高速光纖通信器件

1、高速光纖通信器件EDFA一、研究背景經(jīng)過多年的研究，人們發(fā)現(xiàn)在光纖傳輸中，在低損耗傳輸窗口時(shí)光纖的傳輸帶寬可以達(dá)到25THz，并且有很大的信息容量可以供我們使用和開發(fā)。從九十年代開始，光纖通信系統(tǒng)受傳輸速率的限制的問題越發(fā)的嚴(yán)重，始終無法達(dá)到預(yù)期的25THz。經(jīng)過大量的研究發(fā)現(xiàn)光信號在傳輸?shù)倪^程中容易發(fā)生損耗和色散，正是這兩方面的因素限制了光纖通信系統(tǒng)的發(fā)展。由于光在傳輸?shù)倪^程中存在者損耗，所以我們必須隔一段距離就要對傳輸?shù)墓庑盘栠M(jìn)行相應(yīng)的放大處理，才能減少損耗。光在傳輸中由于色散的存在，使得傳輸?shù)墓庑盘柕拿}沖變得比原來寬很多，這樣的話容易使各個(gè)脈沖之間相互影響，從而造成干擾。從二十世紀(jì)九十年

2、代以來，一些高速光纖通信器件的發(fā)展使得光信號在傳輸?shù)倪^程中受到的損耗和色散減少。這些技術(shù)主要包括EDFA的發(fā)展，它減少了光信號在傳輸中受到損耗的限制，能夠給光信號提供很大的增益；WDM技術(shù)使得可以在一根光纖上傳輸很多路波長不同的光信號；色散管理可以減少光信號在傳輸過程中受色散的影響。二、EDFA的工作原理和性能特性。2.1EDFA的工作原理EDFA的工作原理主要是：在制作EDFA的石英光纖的纖芯中摻入三價(jià)稀土金屬鉺元素，這種光纖在泵浦光的激勵(lì)下形成粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布，然后在信號光的作用下產(chǎn)生受激輻射，放出與信號光完全相同的光子形成光的放大。圖1EDFA放大原理從圖1中我們可以看出，其中其中能級E1

3、代表基態(tài)，能量最低；能級E2代表亞穩(wěn)態(tài)；能級E3代表激發(fā)態(tài)，能量最高。若泵浦光的光子能量等于能級E3與E1之差，摻雜離子吸收泵浦光后，從基態(tài)E1升至激發(fā)態(tài)E3。但是鉺離子在激發(fā)態(tài)是不穩(wěn)定的，激發(fā)到E3的鉺離子很快就通過自發(fā)輻射躍遷到亞穩(wěn)態(tài)E2。若信號光的光子能量等于能級E2與能級E1的能量之差，這時(shí)處于亞穩(wěn)態(tài)的鉺離子通過受激輻射返回到基態(tài)E1，并把釋放的能量加到信號光的光子上，從而實(shí)現(xiàn)信號光的放大。我們一般使用的EDFA的結(jié)構(gòu)原理根據(jù)不同的光源分為以下三種情況，其中雙向泵浦方式的放大效率最好，同向泵浦方式的噪聲最低。圖2EDFA三種泵浦工作方式2.2在DWDM中的應(yīng)用隨著互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，人們對于

4、通信的速率的要求也越來越高，通信量也在不斷的增加，正是這樣的需求，我們才發(fā)展了密集波分復(fù)用技術(shù)。密集波分復(fù)用技術(shù)就是可以在一根光纖中傳輸不同波長的光信號，這些光信號必須滿足波長相互獨(dú)立才能在傳輸?shù)倪^程中互不干擾。通過這樣的技術(shù)來傳輸來自不同路的不同的光源發(fā)出的光線好，可以使得傳輸容量得到很大的提高，變?yōu)樵瓉淼暮脦妆渡踔粮?。我們需要在DWDM技術(shù)中進(jìn)行適當(dāng)劃分，使得每路信號獨(dú)立的從發(fā)射端傳輸?shù)浇邮斩?，在傳輸?shù)倪^程中限制每路光信號的波長從而不受其他路的影響。由于在合波、分波以及光信號傳送過程中存在著衰減，故在很多場合下都要用到摻鉺光纖放大器對光信號進(jìn)行放大，以彌補(bǔ)光信號的損失。摻鉺光纖放大器在D

5、WDM的應(yīng)用主要有幾個(gè)地方：一是在光發(fā)射機(jī)后做功率放大器，增加需要傳送的光信號的功率；二是用于中繼站，做光線路放大器，放大傳送過程中衰減的光信號；三是用在光接收機(jī)前做前置放大器，可以提高光接收機(jī)的接收靈敏度。具體使用如圖3所示。 DWDM用EDFA的主要性能參數(shù)有噪聲系數(shù)、飽和輸出功率、增益平坦度、眼保護(hù)時(shí)輸出功率、輸入端泵浦泄露、輸出端泵浦泄露、輸入光功率檢測范圍、輸出光功率檢測范圍等等。2.3EDFA的增益特性EDFA的增益特性主要是指光纖放大器的放大能力，這是EDFA光纖放大器的最主要的要求。在摻鉺光纖放大器中，我們所說的增益G主要是光纖放大器的輸出信號的光功率PO和輸入信號光功率Pi的

