光纤扩大器在无线光通讯的运用
中心议题：
- EDFA的原理及结构
- EDFA的级联运用
- EDFA级联运用的增益
处理方案：
- 增益分为两级，需正确分配两级问的增益
- 每一级各自必定的泵浦功率下，找到掺铒光纤的最佳长度
无线光通讯是以激光作为信息载体，是一种不需求任何有线信道作为传输前言的通讯办法。与微波通讯比较，无线光通讯所运用的激光频率高，方向性强(保密性好)，可用的频谱宽，无需请求频率运用答应；与光纤通讯比较，无线光通讯造价低，施工简洁、敏捷。它结合了光纤通讯和微波通讯的优势，已成为一种新式的宽带无线接人办法，受到了人们的广泛重视。
可是，恶劣的天气情况，会对无线光通讯体系的传达信号发作衰耗效果。空气中的散射粒子，会使光线在空问、时刻和角度上发作不同程度的误差。大气中的粒子还或许吸收激光的能量，使信号的功率衰减，在无线光通讯体系中光纤通讯体系低损耗的传达途径已不复存在。大气环境多变的客观性无法改动，要取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，选用大功率的光信号能够得到更好的传输效果。跟着光纤扩大器(EDFA)的敏捷发展，安稳牢靠的大功率光源将在各种运用中满意无线光通讯的要求。
EDFA的原理及结构
掺铒光纤扩大器(EDFA)具有增益高、噪声低、频带宽、输出功率高、衔接损耗低和偏振不灵敏等长处，直接对光信号进行扩大，无需转化成电信号，能够确保光信号在最小失真情况下得到安稳的功率扩大。
1．1EDFA的原理
EDFA的泵浦进程需求运用三能级体系，如图1所示。
在掺铒光纤中注入满意强的泵浦光，就能够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+离子又敏捷无辐射地转移到亚稳态。因为Er3+离子在亚稳态能级上寿数较长，因而很简单在亚稳态与基态之间构成粒子数回转。当信号光子通过掺铒光纤时，与处于亚稳态的Er3+离子相互效果发作受激辐射效应，发作很多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敏捷增多，发作信号扩大效果。Er3+离子处于亚稳态时，除了发作受激辐射和受激吸收以外，还要发作自发辐射(ASE)，它构成EDFA的噪声。
1．2EDFA的结构
典型的EDFA结构首要由掺铒光纤(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作业物质铒离子，在几米至几十米的掺铒光纤内，光与物质相互效果而被扩大、增强。光隔离器的效果是按捺光反射，以确保扩大器作业安稳，它有必要是刺进损耗低，与偏振无关，隔离度优于40dB。
图2为单向泵浦办法结构，此外还有反向泵浦，双向泵浦办法结构。
1．3EDFA的特性及性能指标
增益特性标明了扩大器的扩大才能，其界说为输出功率与输入功率之比：
式中：Pout,Pin别离标明扩大器输出端与输入端的接连信号功率。增益系数是指从泵浦光源输入1mW泵浦光功率通过光纤扩大器所取得的增益，其单位为dB／mW：
式中：g0是由泵浦强度定的小信号增益系数，因为增益饱满现象，跟着信号功率的添加，增益系数下降；Is，Ps别离为饱满光强和饱满光功率，是标明增益物质特性的量，与掺杂系数、荧光时刻和跃迁截面有关。
增益和增益系数的差异在于：增益首要是针对输入信号而言的，而增益系数首要是针对输入泵浦光而言的。别的，增益还与泵浦条件(包含泵浦功率和泵浦波长)有关，现在选用的首要泵浦波长是980nm和1480nm。因为遍地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挑选光纤长度得到较为平整的增益谱。
1．4EDFA的带宽
增益频谱带宽指信号光能取得必定增益扩大的波长区域。实际上的EDFA的增益频率改动联系比理论的杂乱得多，它还与基质光纤及其掺杂有关。在EDFA的增益谱宽已到达上百纳米．并且增益谱较平整。ED-FA的增益频谱范围在1525～1565nm之间。
EDFA的级联运用
2．1EDFA的级联结构
EDFA对光信号功率的扩大，特别在无线光通讯大功率(瓦级)运用中，常常选用级联的办法，比方两级或许三级扩大。之所以选用级联的办法，是因为在EDFA的掺铒光纤(EDF)中刺进一个光隔离器，构成带光隔离器的两段级联EDFA，因为光隔离器有用地按捺了第二段：EDF的反向自发辐射(ASE)，使其不能进入榜首段EDF，削减了泵浦功率在反向ASE上的耗费，使泵浦光子更有用地转化成信号光能量，然后能够显着改善EDFA的增益、噪声系数和输出功率等特性。本文选用丽级级联扩大，将1～2mW的1550nm光信号，经EDFA扩大到1W左右。级联结构如图3所示。
