無線光通信是以激光作為信息載體,，是一種不需要任何有線信道作為傳輸媒介的通信方式。與微波通信相比,，無線光通信所使用的激光頻率高,，方向性強(qiáng)(保密性好)，可用的頻譜寬,，無需申請(qǐng)頻率使用許可,；與光纖通信相比，無線光通信造價(jià)低,，施工簡(jiǎn)便,、迅速。它結(jié)合了光纖通信和微波通信的優(yōu)勢(shì),，已成為一種新興的寬帶無線接人方式,，受到了人們的廣泛關(guān)注。
但是,，惡劣的天氣情況,，會(huì)對(duì)無線光通信系統(tǒng)的傳播信號(hào)產(chǎn)生衰耗作用?？諝庵械纳⑸淞Ｗ?，會(huì)使光線在空問,、時(shí)間和角度上產(chǎn)生不同程度的偏差。大氣中的粒子還可能吸收激光的能量,，使信號(hào)的功率衰減,，在無線光通信系統(tǒng)中光纖通信系統(tǒng)低損耗的傳播路徑已不復(fù)存在。大氣環(huán)境多變的客觀性無法改變,，要獲得更好更快的傳輸效果,，對(duì)在大氣信道傳輸?shù)墓庑盘?hào)就提出了更高的要求，一般地,，采用大功率的光信號(hào)可以得到更好的傳輸效果,。隨著光纖放大器(EDFA)的迅速發(fā)展，穩(wěn)定可靠的大功率光源將在各種應(yīng)用中滿足無線光通信的要求,。
EDFA的原理及結(jié)構(gòu)
摻鉺光纖放大器(EDFA)具有增益高,、噪聲低、頻帶寬,、輸出功率高,、連接損耗低和偏振不敏感等優(yōu)點(diǎn)，直接對(duì)光信號(hào)進(jìn)行放大,，無需轉(zhuǎn)換成電信號(hào),，能夠保證光信號(hào)在最小失真情況下得到穩(wěn)定的功率放大。
1．1EDFA的原理
EDFA的泵浦過程需要使用三能級(jí)系統(tǒng),，如圖1所示,。
在摻鉺光纖中注入足夠強(qiáng)的泵浦光，就可以將大部分處于基態(tài)的Er3+離子抽運(yùn)到激發(fā)態(tài),，處于激發(fā)態(tài)的Er3+離子又迅速無輻射地轉(zhuǎn)移到亞穩(wěn)態(tài),。由于Er3+離子在亞穩(wěn)態(tài)能級(jí)上壽命較長(zhǎng)，因此很容易在亞穩(wěn)態(tài)與基態(tài)之間形成粒子數(shù)反轉(zhuǎn),。當(dāng)信號(hào)光子通過摻鉺光纖時(shí),，與處于亞穩(wěn)態(tài)的Er3+離子相互作用發(fā)生受激輻射效應(yīng)，產(chǎn)生大量與自身完全相同的光子,，這時(shí)通過摻鉺光纖傳輸?shù)男盘?hào)光子迅速增多,，產(chǎn)生信號(hào)放大作用。Er3+離子處于亞穩(wěn)態(tài)時(shí),，除了發(fā)生受激輻射和受激吸收以外，還要產(chǎn)生自發(fā)輻射(ASE),，它造成EDFA的噪聲,。
1．2EDFA的結(jié)構(gòu)
典型的EDFA結(jié)構(gòu)主要由摻鉺光纖(EDF)、泵浦光源,、耦合器,、隔離器等組成。
摻鉺光纖是EDFA的核心部件。它以石英光纖作為基質(zhì),，在纖芯中摻人固體激光工作物質(zhì)鉺離子,，在幾米至幾十米的摻鉺光纖內(nèi)，光與物質(zhì)相互作用而被放大,、增強(qiáng),。光隔離器的作用是抑制光反射，以確保放大器工作穩(wěn)定,，它必須是插入損耗低,，與偏振無關(guān)，隔離度優(yōu)于40dB,。
圖2為單向泵浦方式結(jié)構(gòu),，此外還有反向泵浦，雙向泵浦方式結(jié)構(gòu),。
1．3EDFA的特性及性能指標(biāo)
增益特性表示了放大器的放大能力,，其定義為輸出功率與輸入功率之比：
式中：Pout,Pin分別表示放大器輸出端與輸入端的連續(xù)信號(hào)功率。增益系數(shù)是指從泵浦光源輸入1mW泵浦光功率通過光纖放大器所獲得的增益,，其單位為dB／mW：
式中：g0是由泵浦強(qiáng)度定的小信號(hào)增益系數(shù),，由于增益飽和現(xiàn)象，隨著信號(hào)功率的增加,，增益系數(shù)下降,；Is，Ps分別為飽和光強(qiáng)和飽和光功率,，是表明增益物質(zhì)特性的量,，與摻雜系數(shù)、熒光時(shí)間和躍遷截面有關(guān),。
