1.光放大器的增益.ppt

第5章 光网络器件 光纤通信系统中所用的器件可以分成有源器件和无源器件两大类。有源器件的内部存在着光电能量转换的过程，而没有该功能的则称为无源器件。由于光纤系统网络化程度日益提高，本章所讨论的器件在光网络中得到广泛的应用，所以本章所涉及的器件也称为光网络器件。5.1 光放大器  光放大器是可将微弱光信号直接进行光放大的器件。在第一章中，我们已经对光放大器的作用和地位作了说明。下面对光放大器的类型、工作原理及应用作进一步的讨论。5.1.1 概述1. 增益系数 光放大器是基于受激辐射或受激散射的原理来实现对微弱入射光进行放大的，其机制与激光器类似。当光介质在泵浦电流或泵浦光作用下产生粒子数反转时就获得了光增益。增益系数可表示为 式中 是由泵浦强度决定的增益峰值， 为入射光信号频率， 为介质原子跃迁频率， 称作偶极子弛豫时间， 是信号光功率， 是饱和功率，它与介质特性有关。对于小信号放大有 1，则（5.1.1）式变为 掺铒光纤是EDFA的核心部件。它以石英光纤作为基质，在纤芯中掺入固体激光工作物质——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。 掺铒光纤的模场直径约为3~6um，比常规光纤的9~16um要小得多。这是为了提高信号光和泵浦光的能量密度，从而提高其相互作用的效率。但掺铒光纤芯径的减小也使得它与常规光纤的模场不匹配，从而产生较大的反射和连接损耗，解决的方法是在光纤中掺入少许氟元素，使折射率降低，从而增大模场半径，达到与常规光纤可匹配的程度。另外，在熔接时，通过使用过渡光纤、拉长常规光纤接头长度以减小芯径等方法减小MFD的不匹配。 为了实现更有效地放大，在制作掺铒光纤时，将大多数铒离子集中在纤芯的中心区域，因为在光纤中，可认为信号光与泵浦光的光场近似为高斯分布，在纤芯轴线上光强最强，铒离子在近轴区域，将使光与物质充分作用，从而提高能量转换效率。根据掺铒光纤放大器的使用场合，有多种型号的掺铒光纤供设计EDFA时采用，如EDF-PAX-01用于设计在线放大器和前置放大器，其增益带宽具有平坦和宽的特性；EDF-LAX-01可用于在线放大器，它的功率转换效率高且噪声系数低；EDF-BAX-01能提供高的输出功率等。 表5.1列出了一些掺铒光纤的技术指标 泵浦源是EDFA的另一核心部件，它为光信号放大提供足够的能量，是实现增益介质粒子数反转的必要条件，由于泵浦源直接决定着EDFA的性能，所以要求其输出功率高，稳定性好，寿命长。实用的EDFA泵浦源都是半导体激光二极管，其泵浦波长有980nm和1480nm两种，应用较多的是980nm泵浦源，其优点是噪声低，泵浦效率高，功率可高达数百毫瓦。 泵浦光与信号同时进入光纤，在掺铒光纤入口处泵浦光最强，当它沿光纤传输时，将能量逐渐转移给信号光，使得信号强度越来越大，自己的强度逐渐变小，如图1.2.15所示。除了激光二极管LD外，作为泵浦模块还包括监视LD性能的光电二极管PD和控制并稳定LD温度的热电冷却器。 按泵浦源所在的位置可以分为三种泵浦方式，第一种如图5.1.6所示，称作同向泵浦，这种方式下，信号光与泵浦光以同一方向进入掺铒光纤，这种方式具有较好的噪声性能；第二种方式为反向泵浦，信号光与泵浦光从两个不同的方向进入掺铒光纤见图5.1.7(a)，这种泵浦方式具有输出信号功率高的特点；第三中方式为双向泵浦源，用两个泵浦源从掺铒光纤两端进入光纤，见图5.1.7(b)，由于使用双泵浦源，输出光信号功率比单泵浦源要高，且放大特性与信号传输方向无关。 5.2 无源器件光无源器件是能量消耗型光学器件。其种类繁多，功能各异。是一类实用性很强的不可缺少的器件。其中主要的产品有耦合器、滤波器、隔离器、衰减器、光开关和连接器等。它们的作用概括起来是连接光路，控制光的传输方向，控制光功率的分配，控制光波导之间、器件之间以及光波导与器件之间的光耦合、合波、分波。现将几种主要的光无源器件分别介绍如下。 5.2.1 耦合器1. 耦合器类型耦合器是对光信号实现分路、合路和分配的无源器件，是波分复用、光纤局域网、光纤有线电视网以及某些测量仪表中不可缺少的光学器件。图5.2.1展示了几种典型的光纤耦合器结构图。(b) 4端口耦合器4312分路器合路器(a) 3端口耦合器(c) 星形耦合器NMλ1λ1＋λ2λ2λ1＋λ2(d) 3波分复用器λ2λ1图5.2.1光纤耦合器结构图 其中图(b)也称为2ⅹ2耦合器，它用来完成光功率在不同端口间的分配，是构成其它光学元件的基础。图(c)有多个输入端口和多个