光信号由LD激光器发作，是已调制的信号，榜首级扩大选用单包层掺铒光纤扩大器，980nm单模半导体激光器作为泵浦源，将光功率扩大到50mW邻近。榜首级选用单模半导体激光器泵浦，先将光信号安稳牢靠的扩大到必定功率，确保了整个光信号的完好，又为下一级光扩大供给了较高的光功率根底。第二级选用双包层光纤扩大器，多模半导体激光器泵浦源将光功率扩大到1W左右。双包层光纤扩大器纤芯比单包层纤芯大，泵浦功率能够有用地耦台到纤芯中，使第二级光信号的输出功率可到达瓦级。
2．2．1增益核算
对EDFA级联的全体光功率增益：
其间：Pout标明EDFA两级扩大后的输出光功率，Pin标明需求扩大的输入光功率。
在本文中，光扩大选用了两级级联扩大，榜首级增益为G1：
其间榜首级的输出为第二级的输入，P””””””””out=P””””””””in=P，所以：
即，全体增益等于两级增益之和，本文的全体光功率增益为：
榜首级增益为17dB，第二级增益为13dB，1W的光功率通过准直聚集，再有光学镜头发射到大气信道，大大进步了光信号的有用传输间隔。
影响增益的要素
EDFA的增益与许多要素有关，如掺铒光纤的长度，跟着掺铒光纤长度的添加，增益阅历了从添加到削减的进程，这是因为跟着光纤长度的添加，光纤中的泵浦功率将下降，使得粒子回转数下降，终究在低能级上的铒离子数多于高能级上的铒离子数，粒子数康复到正常的数值。
因为掺铒光纤自身的损耗，构成信号光中被吸收掉的光子多于受激辐射发作的光子，引起增益下降。由上述评论可知，关于某个确认的入射泵浦功率，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联系如图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+的浓度都有联系，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，高能位电子的耗费削减并可从泵激得到充沛的供给，因而，受激辐射就能保持到达适当的程度。当输入光变强时，因为高能位的电子供给不充沛，受激辐射光的添加变少，于是就呈现饱满。泵浦光功率越大，掺铒光纤越长，3dB饱满输出功率也就越大。其次与当Er3+的浓度超越必定值时，增益反而会下降，因而要操控好掺铒光纤的铒离子浓度。
选用EDFA后，进步了注入光纤的功率，但当大到必定数值时，将发作光纤非线性效应和光走漏效应，这影响了体系的传输间隔和传输质量。别的色散问题变成了约束体系的杰出问题，能够选用G653光纤(色散位移光纤DSF)或非零色散光纤(NZDF)来处理这一问题。
EDFA级联的改善
之所以选用EDFA级联的办法，一是刺进两级间的光隔离器有用地按捺了第二段EDF的反向自发辐射(ASE)，使其不能进入榜首段EDF，削减了泵浦功率在反向ASE上的耗费，使泵浦光子更有用地转化成信号光能量；二是分为两级后，各自的增益能够恣意分配，能够依据不同的增益要求和运用环境改动相应的增益。可是，要在确保信号无失真的情况下得到最佳的光功率增益，还需求处理一些问题：
(1)因为增益分为两级，怎么分配两级问的增益才能在现有的EDF、泵浦源功率等条件下使得光扩大的完成更简单，这与EDF的扩大才能，泵浦远功率巨细、安稳性，泵浦光波长及其形式等均有密切相关。
(2)在每一级各自必定的泵浦功率下，找到掺铒光纤的最佳长度。当EDF过短时，因为对泵浦吸收的不充沛而导致增益下降；而当EDF过长时，因为泵浦光在EDF内被铒离子吸收，泵浦功率逐步下降，当功率降至泵浦阈值以下时，就不能构成粒子数回转，此刻，这部分EDF不仅对信号光无扩大效果，反而吸收了已扩大的部分信号，构成增益的下降，一起也会引起噪声系数的增大。
(3)假如需求更高的光功率输出，几十瓦乃至上百瓦，可考虑更高级联的办法，因为跟着增益的增大，泵浦源因为转化功率的问题，功率需求会很高，所需的单级EDF长度也会大大增加，这样的作业条件往往不易到达，且安稳性不强，选用更高级联能够将增益划分到多级，易于完成和操控，光模块的全体增益特性也有较大进步。
本文提出了选用EDFA级联的办法，完成了光信号30dB的增益，满意无线光通讯光功率传达的要求，使得光信号能在大气信道进行远间隔，高安稳性传输。一起在现有的根底上，提出了需改善的问题，为往后研讨的进一步展开指出了方向。
