15-EDFA原理及特性

1、 第一章?lián)姐s光纖放大器機(jī)理研究本章將簡(jiǎn)要討論摻鉺光纖放大器的結(jié)構(gòu)、原理、及特性。我們首先由簡(jiǎn)化二能級(jí)速率方程建立edfa的理論模型，然后討論了edfa的泵浦特性、增益特性、噪聲特性和溫度特性。第一節(jié)摻鉺光纖放大器的結(jié)構(gòu)模型這一節(jié)介紹摻鉺光纖放大器的結(jié)構(gòu)及其主要的組成部分。edfa的基本結(jié)構(gòu)如Fig1.1所示：Fig1.1ConfigurionofErbium-dopedFiberAmplifier(forwardPumped)1.摻鉺光纖(EDF)EDF是放大器的主體，纖芯中摻有鉺元素(Er),Er屬稀土锎系元素，Er逸出兩Fig1.2DentlelayersitiucLUieufEDFcur

2、e個(gè)6S和一個(gè)4f電子而顯示為+3價(jià),其電子組態(tài)和惰性氣體Xe相同：lS22S22P63S23P63di04S24P64di05S25P6。摻有Er3+的石英光纖具有激光增益特性，鉺光纖的光譜性質(zhì)主要由鉺離子和光纖基質(zhì)決定，鉺離子起主導(dǎo)作用，摻Er3+濃度及在纖芯中的分布等對(duì)EDFA的特性有很大影響。基質(zhì)的影響有二：其一是導(dǎo)致斯塔克分裂使能級(jí)出現(xiàn)亞結(jié)構(gòu)；其二是能級(jí)展寬，展寬的機(jī)理有基質(zhì)電場(chǎng)擾動(dòng)展寬和聲子展寬，基質(zhì)擾動(dòng)展寬屬于非均勻加寬，聲子展寬屬于均勻加寬。為使每個(gè)鉺離子受到的泵浦速率最大，同時(shí)所需的泵浦功率最小，泵浦功率及鉺離子必須盡可能的限制在最小的模截面內(nèi)，鉺光纖應(yīng)具有高的數(shù)值孔徑NA，

3、小芯徑且只有纖芯摻雜，通常將光纖設(shè)計(jì)為雙層結(jié)構(gòu)，如Figl.2所示刀。此外階躍折射率光纖有較大的相對(duì)折射率差，便于縮小泵浦光的模場(chǎng)直徑，提高泵浦光功率密度，降低泵浦閾值，達(dá)到高泵浦效率。為保證泵浦光與信號(hào)光的單模傳輸，光纖的截止波長(zhǎng)應(yīng)適當(dāng)。在EDF中摻入適量的鋁元素，使鉺離子在EDF中分布更均勻，從而獲得平坦的寬帶增益譜。2.光耦合器WM)光耦合器有合波信號(hào)光與泵浦光的作用，也稱光合波器和波分復(fù)用器。是EDFA必不可少的組成部分，它將絕大多數(shù)的信號(hào)光與泵浦光合路于EDF中。主要有兩種形式:980nm/1550nm或1480nm/1550nm,般為光纖熔錐型。要求在上述波長(zhǎng)附近插入損耗都小，耦合

4、效率高，耦合頻帶具有一定的寬度且耦合效率平坦，對(duì)偏振不敏感。光隔離器(ISO)光隔離器是一種單向光傳輸器件，對(duì)EDFA工作穩(wěn)定性至關(guān)重要。通常光反射會(huì)干擾器件的正常輸出,產(chǎn)生諸如強(qiáng)度漲落、頻率漂移和噪聲增加等不利影響。提高EDFA穩(wěn)定性的最有效的方法是進(jìn)行光隔離。在輸入端加光隔離器消除因放大的自發(fā)輻射反向傳播可能引起的干擾，輸出端保護(hù)器件免受來(lái)自下段可能的逆向反射。同時(shí)輸入和輸出端插入光隔離器也為了防止連接點(diǎn)上反射引起激光振蕩，抑制光路中的反射光返回光源側(cè)，從而既保護(hù)了光源又使系統(tǒng)工作穩(wěn)定。要求隔離度在40dB以上，插入損耗低，與偏振無(wú)關(guān)。光濾波器(OpticalFilter)光濾波器消除被放

5、大的自發(fā)輻射光以降低放大器的噪聲，提高系統(tǒng)的信噪比(SNR)。一般多采用多層介質(zhì)膜型帶通濾波器，要求通帶窄，在1nm以下。目前應(yīng)用的光濾波器的帶寬為13nm。此外，濾波器的中心波長(zhǎng)應(yīng)與信號(hào)光波長(zhǎng)一致，并且插入損耗要小。泵浦源(PumPingSupply)泵浦源為信號(hào)放大提供能量，即實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布。根據(jù)摻鉺光纖(EDF)的吸收光譜特性，可以采用不同波長(zhǎng)的激光器作為泵源，女如Ar2+激光器(514nm)、倍頻YAG(532nm)、染料激光器(665nm)及半導(dǎo)體激光器(807nm、980nm、1480nm)。但由于在807nm及小于807nm波長(zhǎng)處存在強(qiáng)烈的激發(fā)態(tài)吸收(ESA)，泵浦效率較低。

