大器的自發(fā)輻射光，以降低放大器的噪聲。 EDFA的結(jié)構(gòu) EDFA的放大原理EDFA的放大作用是通過1550nm波段的信號(hào)光在摻鉺光纖中傳輸與Er3+離子相互作用產(chǎn)生的。在摻鉺光纖中注入足夠強(qiáng)的泵浦光，就可以將大部分處于基態(tài)的Er3+離子抽運(yùn)到激發(fā)態(tài)上，處于激發(fā)態(tài)的Er3+離子又迅速無輻射地轉(zhuǎn)移到亞穩(wěn)態(tài)上。由于Er3+離子在亞穩(wěn)態(tài)上能級(jí)壽命較長(zhǎng)，因此，很容易在亞穩(wěn)態(tài)與基態(tài)之間形成粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，即處于亞穩(wěn)態(tài)的Er3+粒子數(shù)比處于基態(tài)的Er3+粒子數(shù)多。當(dāng)信號(hào)光子通過摻鉺光纖，與Er3+離子相互作用發(fā)生受激輻射效應(yīng)，產(chǎn)生大量與自身完全相同的光子，這時(shí)通過摻鉺光纖傳輸?shù)男盘?hào)光子迅速增多，產(chǎn)生信號(hào)放大作用；只有少數(shù)處于基態(tài)的Er3+離子對(duì)信號(hào)光子產(chǎn)生受激吸收效應(yīng)，吸收光子[9]。 Er3+能級(jí)圖 EDFA的基本性能增益特性：增益特性表示了光放大器的放大能力，定義為輸出功率和輸入功率之比。EDFA的增益大小與多種因素有關(guān)，增益一般為15dB~40dB。輸出功率特性：EDFA的最大輸出功率常3dB飽和輸出功率來表示。3dB飽和輸出功率是指當(dāng)飽和增益下降3dB時(shí)所對(duì)應(yīng)的輸出功率，該參數(shù)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(zhǎng)短有關(guān)。泵浦光功率越大，3dB飽和輸出功率越大；摻鉺光纖長(zhǎng)度越長(zhǎng)，3dB飽和輸出功率也越大。噪聲特性：EDFA的輸出光中，除了有信號(hào)光外，還有被放大的噪聲。EDFA的噪聲主要有4種：信號(hào)光的散粒噪聲；被放大的自發(fā)輻射光ASEde散粒噪聲；自發(fā)輻射ASE光譜與信號(hào)光之間的差拍噪聲；自發(fā)輻射ASE光譜間的差拍噪聲[10]。 EDFA的放大設(shè)計(jì) 模型設(shè)計(jì)布局圖。 EDFA增益平坦優(yōu)化設(shè)計(jì)布局圖 研究分析首先我們對(duì)未經(jīng)過摻餌光纖放大器進(jìn)行放大的光譜圖進(jìn)行觀察。 未經(jīng)過EDFA的16信道光譜圖由上圖可以看出未經(jīng)過放大的的光譜是平坦的光譜圖，下面我們來觀察未經(jīng)過參數(shù)設(shè)置直接進(jìn)行放大的光譜圖是什么樣子。 未經(jīng)過設(shè)置參數(shù)而放大后的光譜圖下面分別對(duì)未經(jīng)過參數(shù)設(shè)置放大器放大后的噪聲及光譜進(jìn)行觀察分析。 未經(jīng)過參數(shù)設(shè)置放大后的噪聲由上圖可以看出噪聲的波動(dòng)在65dbm——25dbm之間，波動(dòng)比較強(qiáng)烈對(duì)最后結(jié)果影響比較大。 未經(jīng)過參數(shù)設(shè)置放大器后的光譜由上圖可以看出，經(jīng)過放大器后的16信道輸出光譜波動(dòng)在6dbm——4dbm之間。雖然實(shí)現(xiàn)了放大，但是增益不是十分平坦。我們?cè)O(shè)定最終優(yōu)化的目標(biāo)為16個(gè)信道的增益在一平坦曲線上。