光纤放大器

光纤放大器（精选八篇）

光纤放大器 篇1

光纤放大器是一种可以直接在光域对信号实施放大的器件。除了稳定可靠的工作性能外, 它能够很好地与光纤传输中的密集波分复用系统互相兼容, 极大地降低了中继系统的维护成本, 有力地推动了光纤传输的广泛应用。目前的光放大器主要分为两大类:掺铒光纤放大器和喇曼光纤放大器。

二、掺铒光纤放大器

2.1掺铒光纤放大器工作原理

掺铒光纤放大器的工作原理与激光类似, 都是基于原子的受激辐射实现光放大。掺铒光纤是在石英光纤中掺杂适量的铒离子 (Er3+) 。光纤中铒离子在泵浦光激励下吸收能量, 由基态能带4I15/2跃迁至较高能带4I11/2, 成为泵浦态或激发态。铒离子在激发态上处于非稳定状态, 寿命较短, 很快通过非辐射跃迁的方式转变为亚稳态, 其能带为4I13/2。亚稳态上的铒例子具有较长寿命, 从而铒例子在泵浦光作用下能够在亚稳态上逐渐积累, 形成对基态的离子数反转。当光信号通过光纤时, 亚稳态的铒离子发生受激辐射, 产生一个与信号光子完全相同的光子, 从而实现了信号光的放大。

一般的掺铒光纤放大器工作于1550nm波段, 该波段为光纤的低损耗窗口。泵浦光波长为980nm或1480nm。

2.2掺铒光纤放大器的结构

掺铒光纤放大器主要由五部分组成:掺铒光纤、泵浦源、波分复用器、光隔离器和光滤波器。掺铒光纤实现信号光的放大;泵浦源为掺铒光纤提供光放大所需的泵浦能量;波分复用器将信号光与泵浦光进行合成, 注入到掺铒光纤中;光隔离器使光纤中的光实现单向传输, 防止在光纤中产生光震荡影响正常的工作状态;光滤波器的作用是消除因激发态铒例子自发辐射所产生的光噪声, 提高放大器信噪比。此外还有若干辅助电路对放大器的工作状态进行监测, 以及工作温度和功率的控制。

根据放大器的泵浦光传输形式, 可以分为三种结构:同向泵浦结构、反向泵浦结构、双向泵浦结构。

2.3掺铒光纤放大器的应用

1、基本应用形式。

掺铒光纤放大器主要有三种基本应用形式: (1) 线路放大:将放大器直接插入至光纤传输线路中作为中继器使用, 多出现于长距离的光纤传输中。 (2) 功率放大:将放大器置于光发射机之后, 以弥补光发射机功率的不足。 (3) 前置放大:将放大器置于光接收机前端, 以提高接收机灵敏度。

2、波分复用系统中的应用。

由于电信号放大设备在带宽上的限制, 需要将光信号解复用后对各个频率成分分别进行信号放大。故一个波分复用系统的中继设备包含多个电信号放大装置。掺铒光纤在波分复用系统中具有明显的优势, 其最大的优势在于:使用一个掺铒光纤放大器即可一次性对复用系统中各频率成分光信号实现放大。这种工作方式使得中继设备的维护成本大幅下降, 且系统可靠性上升, 便于维护, 见图1。

3、有线电视传输系统中的应用。

有线电视传输系统中各节点不仅要求较高的信噪比, 还要求较大的最小光接收功率。这种特性使得该网络的中继距离较低, 往往只能传输十几公里。同时网络特性要求一个光发射机能够驱动多个光节点进行工作。这两种特性对光发射设备的功率输出提出了较高的要求。将掺铒光纤放大器以功率放大方式安置于光发射机后端, 提高了光接收机的功率, 使得可负载光节点数增加, 传输距离也随之上升。

三、喇曼光纤放大器

3.1喇曼光纤放大器工作原理

喇曼光纤放大器的原理基于喇曼散射。喇曼散射过程先由泵浦光引发光纤中的非线性散射, 产生低频的斯托克斯光子, 剩余能量以分子振动形式吸收, 整个过程称为受激喇曼散射。受激拉曼散射中, 斯托克斯频移的数值由分子振动能级决定, 其数值决定了频率散射范围。信号光与泵浦光同时在光纤中传输, 当信号光处于泵浦光产生的增益范围内时, 通过喇曼散射产生光子数量的增加, 从而实现了光信号的放大, 见图2。

喇曼光纤放大器相比较于掺铒光纤放大器, 其主要优势在于可提供放大的频率范围极大, 可通过调节泵浦光的波长对任意波段进行宽带的放大, 放大范围可达到1270nm至1670nm。

3.2喇嘛光纤放大器的结构

目前喇曼光纤放大器主要有分布式与分立式两种类型。

分立式喇曼光纤放大器中放大器独立于传输线路而成为单独器件。这种形式要求放大器具有较高的增益, 因此多由掺杂锗含量较高的光纤作为增益介质。相比较于同种形式的掺铒光纤放大器, 这种形式的喇曼光纤放大器需要很长的工作长度, 且增益倍数有限, 多用于掺铒光纤放大器所无法工作的波长信号放大, 见图3。

分布式喇曼光纤放大器直接以增益介质作为传输光纤本身, 其应用前景已逐渐超过分立式喇曼光纤放大器。

3.3喇曼光纤放大器的应用

1、长距离通信线路。

对于穿越恶劣自然环境或其他不便于采用掺铒光纤放大器的传输线路, 使用分布式喇曼光纤放大器是较好的选择。它可以提高两次中继之间所允许的线路传输损耗, 从而扩大传输距离。目前常用于海底光缆及无人地带光缆等。

2、混合式光纤放大器。

虽然喇曼光纤放大器具有很大的工作带宽, 但是带宽中多个频率成分的光信号同时实现放大则需要多路泵浦光, 这就需要使用泵浦复用技术。而泵浦复用所带来的复杂结构和高成本阻碍了其在实际网络传输中的应用。为此, 将掺铒光纤放大器与喇曼光纤放大器混用可以在减少泵浦光源数量的前提下实现较大的工作带宽, 并且实现较好的增益均衡。

四、总结与展望

由于超高速率、大容量、长距离光纤通信系统的发展, 对作为光纤通信领域的关键器件———光纤放大器在功率、带宽和增益平坦方面提出了新的要求, 因此, 在未来的光纤通信网络中, 光纤放大器的发展方向主要有以下几个方面: (1) EDFA从C-Band向L-Band发展; (2) 宽频谱、大功率的光纤拉曼放大器; (3) 将局部平坦的EDFA和光纤拉曼放大器进行串联使用, 获得超宽带的平坦增益放大器; (4) 发展应变补偿的无偏振、单片集成、光横向连接的半导体光放大器光开关; (5) 研发具有动态增益平坦技术的光纤放大器。

参考文献

[1]杨建虎, 戴世勋, 胡丽丽, 姜中宏.光纤放大器应用及其进展.激光与光电子学进展, 2003 (05)

[2]熊英, 曹文华.高速光纤通信中的光纤放大器及其发展.光通信技术, 2008 (05)

光纤放大器 篇2

关键词：光纤拉曼放大器 噪声分类 噪声系数

掺铒光纤放大器（EDFA）是目前发展最为成熟的光纤放大器，在1530～1565nm波段（C波段）具有高增益、低噪声和可多路放大的优点。但是C波段仅占光纤低损耗频谱的一小部分，因此人们开发了L波段（1570～1620nm）的EDFA和S波段（1480～1530nm）的TDFA等其它波段的光放大器。然而，这当中最为引人注目的是光纤拉曼放大器（FRA），因为它是唯一一种光纤基全波段放大器。光纤拉曼放大器的工作原理是基于石英光纤中的受激拉曼散射（SRS）效应，在形式上表现为处于泵浦光的拉曼增益带宽内的弱信号与强泵浦光波同时在光纤中传输，从而使弱信号光得到放大。

光纤拉曼放大器在SDH系统中的应用主要是针对超长跨距的光纤传输系统，例如跨海通信、陆地长距离光纤传输。在这些情况下，将分布式光纤拉曼放大器用作前置光纤放大器，凭借其低噪声特性，提高系统的整体接收灵敏度，从而延长传输距离或提高系统设计余量。由于分布式光纤拉曼放大器的特殊性，必须考虑使用的安全性、可靠性、合理性。从实际使用的要求看，应该满足这些要求：1.具有信号光功率监控和无光自动关断的功能；2.泵浦输出功率稳定，尽可能采用硬件电路死循环控制的恒定功率输出方式；3.在信号波长处具有足够大的有效增益。4.应充分考虑实际光缆的衰减系数和整个跨段的衰耗。