6、若用665nm、514nm的染料和Ar+激光器泵浦得到25dB以上的增益，需要的入纖泵浦功率大于100mw，且Ar+激光器體積大難以實(shí)用化。目前980nm和1480nm的LD已商品化，所以一般采用980nm和1480nm的半導(dǎo)體激光器作泵源。(在下一節(jié)中將詳細(xì)討論)。第二節(jié)摻鉺光纖放大器的原理及特性1.2-1摻鉺光纖的光譜結(jié)構(gòu)鉺離子的電子能級(jí)圖如Fig1.3所示，同時(shí)給出鉺離子的主要吸收和發(fā)射能級(jí)。雖然這些吸收峰所對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)都可以作為EDF的泵浦波長(zhǎng)，但在波長(zhǎng)514nm、665nm和807nm處存在很強(qiáng)的激發(fā)態(tài)吸收(ESA)，即在泵浦光的作用下，激發(fā)態(tài)粒子躍遷到更高(第四)的能態(tài)。在多光子作用

7、下，粒子由第四能級(jí)快速馳豫到激發(fā)態(tài)，雖然ESA并不造成激發(fā)態(tài)粒子數(shù)的減少，但引起對(duì)泵浦光的吸收，嚴(yán)重地浪費(fèi)了泵浦光，泵浦效率降低。波長(zhǎng)為980nm和1480nm時(shí)，不存在激發(fā)態(tài)吸收，泵浦效率較高。因4I15/2是鉺離子的基態(tài)能級(jí)，同時(shí)又是激光下能級(jí)，所以摻鉺光纖屬于三能級(jí)系統(tǒng)。在摻鉺光纖中，鉺離子能級(jí)受到周圍電場(chǎng)的影響，能級(jí)產(chǎn)生斯塔克分裂，導(dǎo)致能級(jí)展寬，由于非均勻加寬很復(fù)雜，而均勻加寬又與實(shí)驗(yàn)符合的很好，因此認(rèn)為常溫下?lián)姐s光纖是以均勻加寬為主的增益介質(zhì)23。1.2-2摻鉺光纖放大器的數(shù)學(xué)模型一般1480nmp4I13/24I15/2摻鉺光纖能級(jí)簡(jiǎn)圖如Figl.4所示。E激光基態(tài)能級(jí)，E2為亞穩(wěn)

8、態(tài)能級(jí)，E3為泵浦能級(jí)，S32為E3到E2的非輻射躍遷幾率，A21為熒光壽命，Wp為泵浦速率。波長(zhǎng)514nm532nm670nm800nm980nm1480nm1531nmFig1.3EnergyleveldiagramofErionionFuiTLp1已即已1FigL4Tliree4evdsystem和980nm作為泵浦波長(zhǎng)，可簡(jiǎn)化為二能級(jí)系統(tǒng)。由Figl.3和Figl.4知，1480nm的泵浦能級(jí)E3與激光上能級(jí)E2屬同一能帶，本身為二能級(jí)系統(tǒng)；對(duì)于980nm，由于鉺離子上能級(jí)壽命很長(zhǎng)(10ms)，通常S32A21，E3上的粒子數(shù)近似為零，因此可用二能級(jí)系統(tǒng)描述。我們采用速率方程來(lái)描述上下

9、能級(jí)間粒子的受激吸收、受激輻射及自發(fā)輻射，并采用光傳輸方程來(lái)描述EDF中光強(qiáng)分布?？紤]帶寬為山，中心波長(zhǎng)為九=c/u的N束光在EDF中傳播，其中包括泵浦光及信號(hào)光(Au=0)。設(shè)第K束光的光強(qiáng)為I(r,z)，則第K束光沿傳播方向(光纖軸K向)Z的光功率為23：l-l)P(z)j彳小I(r,z)rdrdK00K二能級(jí)系統(tǒng)的速率方程為：()K-K_eKnhu2KK=1,2,3Nn(r,z)=n(r,z)+n(r,札z)式中n(r,z)、n(r,z)和n(r,z)分別為鉺離子摻雜濃度、下能級(jí)和上能級(jí)的粒子tl2數(shù)密度；b和b分別為鉺離子的受激吸收與受激發(fā)射截面；t為鉺離子的熒光壽命;aKeKiK為第

10、K束光的歸一化光強(qiáng)度，定義為：i(r,)=I(r,z)/P(z)KKKdnVPib(丄)yPib(丄)n(r,Q,z)2=k-k_nV,z-k-knr,zdthu1l-2)l-3)l-4)KKKEDF中光傳輸方程為：PJJi(r,)n(r,zXp(z)+mhuAudrd00K2KKK一uoJ2kJi(r,)n(r,z)(P(z)drdKaK00K1K式中u表示第K束光的傳輸方向，沿Z正向u=1；反之u=1。mhuAu是由上KKKKK能級(jí)粒子數(shù)n引起的自發(fā)輻射對(duì)P的貢獻(xiàn);m為模式數(shù)，因單模光纖只允許傳輸LP模,2K允許有兩個(gè)正交化偏振方向，所以m一般取2。定義光纖吸收及發(fā)射系數(shù)分別為：a=oJ2

11、KJi(r,0)n(r,札z)rdrdKaKKt00g=oJ2KJi(r,0)n(r,札z)rdrdKeK00Kt設(shè)鉺離子在EDF中均勻分布，則上兩式簡(jiǎn)化為a=ornKaKKtg=ornKeKKt式中r為鉺離子與光模之間的重疊積分因子：r=J2小i(r,e)rdrdOK00K當(dāng)EDFA用于放大連續(xù)或調(diào)制頻率大于10KHz以上的調(diào)制信號(hào)時(shí)，系統(tǒng)滿足穩(wěn)態(tài)條件：dn/dt=0，下面求解方程(1-2)、(1-5)的穩(wěn)態(tài)解，建立起EDFA的數(shù)學(xué)模型。對(duì)2方程(1-2)在摻雜區(qū)截面上積分，并除以EDF有效截面積A，因鉺離子均勻分布，EDF有效截面積A等于EDF纖芯截面積A,則方程(1-2)化為；effdn

