（电子科学与技术专业论文）edfa的泵浦激光器驱动源功率控制技术研究.pdf

摘要 随着光纤通信系统向着大功率、长距离、高速率方向的发展，掺铒光纤放大器 ( e d f , 6 。) 在其中扮演着很重要的角色。随着它的广泛应用，对其性能的要求也越来越 严格，特别是它的输出功率的稳定度。在这其中泵浦激光器的性能对其影响很大。 本文首先分析了e d f a 和泵浦激光器的理论基础，包括它们的工作原理、基本组成 以及工作特性参数等，并对自动电流控制和自动功率控制两种方法进行了分析比较。 本文采用的是用光电探测器来对输入输出信号进行电流检测，通过微处理器进行处理 后，控制数字电位器来调整泵浦激光器的驱动电流，进而保证e d f a 输出功率的稳定度。 由于温度对系统的影口向，还包括对温度控制电路的设计。最后通过实验测试，系统基 本能够达到性能要求。 关键字：掺铒光纤放大器、泵浦激光器、驱动电路、功率控制 a b s t r a c t e r b i u m - d o p e d f i b e r a m p l i f i e r f e d f a ) p l a y sa r l i m p o r t a n tr o l e t o t h ed e 、e l o p m e n to f t h e f i b e rc o m m u n i c a t i o nt o a a r d sh i 曲e rp o w e ll o n g e rd i s t a n c ea n dh i g h e rs p e e dw i t ht h e i n c r e a s i n ga p p l i c a t i o no f e d f a s p e c i n i z m i o n so i li t sp e r f o r m a n c ea r em o r ee n dm o r er i g i d e s p e c i a l l yo nt h es t e a d i n e s so f t h eo u t p u tp o w er a m o n gt h e m t h em o s ti n f l u e n t i a lf a c t o ri s t h ep e r f o r m a n c eo f t h ep u m pi a s e l t h i sa r t i c l ef i r s t l yp e r f o r m e da na n a ks l so nt h el h e o r e t i e a 】f u n d a m e n t a l so f t h ee d f a a n dp u m pl a s e l - _ i n c l u d i n gt h e i rm e c h a n i s m c o n f i g u r a t i o nc h a r a c t e r i s t i cp a r a m e t e r sa n da c o m p a r i s o no fn 、om e t h o d s ：a u t o m a t i cc u r r e n te o r l t r o la n da u t o m a t i cp o w e rc o n t r o l p h o t o e l e c l r i cd e t e c t o r sw e r ee m p l o y e dt om e a s u r et h ec u r r e n to fi n p u ts i g n a lf o l l o w e db ya m i c r o c e m r o l l e rw h i c hp r o c e s s e st h ed a l aa n dc o n i r o i sad i m t 出p o t e m i o m e t e r t oa d l u nh e d r i x i n gc t l r r e n io f t h ep u m p l a s e r _ a s