摘 要：隨著光放大器應(yīng)用的越發(fā)廣泛，本文主要根據(jù)前置EDFA，給出空間光耦合到單模光纖的設(shè)計(jì)方案。

關(guān)鍵詞：光通信 光耦合 前置EDFA

中圖分類(lèi)號(hào)：TN91 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2012）12（c）-0060-02

傳統(tǒng)的光-電-光再生中繼器有許多缺點(diǎn)，首先，通信設(shè)備很復(fù)雜，系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性不高。其次，傳輸容量受到一定的限制。空間光通信因其容量大、抗干擾能力強(qiáng)、保密性好等特點(diǎn)來(lái)越得到各國(guó)的重視，在多種通信平臺(tái)上得到應(yīng)用。然而在惡劣的天氣情況，會(huì)對(duì)無(wú)線光通信系統(tǒng)的傳播信號(hào)產(chǎn)生衰耗作用，光放大器的出現(xiàn)解決了光通信系統(tǒng)中的條件限制。本文將著重研究如何高容量高速率低噪聲低功耗的傳輸信號(hào)，并且使接收端容易接收信號(hào)。

1 光放大器的選擇

光放大器一共有3種，利用稀土摻雜的光纖放大器，利用半導(dǎo)體制作的半導(dǎo)體光放大器，利用光纖非線性效應(yīng)制作的非線性光纖放大器，表1是3種光放大器的各種特點(diǎn)。

通過(guò)上表的觀察我們可以發(fā)現(xiàn)半導(dǎo)體放大器SOA明顯不符合我們的要求，與光耦合很差，偏振大，噪聲大，而且穩(wěn)定性也不好。圖表中拉曼放大器和摻稀土放大器各項(xiàng)指標(biāo)基本相同，但是光纖拉曼放大器的泵浦要求高能量輸出（500 MW），拉曼散射增益具有偏振依賴(lài)性，而摻稀土放大器中的摻鉺放大（EDFA）解決了系統(tǒng)容量提高的最大的限制光損耗補(bǔ)償了光纖本身的損耗，使長(zhǎng)距離傳輸成為可能，大大增加了功率預(yù)算的冗余，且工作頻帶正處于光纖損耗最低處（1525～1565 nm）；頻帶寬，可以對(duì)多路信號(hào)同時(shí)放大-波分復(fù)用；對(duì)數(shù)據(jù)率/格式透明，系統(tǒng)升級(jí)成本低；增益高（>40 dB）、輸出功率大（>30 dBm）、噪聲低（4～5 dB）；全光纖結(jié)構(gòu)，與光纖系統(tǒng)兼容；增益與信號(hào)偏振態(tài)無(wú)關(guān)，故穩(wěn)定性好；所需的泵浦功率低（數(shù)十毫瓦），而且EDFA其低噪聲的特點(diǎn)，也適合作為前置放大器，使其靈敏提高10～20 dB，使光信號(hào)與光纖耦合之前得到放大，并降低噪聲。

2 光放大器對(duì)靈敏度的影響

在OOK調(diào)制的數(shù)字光通信系統(tǒng)，靈敏度可用下式計(jì)算：

對(duì)于誤碼率為10-9，要求Q=6，對(duì)于誤碼率為10-7，要求Q=5.2。對(duì)于1.25Gbps的通信系統(tǒng)，若采用為0.5 nm的光濾波器，靈敏度就可以達(dá)到-46dB，而一般的APD接收機(jī)，靈敏度只能達(dá)到-38 dBm左右，光放大接收機(jī)靈敏度比APD接收機(jī)可提高8 dB。如再采用糾錯(cuò)編碼，要求的Q值還可降低，靈敏度可達(dá)到-50 dBm。減小光濾波器的帶寬，靈敏度會(huì)提高，最佳的光濾波器帶寬B0為電濾波器帶。