增益和增益系數(shù)的區(qū)別在于：增益主要是針對(duì)輸入信號(hào)而言的,，而增益系數(shù)主要是針對(duì)輸入泵浦光而言的。另外,，增益還與泵浦條件(包括泵浦功率和泵浦波長(zhǎng))有關(guān),，目前采用的主要泵浦波長(zhǎng)是980nm和1480nm。由于各處的增益系數(shù)是不同的,，而增益須在整個(gè)光纖上積分得到,，故此特性可用以通過選擇光纖長(zhǎng)度得到較為平坦的增益譜。
1．4EDFA的帶寬
增益頻譜帶寬指信號(hào)光能獲得一定增益放大的波長(zhǎng)區(qū)域,。實(shí)際上的EDFA的增益頻率變化關(guān)系比理論的復(fù)雜得多,，它還與基質(zhì)光纖及其摻雜有關(guān)。在EDFA的增益譜寬已達(dá)到上百納米．而且增益譜較平坦,。ED-FA的增益頻譜范圍在1525～1565nm之間,。
EDFA的級(jí)聯(lián)應(yīng)用
2．1EDFA的級(jí)聯(lián)結(jié)構(gòu)
EDFA對(duì)光信號(hào)功率的放大,，特別在無線光通信大功率(瓦級(jí))應(yīng)用中，常常采用級(jí)聯(lián)的方式,，比如兩級(jí)或者三級(jí)放大,。之所以采用級(jí)聯(lián)的方式，是因?yàn)樵贓DFA的摻鉺光纖(EDF)中插入一個(gè)光隔離器,，構(gòu)成帶光隔離器的兩段級(jí)聯(lián)EDFA,，由于光隔離器有效地抑制了第二段：EDF的反向自發(fā)輻射(ASE)，使其不能進(jìn)入第一段EDF,，減少了泵浦功率在反向ASE上的消耗,，使泵浦光子更有效地轉(zhuǎn)換成信號(hào)光能量，從而可以明顯改善EDFA的增益,、噪聲系數(shù)和輸出功率等特性,。本文采用麗級(jí)級(jí)聯(lián)放大，將1～2mW的1550nm光信號(hào),，經(jīng)EDFA放大到1W左右,。級(jí)聯(lián)結(jié)構(gòu)如圖3所示。
光信號(hào)由LD激光器產(chǎn)生,，是已調(diào)制的信號(hào),，第一級(jí)放大采用單包層摻鉺光纖放大器，980nm單模半導(dǎo)體激光器作為泵浦源,，將光功率放大到50mW附近,。第一級(jí)采用單模半導(dǎo)體激光器泵浦，先將光信號(hào)穩(wěn)定可靠的放大到一定功率,，保證了整個(gè)光信號(hào)的完整,，又為下一級(jí)光放大提供了較高的光功率基礎(chǔ)。第二級(jí)采用雙包層光纖放大器,，多模半導(dǎo)體激光器泵浦源將光功率放大到1W左右,。雙包層光纖放大器纖芯比單包層纖芯大，泵浦功率可以有效地耦臺(tái)到纖芯中,，使第二級(jí)光信號(hào)的輸出功率可達(dá)到瓦級(jí),。
EDFA級(jí)聯(lián)應(yīng)用的增益
2．2．1增益計(jì)算
對(duì)EDFA級(jí)聯(lián)的整體光功率增益：
其中：Pout表示EDFA兩級(jí)放大后的輸出光功率，Pin表示需要放大的輸入光功率,。
在本文中,，光放大采用了兩級(jí)級(jí)聯(lián)放大，第一級(jí)增益為G1：
其中第一級(jí)的輸出為第二級(jí)的輸入,，P''''''''''''''''out=P''''''''''''''''in=P,，所以：
即，整體增益等于兩級(jí)增益之和,，本文的整體光功率增益為：
第一級(jí)增益為17dB,，第二級(jí)增益為13dB，1W的光功率經(jīng)過準(zhǔn)直聚焦,，再有光學(xué)鏡頭發(fā)射到大氣信道,，大大提高了光信號(hào)的有效傳輸距離。
影響增益的因素
EDFA的增益與諸多因素有關(guān),，如摻鉺光纖的長(zhǎng)度,，隨著摻鉺光纖長(zhǎng)度的增加，增益經(jīng)歷了從增加到減少的過程,，這是因?yàn)殡S著光纖長(zhǎng)度的增加,，光纖中的泵浦功率將下降，使得粒子反轉(zhuǎn)數(shù)降低,，最終在低能級(jí)上的鉺離子數(shù)多于高能級(jí)上的鉺離子數(shù),，粒子數(shù)恢復(fù)到正常的數(shù)值。
