鄭立軍

(長(zhǎng)春大學(xué) 電子信息工程學(xué)院，長(zhǎng)春 130022)

0 引言

光纖傳輸?shù)淖畲笳系K是損耗，它直接制約著光纖的應(yīng)用和發(fā)展。遠(yuǎn)距離光纖傳輸中為了保證傳輸信號(hào)的質(zhì)量，在信號(hào)強(qiáng)度有所下降時(shí)要進(jìn)行補(bǔ)償，提高信號(hào)強(qiáng)度，這就是信號(hào)的放大。光纖放大器可實(shí)現(xiàn)對(duì)光的直接放大，具有實(shí)時(shí)，寬帶，低損耗的全光放大功能，摻鉺光纖放大器已廣泛應(yīng)用于長(zhǎng)距離大容量高速率的光纖通信系統(tǒng)中。

1 基本原理

摻鉺光纖放大器EDFA是通過(guò)受激輻射放大入射光的，相當(dāng)于一個(gè)沒(méi)有反饋的激光器。摻鉺光纖放大器的核心結(jié)構(gòu)是摻鉺光纖。其放大作用就是利用了摻鉺光纖中鉺離子在泵浦光泵浦作用下受激輻射而實(shí)現(xiàn)的。當(dāng)用較高能量的泵浦激光器來(lái)激勵(lì)EDFA時(shí)，基態(tài)(E1)的電子吸收泵浦光后大量激發(fā)到激發(fā)態(tài)(E3)，而激發(fā)態(tài)(E3)不穩(wěn)定，電子會(huì)無(wú)輻射躍遷到能量較低的亞穩(wěn)態(tài)(E2)，當(dāng)泵浦光功率足夠強(qiáng)時(shí)，會(huì)形成基態(tài)(E1)和亞穩(wěn)態(tài)(E2)的粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，當(dāng)有信號(hào)光進(jìn)入時(shí)，如果信號(hào)光的波長(zhǎng)正好合適的話，電子會(huì)從亞穩(wěn)態(tài)(E2)受激輻射躍遷到基態(tài)(E1)，同時(shí)放出與信號(hào)光頻率相同的光子，這樣信號(hào)光就得到了放大。

摻鉺光纖放大器的小信號(hào)增益可以利用下式進(jìn)行計(jì)算

式中Gs—信號(hào)增益;

αs—信號(hào)光在摻鉺光纖中的衰減系數(shù);

L—摻鉺光纖的長(zhǎng)度;

εs—定義為，這里αp是泵浦光的衰減系數(shù);

Pp(0)—單端泵浦時(shí)的輸入歸一化泵浦光功率。

上式顯示增益G與摻鉺光纖長(zhǎng)度和歸一化輸入的泵浦功率的關(guān)系。對(duì)確定的長(zhǎng)度的摻鉺光纖放大器，可以求得增益G隨輸入泵浦功率的變化關(guān)系，和給定輸入泵浦功率時(shí)摻鉺光纖放大器的增益G隨長(zhǎng)度的變化關(guān)系。對(duì)于給定摻鉺光纖結(jié)構(gòu)參數(shù)的摻鉺光纖放大器，根據(jù)上式就可以求得增益隨入射光功率，光纖長(zhǎng)度等參數(shù)變化關(guān)系。

2 理論研究

不同光纖長(zhǎng)度情況下，增益與泵浦功率的變化關(guān)系如圖1所示:

圖1 用1.55μm處小信號(hào)的Gs—Pp函數(shù)曲線

此圖給出了用1.48μm泵浦的摻鉺光纖放大器在1.55μm處的小信號(hào)增益作為泵浦功率的函數(shù)，用典型參數(shù)值計(jì)算得到的曲線圖(其中參數(shù)為 Ps=100nW，λp=1480nm，λs=1550nm，α(λp)=3dB/m，g*(λp)=1.1dB/m，α(λs)=3.3dB/m，g*(λs)=4.8dB/m，ζ=3 ×1015m-1s-1)。通過(guò)圖1 可以看出，對(duì)于給定的放大器長(zhǎng)度L，放大器增益開(kāi)始隨泵浦功率呈指數(shù)增長(zhǎng)，當(dāng)泵浦功率超過(guò)一定值時(shí)(對(duì)應(yīng)于圖1中的拐點(diǎn) )增長(zhǎng)變緩。這是由于在泵浦功率較低時(shí)，泵浦功率是限制增益的最主要因素，所以增益隨泵浦功率在開(kāi)始時(shí)是指數(shù)增長(zhǎng)的關(guān)系，當(dāng)泵浦功率增長(zhǎng)到一定程度時(shí)，摻鉺光纖中基本形成粒子數(shù)全反轉(zhuǎn)，所以這時(shí)增益隨泵浦功率的增長(zhǎng)變緩。

不同功率情況下，增益與摻鉺光纖長(zhǎng)度的變化關(guān)系如圖2所示:

圖2 用1.55μm處小信號(hào)的Gs—L函數(shù)曲線

此圖給出了用1.48μm泵浦的摻鉺光纖放大器在1.55μm處的小信號(hào)增益作為摻鉺光纖長(zhǎng)度的函數(shù)，用典型參數(shù)值計(jì)算得到的曲線圖(其中參數(shù)為Ps=100nW，λp=1480nm，λs=1550nm，α(λp)=3dB/m，g*(λp)=1.1dB/m，α(λs)=3.3dB/m，g*(λs)=4.8dB/m，ζ=3 ×1015m-1s-1)。通過(guò)圖 2 可以看出，對(duì)于給定的放大器泵浦功率Pp，放大器增益在L的一最佳值處取得最大，當(dāng)L超過(guò)最佳值時(shí)迅速下降，原因是放大器的末端未受到泵浦且吸收放大信號(hào)。

