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高功率光纤放大器
阅读:449时间:2018-04-19 09:26:00

光纤放大器尤其是EDFA的出现,解决了光纤通信网络中损耗对于信号传输距离的限制,使长距离光纤通信成为现实。

背景

  光纤通信(Optical Fiber Communication)是以激光为载波,利用纯度极高的玻璃拉制成的光导纤维作为传输媒介进行的信息传输系统。自问世以来,给整个通信行业带来一场革命,并促使大容量、高速率、长距离的通信成为可能,在当代社会和经济发展中,担负着信息传输的重任,并已成为高速率长距离大容量通信网的主干道。
  光纤通信系统由于其具有损耗低、传输频带容量大、中继距离长、抗电磁干扰、不易串音、保密性好、稳定性好、重量轻、体积小、制造成本低廉等优点,自诞生后的四十年间,便已大规模运用到社会生活中。同时,随着数据流量的爆炸性增长,人们对于信息总量的需求越来越高,随之而来的对光纤通信系统的要求也越来越高,因此必须对现有的通信线路进行容量扩充,同时又最大可能的不增加建设及运营成本,波分复用(WDM)尤其是密集波分复用(DWDM)技术便应运而生。WDM/DWDM 技术根据每个信道波长的不同,把光纤的低损耗窗口划分为若干个信道同时进行光信号的传输,充分利用单模光纤低损耗区带来的巨大带宽资源,具有传输透明化、应用多样化、组网灵活化等特点。
  由于 WDM 尤其是 DWDM 技术的广泛应用,一方面,促使光纤中传输功率急剧增加,这就对光纤通信系统中进行中继放大的光纤放大器提出高功率的要求;另一方面,由于通常的光纤放大器工作在饱和状态,其总的输出功率几乎不随输入信道数目的变化而改变。因此,当系统中复用信道数改变时,剩余信道的增益也随之改变,从而引发各信道功率的瞬态波动,当输出功率超过某一阈值时,导致光纤的非线性增加,严重影响整个通信系统的传输性能。因此研究具有增益控制功能的高功率光纤放大器是 DWDM 技术发展和普及所必要的条件。

提出

  光纤放大器尤其是EDFA的出现,解决了光纤通信网络中损耗对于信号传输距离的限制,使长距离光纤通信成为现实。EDFA工作窗口位于光纤低损耗区,具有增益带宽大、噪声系数小、系统性能稳定以及技术成熟等优点,但是随着密集波分复用系统传输速率越来越高,单根光纤复用信道数目越来越多,导致普通的掺铒光纤放大器(饱和输出功率为几百mW)难以满足DWDM系统对于放大器输出功率的要求;另外,随着光纤到户系统(FTTH)和光纤CATV技术的推广,由于用户数量众多,需要在光纤链路终端放置光纤放大器进行功率补偿和分配。由于传统的EDFA输出功率偏小,目前多采用EDFA级联的方式,影响了整个系统的信号质量,增加了建设和维护成本。而输出功率达到W级以上的高功率光纤放大器,可替换系统中级联的EDFA,提高了系统信号传输的质量,有效的实现了信号超远距离的传输,节约了系统建设和运营成本。

关键技术

  双包层光纤的出现,为高功率光纤放大器的研究起到了重要的作用。由于其内包层直径远大于纤芯直径,并且工作过程中将泵浦光耦合进内包层中,所以可以真正的将大功率的泵浦光进行有效注入,大大提高了增益介质对泵浦光能量的吸收,使光纤放大器真正成为高功率器件。
  双包层光纤的选择
  双包层光纤作为大功率光纤放大器最重要的部分,其选择至关重要。研究表明,高输出功率要求掺杂光纤具有芯径大、数值孔径小的特点,另外,内包层的形状也是影响抽运光耦合和吸收效率的一个关键因素。内包层形状不同,则其吸收系数不同。目前内包层形状有圆形、矩形、梅花形和D形,其中,圆形结构提出最早,工艺最简单;后三种对泵浦光吸收效率较高,但是某些光模式无法进入纤芯得到光放大。目前,内包层为矩形或者梅花形结构的双包层光纤应用最为广泛。
  包层抽运技术
  抽运光耦合技术是影响抽运光耦合效率的关键技术,目前主要有端面抽运、V形槽侧面抽运、斜角侧面耦合、集束熔锥侧面耦合等技术。其中,侧面耦合效率较高,但是其对制造设备要求较高,加工工艺复杂,技术成本较高。因此,需要考虑各方面因素,例如复杂性、可级联性以及激光损耗等,来决定抽运耦合方式。
  另外,高功率光纤放大器的种子光选择及耦合注入技术也非常重要。由于光纤放大器要求输出高功率,因此其种子光必须满足噪声低、输出光谱稳定和光束质量好等特点,并且种子光能够高效的耦合进光纤放大系统中。同时,由于种子源对反向光敏感,因此种子源使用时必须先接入隔离器,以防止放大系统中产生的反向ASE光进入种子源,从而影响其正常工作。

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