由于摻鉺光纖本身的損耗,，造成信號(hào)光中被吸收掉的光子多于受激輻射產(chǎn)生的光子,，引起增益下降。由上述討論可知,，對(duì)于某個(gè)確定的入射泵浦功率,，存在著一個(gè)摻鉺光纖的最佳長(zhǎng)度，使得增益最大,。增益與摻鉺光纖長(zhǎng)度的關(guān)系如圖4所示,。
EDFA的增益還跟輸入光的程度、泵浦光功率及光纖中鉺離子Er3+的濃度都有關(guān)系,，如小信號(hào)輸入時(shí)的增益系數(shù)大于大信號(hào)輸入時(shí)的增益系數(shù),。當(dāng)輸入光弱時(shí)，高能位電子的消耗減少并可從泵激得到充分的供應(yīng),，因而,，受激輻射就能維持達(dá)到相當(dāng)?shù)某潭取．?dāng)輸入光變強(qiáng)時(shí),，由于高能位的電子供應(yīng)不充分,，受激輻射光的增加變少，于是就出現(xiàn)飽和,。泵浦光功率越大,，摻鉺光纖越長(zhǎng)，3dB飽和輸出功率也就越大,。其次與當(dāng)Er3+的濃度超過一定值時(shí),，增益反而會(huì)降低，因此要控制好摻鉺光纖的鉺離子濃度,。
采用EDFA后,，提高了注入光纖的功率,，但當(dāng)大到一定數(shù)值時(shí)，將產(chǎn)生光纖非線性效應(yīng)和光泄漏效應(yīng),，這影響了系統(tǒng)的傳輸距離和傳輸質(zhì)量,。另外色散問題變成了限制系統(tǒng)的突出問題，可以選用G653光纖(色散位移光纖DSF)或非零色散光纖(NZDF)來解決這一問題,。
EDFA級(jí)聯(lián)的改進(jìn)
之所以采用EDFA級(jí)聯(lián)的方式,，一是插入兩級(jí)間的光隔離器有效地抑制了第二段EDF的反向自發(fā)輻射(ASE)，使其不能進(jìn)入第一段EDF,，減少了泵浦功率在反向ASE上的消耗,，使泵浦光子更有效地轉(zhuǎn)換成信號(hào)光能量；二是分為兩級(jí)后,，各自的增益可以任意分配,，可以根據(jù)不同的增益要求和應(yīng)用環(huán)境改變相應(yīng)的增益。但是,，要在保證信號(hào)無失真的情況下得到最佳的光功率增益,，還需要解決一些問題：
(1)由于增益分為兩級(jí)，如何分配兩級(jí)問的增益才能在現(xiàn)有的EDF,、泵浦源功率等條件下使得光放大的實(shí)現(xiàn)更容易,，這與EDF的放大能力，泵浦遠(yuǎn)功率大小,、穩(wěn)定性,，泵浦光波長(zhǎng)及其模式等均有密切相關(guān)。
(2)在每一級(jí)各自一定的泵浦功率下,，找到摻鉺光纖的最佳長(zhǎng)度,。當(dāng)EDF過短時(shí)，由于對(duì)泵浦吸收的不充分而導(dǎo)致增益降低,；而當(dāng)EDF過長(zhǎng)時(shí),，由于泵浦光在EDF內(nèi)被鉺離子吸收，泵浦功率逐漸下降,，當(dāng)功率降至泵浦閾值以下時(shí),，就不能形成粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，此時(shí),，這部分EDF不僅對(duì)信號(hào)光無放大作用,，反而吸收了已放大的部分信號(hào)，造成增益的下降,，同時(shí)也會(huì)引起噪聲系數(shù)的增大,。
(3)如果需要更高的光功率輸出，幾十瓦甚至上百瓦，可考慮更高級(jí)聯(lián)的方法,，因?yàn)殡S著增益的增大,，泵浦源由于轉(zhuǎn)換效率的問題，功率需求會(huì)很高,，所需的單級(jí)EDF長(zhǎng)度也會(huì)大大增長(zhǎng),，這樣的工作條件往往不易達(dá)到，且穩(wěn)定性不強(qiáng),，采用更高級(jí)聯(lián)可以將增益劃分到多級(jí)，易于實(shí)現(xiàn)和控制,，光模塊的整體增益特性也有較大提高,。
本文提出了采用EDFA級(jí)聯(lián)的方法，實(shí)現(xiàn)了光信號(hào)30dB的增益,，滿足無線光通信光功率傳播的要求,，使得光信號(hào)能在大氣信道進(jìn)行遠(yuǎn)距離，高穩(wěn)定性傳輸,。同時(shí)在現(xiàn)有的基礎(chǔ)上,，提出了需改進(jìn)的問題，為今后研究的進(jìn)一步開展指出了方向,。