因?yàn)長(zhǎng)的最佳值依賴于泵浦功率Pp，因此有必要選擇L和Pp。上圖表明采取適當(dāng)?shù)脑O(shè)計(jì)，僅使用幾米長(zhǎng)的放大器就能實(shí)現(xiàn)高增益。圖1和圖2所示的定性特征在所有的摻鉺光纖中都曾觀察到。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果和分析

圖3是實(shí)驗(yàn)裝置示意圖。本次實(shí)驗(yàn)采用1480nm激光為泵浦源，使用雙向泵浦方式。泵浦光經(jīng)兩個(gè)波分復(fù)用器，從正反兩個(gè)方向?qū)姐s光纖進(jìn)行泵浦，使摻鉺光纖中形成粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，對(duì)信號(hào)光進(jìn)行放大。

由于泵浦光源的輸出功率是由驅(qū)動(dòng)電流控制的，所以先研究一下泵浦光源輸出功率和驅(qū)動(dòng)電流的關(guān)系，

圖3 摻鉺光纖放大器性能參數(shù)測(cè)試實(shí)驗(yàn)裝置示意圖

如圖4。

圖4 泵浦光源的輸出功率和驅(qū)動(dòng)電流的關(guān)系圖

通過(guò)圖4可以看出，泵浦光源的輸出功率和驅(qū)動(dòng)電流基本是線性關(guān)系，這對(duì)實(shí)驗(yàn)的進(jìn)行有很大的幫助。

通過(guò)改變泵浦光的驅(qū)動(dòng)電流，測(cè)得對(duì)應(yīng)的信號(hào)光經(jīng)放大器后的輸出功率，再經(jīng)過(guò)計(jì)算，得到放大器增益和泵浦功率，將所測(cè)得的數(shù)據(jù)整理畫(huà)出摻鉺光纖放大器的Gs-Pp曲線。如圖5。

圖5 摻鉺光纖放大器的Gs－Pp曲線

通過(guò)圖5可以看出，在泵浦功率較小時(shí)，放大器增益隨泵浦功率指數(shù)增加，當(dāng)泵浦功率達(dá)到一定值時(shí)，增益隨泵浦功率緩慢增加。這也驗(yàn)證了數(shù)值模擬得到的結(jié)果。

造成這種結(jié)果的原因是由于在泵浦功率較低時(shí)，泵浦功率是限制增益的最主要因素，所以增益隨泵浦功率在開(kāi)始時(shí)是指數(shù)增長(zhǎng)的關(guān)系，當(dāng)泵浦功率增長(zhǎng)到一定程度時(shí)，摻鉺光纖中基本形成粒子數(shù)全反轉(zhuǎn)，所以這時(shí)增益隨泵浦功率的增長(zhǎng)變緩。也就是說(shuō)當(dāng)繼續(xù)加大泵浦功率時(shí)，泵浦功率并沒(méi)有大部分的轉(zhuǎn)化到信號(hào)光中去，而是被浪費(fèi)掉了，這樣就降低了泵浦光的利用效率，如何提高泵浦光的泵浦效率是在實(shí)踐中需要注意的問(wèn)題。

除了泵浦功率可以影響放大器的增益，還有信號(hào)光功率和光纖的長(zhǎng)度，由于實(shí)驗(yàn)條件的限制，沒(méi)有對(duì)不同長(zhǎng)度的摻鉺光纖進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)量，不過(guò)數(shù)值模擬給出的結(jié)果同樣有一定的參考價(jià)值，下面我們討論一下輸入信號(hào)光功率對(duì)放大器增益的影響。

圖6 摻鉺光纖放大器的Gs－Ps曲線

圖6給出了放大器增益隨輸入信號(hào)功率變化的關(guān)系。當(dāng)輸入信號(hào)很小時(shí)，可以獲得很大的增益，可是當(dāng)信號(hào)光功率加大時(shí)，增益卻不斷減小。這是因?yàn)楫?dāng)信號(hào)光較小時(shí)，摻鉺光纖中的粒子數(shù)反轉(zhuǎn)程度較高，可以達(dá)到很高的增益，可是當(dāng)信號(hào)光不斷加大時(shí)，摻鉺光纖中的粒子數(shù)反轉(zhuǎn)程度隨之降低，這是由于大量的信號(hào)光子耗費(fèi)了大量的高能級(jí)的鉺離子。所以，當(dāng)信號(hào)光的功率不斷加大時(shí)，摻鉺光纖放大器的增益會(huì)不斷的降低，也就是說(shuō)一臺(tái)摻鉺光纖放大器的增益不是固定不變的，它將隨著信號(hào)的強(qiáng)度有一定的變化。這在實(shí)際使用中有很大的指導(dǎo)意義。

4 結(jié)語(yǔ)

本文從理論和實(shí)驗(yàn)兩方面對(duì)摻鉺光纖放大器的輸出特性進(jìn)行了分析，得出了放大器增益與泵浦功率，信號(hào)強(qiáng)度和光纖長(zhǎng)度的變化關(guān)系。對(duì)于給定的放大器長(zhǎng)度L，放大器增益開(kāi)始隨泵浦功率呈指數(shù)增長(zhǎng)，當(dāng)泵浦功率超過(guò)一定值時(shí)增長(zhǎng)變緩。對(duì)于給定的放大器泵浦功率Pp，放大器增益在L的一最佳值處取得最大，當(dāng)L超過(guò)最佳值時(shí)迅速下降，原因是放大器的末端未受到泵浦且吸收放大信號(hào)。增益隨輸入信號(hào)功率變化的關(guān)系是當(dāng)輸入信號(hào)很小時(shí)，可以獲得很大的增益，可是當(dāng)信號(hào)光功率加大時(shí)，增益卻不斷減小。

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