s u r i n g t h es t e a d i n e s s & t h eo u t p u tp o w e r a t e m p e r a t u r e c o n t r o lc i r c u i tl sa l s od e s i g n e dt oa n t a g o n i z et h ej n f l u e n e eo f t e m p e r a t u r et e s tr e s u l t so f t h e e x p e r i m e n tp r o v e dt l l a lo u rs y s t e mb a s i c a l l ym e e t st h er e q u i r e m e n t k e yw o r d ：e d f ap u m pl a s e rd r i v ec i r c u i t p o w e rc o n t r o l 目录 摘要 a b s t r a c t 目录 第一章绪论 1l 概述 12e d f a 的发展历史及研究现状 l3e d f a 的特点及应用前景 1 4 本课题主要研究内容 第二章e d f a 和泵浦激光器的理论基础 2i 光放大器的种类 22e d f a 的工作原理及泵浦方式 23 泵浦激光器的构成和特性参数 24 e d f a 的工作特性参数 第三章e d f a 的泵浦激光器功率控制技术研究 31 自动电流控制原理 32 自动功率控制原理 33 本章小结 第四章e d f a 的泵浦激光器功率控制电路设计 4l 整体电路设计 42 泵浦激光器的驱动电路设计 43 功率检测部分设计 4 4a 1 ) 控制器件 45 控制电路设计 46 泵浦激光器温度控制 47 系统软件设计 第五章系统实验测试与分析 51 泵浦激光器输出功率控制测试 j2 温度控制实验结果与分析 53e d f a 输出功率稳定测试 总结 致谢 参考文献 一_”h均虬弛毖船硒甜弘蛆帖拍钉虬驰 1 概述 第一章绪论 众所周知，现今是信息时代，社会信息化进程正在逐渐的深入，整个社会受信息 运行的影口日也随之越来越大。随着因特同的普及和网上应用，使人们对一些新型信息 服务的需求越来越迫切，例如家庭办公、远程教育、电子商务等因此这就需要用到 功能强大的通信网络。光纤通信作为一种理想的通信手段，具有了诸如较大的通信容 量、较长的无中继通信距离、良好的保符性等许多的优点，这使得光纤通信取代其它 通信手段是一种必然的趋势。 随着光纤通信系统日益向着高速率、大容量、长距离等方向发展，系统中的光纤 损耗和色散等因素对其存在着一定的限制作用。2 0 世纪8 0 年代，随着光放大器技术的 产生，光纤通信领域经历了一次革命。它的出现不仅开创了1 5 5 0 n m 波段的波分复用， 也使得全光传输、光孤子传输等的传输速率更高、传输容量更大、传输距离更长。它 能够对光信号进行直接放大，成为了光纤通信发展过程中的一项关键技术。由于这项 技术不受光信号调制形式及比特率的影啊，使得它在光纤通信领域中得到了较为广泛 的应用。 在光放大器中，掺铒光纤放大器( e d f a ) 的技术比较成熟，自身性能较好，所以 它的应用比较广泛；它具有高增益、低噪声，输出功率大，串话小，对温度偏振不敏 感耦台效率高，易与传输光纤耦台连接，损耗低，不易自激，对信号建率和格式透 明并具有几十纳米的放大带宽等优点。由于它几乎接近完美的特性及半导体泵浦源 的使用导致了它在波分复用系统中的广泛应用。随着光纤通信向速度更快、带宽更 大方向的发展，随之对e d f a 的性能也有着更高的要求。 12e d f a 的发展历史及研究现状 i 、国内： 随着我国8 6 3 计划的实施，光放大器技术正在不断的提高，e d f a 技术正在逶步走 向成熟。一些在我国具有明显优势的研宄部门己经开发出来较为实用化的e d f a ，它具 有成本低、体积小、标准化等特点，该产品的研发水平与国际先进水平不相上下，它 实现了e d f a 多种类型产品的定型，此外+ 这些部门还成功研制出在c a t v 系统中使用 的e d f a 系列产品。 