基于前置光放大器的空間光接收研究

摘 要：隨著光放大器應用的越發廣泛，本文主要根據前置EDFA，給出空間光耦合到單模光纖的設計方案。

關鍵詞：光通信 光耦合 前置EDFA

中圖分類號：TN91 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2012）12（c）-0060-02

傳統的光-電-光再生中繼器有許多缺點，首先，通信設備很復雜，系統的穩定性和可靠性不高。其次，傳輸容量受到一定的限制。空間光通信因其容量大、抗干擾能力強、保密性好等特點來越得到各國的重視，在多種通信平臺上得到應用。然而在惡劣的天氣情況，會對無線光通信系統的傳播信號產生衰耗作用，光放大器的出現解決了光通信系統中的條件限制。本文將著重研究如何高容量高速率低噪聲低功耗的傳輸信號，并且使接收端容易接收信號。

1 光放大器的選擇

光放大器一共有3種，利用稀土摻雜的光纖放大器，利用半導體制作的半導體光放大器，利用光纖非線性效應制作的非線性光纖放大器，表1是3種光放大器的各種特點。

通過上表的觀察我們可以發現半導體放大器SOA明顯不符合我們的要求，與光耦合很差，偏振大，噪聲大，而且穩定性也不好。圖表中拉曼放大器和摻稀土放大器各項指標基本相同，但是光纖拉曼放大器的泵浦要求高能量輸出（500 MW），拉曼散射增益具有偏振依賴性，而摻稀土放大器中的摻鉺放大（EDFA）解決了系統容量提高的最大的限制光損耗補償了光纖本身的損耗，使長距離傳輸成為可能，大大增加了功率預算的冗余，且工作頻帶正處于光纖損耗最低處（1525～1565 nm）；頻帶寬，可以對多路信號同時放大-波分復用；對數據率/格式透明，系統升級成本低；增益高（>40 dB）、輸出功率大（>30 dBm）、噪聲低（4～5 dB）；全光纖結構，與光纖系統兼容；增益與信號偏振態無關，故穩定性好；所需的泵浦功率低（數十毫瓦），而且EDFA其低噪聲的特點，也適合作為前置放大器，使其靈敏提高10～20 dB，使光信號與光纖耦合之前得到放大，并降低噪聲。

2 光放大器對靈敏度的影響

在OOK調制的數字光通信系統，靈敏度可用下式計算：

對于誤碼率為10-9，要求Q=6，對于誤碼率為10-7，要求Q=5.2。對于1.25Gbps的通信系統，若采用為0.5 nm的光濾波器，靈敏度就可以達到-46dB，而一般的APD接收機，靈敏度只能達到-38 dBm左右，光放大接收機靈敏度比APD接收機可提高8 dB。如再采用糾錯編碼，要求的Q值還可降低，靈敏度可達到-50 dBm。減小光濾波器的帶寬，靈敏度會提高，最佳的光濾波器帶寬B0為電濾波器帶。

3 空間光與光纖耦合分析

光纖分為單模光纖和多模光纖，由于擬建立的實驗平臺所采用的為單模光纖，所以僅僅考慮空間光與單模光纖之間的耦合問題，不考慮多模光纖。由于單模光纖的纖芯直徑很小，光纖只傳輸與光纖軸方向一致的光線通過，光波在光纖中傳播要遵從麥克斯韋方程組，還要滿足光纖的邊界條件。因此根據波動方程、麥克斯韋方程組、邊界條件可以推導出定義為歸一化截止頻率的表達其中r為光纖的纖芯半徑；λ為光纖的工作波長；n1為光纖纖芯的折射率，n2為包層的折射率；k0為真空中的波數；Δ為光纖的相對折射率差。從式（2）中可以看出，對于給定光纖，存在一個臨界波長λc，當λ<λc時，是多模傳輸，當λ>λc時，是單模傳輸，這個臨界波長λc成為截止波長。由此可得：

空間光經過接收光學系統的匯聚后，在后焦面上形成艾里斑衍射圖樣，耦合的基本原理就是艾里斑模場與單模光纖模場之間的模式匹配。

耦合效率定義為耦合進單模光纖中的光功率Pc與聚焦平面上接收的光功率Pa之比：

根據Parseval定理，可得入射光瞳面上η為：

其中Ei為入瞳面入射光場，因為單模光纖模場可以近似為高斯分布，所以不Ef為單模光纖模場反向傳輸到入射光瞳面時的模場分布仍然具有高斯形式：

耦合效率與β的關系是，當β=1.1209時，式（9）取得極大值，得最大耦合效率ηmax=81.45%，耦合損耗約0.9dB，這是平面光波到單模光纖耦合所能得到的最大耦合效率，考慮光纖端面的菲涅耳反射損耗（3.66%），則最大耦合效率為77.79%。

4 實驗及結果分析

按照搭建完系統，還得進一步精確它的位置，由于試驗所需要的是1550 nm波段的光是不可見光，所以需要先用800 nm可見紅激光源入射光學組件，進行粗調，安排好各光學組件之間的位置。然后換用1550波段的激光，進行精確調整，當有光信號進入光纖后，用光功率計測量耦合前的功率W1，再關掉激光，從光電轉換器處獲得耦合入光纖的背景光強W2。然后運用計算機進行光柵掃描，然后再進行跟蹤，找到其中的最大值，并計算出耦合效率。再次進行一次光柵掃描，得到的耦合效率值對應光纖發生橫向偏移時的值。當用單模光纖進行實驗時，實驗獲得的最大耦合效率值為61.3%。

5 結語

本文介紹一種基于前置光放大器的空間光接收的設計方案，對空間光耦合到單模光纖的耦合率進行了分析，激光通信技術具有保密性好，組網方便，通信容量大，小巧輕便，功耗低等一系列優點，所以如何能夠更好的提高光與光纖的耦合率，在未來的光纖通信中顯得更加的重要，也是當今光纖通信的發展趨勢。

參考文獻

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