一、光纤拉曼放大器的噪声分类

拉曼放大器的噪声组成除了ASE外，还会有其他的噪声源也会对拉曼放大器的噪声系数作贡献。这就是我们在下面分析等效噪声系数的时候说明把ASE作为唯一计算噪声源具有局限性的原因。一般认为拉曼放大器中的噪声源主要有3个来源：（1）ASE噪声（2）双瑞利散射（3）泵浦-信号串话噪声。

1. ASE噪声

ASE噪声的产生机理是这样的：自拉曼散射光会与信号一起同时被放大从而构成对放大信号的干扰而产生噪声。这里我们应该说明的是实际上我们测量的ASE噪声应该包括放大信号注入噪声、ASE注入噪声、信号ASE自拍频噪声和ASE拍频噪声四个部分。

2. 双瑞利散射

当拉曼放大器具有较大的净增益，而且信号的输入功率较大，或者光纤的有效截面积较小，瑞利散射系数较大的情况下，注入信号在双瑞利散射将会引起放大器性能的严重恶化，这表明双瑞利散射信号是伴随着信号而产生的，会和信号发生相互干扰。由于双瑞利散射噪声和信号在同一个频带内，因此双瑞利散射无法在接受端通过滤器器将其去除。

3. 泵浦信号串扰噪声

由于拉曼散射的响应时间非常快，因此泵浦功率的波动往往会引起拉曼增益的波动，这样就会使得输出信号的光功率发生波动，这样就会导致放大波段信道的相对强度噪声（RIN）比泵浦光源的相对强度噪声还差。研究表明，由于RIN下降，对于单段NDSF来说将会导致0.1dB的功率代价（此时泵浦的RIN在前向泵浦的为-110dB/Hz，后向泵浦为-29dB/Hz）。当泵浦激光器的RIN超过这个限度时，会使得系统性能迅速恶化。

二、光纤拉曼放大器的噪声系数

噪声是放大器的关键参数，当评估拉曼放大器的系统性能时必须将噪声的影响考虑在内。在拉曼放大器的噪声组成中，放大的自发辐射（ASE）和瑞利散射（DRS）是主要的噪声来源。我们下面将对它们进行分析，并分析它们对噪声系数的贡献。

对于噪声的评价，我们通常采用噪声系数作为噪声性能评价指标。对于一个具有增益为G的两端口器件其噪声系数定义为输入信噪比[WTBX]（SNRi）和输出信噪比（SNRo）之间的比值（两者都是电域的信噪比）。

但是因为拉曼放大器是分布式放大的，其拉曼增益和ASE噪声的产生也是随着传输光纤分布的。因此为了评价放大器的性能，我们通常使用有效噪声系数作为分布式拉曼放大器的噪声评价。等效噪声系数的定义如图所示。

三、结论

在光纤拉曼放大器中，增益和噪声是两个相互矛盾的因素，增益越大，信号输出功率越大，但噪声功率也越大，结果使得信噪比恶化。因此，在实际应用当中应在不在保证一定的信噪比的情况下提高增益，尽量减少几种主要噪声源的影响。实际上在拉曼放大器中还存在其它的噪声影响，如非线性效应产生的噪声等，在应用中也应该加以考虑。

参考文献：

[1]S.A.E.Lewis，S.V.Chernikov，J.R.Taylor “Characterization of double Rayleigh scatter noise in Raman Amplifiers”IEEE PHOTONICS TECHNOLOGY LETTERS，VOL.12，Issue 5，MAY 2000.

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[3]乔桂红.《光纤通信》人民邮电出版社，2009.

光纤放大器在无线光通信的应用 篇3

无线光通信是以激光作为信息载体,是一种不需要任何有线信道作为传输媒介的通信方式。与微波通信相比,无线光通信所使用的激光频率高,方向性强(保密性好),可用的频谱宽,无需申请频率使用许可;与光纤通信相比,无线光通信造价低,施工简便、迅速。它结合了光纤通信和微波通信的优势,已成为一种新兴的宽带无线接入方式,受到了人们的广泛关注。但是,恶劣的天气情况,会对无线光通信系统的传播信号产生衰耗作用。空气中的散射粒子,会使光线在空间、时间和角度上产生不同程度的偏差。大气中的粒子还可能吸收激光的能量,使信号的功率衰减,在无线光通信系统中光纤通信系统低损耗的传播路径已不复存在。大气环境多变的客观性无法改变,要获得更好更快的传输效果,对在大气信道传输的光信号就提出了更高的要求,一般地,采用大功率的光信号可以得到更好的传输效果。随着光纤放大器(EDFA)的迅速发展,稳定可靠的大功率光源将在各种应用中满足无线光通信的要求。

1 EDFA的原理及结构

掺铒光纤放大器(EDFA)具有增益高、噪声低、频带宽、输出功率高、连接损耗低和偏振不敏感等优点,直接对光信号进行放大,无需转换成电信号,能够保证光信号在最小失真情况下得到稳定的功率放大。

1.1 EDFA的原理

EDFA的泵浦过程需要使用三能级系统,如图1所示。

在掺铒光纤中注入足够强的泵浦光,就可以将大部分处于基态的Er3+离子抽运到激发态,处于激发态的Er3+离子又迅速无辐射地转移到亚稳态。由于Er3+离子在亚稳态能级上寿命较长,因此很容易在亚稳态与基态之间形成粒子数反转。当信号光子通过掺铒光纤时,与处于亚稳态的Er3+离子相互作用发生受激辐射效应,产生大量与自身完全相同的光子,这时通过掺铒光纤传输的信号光子迅速增多,产生信号放大作用。Er3+离子处于亚稳态时,除了发生受激辐射和受激吸收以外,还要产生自发辐射(ASE),它造成EDFA的噪声。

1.2 EDFA的结构

典型的EDFA结构主要由掺铒光纤(EDF)、泵浦光源、耦合器、隔离器等组成。

掺铒光纤是EDFA的核心部件。它以石英光纤作为基质,在纤芯中掺入固体激光工作物质铒离子,在几米至几十米的掺铒光纤内,光与物质相互作用而被放大、增强。光隔离器的作用是抑制光反射,以确保放大器工作稳定,它必须是插入损耗低,与偏振无关,隔离度优于40 dB。

图2为单向泵浦方式结构,此外还有反向泵浦,双向泵浦方式结构。

1.3 EDFA的特性及性能指标

增益特性表示了放大器的放大能力,其定义为输出功率与输入功率之比:

$G=10\lg \frac{{\rm P}{}_{\text{o}\text{u}\text{t}}}{{\rm P}{}_{\text{i}\text{n}}}(\text{d}\text{B})(1)$

式中:Pout,Pin 分别表示放大器输出端与输入端的连续信号功率。增益系数是指从泵浦光源输入1 mW泵浦光功率通过光纤放大器所获得的增益,其单位为dB/mW:

$g(z)=\frac{g{}_0}{1+{\rm I}/{\rm I}{}_{\text{S}}}=\frac{g{}_0}{1+{\rm P}/{\rm P}{}_{\text{S}}}(2)$

式中:g0是由泵浦强度定的小信号增益系数,由于增益饱和现象,随着信号功率的增加,增益系数下降;IS,PS分别为饱和光强和饱和光功率,是表明增益物质特性的量,与掺杂系数、荧光时间和跃迁截面有关。

增益和增益系数的区别在于:增益主要是针对输入信号而言的,而增益系数主要是针对输入泵浦光而言的。另外,增益还与泵浦条件(包括泵浦功率和泵浦波长)有关,目前采用的主要泵浦波长是980 nm和1 480 nm。由于各处的增益系数是不同的,而增益须在整个光纤上积分得到,故此特性可用以通过选择光纤长度得到较为平坦的增益谱。

1.4 EDFA的带宽

增益频谱带宽指信号光能获得一定增益放大的波长区域。实际上的EDFA的增益频率变化关系比理论的复杂得多,它还与基质光纤及其掺杂有关。在EDFA的增益谱宽已达到上百纳米.而且增益谱较平坦。EDFA的增益频谱范围在1 525～1 565 nm之间。

2 EDFA的级联应用

2.1 EDFA的级联结构

EDFA对光信号功率的放大,特别在无线光通信大功率(瓦级)应用中,常常采用级联的方式,比如两级或者三级放大。之所以采用级联的方式,是因为在EDFA的掺铒光纤(EDF)中插入一个光隔离器,构成带光隔离器的两段级联EDFA,由于光隔离器有效地抑制了第二段EDF的反向自发辐射(ASE),使其不能进入第一段EDF,减少了泵浦功率在反向ASE上的消耗,使泵浦光子更有效地转换成信号光能量,从而可以明显改善EDFA的增益、噪声系数和输出功率等特性。