12、P2=乙KdtAhuKeffKK=uOdzKeK1-5)1-6)1-7)1-8)1-9)1-10)eff01a-(a+g)2KKKnt1-11)忽略自發(fā)輻射的影響，結(jié)合式(1-6)、(1-7)與(1-10)，則方程(1-5)化為dPK=UdzK1-12)將(1-12)代入(1-11)并利用穩(wěn)態(tài)條件dn/dt=0可得上能級(jí)粒子數(shù)n為:TudPn=Vjj2AhudzjAeffj將(1-13)代入(1-12)得dPK=uPdzKK2j=1,2.N1-13)惶工PsatKdPjj+ahudzkjj1-14)其中Psat為固有飽和光功率：KAhuPsa=effKkTrvo+oKaKeK1-15)對(duì)上式兩

13、邊在EDF長(zhǎng)度L上積分得：一一huV1()KPinPouta,LPsathujjKKjjPout=PinexpKK1-16)該式就是穩(wěn)態(tài)條件下EDFA光傳輸方程的解，即EDFA的數(shù)學(xué)模型。式中Pout與Pin分KK別為第K束光的輸出、輸入光功率。為便于求解，采用光子流代替光功率，光子流與光功率的關(guān)系Q=P/hu代入此式得：K1()VQin一QoutQsatKtKKQout=QinexpKK其中Qin=Qin，QutjjQout=工QinexpKKQout。將式(1-17)進(jìn)一步化為：jj1()VQinQout/aLQsatKK該式是關(guān)于總光子流輸出Qout的隱函數(shù)方程，它只是輸入光子流Qin，

14、(1-17)(1-18)固有飽和光功率Psat及EDF長(zhǎng)度L的函數(shù)，首先由(1-18)式解出Qout，然后代入(1-17)式便可解出第K束光的輸出光功率，從而計(jì)算出EDFA的各種特性曲線。信號(hào)光增益表示EDFA的放大能力，定義為：1-19)G=10Lo(Pout/Pin丿(dB)1.2-3摻鉺光纖放大器的特性分析下面通過(guò)對(duì)EDFA數(shù)學(xué)模型進(jìn)行計(jì)算機(jī)模擬求解，分析EDFA的各種特性。一、泵浦特性Fig1.5是不同泵浦波長(zhǎng)時(shí)，EDFA增益及增益系數(shù)與泵浦光功率的關(guān)系。增益系數(shù)又名泵浦效率，定義為放大器的增益與泵浦光功率之比；反映了泵浦光功率的轉(zhuǎn)換能力。由圖知，在相同的信號(hào)和泵浦光功率輸入時(shí)，不同的

15、泵浦波(泵浦帶)長(zhǎng)對(duì)應(yīng)不同的50110A:980B:1480C:664D:53240302005101520Inputpumppower(mw)Fig1.5BestExperimentEDFAgainversusinputpumppowerusingdifferentpumpbands,andthecorrespondingdB/mwgaincoefficientsarealsoshown-20DpdLMkiuALJE05101520253035LengthofEDFA(m)Fig1.6BestEDFLengthindifferentPumpPower滋30-30增益及增益系數(shù)，980nm增益

16、和泵浦效率最高，其次是1480nm，而807nm泵浦效率最低。因此980nm和1480nm是理想泵浦波長(zhǎng)。實(shí)驗(yàn)證明，980nm作為泵浦波長(zhǎng)，具有更小的噪聲指數(shù)(3dB)和更高的泵浦效率(611dB/mw)。而1480nm泵浦可獲得更高的輸出功率。Fig1.6是不同泵浦功率時(shí)，信號(hào)增益與光纖長(zhǎng)度的關(guān)系。由圖看出，對(duì)應(yīng)一定的泵浦功率，EDF有一最大增益長(zhǎng)度，此長(zhǎng)度處泵浦光能量低于泵浦閾值，反轉(zhuǎn)粒子數(shù)為零，如再增加長(zhǎng)度，信號(hào)光能量將被鉺離子吸收，導(dǎo)致增益下降。隨泵浦功率提高，增益增大，最大增益長(zhǎng)度向后移。這是因泵浦功率增大使得粒子能在更長(zhǎng)的光纖范圍內(nèi)形成反轉(zhuǎn)；如果EDF較短，對(duì)泵浦光吸收較少，粒子反

17、轉(zhuǎn)數(shù)也少，信號(hào)光得不到足夠的增益。雖然最大增益長(zhǎng)度隨泵浦功率增大而增長(zhǎng)，但兩者不存在線性關(guān)系。二、增益特性增益的大小表示放大器的放大能力，它與EDF的摻鉺濃度，摻雜半徑，光纖長(zhǎng)度,泵浦波長(zhǎng)及功率，信號(hào)波長(zhǎng)及功率等因素有關(guān)。EDFA的波長(zhǎng)帶寬是指最小小信號(hào)增益與最大小信號(hào)增益之差小于3dB的波長(zhǎng)間隔，波長(zhǎng)帶寬主要取決于纖芯中添加劑的選擇。Figl.7是相同泵浦光功率下，不同信號(hào)波長(zhǎng)與增益的關(guān)系。由圖看出EDFA光譜范圍寬，增益譜對(duì)波長(zhǎng)具有依賴性，在l53lnm處存在一增益峰，在l550nm為中心的波段增益較平坦，經(jīng)過(guò)合理設(shè)計(jì)EDFA的參數(shù)，3dB帶寬可達(dá)35nm(1530nm1565nm)。Fi