對(duì)于優(yōu)化設(shè)置的一些說明：Main：優(yōu)化方式為“Gain Flatten”增益平坦方式，所要優(yōu)化達(dá)成的目標(biāo)為“Exact”，優(yōu)化循環(huán)數(shù)為60，有其他參數(shù)限制條件。 EDFA增益的多參數(shù)優(yōu)化參數(shù)設(shè)置Parameters：在本項(xiàng)中設(shè)置了需要優(yōu)化的參數(shù)，一為泵浦光源的功率，這里選擇0160mW，初始值為100；另一為摻鉺光纖的長(zhǎng)度，范圍為140m，初始值為4m。 MPO中要優(yōu)化的參數(shù)Result：這里要設(shè)定我們希望最后優(yōu)化完成的目標(biāo)，在本例中為16個(gè)信道的增益平坦一致為23dB。 MPO中的最后要達(dá)到的16信道增益平坦目標(biāo)設(shè)定選擇運(yùn)行對(duì)話框中的優(yōu)化（Optimization）并運(yùn)行。 EDFA增益的優(yōu)化進(jìn)程我們可以用光譜儀（OSA）對(duì)經(jīng)過EDFA前后的16個(gè)信道的光信號(hào)做檢測(cè)分析，從以上結(jié)果分析可以很清楚的得到經(jīng)過OptiSystem的計(jì)算機(jī)輔助優(yōu)化后，信號(hào)的增益在一個(gè)平坦的曲線上，這可從為經(jīng)過EDFA的光譜圖（）和經(jīng)過EDFA的光譜圖（）的比較看出；優(yōu)化的結(jié)果是十分成功的，這為我們提供了對(duì)所要設(shè)計(jì)的元件參數(shù)的改進(jìn)和優(yōu)化指明了方向。 經(jīng)過參數(shù)設(shè)置EDFA的光譜圖（綠色曲線為存在的噪聲） 經(jīng)過參數(shù)設(shè)置放大器后的噪聲情況由上圖可以看出經(jīng)過參數(shù)設(shè)置放大器后的噪聲上下波動(dòng)在72dbm與62dbm之間，相對(duì)而言波動(dòng)比較小對(duì)最后的輸出光譜圖影響比較小。 經(jīng)過EDFA的光譜圖（不考慮噪聲只看信道光譜）由上圖可以看出經(jīng)過參數(shù)設(shè)置放大器的16信道光譜圖波動(dòng)在20dbm與25dbm之間，相對(duì)比較平坦。 EDFA的優(yōu)缺點(diǎn)EDFA之所以得到迅速的發(fā)展，源于它一系列突出的優(yōu)點(diǎn)。(1) EDFA工作波長(zhǎng)與光纖最小損耗窗口一致恰好落在最佳波長(zhǎng)區(qū) (1300~1600nm)。(2) 因?yàn)镋DFA的主體也是一段光纖，它與線路光纖的耦合損耗很小，耦合效率高。因?yàn)槭枪饫w型放大器，易于與傳輸光纖耦合連接，也可以用熔接在一起，熔接后反射損耗小。 (3) 能量轉(zhuǎn)換效率高。激光工作物質(zhì)集中在光纖芯子中，且集中在光纖芯子中的近軸部分，餌信號(hào)光和泵浦光也是在光纖的近軸部分最強(qiáng)，這使得光與媒質(zhì)的作用很充分；再加之有較長(zhǎng)的作用長(zhǎng)度，因而有較高的轉(zhuǎn)換效率。所需泵浦光功率較低(數(shù)十毫瓦)，泵浦效率卻相當(dāng)高，用980nm光源泵浦時(shí)，增益效率可達(dá)11dB/mW， dB/mW；泵浦功率轉(zhuǎn)換為輸出功率的效率和吸收效率高于80%。 (4) 增益高、噪聲低、輸出功率大。增益約為2040dB。輸出功率在單光譜時(shí)可達(dá)14dBm，而在雙泵浦時(shí)可達(dá)17dBm，甚至20dBm。噪聲指數(shù)低，一般為4～7dB。 (5) 頻帶寬，在1310nm和1550nm窗口各有2040nm帶寬，可以進(jìn)行多信道傳輸，便于擴(kuò)大傳輸容量，從而節(jié)省成本費(fèi)用。