摻鉺光纖放大器的特性研究

鄭立軍

(長春大學 電子信息工程學院，長春 130022)

0 引言

光纖傳輸?shù)淖畲笳系K是損耗，它直接制約著光纖的應用和發(fā)展。遠距離光纖傳輸中為了保證傳輸信號的質(zhì)量，在信號強度有所下降時要進行補償，提高信號強度，這就是信號的放大。光纖放大器可實現(xiàn)對光的直接放大，具有實時，寬帶，低損耗的全光放大功能，摻鉺光纖放大器已廣泛應用于長距離大容量高速率的光纖通信系統(tǒng)中。

1 基本原理

摻鉺光纖放大器EDFA是通過受激輻射放大入射光的，相當于一個沒有反饋的激光器。摻鉺光纖放大器的核心結(jié)構(gòu)是摻鉺光纖。其放大作用就是利用了摻鉺光纖中鉺離子在泵浦光泵浦作用下受激輻射而實現(xiàn)的。當用較高能量的泵浦激光器來激勵EDFA時，基態(tài)(E1)的電子吸收泵浦光后大量激發(fā)到激發(fā)態(tài)(E3)，而激發(fā)態(tài)(E3)不穩(wěn)定，電子會無輻射躍遷到能量較低的亞穩(wěn)態(tài)(E2)，當泵浦光功率足夠強時，會形成基態(tài)(E1)和亞穩(wěn)態(tài)(E2)的粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，當有信號光進入時，如果信號光的波長正好合適的話，電子會從亞穩(wěn)態(tài)(E2)受激輻射躍遷到基態(tài)(E1)，同時放出與信號光頻率相同的光子，這樣信號光就得到了放大。

摻鉺光纖放大器的小信號增益可以利用下式進行計算

式中Gs—信號增益;

αs—信號光在摻鉺光纖中的衰減系數(shù);

L—摻鉺光纖的長度;

εs—定義為，這里αp是泵浦光的衰減系數(shù);

Pp(0)—單端泵浦時的輸入歸一化泵浦光功率。

上式顯示增益G與摻鉺光纖長度和歸一化輸入的泵浦功率的關(guān)系。對確定的長度的摻鉺光纖放大器，可以求得增益G隨輸入泵浦功率的變化關(guān)系，和給定輸入泵浦功率時摻鉺光纖放大器的增益G隨長度的變化關(guān)系。對于給定摻鉺光纖結(jié)構(gòu)參數(shù)的摻鉺光纖放大器，根據(jù)上式就可以求得增益隨入射光功率，光纖長度等參數(shù)變化關(guān)系。

2 理論研究

不同光纖長度情況下，增益與泵浦功率的變化關(guān)系如圖1所示:

圖1 用1.55μm處小信號的Gs—Pp函數(shù)曲線

此圖給出了用1.48μm泵浦的摻鉺光纖放大器在1.55μm處的小信號增益作為泵浦功率的函數(shù)，用典型參數(shù)值計算得到的曲線圖(其中參數(shù)為 Ps=100nW，λp=1480nm，λs=1550nm，α(λp)=3dB/m，g*(λp)=1.1dB/m，α(λs)=3.3dB/m，g*(λs)=4.8dB/m，ζ=3 ×1015m-1s-1)。通過圖1 可以看出，對于給定的放大器長度L，放大器增益開始隨泵浦功率呈指數(shù)增長，當泵浦功率超過一定值時(對應于圖1中的拐點 )增長變緩。這是由于在泵浦功率較低時，泵浦功率是限制增益的最主要因素，所以增益隨泵浦功率在開始時是指數(shù)增長的關(guān)系，當泵浦功率增長到一定程度時，摻鉺光纖中基本形成粒子數(shù)全反轉(zhuǎn)，所以這時增益隨泵浦功率的增長變緩。

不同功率情況下，增益與摻鉺光纖長度的變化關(guān)系如圖2所示:

圖2 用1.55μm處小信號的Gs—L函數(shù)曲線

此圖給出了用1.48μm泵浦的摻鉺光纖放大器在1.55μm處的小信號增益作為摻鉺光纖長度的函數(shù)，用典型參數(shù)值計算得到的曲線圖(其中參數(shù)為Ps=100nW，λp=1480nm，λs=1550nm，α(λp)=3dB/m，g*(λp)=1.1dB/m，α(λs)=3.3dB/m，g*(λs)=4.8dB/m，ζ=3 ×1015m-1s-1)。通過圖 2 可以看出，對于給定的放大器泵浦功率Pp，放大器增益在L的一最佳值處取得最大，當L超過最佳值時迅速下降，原因是放大器的末端未受到泵浦且吸收放大信號。

