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凯时娱乐登录首页。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,使信号的功率衰减凯时娱乐登录首页,在无线光通信系统中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(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。
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凯时娱乐登录首页,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。
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凯时娱乐登录首页,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的噪声脉冲调制。
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的核心部件增益饱和。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。
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。
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凯时娱乐登录首页,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。
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左右凯时娱乐登录首页。
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凯时娱乐登录首页,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1W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。
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。
第一级增益为17dB,第二级增益为13dB,1W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。
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凯时娱乐登录首页。
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。
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消防员装备凯时娱乐登录首页。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。泵浦光功率越大凯时娱乐登录首页,掺铒光纤越长,3dB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后凯时娱乐登录首页,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凯时娱乐登录首页,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。
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;二是分为两级后凯时娱乐登录首页凯时娱乐登录首页,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)由于增益分为两级凯时娱乐登录首页,如何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放大的实现更容易,这与EDF的放大能力凯时娱乐登录首页,泵浦远功率大小、稳定性凯时娱乐登录首页,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凯时娱乐登录首页。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,此时凯时娱乐登录首页,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凯时娱乐登录首页,造成增益的下降主桅,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凯时娱乐登录首页,功率需求会很高凯时娱乐登录首页,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。
本文提出了采用EDFA级联的方法,实现了光信号30dB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凯时娱乐登录首页,为今后研究的进一步开展指出了方向。
光放大器,面板显示和实际输出是同步的,如果面板显示正常,则说明光放大器输出正常,如果这种情况下测试光放大器时光功率下降或不够,最大的可能性有以下几种:
1.1.光功率计不准,国产的光功率计只能测试光功率输出较小的设备凯时娱乐登录首页,不能测试大功率输出的EDFA,测试光放大器的光功率计必须原装进口,不能把不准确的仪器当作标准来使用。
2.2.输出口的法兰损坏,这个可能性较小。3.用户使用不当,在机器工作时插拔尾纤,烧伤光放大器输出的尾纤头,造成光放大器输出功率下降,如发生这种情况,只要重新熔接光放大器的输出接头即可。
3.4.用户使用的尾纤质量太差,纤芯过长,在插入尾纤后擦伤光放大器的输出接头凯时娱乐登录首页,这个现象是第一次测试是好的,第二次插入再次测试时就光功率下降了,解决这个问题也只要重新熔接光放大器的输出接头就可,4.5.光源的波长不对,如果1550nm光发射机的波长有偏差,会造成光放大器的输出光功率不够,也会造成面板显示偏小。5.6.输入光放大器的光功率较小凯时娱乐登录首页,如果低于标准值时可能会造成光功率变小,同时面板显示也会变小。