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光纤放大器原理及调节方法

点击次数:1239 发布时间:2014-08-22

光纤放大器原理及调节方法

成都光驰科技所经销的日本Fiberlabs的掺铒光纤及掺铒光纤放大器(EDFA)被中国工程物理研究院和华为技术有限公司采用,并得到好评!

以下是一些主要的产品及相关技术介绍供科研人员选参考:

 

 

  • O band(1.31µm) optical fiber amplifier (PDFA)
  • S band(1.49µm) optical fiber amplifier (TDFA)
  • C band(1.55µm) optical fiber amplifier (EDFA)
  • C band High Power optical fiber amplifier (EDFA)
  • L band(1.58µm) optical fiber amplifier (EDFA)
  • L band High Power optical fiber amplifier (EDFA)
  • C+L band optical fiber amplifier (EDFA)
  • 850nm band optical fiber amplifier
  • 980nm band optical fiber amplifier
  • X band(1µm) optical fiber amplifier

光纤ZBLAN Fibers

 

 

Single Mode Fibers

 

 

Item

Dopant

Concentration

NA

Core dia.

Cladding dia.

Coating dia.

Cut-off

Loss Spectrum

ppm mol

-

µm

µm

µm

nm

 ZSF-6/125-N-0.20

non

-

0.20

6.0±0.5

123±3

450±30

<1700

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 ZSF-6.5/125-N-0.265

non

-

0.265

6.5±1.5

124±3

450±30

<2750

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 ZSF-7.5/125-N-0.265

non

-

0.265

7.5±0.5

124±3

450±30

<2800

click here

 ZSF-9/125-N-0.18

non

-

0.18

9±1

123±3

450±30

<2350

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 ZSF-2.5/125-4.4T

Tm

4,400

0.27

2.5±0.3

123±3

450±30

<1000

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 ZSF-2.7/125-3.2T

Tm

3,200

0.26

2.7±0.3

123±3

450±30

<1050

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 ZSF-9/125-13T

Tm

13,000

0.16

8.5±1.5

125±3

450±30

<2200

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 ZSF-2.4/125-1.5P

Pr

1,500

0.25

2.4±0.4

123±3

450±30

<950

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 ZSF-4.9/125-2E

Er

2,000

0.21

4.9±0.3

123±3

450±30

<1450

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 ZSF-4.6/125-2E

Er

2,000

0.21

4.6±0.3

123±3

450±30

<1350

click here

 ZSF-5.5/125-5E

Er

5,000

0.12

5.5±0.5

123±3

450±30

<950

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 ZSF-9.0/125-1H

Ho

1,000

0.16

9.0±1.0

123±3

450±30

<2100

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 ZSF-13/125-40C

Ce

40,000

0.12

13.0±2.0

123±3

450±30

<2350

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PM (ellipsoidal core)-Single Mode Fibers

 

 

Item

Dopant

Concentration

Extinction ratio

Core dia.

Cladding dia.

Coating dia.

Cut-off

Loss Spectrum

ppm mol

dB

µm

µm

µm

nm

 ZSF-2.2x5/125-N-PM

non

-

>20@1.3μm

2.2x5

123±3

450±30

<1300

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Multi Mode Fibers

 

 

Item

Dopant

Concentration

NA

Core dia.

Cladding dia.

Coating dia.

Loss Spectrum

ppm mol

µm

µm

µm

 ZMF-90/125-N-0.27

non

-

0.27±0.01

90±5

123±6

480±30

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 ZMF-97/125-N-0.30

non

-

0.30±0.01

97±3

123±5

480±30

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 ZMF-152/200-N-0.27

non

-

0.27±0.01

152±12

200±10

480±30

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 ZMF-152/200-N-0.28

non

-

0.28±0.01

152±12

200±10

480±30

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 ZMF-160/200-N-0.29

non

-

0.29±0.01

160±10

200±10

480±30

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 ZMF-166/200-N-0.30

non

-

0.30±0.01

166±10

200±10

480±30

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 ZMF-175/200-N-0.30

non

-

0.30±0.01

175±5

200±10

480±30

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 ZMF-395/500-N-0.27

non

-

0.27±0.01

395±35

500±25

600±30

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 ZMF-400/500-N-0.30

non

-

0.30±0.01

400±30

500±25

600±30

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 ZMF-410/500-N-0.30

non

-

0.30±0.01

410±20

500±25

600±30

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Double Cladding Fibers

 

 

Item

Dopant

Concentration

Core dia.