因為L的最佳值依賴于泵浦功率Pp，因此有必要選擇L和Pp。上圖表明采取適當?shù)脑O(shè)計，僅使用幾米長的放大器就能實現(xiàn)高增益。圖1和圖2所示的定性特征在所有的摻鉺光纖中都曾觀察到。

3 實驗結(jié)果和分析

圖3是實驗裝置示意圖。本次實驗采用1480nm激光為泵浦源，使用雙向泵浦方式。泵浦光經(jīng)兩個波分復用器，從正反兩個方向?qū)姐s光纖進行泵浦，使摻鉺光纖中形成粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，對信號光進行放大。

由于泵浦光源的輸出功率是由驅(qū)動電流控制的，所以先研究一下泵浦光源輸出功率和驅(qū)動電流的關(guān)系，

圖3 摻鉺光纖放大器性能參數(shù)測試實驗裝置示意圖

如圖4。

圖4 泵浦光源的輸出功率和驅(qū)動電流的關(guān)系圖

通過圖4可以看出，泵浦光源的輸出功率和驅(qū)動電流基本是線性關(guān)系，這對實驗的進行有很大的幫助。

通過改變泵浦光的驅(qū)動電流，測得對應的信號光經(jīng)放大器后的輸出功率，再經(jīng)過計算，得到放大器增益和泵浦功率，將所測得的數(shù)據(jù)整理畫出摻鉺光纖放大器的Gs-Pp曲線。如圖5。

圖5 摻鉺光纖放大器的Gs－Pp曲線

通過圖5可以看出，在泵浦功率較小時，放大器增益隨泵浦功率指數(shù)增加，當泵浦功率達到一定值時，增益隨泵浦功率緩慢增加。這也驗證了數(shù)值模擬得到的結(jié)果。

造成這種結(jié)果的原因是由于在泵浦功率較低時，泵浦功率是限制增益的最主要因素，所以增益隨泵浦功率在開始時是指數(shù)增長的關(guān)系，當泵浦功率增長到一定程度時，摻鉺光纖中基本形成粒子數(shù)全反轉(zhuǎn)，所以這時增益隨泵浦功率的增長變緩。也就是說當繼續(xù)加大泵浦功率時，泵浦功率并沒有大部分的轉(zhuǎn)化到信號光中去，而是被浪費掉了，這樣就降低了泵浦光的利用效率，如何提高泵浦光的泵浦效率是在實踐中需要注意的問題。

除了泵浦功率可以影響放大器的增益，還有信號光功率和光纖的長度，由于實驗條件的限制，沒有對不同長度的摻鉺光纖進行實驗測量，不過數(shù)值模擬給出的結(jié)果同樣有一定的參考價值，下面我們討論一下輸入信號光功率對放大器增益的影響。

圖6 摻鉺光纖放大器的Gs－Ps曲線

圖6給出了放大器增益隨輸入信號功率變化的關(guān)系。當輸入信號很小時，可以獲得很大的增益，可是當信號光功率加大時，增益卻不斷減小。這是因為當信號光較小時，摻鉺光纖中的粒子數(shù)反轉(zhuǎn)程度較高，可以達到很高的增益，可是當信號光不斷加大時，摻鉺光纖中的粒子數(shù)反轉(zhuǎn)程度隨之降低，這是由于大量的信號光子耗費了大量的高能級的鉺離子。所以，當信號光的功率不斷加大時，摻鉺光纖放大器的增益會不斷的降低，也就是說一臺摻鉺光纖放大器的增益不是固定不變的，它將隨著信號的強度有一定的變化。這在實際使用中有很大的指導意義。

4 結(jié)語

本文從理論和實驗兩方面對摻鉺光纖放大器的輸出特性進行了分析，得出了放大器增益與泵浦功率，信號強度和光纖長度的變化關(guān)系。對于給定的放大器長度L，放大器增益開始隨泵浦功率呈指數(shù)增長，當泵浦功率超過一定值時增長變緩。對于給定的放大器泵浦功率Pp，放大器增益在L的一最佳值處取得最大，當L超過最佳值時迅速下降，原因是放大器的末端未受到泵浦且吸收放大信號。增益隨輸入信號功率變化的關(guān)系是當輸入信號很小時，可以獲得很大的增益，可是當信號光功率加大時，增益卻不斷減小。

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