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光纖放大器不但可對光信號進(jìn)行直接放大，同時(shí)還具有實(shí)時(shí)、高增益、寬帶、在線(xiàn)、低噪聲、低損耗的全光放大功能，是新一代光纖通信系統中必不可少的關(guān)鍵器件；由于這項技術(shù)不僅解決了衰減對光網(wǎng)絡(luò )傳輸速率與距離的限制，更重要的是它開(kāi)創(chuàng )了1550nm頻段的波分復用，從而將使超高速、超大容量、超長(cháng)距離的波分復用（WDM）、密集波分復用（DWDM）、全光傳輸、光孤子傳輸等成為現實(shí)，是光纖通信發(fā)展史上的一個(gè)劃時(shí)代的里程碑。在目前實(shí)用化的光纖放大器中主要有摻鉺光纖放大器（EDFA）、半導體光放大器（SOA）和光纖拉曼放大器（FRA）等，其中摻鉺光纖放大器以其優(yōu)越的性能現已廣泛應用于長(cháng)距離、大容量、高速率的光纖通信系統、接入網(wǎng)、光纖CATV網(wǎng)、軍用系統（雷達多路數據復接、數據傳輸、制導等）等領(lǐng)域，作為功率放大器、中繼放大器和前置放大器。 光纖放大器一般都由增益介質(zhì)、泵浦光和輸入輸出耦合結構組成。目前光纖放大器主要有摻鉺光纖放大器、半導體光放大器和光纖拉曼放大器三種，根據其在光纖網(wǎng)絡(luò )中的應用，光纖放大器主要有三種不同的用途：在發(fā)射機側用作功率放大器以提高發(fā)射機的功率；在接收機之前作光預放大器以極大地提高光接收機的靈敏度；在光纖傳輸線(xiàn)路中作中繼放大器以補償光纖傳輸損耗，延長(cháng)傳輸距離。
目錄
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光纖放大器在無(wú)線(xiàn)光通信的應用
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光纖放大器主要技術(shù)指標
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光纖放大器常見(jiàn)故障及解決方案
- 光纖放大器注意事項
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光纖放大器常見(jiàn)故障及解決方案
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光纖放大器主要技術(shù)指標
光纖放大器在無(wú)線(xiàn)光通信的應用
引 言
無(wú)線(xiàn)光通信是以激光作為信息載體，是一種不需要任何有線(xiàn)信道作為傳輸媒介的通信方式。與微波通信相比，無(wú)線(xiàn)光通信所使用的激光頻率高，方向性強(保密性好)，可用的頻譜寬，無(wú)需申請頻率使用許可；與光纖通信相比，無(wú)線(xiàn)光通信造價(jià)低，施工簡(jiǎn)便、迅速。它結合了光纖通信和微波通信的優(yōu)勢，已成為一種新興的寬帶無(wú)線(xiàn)接人方式，受到了人們的廣泛關(guān)注。但是，惡劣的天氣情況，會(huì )對無(wú)線(xiàn)光通信系統的傳播信號產(chǎn)生衰耗作用?？諝庵械纳⑸淞Ｗ?，會(huì )使光線(xiàn)在空問(wèn)、時(shí)間和角度上產(chǎn)生不同程度的偏差。大氣中的粒子還可能吸收激光的能量，使信號的功率衰減，在無(wú)線(xiàn)光通信系統中光纖通信系統低損耗的傳播路徑已不復存在。大氣環(huán)境多變的客觀(guān)性無(wú)法改變，要獲得更好更快的傳輸效果，對在大氣信道傳輸的光信號就提出了更高的要求，一般地，采用大功率的光信號可以得到更好的傳輸效果。隨著(zhù)光纖放大器(EDFA)的迅速發(fā)展，穩定可靠的大功率光源將在各種應用中滿(mǎn)足無(wú)線(xiàn)光通信的要求。
1 EDFA的原理及結構
摻鉺光纖放大器(EDFA)具有增益高、噪聲低、頻帶寬、輸出功率高、連接損耗低和偏振不敏感等優(yōu)點(diǎn)，直接對光信號進(jìn)行放大，無(wú)需轉換成電信號，能夠保證光信號在最小失真情況下得到穩定的功率放大。
1．1 EDFA的原理