本文采用两级级联放大,将1～2 mW的1 550 nm光信号,经EDFA放大到1 W左右。级联结构如图3所示。

光信号由LD激光器产生,是已调制的信号,第一级放大采用单包层掺铒光纤放大器,980 nm单模半导体激光器作为泵浦源,将光功率放大到50 mW附近。第一级采用单模半导体激光器泵浦,先将光信号稳定可靠的放大到一定功率,保证了整个光信号的完整,又为下一级光放大提供了较高的光功率基础。第二级采用双包层光纤放大器,多模半导体激光器泵浦源将光功率放大到1 W左右。双包层光纤放大器纤芯比单包层纤芯大,泵浦功率可以有效地耦台到纤芯中,使第二级光信号的输出功率可达到瓦级。

2.2 EDFA级联应用的增益

2.2.1 增益计算

对EDFA级联的整体光功率增益:

$G=10\lg \frac{{\rm P}{}_{\text{o}\text{u}\text{t}}}{{\rm P}{}_{\text{i}\text{n}}}(\text{d}\text{B})(3)$

其中:Pout表示EDFA两级放大后的输出光功率,Pin表示需要放大的输入光功率。

在本文中,光放大采用了两级级联放大,第一级增益为G1:

$G{}_1=10\lg \frac{{\rm P}{}_{\text{o}\text{u}\text{t}}^{´}}{{\rm P}{}_{\text{i}\text{n}}}(\text{d}\text{B})(4)$

第二级增益为G2:

$G{}_2=10\lg \frac{{\rm P}{}_{\text{o}\text{u}\text{t}}}{{\rm P}{}_{\text{i}\text{n}}^{´}}(\text{d}\text{B})(5)$

其中第一级的输出为第二级的输入,P ′out=P ′in=P,所以:

$\begin{array}{l}G=10\lg \frac{{\rm P}{}_{\text{o}\text{u}\text{t}}}{{\rm P}{}_{\text{i}\text{n}}}=10\lg (\frac{{\rm P}{}_{\text{o}\text{u}\text{t}}}{{\rm P}{}_{}}\cdot \frac{{\rm P}}{{\rm P}{}_{\text{i}\text{n}}})=\\ 10\lg (\frac{{\rm P}{}_{\text{o}\text{u}\text{t}}}{{\rm P}{}_{\text{i}\text{n}}^{´}}\cdot \frac{{\rm P}{}_{\text{o}\text{u}\text{t}}^{´}}{{\rm P}{}_{\text{i}\text{n}}})=10\lg \frac{{\rm P}{}_{\text{o}\text{u}\text{t}}}{{\rm P}{}_{\text{i}\text{n}}^{´}}+10\lg \frac{{\rm P}{}_{\text{o}\text{u}\text{t}}^{´}}{{\rm P}{}_{\text{i}\text{n}}}\\ =G{}_1+G{}_2\end{array}$

即,整体增益等于两级增益之和,本文的整体光功率增益为:

$G=10\lg \frac{{\rm P}{}_{\text{o}\text{u}\text{t}}}{{\rm P}{}_{\text{i}\text{n}}}=10\lg (1000/1)=30\text{d}\text{B}$

第一级增益为17 dB,第二级增益为13 dB,1 W的光功率经过准直聚焦,再有光学镜头发射到大气信道,大大提高了光信号的有效传输距离。

2.2.2 影响增益的因素

EDFA的增益与诸多因素有关,如掺铒光纤的长度,随着掺铒光纤长度的增加,增益经历了从增加到减少的过程,这是因为随着光纤长度的增加,光纤中的泵浦功率将下降,使得粒子反转数降低,最终在低能级上的铒离子数多于高能级上的铒离子数,粒子数恢复到正常的数值。

由于掺铒光纤本身的损耗,造成信号光中被吸收掉的光子多于受激辐射产生的光子,引起增益下降。由上述讨论可知,对于某个确定的入射泵浦功率,存在着一个掺铒光纤的最佳长度,使得增益最大。

增益与掺铒光纤长度的关系如图4所示。

EDFA的增益还跟输入光的程度、泵浦光功率及光纤中铒离子Er3+的浓度都有关系,如小信号输入时的增益系数大于大信号输入时的增益系数。当输入光弱时,高能位电子的消耗减少并可从泵激得到充分的供应,因而,受激辐射就能维持达到相当的程度。当输入光变强时,由于高能位的电子供应不充分,受激辐射光的增加变少,于是就出现饱和。泵浦光功率越大,掺铒光纤越长,3 dB饱和输出功率也就越大。其次与当Er3+的浓度超过一定值时,增益反而会降低,因此要控制好掺铒光纤的铒离子浓度。

采用EDFA后,提高了注入光纤的功率,但当大到一定数值时,将产生光纤非线性效应和光泄漏效应,这影响了系统的传输距离和传输质量。另外色散问题变成了限制系统的突出问题,可以选用G653光纤(色散位移光纤DSF)或非零色散光纤(NZDF)来解决这一问题。

2.3 EDFA级联的改进

之所以采用EDFA级联的方式,一是插入两级间的光隔离器有效地抑制了第二段EDF的反向自发辐射(ASE),使其不能进入第一段EDF,减少了泵浦功率在反向ASE上的消耗,使泵浦光子更有效地转换成信号光能量;二是分为两级后,各自的增益可以任意分配,可以根据不同的增益要求和应用环境改变相应的增益。

但是,要在保证信号无失真的情况下得到最佳的光功率增益,还需要解决一些问题:

(1) 由于增益分为两级,如何分配两级间的增益才能在现有的EDF、泵浦源功率等条件下使得光放大的实现更容易,这与EDF的放大能力,泵浦远功率大小、稳定性,泵浦光波长及其模式等均有密切相关。

(2)在每一级各自一定的泵浦功率下,找到掺铒光纤的最佳长度。当EDF过短时,由于对泵浦吸收的不充分而导致增益降低;而当EDF过长时,由于泵浦光在EDF内被铒离子吸收,泵浦功率逐渐下降,当功率降至泵浦阈值以下时,就不能形成粒子数反转,此时,这部分EDF不仅对信号光无放大作用,反而吸收了已放大的部分信号,造成增益的下降,同时也会引起噪声系数的增大。

(3) 如果需要更高的光功率输出,几十瓦甚至上百瓦,可考虑更高级联的方法,因为随着增益的增大,泵浦源由于转换效率的问题,功率需求会很高,所需的单级EDF长度也会大大增长,这样的工作条件往往不易达到,且稳定性不强,采用更高级联可以将增益划分到多级,易于实现和控制,光模块的整体增益特性也有较大提高。

3 结 语

本文提出了采用EDFA级联的方法,实现了光信号30 dB的增益,满足无线光通信光功率传播的要求,使得光信号能在大气信道进行远距离,高稳定性传输。同时在现有的基础上,提出了需改进的问题,为今后研究的进一步开展指出了方向。

参考文献

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光纤放大器 篇4

随着光纤通信系统传输距离和系统容量的不断扩展,光纤拉曼放大器(FRA)诱人的潜力及前景引起了业界普遍的重视。FRA与新型大有效面积传输光纤、高光谱效率调制码型和前向纠错技术一起成为现代大容量、长距离光纤传输的几项使能技术。目前,其在新部署的80波和160波密集波分复用(DWDM)系统中得到了广泛的应用。FRA因其增益可调、增益谱可调等特点而特别适合与线路衰减补偿器(LAC)、掺铒光纤放大器(EDFA)等配套使用,以实现智能化的复用段层和通道层的光功率自动均衡,即功率自动管理功能。同时,FRA还具有便于现有系统升级、可对任意信号波段进行放大、可获得较大放大间隔从而降低成本、使用灵活多样等优点。当然FRA也存在缺点,如增益效率低、大功率泵浦容易造成光纤端面损坏等,需要进一步解决。本文旨在设计实现一种实用的多泵浦FRA,讨论FRA设计实现中的一些理论和实际问题,并设计相关实验测试放大器的性能。

1 FRA的理论模型

1997年,H.Kidorf 等人首次给出了完整的模拟FRA的功率耦合方程,其中考虑了泵浦对泵浦、泵浦对信号以及信号对信号的复杂的拉曼相互作用,与温度相关的自发辐射噪声以及瑞利散射导致的多径干扰等作用,所得结果与试验结果很吻合,已经被广泛地应用于FRA的稳态模拟和设计[1]。后来,人们又完善了计算FRA瞬态特性的动态模型,完善了FRA的模拟[2]。功率耦合方程的求解可以考虑使用平均功率算法[3]。