18、gl.8給出了泵浦功率相同而信號(hào)輸入功率不同時(shí)，光纖長(zhǎng)度與信號(hào)增益的關(guān)系。由圖看出，小信號(hào)增益大，而大信號(hào)增益小，這是因大信號(hào)使EDFA增益飽和。隨著信號(hào)增大，光纖最佳長(zhǎng)度變小，因大信號(hào)對(duì)泵浦光消耗大，所以最佳長(zhǎng)度減小。505050332211-20人p=i48Unm，-505101520253035Fiberlength(m)Fig1.8TherelationshipbetweensingalgainandfiberlengthwithdifferentsingalinputpoweroO430056055O25006O85Singalwavelengthj(im)Fig1.7Therela

19、tionshipbetweensingalgainandsingalwavelengthwithsamePumpingpower相同摻雜半徑及泵浦功率下，摻雜濃度越大，EDF最佳增益長(zhǎng)度越短，摻雜濃度較低時(shí)，摻鉺濃度與最大增益長(zhǎng)度成反比，如Figl.9所示。如果鉺離子濃度過(guò)大，將發(fā)生濃度消光現(xiàn)象。相同摻雜濃度及泵浦功率下，摻雜半徑越大，增益越小，EDF的最佳增益長(zhǎng)度越短，并且最大增益越小，如Fig1.10所示，這是由于泵浦光在光纖截面的分布是不均勻的，正如第一節(jié)所述，纖芯中心處最大，向芯子邊緣逐漸減小，泵浦光能量隨半徑增大而小于泵浦閾值時(shí)，泵浦光不能使鉺離子的反轉(zhuǎn)分布，浪費(fèi)了泵浦光，因此減小摻

20、雜半徑使得泵浦光在整個(gè)摻雜區(qū)域內(nèi)都大于閾值，有利于提高泵浦效率。-10 xbodLMkiu-200Pp=30mw九s=1550nm10203040506070EDFLength(m)Fig1.9GainversusEDFLengthindifferentEriondopedconcentration806O4O2OO-20-40020406080100LengthofEDF(m)Fig1.10GainversusEDFLengthindifferentdopedradiusrate飽和輸出功率是表征EDFA飽和特性的一個(gè)重要參數(shù)，定義為增益相對(duì)于小信號(hào)G降低3dB時(shí)的輸出信號(hào)功率。一般來(lái)講,飽

21、和輸出功率越大越好。理想的光放大器，信號(hào)總是被線性放大。實(shí)際的光放大器輸入功率小，增益大，輸入光功率大，增益反而減小，這是因EDFA的增益飽和。如Figl.ll所示，輸出較小時(shí)，EDFA工作于線性放大區(qū)；隨輸入增大EDFA進(jìn)入飽和區(qū)工作區(qū)，增益迅速下降，輸出基本不隨輸入變化。泵浦光功率越高，飽和輸出功率越大，但泵浦光增大到一定程度，EDFA也會(huì)飽和，此時(shí)下能級(jí)粒子數(shù)完全反轉(zhuǎn)，繼續(xù)增加泵浦功率對(duì)粒子反轉(zhuǎn)數(shù)貢獻(xiàn)不大。如Fig,1.12所示，未飽和時(shí)泵浦光與信號(hào)光輸出成正比，飽和后信號(hào)光輸出基本不隨泵浦光而變。Pp=50mwPp=30mwI1-=181mPp=20mw入p=1480nm05060oo

22、4320o50-10-10-80-60-40-20020SingalOutputPower(dBm)0102030405060PumpPower(mw)40L=15mL=10mL=7mooo321-20Fig1.11TherelationshipbetweenSingalOutputPowerandSingalGainindifferentPumpPowerFig1.12TherelationshipbetweenPumpPowerandSingalGainindefferentEDFALength三、噪聲特性光放大器的噪聲用噪聲指數(shù)NF衡量，NF值越大，噪聲越大。噪聲指數(shù)定義為:第一章?lián)姐s光

23、纖放大器機(jī)理研究EDF12SNRP/NNF=4=10Logsin(1-20)SNRP/Noutsoutout式中SNR.和SNRt分別是光放大器的輸入和輸出信噪比。對(duì)于光纖放大器，NF永遠(yuǎn)inout大于1，即光纖放大器不能提高光信號(hào)的信噪比。為便于計(jì)算，將(1-20)式改寫(xiě)為34：其中，NF=10LogPASE-huAuGAu為濾波器帶寬，P為自發(fā)輻射噪聲功率，由下式?jīng)Q定P：SE=士(z)+2hAuL(a-a)P士(z)dzKASEKKsASE1-21)1-22)式中a為光纖在波長(zhǎng)九處的基底損耗。ss對(duì)于EDFA，放大的自發(fā)輻射是噪聲的主要來(lái)源。噪聲有四種：(1)信號(hào)光散粒噪聲；ASE散粒噪聲

24、；(3)ASE光譜與信號(hào)光差拍噪聲；(4)ASE光譜間的差拍噪聲。Fig1.13NoiseFigureversusEDFLengthindifferentPumppower(1)、(2)兩種噪聲在增益極高的情況下可忽略；(3)是決定放大器性能的重要因素。(4)頻譜很寬，可用窄帶濾波器消除絕大部分。NF與泵浦光功率和EDF長(zhǎng)度有關(guān)，泵浦功率增加，反轉(zhuǎn)粒子數(shù)增加，NF降低；當(dāng)泵浦光使EDFA飽和，粒子反轉(zhuǎn)數(shù)達(dá)到最大值，NF趨于一定值。如Fi(1.13所示)泵浦波長(zhǎng)為1480nm，在強(qiáng)泵浦(PPsat)條件下，高增益的EDFA可達(dá)到接近4dB的噪聲指數(shù)。并且EDF越長(zhǎng)，NF越大。泵浦波長(zhǎng)980nm強(qiáng)

