高速光纤通信器件

高速光纤通信器件EDFA一、研究背景经过多年的研究，人们发现在光纤传输中，在低损耗传输窗口时光纤的传输带宽可以达到25THz，并且有很大的信息容量可以供我们使用和开发。从九十年代开始，光纤通信系统受传输速率的限制的问题越发的严重，始终无法达到预期的25THz。经过大量的研究发现光信号在传输的过程中容易发生损耗和色散，正是这两方面的因素限制了光纤通信系统的发展。由于光在传输的过程中存在者损耗，所以我们必须隔一段距离就要对传输的光信号进行相应的放大处理，才能减少损耗。光在传输中由于色散的存在，使得传输的光信号的脉冲变得比原来宽很多，这样的话容易使各个脉冲之间相互影响，从而造成干扰。从二十世纪九十年代以来，一些高速光纤通信器件的发展使得光信号在传输的过程中受到的损耗和色散减少。这些技术主要包括EDFA的发展，它减少了光信号在传输中受到损耗的限制，能够给光信号提供很大的增益；WDM技术使得可以在一根光纤上传输很多路波长不同的光信号；色散管理可以减少光信号在传输过程中受色散的影响。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的石英光纤的纤芯中掺入三价稀土金属铒元素，这种光纤在泵浦光的激励下形成粒子数反转分布，然后在信号光的作用下产生受激辐射，放出与信号光完全相同的光子形成光的放大。图1EDFA放大原理从图1中我们可以看出，其中其中能级E1代表基态，能量最低；能级E2代表亚稳态；能级E3代表激发态，能量最高。若泵浦光的光子能量等于能级E3与E1之差，掺杂离子吸收泵浦光后，从基态E1升至激发态E3。但是铒离子在激发态是不稳定的，激发到E3的铒离子很快就通过自发辐射跃迁到亚稳态E2。若信号光的光子能量等于能级E2与能级E1的能量之差，这时处于亚稳态的铒离子通过受激辐射返回到基态E1，并把释放的能量加到信号光的光子上，从而实现信号光的放大。我们一般使用的EDFA的结构原理根据不同的光源分为以下三种情况，其中双向泵浦方式的放大效率最好，同向泵浦方式的噪声最低。图2EDFA三种泵浦工作方式2.2在DWDM中的应用随着互联网的发展，人们对于通信的速率的要求也越来越高，通信量也在不断的增加，正是这样的需求，我们才发展了密集波分复用技术。密集波分复用技术就是可以在一根光纤中传输不同波长的光信号，这些光信号必须满足波长相互独立才能在传输的过程中互不干扰。通过这样的技术来传输来自不同路的不同的光源发出的光线好，可以使得传输容量得到很大的提高，变为原来的好几倍甚至更多。我们需要在DWDM技术中进行适当划分，使得每路信号独立的从发射端传输到接收端，在传输的过程中限制每路光信号的波长从而不受其他路的影响。由于在合波、分波以及光信号传送过程中存在着衰减，故在很多场合下都要用到掺铒光纤放大器对光信号进行放大，以弥补光信号的损失。掺铒光纤放大器在DWDM的应用主要有几个地方：一是在光发射机后做功率放大器，增加需要传送的光信号的功率；二是用于中继站，做光线路放大器，放大传送过程中衰减的光信号；三是用在光接收机前做前置放大器，可以提高光接收机的接收灵敏度。具体使用如图3所示。DWDM用EDFA的主要性能参数有噪声系数、饱和输出功率、增益平坦度、眼保护时输出功率、输入端泵浦泄露、输出端泵浦泄露、输入光功率检测范围、输出光功率检测范围等等。2.3EDFA的增益特性EDFA的增益特性主要是指光纤放大器的放大能力，这是EDFA光纤放大器的最主要的要求。在掺铒光纤放大器中，我们所说的增益G主要是光纤放大器的输出信号的光功率PO和输入信号光功率Pi的比值。