1st Cladding
configuration

2nd Cladding dia.

Loss Spectrum

ppm mol 

µm

µm

µm

 ZDF-70/250-60E-C

Er

60,000

70±11

250/Circular

400±10

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 ZDF-52/250-60E-C

Er

60,000

52±6

250/Circular

400±10

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 ZDF-33/250-60E-C

Er

60,000

33±5

250/Circular

400±10

click here

 ZDF-30/300-60E-C

Er

60,000

30±2

300/Circular

430±10

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 ZDF-4.7/125-5E-C

Er

5,000

4.7±0.7

124/Cicular

200±10

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 ZDF-9/125-13.7T-C

Tm

13,700

9±1

125/Circular

200±10

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 ZDF-7.5/125-20T-C

Tm

20,000

7.5±1.5

120/Circular

215±10

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 ZDF-7.5/125-30T-C

Tm

30,000

7.5±1.5

120/Circular

215±10

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 ZDF-7.5/125-35T-C

Tm

35,000

7.5±1.5

120/Circular

215±10

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 ZDF-7.5/125-40T-C

Tm

40,000

7.5±1.5

120/Circular

215±10

click here

 ZDF-7/125-40T-C

Tm

40,000

7±1.5

123/Circular

200±10

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 ZDF-10/125-20H-C

Ho

20,000

10±1

124/Circular

200±10

click here

 ZDF-8.5/125-2H40T-C

Ho/Tm

2,000/40,000

8.5±2

123/Circular

195±15

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 ZDF-10/125-30H2.5P-O

Ho/Pr

30,000/2,500

10±1

125/Octagonal

185±15

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 ZDF-4.5/125-13N-C

Nd

13,000

4.5±0.5

123/Circular

217±30

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 ZDF-3/125-33.7Tb-C

Tb

33,700

3±0.6

123/Circular

200±10

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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。

  1EDFA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zui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40 dB

  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:PoutPin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1 mW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;IsPs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980 nm1 480 nm。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1 5251 565 nm之间。

2EDFA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*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12 mW1 550 nm光信号,经EDFA放大到1 W左右。

  光信号由LD激光器产生,是已调制的信号,*级放大采用单包层掺铒光纤放大器,980 nm单模半导体激光器作为泵浦源,将光功率放大到50 mW附近。*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1 W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。

  2.2 EDFA级联应用的增益

  2.2.1 增益计算

  对EDFA级联的整体光功率增益:

  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。

  在本文中,光放大采用了两级级联放大,*级增益为G1

  其中*级的输出为第二级的输入,P‘out=P’in=P,所以:

  即,整体增益等于两级增益之和,本文的整体光功率增益为:

  *级增益为17 dB,第二级增益为13 dB1 W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。

  2.2.2 影响增益的因素

  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,zui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。

  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zui佳长度,使得增益zui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。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,掺铒光纤越长,3 dB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,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,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。

  2.3 EDFA级联的改进

  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*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,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zui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,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,泵浦远功率大小、稳定性,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zui佳长度。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,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,造成增益的下降,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,功率需求会很高,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。

3、常规检查方法

  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,zui大的可能性有以下几种:

  3.1  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,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。

  3.2  输出口的法兰损坏,这个可能性较小。

    3.3  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,这个现象是*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。

    3.5  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。

    3.6输入光放大器的光功率较小,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。

 

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