25、泵浦條件下，粒子數(shù)反轉(zhuǎn)可接近完全反轉(zhuǎn)，NF接近于3dB的量子極限。1480nm的NF稍大，是因?yàn)?480nm屬于帶內(nèi)泵浦，其發(fā)射截面不為零，粒子數(shù)難以接近完全反轉(zhuǎn)。四、EDFA的溫度特性1213要使EDFA實(shí)用化，在惡劣環(huán)境下都能可靠地工作，必須考慮EDFA的溫度特性。1、摻鉺光纖(EDF)的熒光譜吸收譜及熒光壽命與溫度的關(guān)系由于環(huán)境溫度的改變，摻鉺光纖的熒光譜、吸收譜及熒光壽命將發(fā)生變化，如Fig1.14和Fig1.15所示，譜線與溫度的關(guān)系：(1)隨著溫度的降低，吸收譜線向短波方向移動(dòng)，吸收系數(shù)增加，而長(zhǎng)波長(zhǎng)處吸收系數(shù)顯著減小。(2)隨著溫度的降低，在1.52ym處短波長(zhǎng)熒光曲線“尾巴”逐

26、漸消失，1.53ym處熒光峰值增加，而1.55m處熒光峰值卻減小。14Fig1.15FluorescencesprctrumofFig1.14AbsorptionspectrumofEDF12第一章?lián)姐s光纖放大器機(jī)理研究 由熒光譜知，隨著溫度的下降，帶寬減小，但不是很顯著，一般認(rèn)為在-40C+70C內(nèi)，溫度對(duì)帶寬無(wú)影響，這一結(jié)論對(duì)EDFA在波分復(fù)用系統(tǒng)中的應(yīng)用有重要的意義。溫度引起吸收譜和熒光譜的變化，必然導(dǎo)致EDFA增益特性的變化。研究表明，從+85C-20C，在1480nm處泵浦，增益溫度系數(shù)達(dá)-0.7dB/C，即增益在此溫度變化范圍內(nèi)有7dB的變化；而對(duì)于980nm泵浦，增益溫度系數(shù)為-

27、0.004dB/C，即增益在此溫度變化范圍內(nèi)只有0.4dB的變化，這是優(yōu)先選用98nm作泵浦源的一個(gè)重要原因。一般認(rèn)為在0C+50C范圍內(nèi)，EDFA可穩(wěn)定工作。2、摻鉺光纖放大器高溫實(shí)驗(yàn)(72小時(shí))和高低溫循環(huán)實(shí)驗(yàn)(48小時(shí))Fig1.16、Fig1.17分別是摻鉺光纖放大器高溫實(shí)驗(yàn)(72h)和高低溫循環(huán)實(shí)驗(yàn)(48h)的溫度曲線。實(shí)驗(yàn)表明，當(dāng)致冷器電流隨溫度升降平穩(wěn)地變化，激光器管殼溫度控制在20土0.1C，激光器驅(qū)動(dòng)電流控制在設(shè)定數(shù)值的土0.5%，激光器出光功率可控制到土0.5%的穩(wěn)定度，只要光隔離器(ISO)和波分復(fù)用器(WDM)能在0C+50C范圍內(nèi)穩(wěn)定工作，就可保證EDFA在0C+50

28、C范圍內(nèi)穩(wěn)定工作，且輸出光功率變化小于土0.5dBm。605040302010+寸Outputpower(dBm)TempertureQC)esr-tDQEcldnabwBl01020304050Time(T/h)Fig1.17ExperimentcurveofEDFAinhighandlowtemperatureoutputpower(dBm)TempertureQC)00123Time(T/d)Fig1.16ExperimentcurveofEDFAinhightemperature0實(shí)驗(yàn)證明26,經(jīng)濾波器均衡后，EDFA不論工作于小信號(hào)或飽和狀態(tài)，除飽和時(shí)信號(hào)增益稍有壓縮外，兩種情況的增

29、益譜輪廓基本相同，說(shuō)明兩種情況都得到較好的均衡，這對(duì)WDM是非常必要的。第三節(jié)摻鉺光纖放大器增益鎖定EDFA應(yīng)用于波分復(fù)用光纖通信網(wǎng)(WDMNetworks)，不同的信道可能沿不同的路徑傳播，不同節(jié)點(diǎn)處信道的隨機(jī)插分(AddedorDrop)，這些變化引起網(wǎng)絡(luò)的重構(gòu)，使網(wǎng)絡(luò)中EDFA的信道數(shù)發(fā)生變化，EDFA信號(hào)輸入功率將緩慢變化，飽和EDFA的增益隨信號(hào)光功率上升而下降，因此，EDFA隨輸入信號(hào)功率變化而工作在不同的飽和深度，穩(wěn)態(tài)增益和輸出功率隨之而變。如在含不同格式信號(hào)的混合WDM傳輸系統(tǒng)中，較低輸入功率(3dBm)的視頻信號(hào)可能在不同的信道上共線傳播，一旦視頻信號(hào)中斷，數(shù)字信道就會(huì)從深度