(6) 與半導(dǎo)體激光放大器不同，EDFA的增益特性與光纖極化狀態(tài)無關(guān)，放大特性與光信號(hào)的傳輸方向也無關(guān)，當(dāng)光纖放大器內(nèi)無隔離器時(shí)，可以實(shí)現(xiàn)雙向放大；在多信道應(yīng)用中可以進(jìn)行無串話傳輸； (注：所謂極化光纖(Poled Fiber) 是指對(duì)熔石英光纖外加直流強(qiáng)電場(chǎng)進(jìn)行極化，以及其它附加工藝處理后 (如升溫，紫外照射，激光注入等)，具有永久二階非線性光學(xué)效應(yīng)(例如電光效應(yīng)，倍頻效應(yīng)等) 的一種光纖功能器件。極化光纖器件是一種新型的全玻璃光纖有源器件，它充分利用了①熔石英光纖優(yōu)良的透明性和很低的群速色極化光纖器件散；②與晶體材料的非線性光學(xué)器件或電光器件相比，它的制造成本很低，易集成化和封裝簡(jiǎn)便；③具有較高的光學(xué)損傷閾值；④具有較高的可靠性和較低的插入損耗。這些都使它在許多領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景。例如：在高速光纖通訊領(lǐng)域，可作為光纖調(diào)制器，可調(diào)制相位和偏振態(tài)，在適當(dāng)?shù)慕Y(jié)構(gòu)下，還可調(diào)制振幅，也可作為高速光開關(guān)；在非線性光學(xué)領(lǐng)域，可作為光學(xué)參量頻率轉(zhuǎn)換器件，光子對(duì)放大器，例如利用三波混頻，以擴(kuò)展高功率二極管激光器的波長(zhǎng)范圍；在光纖傳感領(lǐng)域，其可調(diào)制特性，可作為本征光纖傳感器，測(cè)量電壓等參量；帶有布拉格反射光柵的、集成化的電光有源光纖傳感器在替代現(xiàn)有傳感器上是非常吸引人的。 (7) 增益特性穩(wěn)定。EDFA對(duì)溫度不敏感，在100℃范圍內(nèi)，增益特性保持穩(wěn)定。 (8) 中繼器只有低速電子裝置和幾個(gè)無源器件，所以結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可靠性高，體積小。 (9) 可以同時(shí)傳輸模擬信號(hào)和數(shù)字信號(hào)，高比特率信號(hào)和低比特率信號(hào)。當(dāng)系統(tǒng)擴(kuò)容時(shí)，可以只改動(dòng)端機(jī)而不改動(dòng)線路。對(duì)不同傳輸速率的數(shù)字體系具有完全的透明度，與準(zhǔn)同步數(shù)字體系(PDH)和同步數(shù)字體系(SDH) 的各種速率兼容，調(diào)制方案可以任意選擇。 (10) EDFA需要的工作電流比光一電一光中繼器小，因此可以大大減小所需電流，從而降低了對(duì)海底電纜和絕緣特性的要求：在放大器級(jí)聯(lián)使用中可以自動(dòng)補(bǔ)償線路上損耗的增加，使系統(tǒng)經(jīng)久耐用。 當(dāng)然EDFA也有其固有的缺點(diǎn)： (1)波長(zhǎng)范圍固定。只能放大1550nm左右波長(zhǎng)的光波，可以調(diào)節(jié)的波長(zhǎng)范圍有限。 (2) 增益帶寬不平坦。EDFA的增益譜寬大約40nm，但增益帶寬不平坦。在光纖通信系統(tǒng)中需要采取特殊手段來進(jìn)行增益譜補(bǔ)償。(3) 附加的噪聲使接收機(jī)靈敏度退化。(4) 光纖的色散和非線性效應(yīng)可以無阻礙地得到積累。 EDFA的主要應(yīng)用形式EDFA在功能應(yīng)用上可以分為用作遠(yuǎn)距離傳輸?shù)木€路放大器、用作光發(fā)射機(jī)輸出的功率放大器和用作接收機(jī)前端的前置放大器。(1)功率放大器把EDFA置于光發(fā)射機(jī)半導(dǎo)體激光器之后，光信號(hào)經(jīng)EDFA放大后進(jìn)入光纖線路，從而使光纖傳輸?shù)臒o中繼距離增大，可達(dá)200km以上。