在我国，中兴公司开发研制的宽带混合光放大器己经被列入国家重点新产品的行 列中，使得我国在混合光纤放大器领域获得了重大的突破。该公司还开发出多波长的 e d f a p ，它能够在s 、c 和l 三个波段中的任何一个波段工作。上海亨通公司和北京大 学联合开芨的1 6 信道数字通信e d f a ，通过抑制放大器的放大自发辐射，降低了放大器 的噪声( 最低可为45 d b ) ，使输出功率获得提高( 1 7 d b m ) 。上海拜安科技最近开发出的新 产品，拥有三项专利技术它利用多模泵浦推动，铒镱共掺技术，在c 波段上的单模 输出光功率可毗达到3 3 b m ( 2 w ) 。 光迅科技公司开发研制的l 波段e d f a 的技术己经达到国际水平。公司研制的宽带 系列产品，它们的工作波长能够覆盖c 和l 波段。此外，在s 波段，采用1 4 0 0 n m 与1 5 6 0 n m 波长混合泵浦及掺铥光纤的应用，使s 波段的光放大器获得实现。波长为1 4 6 5 1 5 6 0 n m 时，光放大器的输出功率最低为1 85 3 d b m ，增益最低为1 8 d b ，功率不平坦度是l7 d b ， 功率转换效率超过1 43 。公司正在研发的c 十+ s 波段超宽带光放大器的工作波长 范围能够达到l o o n m 。 2 、国外： 从第一台掺铒光纤放大器被英国南安普敦大学研制成功以来，在各国科学家的努 力下，e d f a 技术已经逐渐趋于成熟，它在光纤通信系统中的广泛应用，促进了自身的 迅速发展；目前使用的e d f a 己经由原来的单通道变化为现在的多通道、多功能型在 光纤通信系统和c a t v 等领域获得广泛的应用。 随着e d f a 在商业中的广泛应用，小型化e d f a 模块也有很大的发展。i p gp h o t o n i c s 公司开发出第一台商用e d f a 它的波长可以进行调节。英国s o u t h a m p t o n 大学与美国 p o l a r o id 公司联合开发出了一种自适应e d f a 模块。它的增益带宽为1 5 3 015 7 0 n m ，噪 声系数小于5 d b ，能够提供的增益为2 4 d b ，输出功率为1 5 d b m 。除此之外，黄国朗讯科 技公司研制的e d f a 模块，它工作在l 波段，具有较高的输出功率2 5 d b m ，并且在 1 5 7 0 一】6 1 0 n m 范围内增益较为平坦。为了提高放大器的功率，还采用了e r y b 共掺光纤 放大器，以后还将对它进行更深入的研究。 宽带宽的e d f a 的发展也同样受到人们的关注。双波段光纤放大器( d b f a ) ，它的 组成部分一部分包括通常的e d f a 另一部分是扩展波段光纤放大嚣( e b f a ) ，它的带宽 在15 2 8 1 6 1 0 n m 。宽带宽e d f a 能够放大c 和l 波段，共有8 0 n m 的带宽功率增益比较 平坦为4 0 d b 它具有较大的输出功率。贝尔研友出的超宽带光放大器能够同时覆盖c 波段( 1 5 3 0 1 6 5 6 n m ) 与l 波段( 1 5 6 5 1 6 2 0 h m ) ，可用带宽为8 0 n m 。宽带宽e d f a 已经 被应用在l o g b s 的光通信系统中，而对于速率能够超过4 0 g b s 的系统中，e o f a r a m a n 混合式光纤放大器的发展同样很迅速。美国朗讯科技公司开发的混合式在线放大器能 够在光纤长度为1 2 0 0 k m 的光纤中，传输出3o g t b s ( 7 7 4 27 g b s ) w d b 。碲化物e d f a 的增益带宽能够达到8 0 n m ，可以利用增益均衡的办法使1 5 3 0 1 6 1 0 h m 带宽都能够应用 在w d m 系统中。 法国a l c a t e l 开发的w e d f a ，结合了e d f a 、t d f a 和f r a ，它的波长范围1 2 9 7 1 6 0 5 n m 具有1 77 t h z 的带宽，它的出现会使w d m 系统在不久的将来能够工作在单根光纤容量 i o t b s 的光纤链路中1 3 1 。