在实际的含有FRA的DWDM传输系统中,一般采用多波长拉曼泵浦源进行反向泵浦以获得宽带增益谱,同时抑制泵浦对信号的串扰以及偏振相关影响。可以采用改进的遗传算法和粒子群优化算法对宽带FRA的泵浦波长和功率进行优化,同时获得均匀的增益谱输出。通常选用4～6个泵浦源就可以获得60 nm乃至80 nm的超宽带增益带宽。在实际应用中,由于泵浦波分复用(WDM)的限制,一般采用相同间隔的泵浦波长配置[4]。本文作者实现的FRA选用1 434、1 454、1 474和1 494 nm 4个等间隔波长泵浦,单个波长最大输出功率为200 mW时,可以实现大约60 nm平坦增益谱。

FRA应具有动态增益调节功能(DGSA),其可以通过调泵迭代算法实现。图1是4泵浦、100 km单模光纤、75波系统中经过若干次迭代后增益谱(净增益)从0 dB调到-4 dB的仿真结果。可见此系统可以实现60 nm平坦增益。

2 FRA的实现

FRA的框图如图2所示,光纤的熔接损耗<0.2 dB。电路设计应该实现自动温度控制、电源缓启动和无光告警等功能。在实际传输线路中,还要增加自动增益控制、自动关断和各种监控功能。由于FRA需要较高的泵浦光功率,因此泵浦源驱动电路必须能够提供较大且稳定的驱动电流。同时,驱动电路还应该有足够快的响应速度,以便在传输线路变化时能保证传输信号性能的稳定。本文采用的驱动电路如图3所示。

为了获得大的驱动电流,此负反馈电路的U1和T分别选用了轨对轨运算放大器和高功率达灵顿管。R7为驱动电流采样电阻,其值较小,故一般在其后级经过特定系数的放大后再反馈到U1的负端,以保证足够的反馈量,但较大的反馈会导致电压波动,因此需要选择合适的放大倍数,在速度和稳定性之间权衡。积分电路C1值的选取也是同样的道理。

对于驱动电流采集部分,由于需要几十mA到1.5 A的电流来实现精确控制和性能参量采集,所以对运放的失调电流、失调电压有一定的要求。对于单电源供电的运放,即使是rail to rail型的运算放大器,输出电压仍然有一定的范围限制,所以只能采用双电源供电的运放。

三极管T应该工作在放大状态,此时Vbe>Von, Vbe<Vce。在温度较高的时候,β值会变大,可驱动的最大电流也会变大。经仿真和测试得知,此电路可以稳定输出1.5 A的电流,并有足够的余量和响应速度。在高低温恶劣环境下进行的可靠性实验(高温65 ℃,低温-15 ℃)表明电路可以可靠工作。

微控板主要用来采集泵浦背光功率、泵浦温度和从PD转换来的增益信息,完成自动调泵算法,输出泵浦驱动电压和LED告警信号,同时还可以通过RS232串口与计算机通信。

3 传输实验与性能分析

为了测试FRA在传输系统中的性能,我们设计了如图4所示的EDFA+FRA混合传输实验。实验测得FRA的插入损耗为0.5 dB,光纤为普通单模光纤。设定FRA接入传输系统且工作的情况下增益都为5 dB,入纤功率为0 dBm。

分别测试了单纯EDFA、反向泵浦A.150 km处接入、反向泵浦B.75 km处接入、B点接入后又关掉FRA和前向泵浦从C端接入等5种情况下的误码率曲线,并且分别与背靠背(B2B)方式进行比较。测试结果如图5～图9所示。在误码率BER=1.0E-9时,分别计算了这5种情况与B2B方式相比的功率代价,计算结果见表1。由表1可以看到,反向泵浦A.150 km处的功率代价最低,且与纯EDFA方式差不多,但并不比单纯EDFA方式更好,这说明FRA与EDFA的增益相比太小,不能体现出FRA对系统性能的改善。

4 结 论

FRA的设计涉及理论、器件和系统等诸多问题。本文作者从FRA的实际应用考虑,设计了一个4泵浦的实验样机。从驱动电路设计、传输实验方面得出了一些结论。设计和实验表明,泵浦驱动电路必须从驱动能力、可稳定范围和响应速度等方面进行设计,以实现功率大且稳定的光输出。系统传输必须优化EDFA和FRA的作用,否则并不会体现出FRA对传输性能的改善。本文并没有对FRA增益>5 dB时的情况和自动增益谱调节的效果进行讨论,这需要通过对软硬件的进一步改进和调试来实现。

参考文献

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光纤放大器 篇5

近年来,IT产业这一新名词不断出现在人们的视野中,对它的讨论也不绝于耳。而作为其发展进程中必不可少的一环,人们对通信容量和带宽传输的要求也在日益提高。波分复用(WDM)光纤通信技术是有效解决这一迫切需求的秘方良药。但是,WDM系统的发展需要有光放大器做其强有力的后盾。相较昂贵且复杂的光—电—光(3R)中继放大器,光放大器以其成本低、结构简单、对光信号比特率和调制透明的优点,获得更多的研究机会。应用在WDM光纤通信系统中的光纤拉曼放大器(FRA)的一个基本要求是在整个工作波段内具有较好的增益平坦度,这是因为WDM信号的平坦度对各路信号的光信噪比(OSNR)有重要影响,并且,各信道之间较大的功率差异会增加WDM信道解复用器输出端的串话。目前,主要采用两种方法来拓展光纤放大器的平坦增益带宽:一种是混合光纤放大器;另一种是多波长泵浦的FRA。

多波长泵浦的FRA是采用不同激射波长的多个泵浦源对拉曼增益光纤实施泵浦,由多个泵浦源实现的多个拉曼增益带相叠加形成带宽的增益放大。

文章讨论了多泵浦FRA增益平坦度的优化算法。

1 多泵浦拉曼光纤放大器的理论模型[1]

图1给出了一个多波长泵浦的FRA的基本原理结构示意图。利用高非线性光子晶体光纤、色散补偿光纤或者其它高非线性光纤作为拉曼增益介质,多个不同激射的泵浦源和不同波长的信号光通过波分复用耦合器引入到拉曼增益光纤中。由图可知,由于拉曼增益光纤中同时传输多个波长的泵浦光和信号光,因此这种多波长泵浦的FRA的功率耦合涉及到泵浦光到信号光、泵浦光到泵浦光、信号光到信号光之间的拉曼增益过程,还包括自发辐射噪声和自发热噪声的产生以及后向瑞利散射的放大过程。更完整的模型还要包括各种非线性效应如受激布里渊散射、高阶斯托克斯波和反斯托克斯波的产生,以及自发拉曼散射噪声、自发热噪声和瑞利散射。但是自发拉曼散射和瑞利散射不会影响拉曼增益谱,所以在忽略上述几种影响的情况下,多泵浦FRA增益过程的功率耦合方程可以表示为:

式中,当vi>vj,gij=gvi(vi-vj),或当vi>vj,gij=-vj vi·Pk(vi-vj);其中gv为拉曼增益系数;Keff为偏振相关系数(1≤Keff≤2),Keff=1时表示信号和泵浦偏振方向平行,Keff=2时表示信号和泵浦偏振方向处于随机状态;Aeff是光纤的有效模场面积;a为衰减系数;Pp、Ps分别为泵浦和信号功率,v为信号或泵浦频率。

式(1)表示增益过程的信号光功率耦合方程。右边第一项表示信号的衰减;第二项中包括泵浦光对信号光的拉曼增益和信号间的拉曼散射作用,信号间的拉曼散射作用包括此信号对长波长信号的拉曼散射作用和短波长信号对该信号的拉曼散射作用。

式(2)是多泵浦光源FRA增益过程的泵浦光功率耦合方程。右边第一项是泵浦功率的衰减,第二项是泵浦对信号的散射作用,即泵浦功率向信号功率的转移,第三项是泵浦之间的相互作用,包括更高频率的泵浦光对本泵浦光的拉曼散射作用和本泵浦光对更低频率的泵浦光的散射作用。

式(1)、(2)也可以用一个方程来表示

此时,Pk表示第k个泵浦光功率(k=1,2,…,n)或第k个信号光功率(k=n+1,…,m+n);v是按降序排列的,即vi>vj(i

式中各项的意义为:右边第一项是功率的衰减项,第二项表示更高频率的信号或泵浦光对第k个信号或泵浦光的拉曼散射作用,它使得Pk的功率增加,第三项是第k个信号或泵浦光对更低频率的信号或泵浦的散射作用,它使得Pk的功率下降。

2 影响增益平坦的因素[2]

2.1 泵浦方式

采用前向泵浦时,由于泵浦光和信号光基本上同步传输,所以泵浦噪声会严重影响放大信号的噪声。当泵浦光在时域上有轻微的能量波动时,信号光的不同字节得到的放大就会不一样,引起振幅波动。