具有輸出功率大、輸出穩(wěn)定、噪聲小、增益頻帶寬、易于監(jiān)控等優(yōu)點(diǎn)。(2)線路放大器處于功率放大器之后，用于周期性地補(bǔ)償線路傳輸損耗，一般要求比較小的噪聲指數(shù)，較大的輸出光功率。EDFA作為線路放大器有許多特殊功能是電子線路放大器不可比擬的。(3)前置放大器處于分波器之前，線路放大器之后，用于信號(hào)放大，提高接收機(jī)的靈敏度。EDFA具有接近量子極限的低噪聲優(yōu)點(diǎn)，因而可用作接收機(jī)的前置放大器以提高接收靈敏度，要求噪聲指數(shù)很小，對(duì)輸出功率沒有太大的要求。把EDFA置于光接收機(jī)PIN光檢側(cè)器的前面，來自光纖的信號(hào)經(jīng)EDFA放大后再由PIN檢測(cè)。強(qiáng)大的光信號(hào)使電子放大器的噪聲可以忽略，用EDFA作預(yù)放的光接收機(jī)具有更高的靈敏度。如果綜合上述各種應(yīng)用，一個(gè)EDFA用作接收機(jī)前置放大器，另一個(gè)EDFA用作發(fā)送機(jī)的功率提升放大器，就可以實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)距離的無中繼傳輸。這類系統(tǒng)主要用于海底光纖通信系統(tǒng)[11]。 EDFA的增益特性增益G是指輸出信號(hào)光功率Pout與輸入信號(hào)光功率Pin之比，一般以分貝(dB)來表示。G=Pout /Pin (1) G=10lg(Pout /Pin ) (dB) (2) 應(yīng)用上面給出的理論模型可以用數(shù)值法進(jìn)行計(jì)算，從而得出光纖放大器的特性，其中最主要的是增益及噪聲特性。首先分析EDFA的增益特性。EDFA的增益特性與餌離子濃度的纖芯內(nèi)徑向分布、纖芯尺寸、放大器長(zhǎng)度及泵浦功率等有關(guān)。EDFA的放大特性的放大特性。（1）摻餌光纖放大器小信號(hào)增益G與泵浦功率Pp以及光纖長(zhǎng)度l的關(guān)系曲線。， 181。m，采用典型的光纖參數(shù)。用泵浦光功率Pp做參變量，給出了增益G (dB)與光纖長(zhǎng)度1之間的關(guān)系曲線。對(duì)一定的泵浦光功率，EDFA的增益開始隨著EDF的長(zhǎng)度增長(zhǎng)而增大，到某一長(zhǎng)度時(shí)達(dá)到最大，然后隨著長(zhǎng)度的進(jìn)一步增加，增益反而減小，可見有一個(gè)最佳長(zhǎng)度(Lopt ) ，這時(shí)增益最大?？梢赃@樣認(rèn)為，當(dāng)長(zhǎng)度L Lopt時(shí)，泵浦光功率Pp(z) Ppth，在整個(gè)長(zhǎng)度的EDF上，處處滿足放大條件，從而最大限度利用了泵浦光功率。當(dāng)長(zhǎng)度L Lopt時(shí)，泵浦光功率Pp(z) Ppth，信號(hào)光不但沒有得到放大而且被吸收，造成增益反而下降。還可得知，Lopt與輸入泵浦光功率有關(guān)，泵浦光功率越大，Lopt也越長(zhǎng)以光纖長(zhǎng)度1做參變量給出了增益G與泵浦功率凡之間的關(guān)系。開始時(shí)G隨著PP的增加而指數(shù)增加，但當(dāng)PP到一定大小時(shí)，G趨向飽和。泵浦閾值功率Ppth，只有Pp Ppth時(shí)，G ≥0,且L愈長(zhǎng)，Ppth愈高。必須選擇合適的及Pp，才能使G最大。（2）根據(jù)相近參數(shù)的摻餌光纖（根據(jù)速率方程），長(zhǎng)度分別為：(a) 15m；(b)10m；(C)5m。信號(hào)光功率為1181。W，輸出信號(hào)光功率與信號(hào)光增益與入射泵浦功率關(guān)系。