掺铒光纤放大器的原理及其应用.docx

导读: 光纤放大器与其他放大器比较，具有输出功率大、增益高、工作带宽宽、与偏振无关、噪声指数低、放大特性与系统比特率、数据格式无关等特点，它已成为新一代光通信系统的关键器件之一。 关键字 光纤放大器??EDFA??掺铒光纤?? ??? 一、掺铒光纤的放大原理 　　EDFA的放大作用是通过1550nm波段的信号光在掺铒光纤中传输与Er3+ 离子相互作用产生的。在光与物质相互作用时，光可以被看作由光子组成的粒子束，每个光子的能量为：E=hv 其中E为光子的能量，v为光的频率，h为普朗克常数。 　　掺铒光纤中的Er3+离子所出的能量状态是不能连续取值的，它只能处在一系列分立的能量状态成为能级上，这些能量状态成为能级。当在掺铒光纤中传输的光子能量与Er3+离子的某两个能级之间的能量差相等时，Er3+离子就会与光子发生相互作用，产生收激辐射和收激吸收效应。受激辐射是指Er3+离子与光子相互作用从高能级跃迁到低能级，发射出一个与激发光子完全相同的光子（激光子的频率、相位、传播方向、偏振态相同）；受激吸收是指Er3+离子与光子相互作用从低能集跃迁到高能级，并且吸收激发光子。 　　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+离子抽运到高能态上，处于高能态的Er3+离子又迅速无辐射地转移到亚稳态上。由于 Er3+离子在亚稳态上能级寿命较长，因此，很容易在亚稳态与基态之间形成粒子数反转，即处于亚稳态的Er3+粒子数比处于基态的Er3+粒子数多。当信号光子通过掺耳光弦，与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，这时通过掺耳光纤传输的信号光子迅速增多，产生信号放大作用；只有少数处于基态的Er3+离子队信号光子产生受激吸收效应，吸收光子。Er3+离子的亚稳态和基态具有一定的宽度，使EDFA的放大效应具有一定波长范围，其典型值维1530—1570nm。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，即Er3+离子在亚稳态上暂短停留还没有机会与光子相互作用，就会自发地从亚稳态跃迁到基态并发射出1550nm波段的光子，这种光子与信号光不同，它构成EDFA的噪声。由于自发辐射光子在掺铒光纤中传输时也会得到放大，因此在EDFA的输入光功率较低时，会产生较大的噪声。 　　二、光纤放大器的基本结构 　　光纤放大器与其他放大器比较，具有输出功率大、增益高、工作带宽宽、与偏振无关、噪声指数低、放大特性与系统比特率、数据格式无关等特点，它已成为新一代光通信系统的关键器件之一。 　　掺铒光纤放大器用在系统发射机输出短，提高发送功率，延长传输距离；用在光纤传输链路中，补偿光能量的损失，可增加传输距离；用在光接收机前，对信号进行预防大，可提高光接收机灵敏度。应用范围包括干线高速光通信系统、海缆系统、本地网、用户接入网、光纤CATV等工程。 　　2.1 功率放大器 　　掺铒光纤放大器作为功率放大器有许多特殊功能是电子线路放大器所不能比拟的，分述如下： 　　2.1.1 掺铒光纤放大器可用作数字、模拟以及相干光通信的功率放大器。即如果线路上已采用掺铒光纤放大器做功率放大器，那么，不管它需要传输数字信号还是传输模拟信号，不必改变掺铒光纤放大器线路设备。 　　2.1.2 掺铒光纤放大器可传输不同的码率。如果需要扩容，由低码率改变为高码率时，不必改变掺铒光纤放大器线路设备。 ??? 2.1.3 掺铒光纤放大器做功率放大器，可在不改变原有噪声特性和误码率的前提下，直接放大数字、模拟活二者混合的数据格式，特别适合光纤传输网络升级。实现语音、图像、数据同网传输，不必改变掺铒光纤放大器线路设备。 　　2.1.4 一个掺铒光纤放大器可同时传输若干波长的光信号，即用光波复用扩容时，不必改变掺铒光纤放大器线路设备。 　　2.1.5 掺铒光纤放大器做功率放大器，不必经过光电转换可以直接对光信号放大，结构简单，成本低，性能稳定可靠。 　　实践证明，使用掺铒光纤放大器的光纤干线传输，经过近千公里的传输后的误码率人能达到 。如果采用饱和功率为18dBm的放大器，可是实现160—200km无中继通信。如果有必要，还可将中继距离延长更远。 　　2.2 前置放大器 　　把掺铒光纤放大器置于光接收机关监测器前面。来自光纤的光信号经掺铒光纤放大器放大后再由光检测器检测。由于掺铒光纤放大器的信噪比由于电子放大器，所以用掺铒光纤放大器作预放大器的光接收机具有较高的灵敏度，其灵敏度甚至不亚于相干光接收机的。各类接收机灵敏度示于图3。 　　2.3 线路放大器 　　线路放大器的显著优点是增益高，通常大于30dB。由于可以级联使用，特别适合海底远程通信和陆地超长距离传输使用。 　　把掺铒光纤放大器至于光纤传输线路中，将已被衰减了的小信号进行放大，