3 空間光與光纖耦合分析

光纖分為單模光纖和多模光纖，由于擬建立的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)所采用的為單模光纖，所以?xún)H僅考慮空間光與單模光纖之間的耦合問(wèn)題，不考慮多模光纖。由于單模光纖的纖芯直徑很小，光纖只傳輸與光纖軸方向一致的光線通過(guò)，光波在光纖中傳播要遵從麥克斯韋方程組，還要滿(mǎn)足光纖的邊界條件。因此根據(jù)波動(dòng)方程、麥克斯韋方程組、邊界條件可以推導(dǎo)出定義為歸一化截止頻率的表達(dá)其中r為光纖的纖芯半徑；λ為光纖的工作波長(zhǎng)；n1為光纖纖芯的折射率，n2為包層的折射率；k0為真空中的波數(shù)；Δ為光纖的相對(duì)折射率差。從式（2）中可以看出，對(duì)于給定光纖，存在一個(gè)臨界波長(zhǎng)λc，當(dāng)λ<λc時(shí)，是多模傳輸，當(dāng)λ>λc時(shí)，是單模傳輸，這個(gè)臨界波長(zhǎng)λc成為截止波長(zhǎng)。由此可得：

空間光經(jīng)過(guò)接收光學(xué)系統(tǒng)的匯聚后，在后焦面上形成艾里斑衍射圖樣，耦合的基本原理就是艾里斑模場(chǎng)與單模光纖模場(chǎng)之間的模式匹配。

耦合效率定義為耦合進(jìn)單模光纖中的光功率Pc與聚焦平面上接收的光功率Pa之比：

根據(jù)Parseval定理，可得入射光瞳面上η為：

其中Ei為入瞳面入射光場(chǎng)，因?yàn)閱文９饫w模場(chǎng)可以近似為高斯分布，所以不Ef為單模光纖模場(chǎng)反向傳輸?shù)饺肷涔馔鏁r(shí)的模場(chǎng)分布仍然具有高斯形式：

耦合效率與β的關(guān)系是，當(dāng)β=1.1209時(shí)，式（9）取得極大值，得最大耦合效率ηmax=81.45%，耦合損耗約0.9dB，這是平面光波到單模光纖耦合所能得到的最大耦合效率，考慮光纖端面的菲涅耳反射損耗（3.66%），則最大耦合效率為77.79%。

4 實(shí)驗(yàn)及結(jié)果分析

按照搭建完系統(tǒng)，還得進(jìn)一步精確它的位置，由于試驗(yàn)所需要的是1550 nm波段的光是不可見(jiàn)光，所以需要先用800 nm可見(jiàn)紅激光源入射光學(xué)組件，進(jìn)行粗調(diào)，安排好各光學(xué)組件之間的位置。然后換用1550波段的激光，進(jìn)行精確調(diào)整，當(dāng)有光信號(hào)進(jìn)入光纖后，用光功率計(jì)測(cè)量耦合前的功率W1，再關(guān)掉激光，從光電轉(zhuǎn)換器處獲得耦合入光纖的背景光強(qiáng)W2。然后運(yùn)用計(jì)算機(jī)進(jìn)行光柵掃描，然后再進(jìn)行跟蹤，找到其中的最大值，并計(jì)算出耦合效率。再次進(jìn)行一次光柵掃描，得到的耦合效率值對(duì)應(yīng)光纖發(fā)生橫向偏移時(shí)的值。當(dāng)用單模光纖進(jìn)行實(shí)驗(yàn)時(shí)，實(shí)驗(yàn)獲得的最大耦合效率值為61.3%。

5 結(jié)語(yǔ)

本文介紹一種基于前置光放大器的空間光接收的設(shè)計(jì)方案，對(duì)空間光耦合到單模光纖的耦合率進(jìn)行了分析，激光通信技術(shù)具有保密性好，組網(wǎng)方便，通信容量大，小巧輕便，功耗低等一系列優(yōu)點(diǎn)，所以如何能夠更好的提高光與光纖的耦合率，在未來(lái)的光纖通信中顯得更加的重要，也是當(dāng)今光纖通信的發(fā)展趨勢(shì)。

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