30、飽和狀態(tài)跳變到小信號(hào)狀態(tài)，由于EDFA的增益瞬態(tài)飽和效應(yīng)，引起信道間交叉飽和串?dāng)_，使信號(hào)失真。再者隨著EDFA工作環(huán)境溫度的變化及泵浦源的老化效應(yīng)，LD的輸出功率發(fā)生變化，也能引起EDFA增益變化。增益波動(dòng)在EDFA級(jí)聯(lián)放大應(yīng)用中表現(xiàn)更加突出。因此穩(wěn)定EDFA的增益是WDM+EDFA走向工程化的重要技術(shù)。目前采用的解決方案主要有兩種，（1）動(dòng)態(tài)增益控制，即利用光電反饋環(huán)實(shí)現(xiàn)增益控制。該方案包括兩種方法，一是適當(dāng)?shù)貙?duì)EDFA輸出進(jìn)行取樣并反饋Ml,相應(yīng)調(diào)整作用于泵浦源LD上的偏置電流，使EDFA的輸入在很大范圍內(nèi)變化時(shí)維持增益或輸出功率恒定；二是用一補(bǔ)償信號(hào)實(shí)現(xiàn)光電反饋14。即改變通過(guò)放大器的飽

31、和補(bǔ)償量（補(bǔ)償信號(hào)波長(zhǎng)與信號(hào)波長(zhǎng)不同）的功率電平，以控制放大器的增益。方案一不但需要許多附加器件，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，而且有較大的電延遲。（2）自動(dòng)增益控制18-20，即包含同時(shí)進(jìn)行放大的激射的全光自動(dòng)增益控制?？刹捎煤?jiǎn)單的無(wú)源光學(xué)元件如光纖光柵形成直線形激光器，或用光纖反饋環(huán)形成環(huán)行激光器，并利用EDF的均勻加寬機(jī)制，在EDFA中特定波長(zhǎng)上建立穩(wěn)定的激射，有效地控制增益的變化，激光器的激射完成上述飽和補(bǔ)償信號(hào)的同樣功能，但空腔中的激光條件使通量電平自動(dòng)進(jìn)行調(diào)整。方案二結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于實(shí)現(xiàn)。下面系統(tǒng)討論環(huán)形激光器法構(gòu)成的自動(dòng)增益控制EDFA的原理及性能。2.3-1自動(dòng)增益控制EDFA（AGCEDFA）的結(jié)

32、構(gòu)與原理（數(shù)學(xué)模型）OitpuiPmiipld71480nmTmiaklefiller133.120:SUIFig2.11ConfigurationofAGCEDFAAGCEDFA的結(jié)構(gòu)如Fig2.11所示，CC2、C3為耦合器，C2的耦合比k從01連續(xù)可調(diào)，用于調(diào)節(jié)EDFA輸出，改變環(huán)行腔的損耗。可調(diào)諧光纖濾波器的帶寬為1nm,選擇用于環(huán)路激射的放大自發(fā)輻射（ASE）波長(zhǎng)，位于濾波器前后的光隔離器ISO2、ISO3可防止由于FC接頭等反射可能造成的非選擇性自激振蕩，因EDFA中ASE是雙向傳輸?shù)?，所以光隔離器也決定了激光振蕩的方向與信號(hào)光、泵浦光的傳輸方向一致，這樣設(shè)置保證了增益光纖的輸入端

33、保持較高的粒子數(shù)反轉(zhuǎn)水平，使環(huán)路很快達(dá)到閾值并建立起穩(wěn)定激射，保證放大器的低噪聲運(yùn)行。光隔離器ISO與ISO4阻止逆向反射，同時(shí)ISO可保護(hù)信號(hào)源。EDFA的輸出經(jīng)C2耦合出一部分，由光纖濾波器選出ASE的其中一個(gè)波長(zhǎng)后，經(jīng)光纖反饋回EDFA輸入端，形成一個(gè)環(huán)形激光器，滿足一定激射條件時(shí)，可在被選波長(zhǎng)上建立起穩(wěn)定的激光諧振。常溫下EDF是均勻加寬為主的增益介質(zhì)，EDFA的粒子數(shù)反轉(zhuǎn)程度受諧振光的牽制，若泵浦功率不變，粒子數(shù)反轉(zhuǎn)程度將處于某一穩(wěn)定狀態(tài)，決定了整個(gè)EDFA增益帶寬內(nèi)所有光波長(zhǎng)的增益。通過(guò)調(diào)節(jié)耦合器C2的k或在環(huán)路插入衰減器改變環(huán)行腔的損耗，使EDFA工作在不同的反饋深度（不同的工作

34、點(diǎn)）。k越大（損耗越小），被耦合到環(huán)路中的ASE功率越大，環(huán)路諧振越強(qiáng)。在波分復(fù)用網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中，信道隨機(jī)插分，復(fù)用波長(zhǎng)數(shù)目變化，即EDFA輸入功率變化，只要環(huán)形腔的穩(wěn)定激射不被破壞，所有信道復(fù)用波長(zhǎng)的增益保持不變。下面建立AGCEDFA的數(shù)學(xué)模型。設(shè)系統(tǒng)有N個(gè)復(fù)用波長(zhǎng)，在穩(wěn)態(tài)條件下，忽略ASE引起的增益飽和，當(dāng)泵浦光在1480nm波段時(shí)，根據(jù)式（1-16）并利用hu祖hu,ujKK為信號(hào)光或泵浦光頻率，則(1-16)式簡(jiǎn)化為15：PoutPoutjPinexpaL+satKIKPsatjIKj1K1,2N+12-7)式中Pin、Pout分別為第K個(gè)信道或泵浦光輸入、輸出光功率，a、PSat、分別