0 酬模块式高功率c 波段光放大器的饱和输出功率为 2 l4 0 d b m ( 1 0 w ) ，输入功率为51 5 d b m ，它的信噪比比较低，采用a c c 和a p c 两种模式。 随着技术的不断进步e d f a 将具有更加广淘的发展前景 13e d f a 的特点及应用前景 31e d f a 的特点 掺铒光纤放大器具有以下特点： ( 1 ) 工作在光纤损耗最低的窗口，即1 5 3 0i 5 6 5 n m 波段： ( 2 ) 它的增益较高，在波分复用系统中获得比较广泛的应用； ( 3 ) 嗓声系数低，能够接近量子极限。当在渡分复用系统中使用时，各个信道串扰很 小，能够级联多个放大器： ( 4 ) 比特率及数据格式对放大特性没有影响： ( 5 ) 放大频带较宽，增益饱和恢复的时间比较长，能够同时放大多路波长信号： ( 6 ) 输出功率大并且对偏振不敏感： ( 7 结构简单，比较容易与传输光纤耦舍。 32e d f a 的应用前景 随着光纤通信技术的日益发展，e d f a 存在多种应用形式，其中主要的应用形式包 括】： ( i 】用在宽带光波分配系统 掺铒光纤放大器能够应用在有线电视( c a t v ) 分配网中，它不仅可以扩大范围， 增加用户的数量，还可以补偿一些由外界因素引起的损耗。 ( 2j 用作前置放大器 由于e d f a 自身具有的低噪声特性，它被应用于接收机的前置光放大器。原理是在 光信号还没有进入光接收机之前，e d f a 能够通过对光信号的放大来消除噪声，使光接 收机的灵敏度获得提高。这个系统要求e d f a 的噪声系数较低，但对输出功率并没有特 别要求。系统灵敏度的提高，不仅与e d f a 的噪声系数有关，还会受到它的自发辐射谱 宽度的影响。灵敏度随着噪声系数的降低而提高，随着谱线宽度的增加而降低。所以 可以通过在e d f a 后面加上一个光滤波器的方法来降低噪声对整个系统的影响。 光纤 l 光发射机 q 前置放大器h 光接收机 图iie d f a 用作前置放大器的结构形式 ( 3 ) 用作功率放大器 e d f a 作为功率放大器时，它的作用是能够使系统的输出功率获得提高，一般可以 达到数十毫瓦，甚至高于i o o m w 。它不仅要求噪声系数比较低，还要有较高的输出功率。 将它用在光发射机之后，使发射功率获得提升，传输距离能够增加】o - 2 0 k m 。 光纤 鬲磊 _ _ 厂磊两c l 厂磊i 两 图l2e d f a 用作功率放大器的鲒构形式 ( 4 ) 用作线路放大器 这个应用使得它在被分复用系统中获得比较广泛的应用，原理是当信号带宽小于 光纤放大器的带宽时，利用掺铒光纤放大器就能够使所有的波分复用信号得到放大， 改善了传统光一电一光中继系统中复杂的情况。在这个系统中，e d f a 要具有足够的带宽， 并且在这个带宽范围内增益是均匀的。如果系统具有多级放大器级联，这就要求其 中前两级的放大器的噪声系数较低。 光纤光纤 医匦卜斗固区亟卜叫习 图l3 线路放大器的应用结构形式 4 本课题主要研究内容 本论文主要研宽内容： ( 1 ) 了解掺铒光纤放大器( e d f a ) 的相关理论，包括它的发展、特点及应用等。还要 分析e d f a 和泵浦激光器的理论基础，包括它们的工作原理和工作特性参数等，充分掌 握它们的理论基础。 ( 2 ) 分别对自动电流控制( a c c ) 和自动功率控制( a p c ) 两种方法进行分析与比较 确定出本课题中所选用的方法。 ( 3 ) 对泵浦激光器驱动源的功率控制电路进行设计其中包括它的驱动电路、控制 电路、p d 探测电路、a d 转换电路和温度控制电路的设计。 ( 4 ) 最后对论文的设计内容进行实验测试和具体分析，对系统的稳定| 生和控制精度进 行了分析研究。 第二章e d f a 和泵浦激光器的理论基础 21 光放大器的种类 目前光纤通信中采用的光放大器主要有以下几类： ( 1 ) 半导体激光放大器( s o a ) 可以利用处于粒子数反转状态的半导体p n 结对光的增益效应来实现对光信号的 放大这就是半导体激光放大器( s o a ) 的工作机理，它的基本结构如图2l 所示。