而采用后向泵浦时,信号光的每一位会受到不同泵浦光的放大,这样拉曼泵浦的功率不同产生的放大就可以得到平均[3]。

所以,前向泵浦带来的信号光和泵浦光的串扰较大,噪声性能较差;而后向泵浦可抑制泵浦诱发的高频偏振和强度噪声,所以在实际应用中经常采用。

2.2 泵浦波长

对于单波长泵浦的FRA,为了获得最大的增益,选取泵浦波长时应使被放大的信号光处在拉曼增益谱中心波长附近。对于单模光纤来说,也就是使泵浦波和信号波的频率相差13THz左右。

由于单个泵浦的拉曼增益不平坦,带宽也只有30nm,而且对于泵浦功率要求较高,因此目前大多采用多波长泵浦方式。一方面可以实现较宽的增益,同时不需要利用平坦滤波器就可以实现增益平坦;另一方面也可以降低对泵浦的功率要求。

2.3 光纤的性质

在FRA中,传输光纤是放大介质,其作用相当于掺铒光纤放大器(EDFA)中的掺铒光纤。因此,我们必须深入研究它的性质。

根据受激拉曼散射理论,FRA的开关增益Gon-off表示为:

式中,Leff=1/ap[1-exp(-apL)],从式(4)可以看出,开关增益的大小与光纤的拉曼增益系数gR、光纤有效芯径面积Aeff、光纤损耗系数a和光纤长度L有关。在实际应用中还要考虑光纤的芯/包层相对折射率差Δ,拉曼效率系数CR=gR/A e ff和拉曼净增益G=Go n-o ff-a L。

现有石英光纤的拉曼增益效率低,故要求的泵浦光功率较高。为了获得较高的增益,人们尝试了各种不同类型的光纤作为增益介质。表1给出了5种典型光纤用于拉曼增益介质时的参数[4]。

在表1中,光纤A表示的是标准单模光纤(SMF);光纤B表示的是色散位移光纤(DSF);光纤C表示的是色散平坦光纤(DFF);光纤D表示的是色散补偿光纤(DCF);光纤E表示的是高非线性系数光纤(HNLF)。

由式(4)和表1可以看出,在进行优化设计选取光纤时必须考虑以下几个参量:

(1)纤芯掺杂浓度。拉曼增益系数gR与介质折射率的三阶非线性项有关,在光纤中它的大小与掺杂浓度有关。拉曼效率系数CR随着△的增大而增大。但是,随着掺杂浓度的增大,光纤损耗系数也相应增大,将超过可接受的范围,引起附加增益损耗,从而减少增益效率。另一方面,掺杂浓度过大也会引起瑞利散射的增大,从而降低信噪比。

(2)光纤损耗系数a。一方面,随着损耗系数的增大,光纤的有效长度Leff减小,拉曼净增益也相应减小;另一方面,噪声指数随着损耗系数的增大而增大。故总的来说,光纤的损耗系数是越小越好。

(3)有效纤芯面积Aeff。有效纤芯面积主要与光纤的波导结构有关[5]。在其它条件相同的情况下,开关增益随着有效纤芯面积的减小而增大。

(4)光纤长度。

图2[6]给出了拉曼净增益随光纤长度变化的曲线。从图中可以看出,随着光纤长度的增加,增益曲线将趋于饱和。同时,当光纤较长时噪声指数也变大。因此,在获得一定增益的同时,应选择最短的饱和长度。

综上所述,为了得到高增益、低噪声指数的FRA,我们应选择拉曼增益系数高(即纤芯掺杂浓度高)、光纤损耗系数低、有效纤芯面积小的光纤。同时,在保证增益的前提下,应尽量选择长度较短的光纤。

3 多泵浦拉曼光纤放大器的优化算法

3.1 现有优化设计算法简介

在信号工作频段内保持增益谱的平坦化是WDM光纤传输系统对光放大器的基本要求。但由于光学非线性的特殊放大机制以及多波长泵浦的技术手段,FRA获得平坦化的增益谱是优化设计的一个技术难点。

宽带FRA中,泵浦到泵浦、泵浦到信号、信号到信号都存在复杂的SRS作用,要解决这样一个多目标且多自由度的非线性优化问题是具有一定难度的。现存的增益谱优化算法大致如下:

(1)1982年,Kirkpatrik等人将退火思想引入到组合优化过程,提出一种解大规模组合优化问题,特别是NP完全优化问题的有效近似算法——模拟退火算法(simulated annealing algorithm)。它源于对固体退火过程的模拟,采用Metropolis接受准则。但是,这种优化方法效率较低,返回高质解所需的优化时间较长,实用性不强,无法满足多泵浦FRA优化设计的需求[7]。

(2)2001年,Namiki等人提出,多泵浦结构FRA的总增益谱由各泵浦的增益谱叠加而成,而单个泵浦的增益形状和大小分别由其波长和沿光纤的功率积分决定,据此可以对泵浦波长及功率进行优化。但是这种方法需要优化泵浦功率沿光纤的积分,进而求出相应的最优化泵浦配置,整个过程过于烦琐[8]。

(3)2002年,Perlin等人采用遗传算法,以泵浦波长和泵浦功率积分作为优化对象,以增益平坦度作为适应度函数进行优化,然后通过迭代获得所需要的泵浦功率遗传算法具有全局搜索性,理论上一定可以获得全局最优的泵浦配置方案[9]。

(4)1995年,Kennedy和Eberhart等人提出了粒子群算法(PSO),这是一种进化计算技术。其基本思想源于对鸟群捕食行为的研究。经过几年的发展与完善,该算法已经广泛应用于函数优化、神经网络训练、模式分类、模糊系统控制以及其它很多应用领域[10]。

直到现在,关于宽带FRA泵浦优化的讨论仍不断涌现,如混合遗传算法、线性矩阵法、神经网络模型等。但是由于FRA的模型复杂性,其增益不平坦度与泵浦配置之间的关系难以简单表达,在整个泵浦空间中可能存在若干个局部最佳配置点,因此,目前在全局范围快速准确地找到最优解的有效方法仍在研究中。

3.2 用遗传算法优化FRA

遗传算法(genetic algorithms)是一种借鉴生物界自然选择和自然遗传机制的高度并行、随机、自适应搜索算法,它主要用在处理最优化问题和机器学习。隐含并行性和对全局信息的有效利用能力是遗传算法的两大显著特点。前者使遗传算法只须检测少量的结构就能反映搜索空间的大量区域,后者使遗传算法具有鲁棒性,遗传算法尤其适于处理传统搜索方法解决不了的复杂和非线性问题。

通过模拟自然进化过程,遗传算法利用某种编码技术作用于称为染色体的二进制数值串,其基本思想是模拟由这些串组成的群体的进化过程。遗传算法通过有组织的,然而是随机的信息交换来重新组合那些适应性比较好的串,在每一代中,利用上一代串结构中适应性好的位和段来生成一个新的串的群体;作为额外增添,偶尔也要在串结构中尝试用新的位和段来代替原来的部分。类似自然进化,遗传算法通过作用于染色体上的基因,寻找好的染色体来求解问题。它对求解的问题本身一无所知,它所需要的仅仅是对算法所产生的每个染色体进行评价,并基于适应性来选择染色体,使适应性好的染色体比适应性差的染色体有更多的繁殖机会。遗传算法是一种随机算法,但它不是简单的随机走动,它可以有效利用已有信息来搜寻那些有希望改善解质量的串。它的优点是编码简单,不受搜索空间限制假设的约束,不必要求诸如连续性、导数存在和单峰等假设,以及固有的并行性[11]。

由于遗传算法是自然遗传学和计算机科学相互结合渗透而成的新的计算方法,因此遗传算法中经常使用许多自然进化的基础用语。

(1)群体(Population)和个体(Individuals)。遗传算法中,染色体对应的是数据或数组,通常以一维串结构数据表现。算法处理的对象是染色体,或者叫基因个体。一定数量的个体组成了群体或叫集团。

(2)群体规模(Population size)。群体中个体的数目称为群体的大小,也叫群体规模。

(3)适应度函数(Fitness function)。各个个体对环境的适应程度叫做适应度。在遗传算法中使用适应度这个概念来度量群体中各个个体在优化计算中能达到或接近于或有助于找到最优解的优良程度。度量个体适应度的函数称为适应度函数。

(4)编码(Coding)和解码(Decoding)。遗传算法用两个必须的数据转换操作来描述问题的可行解,即把一个问题的可行解从其解空间转化到遗传算法所能处理的搜索空间的转换方法就称为编码。反之,称为解码。