35、為第KKKKK個(gè)信道的吸收系數(shù)和飽和光功率。設(shè)Kf表示被選ASE波長(zhǎng)，B為環(huán)形腔損耗(Fig2.11中從B到A),包括耦合器損耗、輸出損耗和衰減器損耗等。該波長(zhǎng)存在如下關(guān)系：PouBPin(2-8)當(dāng)EDFA在該波長(zhǎng)上的增益Gp時(shí)，形成環(huán)形激光諧振，將(2-8)式代入(2-7)式得:PoutKPinexp50mw)對(duì)粒子反轉(zhuǎn)數(shù)幾乎沒(méi)有貢獻(xiàn)，只能造成泵浦光浪費(fèi)；當(dāng)尸卩稍小于50mw且B605040302010二-Pp=50mwPp=48mw能形成穩(wěn)定激射。因此在一定的損耗B下，泵浦功率在一定范圍變化，只要能形成穩(wěn)定激nofeedbackloopwithfeedbackloop入s=1550nm入

36、f=1545nmB=20dBPp=60mwPp=51mwPp=50mwPp=48mwPp=45mw射，EDFA粒子數(shù)反轉(zhuǎn)程度將相同(被牽制在由B和G決定的閾值水平)，信號(hào)光增益恒定。當(dāng)然對(duì)于一定的B和信號(hào)光輸入，要形成穩(wěn)定激射，泵浦功率有一下限Ppmin，如前面所述，在信道全部打開(kāi)即輸入信號(hào)最強(qiáng)時(shí)0-70-60-50-40-30-20-100SingalInputPower(dBm)10Fig2.23GainofEDFAwithandwithoutFeedbackLoopindifferentPumpPower調(diào)節(jié)B使環(huán)路建立激射，一般B不會(huì)太大，泵浦功率有=2mw的變化將不影響AGCEDFA

37、的增益，這一特性在實(shí)際應(yīng)用中很有意義，并將為EDFA遠(yuǎn)程監(jiān)控方案之一：泵浦源調(diào)較小時(shí)，仍然能提供足夠的增益建立穩(wěn)定激射，圖中B=20dB，Pp有5mw的衰減仍制法提供極為有利條件。圖中Pp減小使得增益可控范圍減小，這是由于泵浦功率減小,粒子反轉(zhuǎn)數(shù)減少的緣故。6開(kāi)環(huán)與閉環(huán)EDFA對(duì)低頻調(diào)制信號(hào)放大特性比較Fig2.24給出了輸入信號(hào)低頻(f1kHz)調(diào)制時(shí)，開(kāi)環(huán)與閉環(huán)EDFA的輸入與輸出信號(hào)的波形變化。輸入信號(hào)=1550nm)調(diào)制頻率為f=55Hz，圖中的曲線1、2、3分nagraenlvrarluA65(3)withfeedbackloop(2)withfeedbackloop(1)input

38、singal1)-withoutfeedbackloop(2)withfeedbackloop1c=1556nm5432010203040506070Time(ms)Fig2.25InfluencebetweensingalchannelinEDFAwithandwithoutfeedbackloop010203040506070Time(ms)Fig2.24LowfrequencymodulatedsingalamplifiedinEDFAwithandwithoutfeedbackloop1別為輸入信號(hào)、閉環(huán)輸出信號(hào)、開(kāi)環(huán)輸出信號(hào)。EDFA開(kāi)環(huán)輸出信號(hào)脈沖存在尖峰，因?yàn)楫?dāng)輸入信號(hào)幅度為“0

39、”時(shí)，EDF中信號(hào)光強(qiáng)度很弱，形成上能級(jí)粒子反轉(zhuǎn)數(shù)的積累，當(dāng)輸入信號(hào)幅度由“0”變“1”時(shí)，EDF中信號(hào)光強(qiáng)度突然增加使上能級(jí)粒子反轉(zhuǎn)數(shù)急劇下降而增益飽和，形成尖峰脈沖。這是由于EDFA增益瞬態(tài)飽和效應(yīng)，瞬態(tài)增益從飽和狀態(tài)恢復(fù)時(shí)間大約為lmsd,低速調(diào)制信號(hào)一個(gè)脈沖周期內(nèi)足以使EDFA瞬態(tài)增益恢復(fù)，所以出現(xiàn)尖峰。對(duì)于高速調(diào)制信號(hào)，變化周期遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于瞬態(tài)增益恢復(fù)時(shí)間，所以信號(hào)由“0”到“1”變化時(shí)，EDFA增益“反應(yīng)”不過(guò)來(lái)，因此EDFA對(duì)高速信號(hào)放大不會(huì)失真。閉環(huán)時(shí)輸出與輸入信號(hào)波形基本相同，說(shuō)明EDFA增益恒定，信號(hào)被線性放大。同時(shí)EDFA開(kāi)環(huán)增益比閉環(huán)增益大，因閉環(huán)時(shí)信號(hào)增益有較大程度的壓縮

40、。Fig2.25是兩個(gè)信號(hào)輸入開(kāi)環(huán)與閉環(huán)EDFA的波形。其中九s1=1550nm,Xs2=1556nm，并且九s1是低頻調(diào)制信號(hào)(f=55Hz),人2沒(méi)有調(diào)制的連續(xù)信號(hào)，功率恒定，圖中曲線1和2分別是EDFA開(kāi)環(huán)與閉環(huán)時(shí)信號(hào)人2的輸出波形，由圖知，開(kāi)環(huán)時(shí)信號(hào)人2的增益隨信號(hào)Xs1的變化而變化，信道間存在交叉飽和串?dāng)_；而閉環(huán)時(shí)信號(hào)九s2的增益不隨信號(hào)心變化，說(shuō)明閉環(huán)時(shí)交叉串?dāng)_被消除。在開(kāi)環(huán)時(shí)，某一信道的輸出功率隨其它信道的插分而變，且變化幅度較大，而閉環(huán)時(shí)某信道的輸出功率將不隨其它信道而變，這是理想情況，即只考慮EDF均勻加寬的情況，但實(shí)際應(yīng)用中，由于非均勻加寬的存在，增益瞬態(tài)效應(yīng)引起的交叉調(diào)制