EDFA的泵浦過(guò)程需要使用三能級系統，如圖1所示。
在摻鉺光纖中注入足夠強的泵浦光，就可以將大部分處于基態(tài)的Er3+離子抽運到激發(fā)態(tài)，處于激發(fā)態(tài)的Er3+離子又迅速無(wú)輻射地轉移到亞穩態(tài)。由于Er3+離子在亞穩態(tài)能級上壽命較長(cháng)，因此很容易在亞穩態(tài)與基態(tài)之間形成粒子數反轉。當信號光子通過(guò)摻鉺光纖時(shí)，與處于亞穩態(tài)的Er3+離子相互作用發(fā)生受激輻射效應，產(chǎn)生大量與自身完全相同的光子，這時(shí)通過(guò)摻鉺光纖傳輸的信號光子迅速增多，產(chǎn)生信號放大作用。Er3+離子處于亞穩態(tài)時(shí)，除了發(fā)生受激輻射和受激吸收以外，還要產(chǎn)生自發(fā)輻射(ASE)，它造成EDFA的噪聲。
1．2 EDFA的結構
典型的EDFA結構主要由摻鉺光纖(EDF)、泵浦光源、耦合器、隔離器等組成。
摻鉺光纖是EDFA的核心部件。它以石英光纖作為基質(zhì)，在纖芯中摻人固體激光工作物質(zhì)鉺離子，在幾米至幾十米的摻鉺光纖內，光與物質(zhì)相互作用而被放大、增強。光隔離器的作用是抑制光反射，以確保放大器工作穩定，它必須是插入損耗低，與偏振無(wú)關(guān)，隔離度優(yōu)于40 dB。
圖2為單向泵浦方式結構，此外還有反向泵浦，雙向泵浦方式結構。
1．3 EDFA的特性及性能指標
增益特性表示了放大器的放大能力，其定義為輸出功率與輸入功率之比：
式中：Pout,Pin分別表示放大器輸出端與輸入端的連續信號功率。增益系數是指從泵浦光源輸入1 mW泵浦光功率通過(guò)光纖放大器所獲得的增益，其單位為dB／mW：
式中：g0是由泵浦強度定的小信號增益系數，由于增益飽和現象，隨著(zhù)信號功率的增加，增益系數下降；Is，Ps分別為飽和光強和飽和光功率，是表明增益物質(zhì)特性的量，與摻雜系數、熒光時(shí)間和躍遷截面有關(guān)。
增益和增益系數的區別在于：增益主要是針對輸入信號而言的，而增益系數主要是針對輸入泵浦光而言的。另外，增益還與泵浦條件(包括泵浦功率和泵浦波長(cháng))有關(guān)，目前采用的主要泵浦波長(cháng)是980 nm和1 480 nm。由于各處的增益系數是不同的，而增益須在整個(gè)光纖上積分得到，故此特性可用以通過(guò)選擇光纖長(cháng)度得到較為平坦的增益譜。
1．4 EDFA的帶寬
增益頻譜帶寬指信號光能獲得一定增益放大的波長(cháng)區域。實(shí)際上的EDFA的增益頻率變化關(guān)系比理論的復雜得多，它還與基質(zhì)光纖及其摻雜有關(guān)。在EDFA的增益譜寬已達到上百納米．而且增益譜較平坦。ED-FA的增益頻譜范圍在1 525～1 565 nm之間。
2 EDFA的級聯(lián)應用
2．1 EDFA的級聯(lián)結構
EDFA對光信號功率的放大，特別在無(wú)線(xiàn)光通信大功率(瓦級)應用中，常常采用級聯(lián)的方式，比如兩級或者三級放大。之所以采用級聯(lián)的方式，是因為在EDFA的摻鉺光纖(EDF)中插入一個(gè)光隔離器，構成帶光隔離器的兩段級聯(lián)EDFA，由于光隔離器有效地抑制了第二段：EDF的反向自發(fā)輻射(ASE)，使其不能進(jìn)入第一段EDF，減少了泵浦功率在反向ASE上的消耗，使泵浦光子更有效地轉換成信號光能量，從而可以明顯改善EDFA的增益、噪聲系數和輸出功率等特性。本文采用麗級級聯(lián)放大，將1～2 mW的1 550 nm光信號，經(jīng)EDFA放大到1 W左右。級聯(lián)結構如圖3所示。
光信號由LD激光器產(chǎn)生，是已調制的信號，第一級放大采用單包層摻鉺光纖放大器，980 nm單模半導體激光器作為泵浦源，將光功率放大到50 mW附近。第一級采用單模半導體激光器泵浦，先將光信號穩定可靠的放大到一定功率，保證了整個(gè)光信號的完整，又為下一級光放大提供了較高的光功率基礎。第二級采用雙包層光纖放大器，多模半導體激光器泵浦源將光功率放大到1 W左右。雙包層光纖放大器纖芯比單包層纖芯大，泵浦功率可以有效地耦臺到纖芯中，使第二級光信號的輸出功率可達到瓦級。
2．2 EDFA級聯(lián)應用的增益
2．2．1 增益計算