G的计算公式是：G=log10𝑃𝑜𝑃𝑖。EDFA的增益的大小收到好多因素的影响，一般情况下的增益大小为14~40dB。图2表示的是增益大小与掺铒在光纤中的浓度的关系图2增益大小与掺铒在光纤中的浓度的关系我们从图2中可以看出，当EDFA中含有的Er+3的浓度大于某一值时，增益开始下降，主要原因是过量的Er+3元素在光纤放大器中产生聚合，出现了浓度抵消现象，因此，我们在制作掺铒光纤的过程中，需要对加入的Er+3元素的多少进行精确地控制，只有这样才能获得较稳定的增益。EDFA的增益的大小除了和Er+3元素的浓度有关之外，还跟泵浦的光功率的大小有关系，下图3给出了增益大小和泵浦光功率之间的关系图3增益大小和泵浦光功率之间的关系通常，输入端的小信号的增益系数大于大信号的增益系数。我们一般定义增益等于零时的泵浦光功率是泵浦阀值功率Fth。EDFA的增益还跟光纤的长度有一定的关系。我们通过增益大小与光线长度的关系曲线可以看出，开始时增益随掺铒光线的长度的增加而增加，但是当光线的长度超过某一值之后，增益出现了下降的趋势。2.4EDFA的输出功率特性光纤放大器的第二个重要的特性就是它的输出功率，它代表的是一个阈值，这是光纤放大器从线性变化到非线性的一个重要结点。理想情况下的EDFA光放大器，无论输入功率到底有多高，输入的光信号都能按一定的比例进行放大，但是实际的情况是，EDFA的输入端的功率增加时内部的受激辐射加快导致粒子反转数大大减少，从而导致内部的受激辐射光减弱这样就会使得增益无法再增加达到饱和程度，这样的输出功率将达到平稳，就是说之后无论输入信号的功率怎么增加，输出功率将不再按比例变化。2.5EDFA增益与输入、输出功率的关系评价一个光纤放大器好坏的关键指标是EDFA的增益和输出功率水平，这两个指标都和输入功率的大小和放大器件的主要性能有关系。光信号放大是从输入功率开始的。这跟一般的电子系统的结构和要求一样，输入功率会有一个最小功率的限制，任何输入功率都必须大于这一值，但是还有一个最大值的限制，只有在这两个值之间的输入功率才能被合理的放大器所放大，才能保证光纤放大器正常工作。这时我们还要要求输入信号的功率大于随机噪声的功率这样才能保证输出的信号信噪比足够的大，不至于使得输入信号被噪声淹没。我们还必须考虑光纤放大器是模拟器件，它在放大输入信号的同时会把噪声也一起进行放大，所以如果输入的光信号的功率过大将会造成放大器的光饱和。这样的光饱和对于光纤放大器中的掺铒光纤来说是非常危险的。2.6EDFA的增益带宽特性光纤放大器这样一个大家在高速通信系统中广泛使用的器件，我们最初的设计就是需要在交宽的频带内获得足够高的增益特性，大的带宽对于各路信号的复用放大是非常有用的，我们通常用到的超短光脉冲的放大都特别的重要。EDFA的增益贷款的大小与许多因素都有关系，比如制作光纤放大器的掺铒光纤的材料性能、泵浦光源的波长、光纤长度的使用特性等等各个方面。从EDFA的ASE谱半径波长的增益特性来看，它们的增益谱是非常的宽的，比如A1/Ge/Si光纤的谱半径可以达到35nm。但是它的形状是非常的不确定的，没有规则的图案。三、总结通过前面的介绍相信大家对于光纤放大器的工作原理有了更加深刻的认识，深刻的理解了光纤的各个性能，它的增益的变化曲线，输入功率的变化曲线都能等。这样我们在高速光纤通信系统中就可以更加合理的选择和使用EDFA，更好地完成我们需要的系统的性能，也能保证EDFA能够正常的工作，不会出现失真和不必要的性能损失、下降。