(5)选择(Selection)、交叉(Crossover)和变异(Mutation)。选择就是根据各个个体的适应度值,按照一定的规则或方法从上一代群体中选择一些优良的个体遗传到下一代群体中。这样就体现了达尔文的适者生存原则。交叉就是将群体内的各个个体随机搭配成对,对每一个个体,以某个概率(称为交叉概率)交换它们之间的部分染色体。交叉体现了信息交换的思想。变异是对群体中的每一个个体,以某一概率(称为变异概率)改变某一个或某一些基因座上的基因值为其它等位基因。变异为新个体的产生提供了机会。

遗传算法的计算过程示意框图如图3所示,其一般计算步骤是:1)随机产生一个由确定长度的特征串组成的初始群体;2)对串群体迭代的执行下面的步骤a和b,直到满足停止准则;a.计算群体中每个个体的适应性;b.应用复制、杂交和变异算子来控制产生下一代群体;3)把在任一代中出现的最好的个体串指定为遗传算法的执行结果。这个结果可以表示问题的一个解(或近似解)。

具体应用到设计多泵浦光源FRA时,其步骤如下[12]:

确定泵浦的数量和需要放大的波长范围,在此范围内随机产生选取N个泵浦光的波长和功率组合作为样本;

计算这些泵浦光组合的增益曲线

用式(5)来衡量各组合增益曲线与目标曲线的差异,该式算得的值越小,说明差异越小,平坦度越好。如果有这样的组合满足设计要求,算法结束,否则进行下一步;

式中,G是期望的增益值;N是样本数;Gn(P,vn)是由式(5)算得的各个样本的增益值。

对样本进行编码,可以根据实际情况,决定波长和泵浦功率分别用多少位二进制来表示。然后对编码后的样本进行复制、交叉、变异,得到下一代的样本码,之后对每个样本码还原为十进制,回到第(2)步进行循环。这样,经过多代的遗传变异后,可以得到满足要求的样本组合。

4 结论

FRA是一种光纤全波段放大器,它具有可分布式放大、增益高、输出功率大、响应速度快、可降低非线性影响、噪声特性好等诸多优点。它有两个重要特性:一是增益平坦特性,二是噪声特性。

理论与实验相结合证明,泵浦波的个数越多,所得的平坦增益带宽越宽。但是,泵浦个数越多,价格会越高,计算量也越大。从系统成本的角度考虑,FRA一般只采用2~5个泵浦波长。所以,我们必须根据具体要求,选择合适的泵浦个数,并在泵浦个数一定的情况下,力争得到最好的优化效果。

摘要：文章以多泵浦拉曼光纤放大器的增益平坦度为切入点,分析了影响多泵浦FRA的增益平坦性的因素,罗列了几种不同的优化算法并着重介绍了遗传算法。研究表明,使用遗传算法优化宽带拉曼放大器是可行的。另外,使用的泵浦个数越多,所得平坦增益带宽越宽。但是,泵浦个数越多,成本也越高,计算量也越大。因此,我们要根据具体要求,选择合适的泵浦个数,力争得到最好的优化结果。

关键词：多泵浦拉曼光纤放大器,增益平坦,遗传算法,模拟退火算法

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光纤通信中的光放大器效用探析 篇6

一、光放大器在光纤通信中的应用及基本原理

自从1966年由华裔学者高锟在理论上论证了光纤可以作为传输介质实现光通信的可行性, 科学家们开始不断进行光纤通信系统的应用开发研究, 并且将如何延长通信信号的传输距离作为研究的重点。在光纤通信系统中, 信号的传输距离会受光纤的色散以及光纤损等因素的限制, 为了延长距离, 传统的做法是采用中继器减弱信号的衰减。但是传统的中继器存在着光电或电光的转换过程, 其结构较复杂, 成本相对较高, 并且不能适用于波分复用系统, 而光放大器采用的是直接放大光信号的方法, 能够避免光、电信号间的转换, 能够替代传统的中继器。

光放大器通常是通过泵浦实现激励增益介质的目的, 使入射光信号得到放大, 其原理与激光器相类同。光放大器在其结构上可以看作是反馈很小甚至是没有反馈的激光器, 其增益介质受到光泵浦或电泵浦的激励, 在达到粒子数的反转时, 产生光增益, 从而实现光信号的放大。

二、光放大器的类型及效用

当前, 主要的光放大器有半导体光放大器、光纤拉曼放大器以及掺铒光纤放大器, 这些放大器的结构、特性和效用各有不同。

1. 半导体光放大器

半导体材料的发光效应, 是其在外界泵浦的激励下能够生成非平衡载流子, 即空穴堆积在价带顶部, 而电子堆积在导带底部, 实现了粒子数的反转分布, 当空穴和电子都迅速地回落到能带的最底点并且发生复合时, 就发出了能量是禁带宽度能量的光子。经过不断激励, 能够得到大量光子, 进而实现光的放大。半导体材质的不同使之对应不同的禁带宽度, 通过对半导体材料的适当选取, 可以使输出的信号光满足实际的光纤通信需要。

相比于其他的光放大器, 半导体光放大器的增益带宽更宽, 增益谱更平坦, 体积更小, 泵浦运作方式更简单的特点使其生产成本更低, 有利于进行批量的生产。但是由于半导体光放大器还存在着相对较高的串扰和噪声, 对于温度和偏振的敏感度、耦合效率相对较低等问题, 对于半导体光放大器的应用还需要进一步的开发和改进, 从而在未来的全光纤通信网络系统和宽带网络系统中发挥出更大的优势。

2. 光纤拉曼放大器

光纤拉曼放大器的应用原理是通过光线中的受激拉曼散射效应实现信号光的放大。[3]受激拉曼散射效应是指强光在光纤中进行传输时, 会产生三阶非线性效应, 当入射的光波和光纤的分子发生振动产生相互作用时, 会产生斯托克斯散射光, 这种散射光的频率比入射光低, 实际上是入射光将其部分光功率转移到较低频的斯托克斯波上。由于拉曼散射的增益谱相对较宽, 并且其峰值增益位置处在下频移13THz处, 假如一个弱信号与强泵浦同时在光纤中进行传输, 而且信号的光频率比强泵浦的频率高13THz, 受到拉曼散射效应的影响, 部分泵浦的光功率转移到了信号光上, 从而实现了弱信号光的放大。

近几年来, 光纤拉曼放大器由于其特有的优点, 越来越受到人们的青睐。第一, 光纤拉曼放大器是通过受激拉曼散射效用使光信号得到放大, 发生受激拉曼散射效用的传输光纤本身就是放大介质, 这样使光信号的传输过程即成为其被放大的过程;第二, 通过对泵浦波长的调节能够对增益带宽的位置进行调整, 这样使增益的范围变得灵活可调;第三, 由于不同泵浦波长所对应的拉曼增益谱是能够相互重叠的, 因此采用多波长泵浦就可以到平坦、宽带的增益谱, 从而对宽带进行了放大;第四, 光纤拉曼放大器有较为良好的噪声特性, 在超长距离的传输过程中能保持良好的光信噪比。

3. 掺铒光纤放大器

掺铒光纤的应用原理是把铒元素作为增益活性物掺入到石英光纤, 在一定波长的泵浦光被耦合到了掺铒光纤中的时候, 大部分原本处在基态的铒离子就被抽运到了激发态上, 而处在激发态的铒离子又发生从激发态到亚稳态的迅速无辐射的跃迁。因为铒离子处于亚稳态的平均的停留时间是10毫秒, 很容易在基态和亚稳态间形成粒子数的反转, 这样的时候, 作为信号的光子经过掺铒光纤, 在受激辐射的效应作用之下生成了大量的光子, 这些光子与信号光子完全相同, 因而使信号光子得到迅速而大量的增加, 从而使输出端得到经过放大的光信号。掺铒光纤在长期受到泵浦激励的时候, 信号光被不断输入到了掺铒光纤之中, 进而能够不断输出经过了放大的光信号。

目前, 掺铒光纤放大器在CATV网络、城域网以及长途骨干网中发挥了很重要的作用, 它能够对发射机的光输出功率进行提高, 及时地对光纤传输的损耗进行补偿, 对光接收机的灵敏度进行提高, 在局域网中还可以补偿分配的损耗, 增加网络节点的数量。但是由于掺铒光纤放大器的工作带宽较宽, 相对于传输光线的低耗窗口较窄, 在宽带上造成了浪费, 又由于在超长距离的光通信中, 掺铒光纤放大器的噪声系数、平坦度无法满足系统的要求, 这些缺陷限制了掺铒光纤放大器在超长距离光纤通信中的应用。