半 导体激光器在不同的应用条件和不同的端面反射率情况下，可以得到不同类型的半导 体光放大器。如果半导体激光器的驱动电流低于其闽值川，设有产生激光，这时向它的 一端输人光信号，只要这个光信号的频率处于激光器的频谱中心附近，它便被放大后 从另一端输出这种半导体光放大器被称为法布里- 珀罗型激光放大器( f p s o a ) ：如 果将激光器偏置在其闽值以上，从一端输入微弱的单模光信号，这个光信号的频率只 要处于这个多模激光器的频谱内，光信号就会被放大，并且锁定到某一模式上，这种 光放大器被称为注入锁定型放大器( i l s o a ) 。如果将半导体激光器的两个端镜面涂覆 或蒸镀上一层防反射膜，降低它的反射率，使其无法形成法布里一珀罗谐振腔，这时光 信号通过有源波导层时，将一边行进一边放大，这种光放大器称被为行波型光放大器 ( t ws o a ) 。 输入光纤 - 一 输入信号 7 e 互互z z 乙2 z 乙召 输出光纤 、+ 输出信号 自镕r 二型b0 2内增益t 型l 黼m + ! 塑+ 圈21 半导体激光放大器的基本结构 在光通信系统中，s o a 可用作功率放大器、在线中继放大器及前置放大器。它的优 点是体积小频带很宽增益也很高，但最大的弱点是与光纤的耦合损耗太大，易受 环境温度影响园此，稳定性较差。半导体光放大器容易集成尤其是它可与其 他光子器件集战，构成光电子集成电路或光子集成电路。此外，基于s o & 中的非线性 特性，它在光互联、光计算和光信号处理中有广阔的应用，如光开关、波长变换、光 逻辑等。 ( 2 ) 非线性光纤放大器，如拉曼光纤放大器( r f a ) 和布里渊光纤放大器( b f a ) 拉曼光纤放大器( r f a ) 的基本原理是光纤中的受激拉曼散射( s r s ) 。它具有增益 高、频带宽、输出功率大、串扰小、响应陕、噪声低，温度稳定眭好等特点“】。由于它 的增益介质就是传输光纤本身，因此与光纤系统有着很好的兼容性，与光纤线路的耦 台损耗也较小，一般情况下连接损耗小于ol d b 。它还具有比较宽的增益带宽，在用 单波长进行泵浦时，可以达到大约4 0 n m 的增益带宽，而用多波长泵浦时，可以实现的 放火带宽大于2 0 0 n m 。此外，它的小信号增益可达3 0 d b 一个很好的应用前景就是可 以使用多个泵清源来扩展放大带宽。在所有各类光放大器中，噪声性能最好的就是拉 曼光纤放大器，其噪声优于e d f a ，它的噪声系数可以达到3 d b 以下。它还具有较好的 增益稳定性能，成本较低。其主要缺点是泵浦效率低、闽值高，对1 5 5 0 h m 窗1 ：3 的光信 号放大，需要工作波长在1 4 5 0 n m 左右的大功率泵浦激光器，要求泵浦激光器的输出功 率在数百毫瓦到一瓦左右。同时它的作用距离也较长，只适台用于长途干线网中进行 低噪声放大。布里渊光纤放大器( b f a ) 是一种基于光纤受激布里渊散射( s b s ) 效应的 光放大器。它的频移量与泵浦光的频率有关，并且远远小于拉曼光纤放大器。正因如 此，它可以作为一种可调谐窄带光学滤波器，通过对泵浦激光的频率进行调谐从而 对不同频率的信号光进行放大，可用于波分复用系统中的信遵选择。 ( 3 ) 掺稀土元素光纤放大器如掺铒光纤放大器( e d f a ) 掺镨光纤放大器( p d f a ) ， 掺铥光纤放大器( t d f a ) 等 掺镨光纤放大器p d f a ) 可用于零色散波长附近的1 3 l o n m 窗口的光放大，它的泵 浦效率较低插入损耗大，温度稳定性较差。掺铥光纤放太器( t d f a ) 工作于1 4 5 0 n m 附近波段，它利用低粒子反转和使用较长的光纤产生增益位移，从而在整个s 波段实 现高增益的放大。它也没有合适波长的泵浦源，实际应用受到了一定的限制。掺铒光 纤放大器( e d f a ) 工作在c 波段1 5 5 0 n m 窗口，它具有增益高、带宽大、输出功率高、 泵浦效率高、插入损耗低、对偏振态不敏感等优点【l o l 。e d f a 这些近乎理想的特性 带来了光纤通信技术的巨大进步。