光纤放大器原理及调节方法

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人方式，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

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，在纤芯中掺人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40db。

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：

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1mw泵浦光功率通过光纤放大器所获得的增益，其单位为db/mw：

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980nm和1480nm。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。ed-fa的增益频谱范围在1525～1565nm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。本文采用丽级级联放大，将1～2mw的1550nm光信号，经edfa放大到1w左右。

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，980nm单模半导体激光器作为泵浦源，将光功率放大到50mw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矗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1w左右。双包层光纤放