三、结束语

光放大器在光纤通信中发挥了重要的效用, 随着技术的进步及新的设计与制造技术的产生和不断改进, 光放大器将继续推动光纤通信网向低成本、高效能的方向不断发展迈进。

摘要：光放大器在光纤通信中发挥了重要的效用, 它有效地解决了光信号在光纤通信系统中不断衰减的问题, 提高了光纤通信系统的传输距离, 在光纤通信系统中有着重要的应用。

关键词：光纤通信,光放大器

参考文献

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拉曼光纤放大器中四波混频的研究 篇7

光纤通信系统容量的急剧扩大,对光放大器提出了越来越高的要求。由于光纤的非线性效应——受激拉曼散射(SRS),当适当波长的抽运光注入到光纤中时,拉曼频移处的光信号将得到放大,基于这种原理的放大器称为拉曼光纤放大器(RFA)。与掺铒光纤放大器(EDFA)和半导体光放大器(SOA)相比,RFA优势明显:增益波长由抽运波长决定,理论上可以实现任意波长信号的放大;可以实现分布式放大,增益介质就是传输光纤本身;信号―信号差拍噪声小,噪声指数低;可以通过多波长抽运,实现宽带放大[1,2,3]。目前分布式拉曼光纤放大器(DRFA)已在光传输网中商用并成为超长距离传输的常用解决方案之一。线性或非线性指的是光在其中传输的介质的性质。

拉曼放大是我们对光纤非线性效应的利用,但也有许多非线性现象是不希望出现的:如在大有效面积光纤(LEAF)中应用DRFA时出现的四波混频(FWM)效应等,我们应尽量避免。

1 FWM现象的理论分析[4]

1.1 FWM现象的产生

在强电磁场的作用下,光纤介质对光的响应是非线性的。在光纤中,各种非线性光学效应主要来源于介质材料的三阶极化率χ(3)。由于石英光纤的χ(3)不为零,如果有3个频率为ω1、ω2和ω3的光波同时在光纤中传输,χ(3)将引起频率为ω4=ω1±ω2±ω3的新光波的产生。在量子力学术语中,一个或几个光波的光子被湮灭,同时产生了几个不同频率的新光子,且在此参量过程中,净能量和动量是守恒的,这样的过程称为FWM过程。参量过程和受激散射过程的主要不同是在受激散射过程中,相位匹配条件自动满足,结果非线性介质作为主动介质参与了此散射过程,而参量过程则要求选择特定的频率和折射率。

产生的新光波的表达式为

$\begin{array}{l}{\rm P}{}_4=\frac{3\epsilon {}_0}{4}\chi {}_{\chi \chi \chi \chi }^{(3)}\{[|E{}_4|{}^2+2(|E{}_1|{}^2+|E{}_2|{}^2+|E{}_3|{}^2)]E{}_4+\\ 2E{}_{1}E{}_{2}E{}_3\exp (i\theta {}_{+})+2E{}_{1}E{}_{2}E{}_3^{*}\exp (i\theta {}_{-})+\cdots \}‚(1)\end{array}$

式中,

$\begin{array}{l}\theta {}_{+}=(\kappa {}_1+\kappa {}_2+\kappa {}_3-\kappa {}_4)z-(\omega {}_1+\omega {}_2+\omega {}_3-\omega {}_4)t,(2)\\ \theta {}_{-}=(\kappa {}_1+\kappa {}_2-\kappa {}_3-\kappa {}_4)z-(\omega {}_1+\omega {}_2-\omega {}_3-\omega {}_4)t,(3)\end{array}$

式(1)中正比于E4的项分别对应于自相位调制和交叉相位调制效应,余下的项对应于FWM。式(2)的频率对应于三次谐波的产生,通常,要满足其相位匹配条件,在光纤中高效地实现这些过程是很困难的。式(3)对应于不同频率ω1、ω2的两光子湮灭,同时产生两个频率为ω3、ω4的新光子

$\omega {}_1+\omega {}_2=\omega {}_3+\omega {}_4‚(4)$

要使此过程进行,相位匹配条件要求净波矢Δκ=0,这里

$\begin{array}{l}\text{Δ}\kappa =\kappa {}_1+\kappa {}_2-\kappa {}_3-\kappa {}_4=\\ n{}_1\omega {}_1+n{}_2\omega {}_2-n{}_3\omega {}_3-n{}_4\omega {}_4‚(5)\end{array}$

在ω1=ω2的特定条件下,对于式(4)和式(5)描述的FWM过程来讲,满足Δκ=0相对要容易一些。从形式上来看,这相当于频率为ω1的强泵浦产生对称的两边带,频率分别为ω3、ω4,其频移为

$\Omega {}_{\text{z}}=\omega {}_1-\omega {}_3=\omega {}_4-\omega {}_1。(6)$

实验中观察到新产生的频率与泵浦频率相对最后一个泵浦频率对称分布,这正与式(6)相符。因此在设计时,我们可以调整泵浦波长的间隔,尽量使FWM效应产生的新光波主峰落在信号带之外。

1.2 相位匹配对FWM效应的影响

当Δκ=0时,参量增益对应FWM的峰值,此时

$\text{Δ}\kappa =\text{Δ}\kappa {}_{\text{Μ}}+\text{Δ}\kappa {}_{\text{W}}+\text{Δ}\kappa {}_{\text{Ν}\text{L}}=0‚$

式中,ΔκM、ΔκW、ΔκNL分别代表材料色散、波导色散和非线性效应引起的相位失配。

在单模光纤中,仅在零色散波长点附近,ΔκW能抵消ΔκM+ΔκNL,从而实现相位匹配。因此在设计时,我们使最后一泵浦波长的频率尽量远离零色散波长点,FWM效应会显著减弱,实验也证明了这一点。

2 实验现象

实验配置如图1所示,传输光纤为100 km的SMF-28(康宁公司G.652光纤的一种)或LEAF(康宁公司G.655光纤的一种),光谱分析仪用来检测拉曼放大器的前向自发辐射噪声(ASE)谱。我们在LEAF上观察到了较为明显的FWM现象。

2.1 单模光纤(SMF)上的实验观察

图2是在SMF上观察的结果。由图可见,泵浦间并没有发生较为明显的FWM现象。

2.2 LEAF上的实验观察

图3是在相同的泵浦波长配置条件下LEAF中检测的结果。由图可见,在信号带产生了两个新频率的光波,此时发生了较明显的FWM效应。

将最接近信号带的两个泵浦波长向高频移动(短波长方向),在相同的泵浦功率条件下,LEAF中检测的结果如图4所示。与图3相比,该组泵浦波长导致的FWM效应减弱了许多。

3 结 论

以上试验现象可总结如下:

(1) 在G.652光纤中,多泵配置不会引发FWM;但在LEAF中,由于零色散波长点(1 507 nm附近)离最后一个泵浦波长(1 495 nm)较近,泵浦能量又较高,FWM现象较明显。

(2) 与第一组波长相比,该波长组FWM现象要弱了许多。这可能有两个原因:一来该峰已在设计的有效拉曼增益带外;二来1 490 nm相对于零色散波长点(1 507 nm附近)更远,相位匹配的条件更难满足,转换效率降低。

(3) 出现的新频率与泵浦波长频率相对的最后一个泵浦频率(1 495 nm或1 490 nm)对称。

由以上试验和分析可知,为减小LEAF中FWM的影响,我们可采用以下设计原则:最后两个泵浦波长的频率间隔应小于最短波长信号与最后泵浦波长的频率间隔,使得FWM的主峰落在信号带之外;如有可能,最后一个泵浦波长应该尽量远离零色散波长点。

摘要：文章作者就分布式拉曼光纤放大器(DRFA)在各类传输光纤中应用时出现的四波混频(FWM)现象进行了理论分析和试验测试。从理论上分析了在大有效面积光纤(LEAF)中出现FWM新波长的频率,并得到了试验证明。在此基础上,提出了在LEAF中应用DRFA的设计原则,建议最后一个泵浦波长应该尽量远离零色散波长点。

关键词：分布式拉曼光纤放大器,四波混频,自发辐射噪声

参考文献

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[2]Takachio Noboru,Suzuki Hiro.Application of Ra-man-Distribute Amplification to WDM Transi missionSystem Using 1.55μm Dispersion-Shifted Fiber[J].J.Lightwave Technol.,2001,19:60-69.

[3]Aoki Yasuhiro.Properties of Fiber Raman Amplifiersand Their Applicability to Digital Optical Communica-tion Systems[J].J.Lightwave Technol.,1988,6:1 225-1 239.