6、比值。G的計(jì)算公式是：G=log10PoPi。EDFA的增益的大小收到好多因素的影響，一般情況下的增益大小為1440dB。圖2表示的是增益大小與摻鉺在光纖中的濃度的關(guān)系圖2增益大小與摻鉺在光纖中的濃度的關(guān)系我們從圖2中可以看出，當(dāng)EDFA中含有的Er+3的濃度大于某一值時(shí)，增益開始下降，主要原因是過量的Er+3元素在光纖放大器中產(chǎn)生聚合，出現(xiàn)了濃度抵消現(xiàn)象，因此，我們在制作摻鉺光纖的過程中，需要對加入的Er+3元素的多少進(jìn)行精確地控制，只有這樣才能獲得較穩(wěn)定的增益。EDFA的增益的大小除了和Er+3元素的濃度有關(guān)之外，還跟泵浦的光功率的大小有關(guān)系，下圖3給出了增益大小和泵浦光功率之間的關(guān)系圖3

7、增益大小和泵浦光功率之間的關(guān)系通常，輸入端的小信號的增益系數(shù)大于大信號的增益系數(shù)。我們一般定義增益等于零時(shí)的泵浦光功率是泵浦閥值功率Fth。EDFA的增益還跟光纖的長度有一定的關(guān)系。我們通過增益大小與光線長度的關(guān)系曲線可以看出，開始時(shí)增益隨摻鉺光線的長度的增加而增加，但是當(dāng)光線的長度超過某一值之后，增益出現(xiàn)了下降的趨勢。2.4EDFA的輸出功率特性光纖放大器的第二個(gè)重要的特性就是它的輸出功率，它代表的是一個(gè)閾值，這是光纖放大器從線性變化到非線性的一個(gè)重要結(jié)點(diǎn)。理想情況下的EDFA光放大器，無論輸入功率到底有多高，輸入的光信號都能按一定的比例進(jìn)行放大，但是實(shí)際的情況是，EDFA的輸入端的功率增加

8、時(shí)內(nèi)部的受激輻射加快導(dǎo)致粒子反轉(zhuǎn)數(shù)大大減少，從而導(dǎo)致內(nèi)部的受激輻射光減弱這樣就會(huì)使得增益無法再增加達(dá)到飽和程度，這樣的輸出功率將達(dá)到平穩(wěn)，就是說之后無論輸入信號的功率怎么增加，輸出功率將不再按比例變化。2.5EDFA增益與輸入、輸出功率的關(guān)系評價(jià)一個(gè)光纖放大器好壞的關(guān)鍵指標(biāo)是EDFA的增益和輸出功率水平，這兩個(gè)指標(biāo)都和輸入功率的大小和放大器件的主要性能有關(guān)系。光信號放大是從輸入功率開始的。這跟一般的電子系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和要求一樣，輸入功率會(huì)有一個(gè)最小功率的限制，任何輸入功率都必須大于這一值，但是還有一個(gè)最大值的限制，只有在這兩個(gè)值之間的輸入功率才能被合理的放大器所放大，才能保證光纖放大器正常工作。這

9、時(shí)我們還要要求輸入信號的功率大于隨機(jī)噪聲的功率這樣才能保證輸出的信號信噪比足夠的大，不至于使得輸入信號被噪聲淹沒。 我們還必須考慮光纖放大器是模擬器件，它在放大輸入信號的同時(shí)會(huì)把噪聲也一起進(jìn)行放大，所以如果輸入的光信號的功率過大將會(huì)造成放大器的光飽和。這樣的光飽和對于光纖放大器中的摻鉺光纖來說是非常危險(xiǎn)的。2.6EDFA的增益帶寬特性光纖放大器這樣一個(gè)大家在高速通信系統(tǒng)中廣泛使用的器件，我們最初的設(shè)計(jì)就是需要在交寬的頻帶內(nèi)獲得足夠高的增益特性，大的帶寬對于各路信號的復(fù)用放大是非常有用的，我們通常用到的超短光脈沖的放大都特別的重要。EDFA的增益貸款的大小與許多因素都有關(guān)系，比如制作光纖放大器的摻鉺光纖的材料性能、泵浦光源的波長、光纖長度的使用特性等等各個(gè)方面。從EDFA的ASE譜半徑波長的增益特性來看，它們的增益譜是非常的寬的，比如A1/Ge/Si光纖的譜半徑可以達(dá)到35nm。但是它的形狀是非常的不確定的，沒有規(guī)則的圖案。三、總結(jié)通過前面的