下表2 - 1 列出了几种光放大器的主要特性及| 生能 指标的比较。 表21 光放大器参数比较 2 2e d f a 的工作原理及泵浦方式 2 21e d f a 的放大机理 在石英光纤的纤芯中掺入三价稀土金属铒元素，这种光纤在泵浦光的激励下能够 形成粒子数反转分布，然后在信号光的作用下产生受激辐射，放出与信号光完全相同 的光予，从而形成光的放大。 掺铒光纤工作的基本原理是：e r “在役有任何入射光激励它时，它保持在基态上， 这是能级结构中最低的能级= 如果有泵浦源发出的光信号激励时，它将吸收入射的光 信号的能量，从基杰4 ，。，跃迁到上面的泵浦态能级4 ，这个过程针对泵浦波长的不 同，它受到激励后跃迁到的能级也会有所不同。当用9 8 0 h m 波长的光泵浦时，如图22 所示e r 从基态跃迁至泵浦态4 ，由于泵浦态上载流子的寿命时间只有i s ，铒 离子迅速以非辐射方式由泵浦态弛豫至亚稳态口】。在亚稳态上载流予有较长的寿命，在 源源不断的泵浦下亚稳态上的粒子数积累从而实现了粒子数反转分布。当有1 5 5 0 n m 信号光通过己被澈活的掺铒光纤时，亚稳志上的粒子以受激辐射的方式跃迁到基态， 并辐射出一个与激发光子完全相同的光子，即光子的频率、相位、传播方向、偏振态 完全相同从而实现了信号光在掺铒光纤的传播过程中不断放大。在放大过程中，亚 稳态的粒子也会以自发辐射的方式跃迁到基态，自友辐射产生的光子也会被放大，这 种放大的自发辐射( a s e ) 会消耗泵浦功率井引入噪声。如果采用波长为1 4 8 0 n m 的光 进行泵浦铒离子由4 ，跃迁到1 m ，能级的上面，随后它会立刻通过非辐射方式弛豫 到这个能级的下面，通过粒子的积累形成反转状态。依据这个原理可以知道波长为 9 8 0 n m 泵浦时，光纤放大器是一个三能级结构：而在波长为1 4 8 0 h m 泵浦时它是一个 二能级结构。这就造成这两种泵浦波长的e d f a 在些特性上存在比较明显的区别。 r 4 s 9 n t r _ 1 一 1 _ _ 一i 】1 ，2 泵浦态 6 8 0 “ 9 8 0 n m 1 5 5 0 n m 5 1 4 n m 8 0 0 m1 4 8 0 图22e r 的能级结构 1 1 “2 亚稳态 4 1 15 2基态 k 二 222e d f a 的基本结构 e d f a 主要由三种基本器件组成：一定长度的掺铒光纤( e d f ) 、泵浦激光器和光无 源器件( 光耦舍器、光隔离器及光滤波器等) 1 2 1 。下图23 是e d f a 的基本结构图。 图2 3e d f a 的基本结构图 光耦合器将信号光和泵浦光合路送入掺铒光纤，要求在信号光和泵浦光波长的插 人损耗都很小，并且还要求对偏振不敏感。光隔离器的作用是为了抑制光的反射，只 允许光进行单向传输防止光反射形成自激振荡，使光放大器能够工作在比较稳定的 状态。第一个光隔离器在输入端，以便消除上段由于放大的自发射反面传播可能引起 的干扰，第二个隔离器在输出端，保护器件免受来自下段可能的逆向反射。它的隔离 度应该优于4 0 d b ，而且插入损耗小，与偏振无关。光滤波器用来消除光放大器的自发辐 射从而来降低噪声。 223e d f a 的泵浦方式 e d f a 一般有三种典型结构，这实际也是e d f a 泵浦方式的选择。 同向泵浦：即只在掺铒光纤的输入端加上一个泵浦激光器，信号光和泵浦光经过 光纤耦台器或者波分复用器之后合在一起，在掺铒光纤中同向传输。同向泵浦的结构 框图如下强2 日所示。 竺蓼 岛僵p 豳 图24 同向泵浦的结构框图 反向泵浦：即信号光和泵浦光在掺铒光纤中反向传输从两个不同的方向输入进 掺铒光纤，下图25 是它的结构框图。 l 1 j l 一 匾 圈25 反向泵浦的结构框图 双向泵浦：在掺铒光纤的两端各加上一个泵浦激光器。提高泵浦功率可以使e d f a 中的杂质粒子获得充分的激励，这样我们就可以用两个泵浦源来激励掺铒光纤。双向 泵浦方式的结构框图如下图26 所示= 它结合了同向泵浦方式和反向泵浦方式的优点， 使得泵浦光能够在掺铒光纤中比较均匀的分布，因此它具有很高的输出功率，输出功 率比同向泵浦方式或者反向泵浦方式最多可以高6 d b 。 