光纤放大器原理及调节方法

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光纤放大器原理及调节方法

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：

光纤ZBLAN Fibers

Single Mode Fibers

Item	Dopant	Concentration	NA	Core dia.	Cladding dia.	Coating dia.	Cut-off	Loss Spectrum
Item	Dopant	ppm mol	-	µm	µm	µm	nm	Loss Spectrum
ZSF-6/125-N-0.20	non	-	0.20	6.0±0.5	123±3	450±30	<1700	click here
ZSF-6.5/125-N-0.265	non	-	0.265	6.5±1.5	124±3	450±30	<2750	click here
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	click here
ZSF-2.5/125-4.4T	Tm	4,400	0.27	2.5±0.3	123±3	450±30	<1000	click here
ZSF-2.7/125-3.2T	Tm	3,200	0.26	2.7±0.3	123±3	450±30	<1050	click here
ZSF-9/125-13T	Tm	13,000	0.16	8.5±1.5	125±3	450±30	<2200	click here
ZSF-2.4/125-1.5P	Pr	1,500	0.25	2.4±0.4	123±3	450±30	<950	click here
ZSF-4.9/125-2E	Er	2,000	0.21	4.9±0.3	123±3	450±30	<1450	click here
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	click here
ZSF-9.0/125-1H	Ho	1,000	0.16	9.0±1.0	123±3	450±30	<2100	click here
ZSF-13/125-40C	Ce	40,000	0.12	13.0±2.0	123±3	450±30	<2350	click here

PM (ellipsoidal core)-Single Mode Fibers

Item	Dopant	Concentration	Extinction ratio	Core dia.	Cladding dia.	Coating dia.	Cut-off	Loss Spectrum
Item	Dopant	ppm mol	dB	µm	µm	µm	nm	Loss Spectrum
ZSF-2.2x5/125-N-PM	non	-	>20@1.3μm	2.2x5	123±3	450±30	<1300	click here

Multi Mode Fibers

Item	Dopant	Concentration	NA	Core dia.	Cladding dia.	Coating dia.	Loss Spectrum
Item	Dopant	ppm mol	NA	µm	µm	µm	Loss Spectrum
ZMF-90/125-N-0.27	non	-	0.27±0.01	90±5	123±6	480±30	click here
ZMF-97/125-N-0.30	non	-	0.30±0.01	97±3	123±5	480±30	click here
ZMF-152/200-N-0.27	non	-	0.27±0.01	152±12	200±10	480±30	click here
ZMF-152/200-N-0.28	non	-	0.28±0.01	152±12	200±10	480±30	click here
ZMF-160/200-N-0.29	non	-	0.29±0.01	160±10	200±10	480±30	click here
ZMF-166/200-N-0.30	non	-	0.30±0.01	166±10	200±10	480±30	click here
ZMF-175/200-N-0.30	non	-	0.30±0.01	175±5	200±10	480±30	click here
ZMF-395/500-N-0.27	non	-	0.27±0.01	395±35	500±25	600±30	click here
ZMF-400/500-N-0.30	non	-	0.30±0.01	400±30	500±25	600±30	click here
ZMF-410/500-N-0.30	non	-	0.30±0.01	410±20	500±25	600±30	click here

Double Cladding Fibers

Item	Dopant	Concentration	Core dia.	1st Cladding configuration	2nd Cladding dia.	Loss Spectrum
Item	Dopant	ppm mol	µm	µm	µm	Loss Spectrum
ZDF-70/250-60E-C	Er	60,000	70±11	250/Circular	400±10	click here
ZDF-52/250-60E-C	Er	60,000	52±6	250/Circular	400±10	click here
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	click here
ZDF-4.7/125-5E-C	Er	5,000	4.7±0.7	124/Cicular	200±10	click here
ZDF-9/125-13.7T-C	Tm	13,700	9±1	125/Circular	200±10	click here
ZDF-7.5/125-20T-C	Tm	20,000	7.5±1.5	120/Circular	215±10	click here
ZDF-7.5/125-30T-C	Tm	30,000	7.5±1.5	120/Circular	215±10	click here
ZDF-7.5/125-35T-C	Tm	35,000	7.5±1.5	120/Circular	215±10	click here
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	click here
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	click here
ZDF-10/125-30H2.5P-O	Ho/Pr	30,000/2,500	10±1	125/Octagonal	185±15	click here
ZDF-4.5/125-13N-C	Nd	13,000	4.5±0.5	123/Circular	217±30	click here
ZDF-3/125-33.7Tb-C	Tb	33,700	3±0.6	123/Circular	200±10	click here

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。光纤

　　1、EDFA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，能够保证光信号在最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：Pout，Pin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；Is，Ps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 nm和1 480 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1 525～1 565 nm之间。

2、EDFA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)，使其不能进入第一段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1～2 mW的1 550 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，第一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。第一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，第一级增益为G1：

　　其中第一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：

　　第一级增益为17 dB，第二级增益为13 dB，1 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，最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最佳长度，使得增益最大。

　　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)，使其不能进入第一段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最佳的光功率增益，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，找到掺铒光纤的最佳长度。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，可考虑更高级联的方法，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，采用更高级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，最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，这个现象是第一次测试是好的，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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