41、仍然存在，但與開(kāi)環(huán)相比要小的多，實(shí)驗(yàn)表明所選諧振波長(zhǎng)越接近于信號(hào)波長(zhǎng)，越有利于抑制增益變化。當(dāng)然有效的抑制這一效應(yīng)是以犧牲信號(hào)增益為代價(jià)的，因必須降低環(huán)路的損耗B，這使的環(huán)路激射更強(qiáng)消耗更多的粒子數(shù)，信號(hào)增益壓縮更大。2.3-3討論及改進(jìn)方法1結(jié)論采用環(huán)形激光器法實(shí)現(xiàn)對(duì)EDFA的增益自動(dòng)控制，只要環(huán)路損耗不變，輸入信號(hào)不超過(guò)諧振破壞閾值，增益、噪聲指數(shù)和輸出功率與信號(hào)光輸入無(wú)關(guān)，對(duì)增益的控制是以犧牲信號(hào)增益為代價(jià)的。信號(hào)輸入超過(guò)諧振閾值后，激射熄滅，其特性與普通EDFA相同。不同的諧振波長(zhǎng)對(duì)應(yīng)不同的環(huán)路損耗B，決定不同的增益和受控范圍，對(duì)于一定的諧振波長(zhǎng)，可調(diào)節(jié)耦合器輸出或插入衰減器獲得不同損

42、耗，得到不同增益，但噪聲指數(shù)基本相同。實(shí)際應(yīng)用時(shí)，可根據(jù)具體情況選擇合適的諧振波長(zhǎng)及環(huán)路損耗。閉環(huán)EDFA增益的穩(wěn)定性取決與諧振波長(zhǎng)九f與環(huán)行腔損耗B的穩(wěn)定性，諧振波長(zhǎng)的漂移將引起增益G的變化，這要求所用濾波器帶寬要窄，隨溫度漂移要??；同時(shí)其他器件(如WDM)隨溫度變化也必須小，要盡量穩(wěn)定可靠，這樣才能使一定的諧振波長(zhǎng)九f對(duì)應(yīng)一定的環(huán)行腔損耗B，保證增益恒定。自動(dòng)增益控制的EDFA擴(kuò)展了EDFA增益的恒定范圍，容許有更大的信號(hào)輸入而增益不變，基本消除了尖峰脈沖和信道串?dāng)_，并且泵浦光功率變化小于2mw時(shí)，信號(hào)光增益不受影響。該方法結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于實(shí)現(xiàn)，由于全部采用光學(xué)元件，抗電磁干擾能力強(qiáng)，工作穩(wěn)

43、定，G的變化小于0.2dB，誤碼率小于10-919。2改進(jìn)方法在上面的分析中，我們看到，閉環(huán)使得EDFA噪聲特性惡化，主要由于EDFA信號(hào)輸入端耦合器的加入，增加了信號(hào)的損耗，并且由于增益鎖定的EDFA伴隨強(qiáng)激光的產(chǎn)生而消耗大量的反轉(zhuǎn)粒子數(shù)，致使鎖定的增益水平低，粒子反轉(zhuǎn)數(shù)處于閾值水平，反轉(zhuǎn)程度較低，自發(fā)輻射系數(shù)較大，因此噪聲特性惡化。由激射光引起信號(hào)的增益壓縮，從而導(dǎo)致的內(nèi)部噪聲惡化可忽略。適當(dāng)降低環(huán)路其他元器件的插入損耗可改善閉環(huán)EDFA的噪聲特性。對(duì)于長(zhǎng)距離傳輸和網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)應(yīng)用的中繼放大器，應(yīng)有高的增益、飽和輸出功率及低的噪聲，而由上面所述，EDFA的增益及噪聲特性取決于泵浦摻鉺光纖中粒子

44、數(shù)反轉(zhuǎn)程度，對(duì)于使用單段增益鎖定且動(dòng)態(tài)范圍較大的EDFA，因其始終工作于低反轉(zhuǎn)的深度飽和狀態(tài)，很難同時(shí)獲得高增益、大功率和低噪聲特性，必須設(shè)法實(shí)現(xiàn)高增益、高功率和低噪聲條件下平坦增益譜的鎖定。采用兩級(jí)放大結(jié)構(gòu)的EDFA來(lái)提高增益鎖定EDFA的放大性能31，在EDF中插入光隔離器(如Fig2.26所示)，這時(shí)EDFA被分為兩段，光隔離器可有效阻止后段EDF(L2)?unpLDEDF（L）TISOEDF（L：）葉巴y.O哼一兀pu:/ABnOpticalA-i-i?OLunDFBInput辛Fig2.26Configuratoro:AGZEDFAwithISOinsertedfilter的反向傳輸ASE的不斷積累，因反向ASE消耗了大量的泵浦光子，使信號(hào)輸入端反轉(zhuǎn)粒子數(shù)顯著減少，致使EDFA飽和，噪聲惡化。這樣反向ASE對(duì)前段EDF(L1)的影響大部分被消除，保證了信號(hào)輸入端高的粒子反轉(zhuǎn)數(shù)，提高了泵浦效率，使該放大級(jí)處于高反轉(zhuǎn)粒子數(shù)水平而工作在高增益、高輸出功率及低噪聲狀態(tài)。兩級(jí)結(jié)構(gòu)的EDFA等效于兩個(gè)獨(dú)立EDFA的級(jí)聯(lián)，EDFA1與EDFA2分別為EDF(L丿和EDF(L2)組成的放大器，EDFA的總增益、輸出功率及噪聲指數(shù)為：12G=lOLogP/P)=lOLogP/P丿+lOLog