光纤放大器 篇8

随着通信业务需求的飞速增长,光纤通信朝着大容量、长距离、高速率的方向飞速发展,因此,对现有光纤通信网络的扩容以及超长距离传输的实现已经刻不容缓。人们需要更宽增益带宽的光纤放大器,而传统的EDFA由于其本身的局限性已很难满足这种要求。光纤拉曼放大器由于其可对任意波长的信号进行放大、可传输光纤做在线放大以及优良的噪声特性等诸多优点,在近几年得以飞速发展,受到越来越广泛的重视和研究。

在实际应用中,光纤放大器的增益平坦度使长距离传输系统设计中的一个重要参数,所以需要对普通FRA进行优化设计,使其平坦增益带宽较宽。一般有两种方法:一种方法是采用多波长泵浦的FRA.这种方法虽然效果好,但泵浦数目的增多既加大了系统设计、实现的复杂度又提高了成本,故使用得较少。另一种方法是用EDFA与FRA相结合的方法。FRA-EDFA混合光纤放大器兼顾了EDFA的高增益和FRA的在线放大,能较好的改善平坦增益带宽。本文研究了FRA和EDFA相结合的混合光纤放大器的设计因素与优化。

1 混合光纤放大器的工作原理

1.1 FRA的理论基础

拉曼光线放大器的工作原理基于石英光纤中的受激拉曼散射机制(SRS),利用硅光纤中的内在属性进行信号的放大。在形式上表现为处于泵浦光的拉曼增益带宽的弱信号与强泵浦光波同时在光纤中传输,从而使弱信号光得到放大,图1给出了FRA的工作原理。

1.2 FRA的理论模型

拉曼光纤放大器由光泵浦提供增益,不需要粒子数反转。一个完整的多泵浦FRA的传输方程为:

式中,下标μ,υ表示光频率,上标“+”与“-”分别表示前向与后向传输波,Pυ是在频率υ附近极小的带宽内的光功率,aυ是光纤的衰减系数,ευ是瑞利散射系数,Aeff是光纤的有效面积,Keff是偏振系数,gυμ是频率为υ的光波在频率为μ的光波的泵浦下的拉曼增益,h、k、T分别为普朗克常数、玻耳兹曼常量及光纤的绝对温度。

利用打靶法求解反向双泵的FRA传输方程,可得到对于泵浦数目较少的FRA,其带宽并不大宽。实际测得的增益谱带宽亦是如此,如图2所示。图3为双泵浦FRA的增益曲线。

1.3 EDFA的理论基础

对EDFA进行分析建立在传输方程和速率方程的基础上。

采用泵浦功率为100m W、泵浦波长为980nm的EDFA,粒子的跃迁过程发生在三个能级之间。又由于能量较高的两个能级之间的跃迁是一个快速的非辐射跃迁过程,最高能级的粒子数可以被忽略,三能级系统可以简化为二能级系统得到的EDFA传输方程如下:

式中:分别代表第m个信号光和泵浦光的功率,m=1,2,…,M,M为总的信号个数。

分别为正向和反向第k个频段自发辐射光功率,k=1,2,…k,将所有关心频段分割为k段,每个子频段具有中心频率υk和带宽Δυk。

式中:γxe(z,t),γxa(z,t)(x=s,p,k)代表了归一化光强于亚稳态离子浓度N2(z,t)以及基态粒子浓度N1(z,t)的重叠因子;σxe,σxa是掺铒光纤的两个基本参数:发射截面和吸收截面;x=s,p,k分别代表信号光、泵浦光、第k个ASW光;ix(r)为归一化光强。

由于三能级系统简化为了二能级系统,并考虑ASE光的作用,可得到EDFA的速率方程:

式中:Rpa、Rpe、Wsa、Wse、Wka以及Wke分别代表泵浦光的吸收、发射速率;信号光的吸收、发射速率及第k个ASW光的吸收、发射速率。

EDFA的增益公式为:

式中:G为增益,Psout为光纤末端的输出信号功率,Psin为输入信号光功率。

求解以上式子,可得到EDFA的增益谱,如图4所示

可以看出,EDFA的泵浦增益曲线与数目较少的FRA一样,并不具有理想的带宽。

如果分别调节FRA和EDFA(选择合适的波长和功率,控制混合放大器的噪声系数),就可以使二者叠加后的增益谱互补,实现最大程度的带宽和平坦度。图5所示为混合光纤放大器的设计框图。共有三部分构成:FRA、增益均衡器及EDFA。

2 混合光纤放大器的设计要素

在设计FRA-EDFA系统时,应求解信号光和泵浦光互相进行拉曼作用的耦合方程,知道相关材料的谱线特征。对于分布式FRA,在不考虑自发拉曼辐射和瑞丽散射的稳态情况下,泵浦光和信号光之间的相互作用可用下面的耦合方程表示:

式中,+、-号分别为前向传输光和后向传输光;PI为频率vi的光功率;ai为第i个光波的光纤损耗系数;Keff为极化因子,由于采用普通光纤且传输距离较长,可认为泵浦和信号间偏振混乱,取Keff=2;Aeff为光纤在不同频率处的有效芯径;gu为光纤中频率为vi的高频光对频率为vi的低频光的拉曼增益系数;n,m分别为信号光和泵浦光的个数。

2.1 混合放大器泵浦波长的设计

不同的泵浦波长对增益的贡献不同,故会产生增益的起伏。其对增益平坦度的影响主要来源于三个因素:1)拉曼增益系数与泵浦波长成反比,不同波长的泵浦对信号的最大增益不同;2)不同的泵浦对信号波长的放大区域不同。泵浦对超过自身波长100nm的信号增益贡献最大,在此波长两侧则逐步降低;3)泵浦之间会相互影响,长波长泵浦光得到放大,而短波长的泵浦光却由于能量由短波长泵浦向长波长泵浦的传递而很快衰减。以上对波长的影响因素是造成增益平坦度恶化的一个重要原因。波长配制的基本原则是先确定比信号中心波长少100nm的泵浦中心波长,再在其两侧选择其他泵浦波长。

2.2 混合放大器中EDFA增益谱的调节

对于不加增益均衡器的FRA-EDFA混合光纤放大器,它的增益可以表示为:

Ghybrid=GRaman·GEDFA

式中:GRaman为拉曼放大器的开关增益,GEDFA为EDFA的增益。

宽增益谱必须仔细设计FRA的增益谱和EDFA的增益谱,使它们的增益谱迭加后满足系统对增益谱平坦度的要求。对于FRA来说,其增益谱的设计需要同时对泵浦波长和功率进行选择。对EDFA来说,对其进行处理可采用高斯形状的光滤波器。滤波器函数为:

式中:a代表最大衰减系数;λcgn代表中心波长参数;σ为带宽参数。

利用遗传算法[3]可得,当4个光滤波器的参数分别为:

a1=0.77554,λ1=1532.96nm,σ1=3.65;

a2=0.77554,λ2=1560.06nm,σ2=8.94;

a3=0.77554,λ3=1547.83nm,σ3=7.68;

a4=0.77554,λ4=1603.66nm,σ4=12.5;

此时FRA与EDFA迭加后的增益谱十分平坦,如图6所示。

2.3 光纤类型的选择

光纤的参数,如光纤的有效面积、拉曼增益与有效面积的比值、有效长度和光纤的FOM,将决定该光纤采用何种泵浦。由下面的式子可得对于一个给定泵浦功率的放大器,当改变光纤类型时相应增益的改变情况

2.4 偏振问题的考虑

拉曼增益于偏振相关。当采用保偏措施,即泵浦光的偏振不变时,增量最大。然而在实际应用中,由于拉曼放大的有效作用长度通常在十几千米,使得泵浦和信号光的偏振态相关性大幅度减弱,PDG容易出现增益不均,故要避免PDG。

2.5 系统噪声的分析

整个FRA-EDFA系统为三级:EDFA、均衡器和FRA。所以整个系统的噪声系数为:

式中:NF1是EDFA的噪声系数,NF2是均衡器的噪声系数,可忽略不计,NF3是FRA的噪声系数,可近似用EDFA噪声系数的公式计算。EDFA的NF的计算公式为:

式中,G是信号的增益,υs是信号的频率,h是普朗克常量,是在L处、频率为υs的ASE光的功率谱密度值。计算FRA的噪声系数是需用自发拉曼散射的功率谱密度值代替上式的。

分布放大FRA引入的ASE噪声与EDFA相比有很大程度的改善。FRA的有效噪声一般小于零,又由于它位于混合光纤放大器的第一级,能够有效的改善放大器的噪声特性,从而能够提高系统整体性能。假设EDFA的噪声系数为5d B,经计算,如图7所示为混合放大器噪声系数谱,在整个增益平坦区内NF<4d B,符合要求。图中一并给出了噪声系数的实测值,与计算结果相符。