（3）取相同參數(shù)摻餌光纖長(zhǎng)度30m，信號(hào)光功率為1181。W。前向泵浦光功率分別?。?a) 15mW；(b) l0mW；(C)5mW。但由于參數(shù)取值不同，相同泵浦光功率下信號(hào)光獲得的增益較小。取相同參數(shù)的摻餌光纖長(zhǎng)度l0m，信號(hào)光功率為1181。W。采用前向泵浦光激勵(lì)功率。 （4）輸入信號(hào)光分別?。?a) 1181。W；(b) 10181。W；(c) 100181。W；(d) 500181。W。信號(hào)光增益與泵浦光功率的關(guān)系：當(dāng)EDFA一定時(shí)，隨著泵浦光功率的增大，信號(hào)光增益漸漸增大最終趨于飽和，飽和增益隨著輸入信號(hào)功率的增加而有所減少。EDFA的閾值功率(Ppth)幾乎和信號(hào)光入射功率無關(guān)。閾值功率(Ppth)主要由EDFA的長(zhǎng)度決定，大的入射功率比小的更加容易飽和。 （5）取相同參數(shù)的摻餌光纖長(zhǎng)度20m，信號(hào)光功率為1181。W。采用前向泵浦光激勵(lì)功率。泵浦光功率分別?。?a) 5mW；(b) l0mW；(c) 20mW；(d) 50mW。當(dāng)泵浦光功率、EDF一定時(shí)，輸入信號(hào)光功率不同時(shí)獲得的增益不同，輸入信號(hào)光功率越大，增益越小。激勵(lì)泵浦光功率越大，信號(hào)增益越大。EDFA的泵浦方式對(duì)增益的影響：取摻餌光纖長(zhǎng)度為20m， 1024/m3，用1480nm的泵浦光進(jìn)行激勵(lì)，對(duì)1536nm的信號(hào)光進(jìn)行放大：(a)前向泵浦光激勵(lì)方式，前向泵浦光功率為8mW； (b)反向泵浦光激勵(lì)方式，反向泵浦光功率為8mW。 (c)雙向泵浦光激勵(lì)方式，前向泵浦光功率為4mW，反向泵浦光功率為4mW。達(dá)到穩(wěn)態(tài)時(shí)信號(hào)光的增益隨傳播長(zhǎng)度的變化。，前向泵浦光、反向泵浦光、雙向泵浦光三種激勵(lì)方式效果各不相同。（1)前向（同向）泵浦在摻餌光纖的輸入端，泵浦光較強(qiáng)，故粒子反轉(zhuǎn)激勵(lì)也強(qiáng)，其增益系數(shù)大，信號(hào)一進(jìn)入光纖即得到較強(qiáng)的放大。但由于吸收，泵浦光將沿光纖長(zhǎng)度而衰減，這一因素使在一定長(zhǎng)度上達(dá)到增益飽。（2)反向泵浦泵浦光與信號(hào)光從不同的反向輸入EDFA，兩者在光纖中傳輸方向相反。其優(yōu)點(diǎn)是：當(dāng)光信號(hào)放大到很強(qiáng)時(shí)，泵浦光也強(qiáng)，不易達(dá)到飽和。（3)雙向泵浦為使EDFA中摻雜粒子得到充分的激勵(lì)，必須提高泵浦功率，所以可以用多個(gè)泵浦源激勵(lì)光纖。如果提供部分前向泵浦，部分后向泵浦，則稱為雙向泵浦。這種泵浦方式結(jié)合了前向泵浦與反向泵浦的優(yōu)點(diǎn)，使得泵浦光在光纖中均勻分布，從而其增益在光纖中也均勻分布。 三種泵浦方式的EDFA結(jié) 論光纖通信已成為當(dāng)今信息社會(huì)不可缺少的神經(jīng)系統(tǒng)，而光源作為光纖通信系統(tǒng)的核心技術(shù)，其理論和實(shí)驗(yàn)方面的研究有著十分重要的意義。以摻鉺光纖為主要核心的摻鉺光纖放大器和摻鉺光纖光源自1987年以來一直是光纖通信領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)?，F(xiàn)在已經(jīng)商用化的高濃度摻鉺光纖很多，而且近幾年的價(jià)格下降較快。而且未來的光纖光源是以更高功率，更寬更平坦光譜，超連續(xù)、多波長(zhǎng)的方向發(fā)展。