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(多图) 喇曼和掺铒光纤放大器在WDM系统中的应用

来源:半导体技术/作者:西安通信学院 康晓东 尹树华 党利宏?? 2006年04月29日 ?? 收藏0
?????? 1 引言

??????? 高速数据通信和高质量视频通信以及多媒体业务的发展使得长距离光纤传输系统通信业务容量成倍增长,波分复用技术(WDM)的逐渐商用和EDFA 的应用使光纤的通信速率从原来的10Gb/s达到了Tb/s。继续增加复用波长数目(全波段波长放大),是对光纤放大器提出的新要求。喇曼光纤放大器(FRA)因其全波段放大特性、可利用传输光纤在线放大特性以及优良的噪声特性,再次成为光纤通信系统中研究的热点。

???????2 EDFA与FRA性能对比

?????? 2.1 EDFA性能分析2.1.1 饱和增益性能

?????? EDFA采用掺铒离子单模光纤作为增益介质,在增益介质吸收波长上提供泵浦,形成激光放大的条件。利用980nm和14

80nm附近的半导体激光器可以有效泵浦EDFA,仅用几毫瓦的泵浦功率就可获得30~40dB的高增益放大。通过改变其掺杂元素,可以进一步使增益谱的平坦度和谱宽得到改善。现在EDFA在C波段主要是通过掺入铝、L波段是通过掺入碲化物来拓宽和均衡其谱宽特性。

?????? 通过理论模型求出粒子数反转差及泵浦功率,就可得到增益系数,通过在整个掺铒光纤放大器长度上进行积分,即可求出光纤放大器的增益。由于泵浦功率沿光纤变化,所以各处的增益系数是不同的,增益必须在整个光纤上积分得到,因此通过选择光纤长度可以得到较为平坦的增益。

??????? 图1为EDFA小信号增益G与泵浦功率 PP及掺铒光纤放大器长度L的关系曲线。增益系数随着放大器的长度存在一个最佳值,超过这个值后,放大器的增益反而因为光纤的衰减损耗而减小。

小信号增益与泵浦功率及掺铒光纤放大器长度的关系曲线

?????? 在光纤长度一定时,并不是泵浦功率越大,增益系数越大,而是存在一个饱和值,超过它,增益系数将不再会增大。因此在给定掺铒光纤的情况下,应选合适的泵浦功率和光纤长度,进行优化设计(图2)。

泵浦功率与增益系数的关系曲线

???????? 2.1.2 噪声特性

??????? 噪声系数Fn定义为,噪声系数用来描述放大器对信噪比的恶化程度,噪声系数越小,输出的信噪比越高。

??????? EDFA的噪声系数和粒子数反转差DN 有关,泵浦越充分,DN越大,噪声越小,强泵浦下的三能级系统即为EDFA的极限噪声指数。

???????? 2.2 FRA性能分析 2.2.1 饱和增益性能

??????? 对光纤受激喇曼散射(SRS)的研究发现,石英光纤具有很宽的喇曼增益谱(达40THz)。如果频率为 wP泵浦光和wS的信号光(信号光波长在泵浦光的喇曼增益带宽内)通过波长选择耦合输入光纤,当这两束光在光纤中一起传输时,泵浦光的能量通过SRS效应转移给信号光,使光信号得到放大,泵浦光和信号光可分别在光纤的两端输入,在反向传输的过程中同样能实现弱信号的放大。

??????? 对于FRA,当信号功率增大,而泵浦功率转移给信号而产生的消耗不可忽略时,泵浦功率在传输过程不断衰减,信号光的放大速率受到限制,放大过程就会出现饱和现象。假定衰减系数aS =aP,可得到饱和增益的近似表达式为

饱和增益的近似表达式

??????? 式中 ;GA为小信号增益系数。随着r0(即P S(0))增大,增益将呈现饱和特性。当G Ar0≈1时,增益降到原来的一半。这时信号功率已接近输入泵浦功率,可用输入泵浦功率代表FRA的饱和输出功率。


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放大器? 光纤? WDM?

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