掺铒光纤 l 墨型l 型 图26 双向泵浦的结构框图 在以上三种泵浦方式中，同向泵浦光的信号输出功率最低( 泵浦条件相同的情 况下) ，各种方式的泵浦光功率和信号输出功率之间的关系如下圈27 所示，它们的微 分转换效率分别是6 1 、7 6 和7 7 。 泵浦光功率 圈27 泵浦光功率和信号的输出功率之间的关系 输出功率的加大导致的结果是粒子反转数的下降，因此在三种泵浦方式中，噪声 指数最小的是同向泵浦，它与掺铒光纤的长度无关，泵浦光到信号光的转换效率也比 较低【l “。此外，比较它们的饱和输出特性，同向时候的泵浦激光器的饱和输出最小 双向时最大，但是积向泵浦由于它增加了一个泵浦激光器和相对应的控制电路，使得 它的成本与其他两种方式相比起来比较高。下表2 2 反映了当输入功率为o d b m * 和 一2 0 d b m w 时。在三种泵浦方式下，泵浦功率的改变所引起的e d f a 的小信号增益特性。( 用 1 5 5 0 n t o 光输入，掺铒光纤长度是】o m ，5 0 m w 的泵浦功率) 。 表2 2 三种泵浦方式的e d f a 特性 23 泵浦激光器的构成和特性参数 231 泵浦激光器 泵浦源作为掺铒光纤放大器的核心部分，它必须满足以下两个条件：一是它的波 长要与e ，一能级的跃迁相适应，二是它的输出功率要足够的高。泵浦激光器能够将粒 子从低能级抽运到较高的能级，使得粒子处于反转状态而被放大，它是e d f a 的一项比 较关键的技术8 。目前，较为实用化的e d f a 大多选择了i n g a a s p 半导体激光器作为其 光源。泵浦源要求必须要具有较高的输出光功率、较高的稳定性，并且还要具有较长 的寿命；它的波长在小于放大信号波长，能量e m ，并且是在掺铒光纤吸收带内的 情况下可阱有不同的选择。e r 。在固定的吸收带上可以吸收光子，通过它的吸收谱 可以知道在频带为6 5 0 n m 、8 0 0 h m 、9 8 0 n m 和1 4 8 0 r t m 时，可以用来泵浦一个e d f a 。 但是由于6 5 0 h m 和8 0 0 r u n 波长泵浦时的效率比较低，泵浦源的体积也较大，所以在光 通信中不被广泛使用。由于信号光的衰减和泵浦光的利用效率可以由激发态吸收来影 响，因此泵浦源的选取应该在那些没有激发态吸收的能带上。9 8 0 r t m 和1 4 8 0 h m 波长泵 浦正好对应着e r ”没有激发态吸收的能带上因此成为广泛使用的两个泵浦波长。 对于这两种波长的泵浦激光器比较如下【1 4 】： ( 1 ) 9 8 0 n m 泵浦激光器：目前，在光纤放大器的发展中，它是首选的泵浦波长。 它具有较高的泵浦效率、较高的增益，噪声系数也比较低，最低可以达至q 3 d b 。 ( 2 ) 1 4 8 0 r i m 泵浦激光器：由于1 4 8 0 h m 泵浦激光器的波长和信号光的波长很相近， 因而波长在15 5 0 r i m 的单模光纤对于泵浦光和信号光均是单模传输，因此利用这个特点 可以制作成定向耦台器，它能够以较低的损耗将泵浦光和信号光送入到光纤中，也具 有较强的实用性。 通常用泵浦效率来衡量泵浦的有效性它的表达式是e d f a 的小信号增益与所吸收 的泵浦功率的峰值比。不同的吸收频率所对应的泵浦效率的差别也很大，如下表23 所 不。 表2 _ 3 吸收频率与泵浦散奉对照表 泵浦波长泵浦效率 ( n m ) ( d b m w ) 53 21 3 5 80 0 9 80 148 0 0 8 4 9 3 9 在9 7 0 9 8 0 n m 波长范围内，e r ”的跃迁存在一个吸收带它的吸收截面较大，受激 发射截面是零并且设有激发态吸收，在这个波长的泵浦激光器具有最好的增益系数为 1 1 d b 椭。当用1 4 8 0 n m 波长泵浦时，e r ”能被激发至亚稳态，因为它的吸收和发射截面 之间存在错位它才能够产生增益。当泵浦波长在1 4 8 0 n m 以下时，增益随泵浦吸收的 降低而降低：波长在1 4 8 0 r t m 咀上时虽然泵浦吸收是增加的但是泵浦波长的发射也 在随者增加，这样也会使增益下降它的泵浦效率最高可以达到65 d b m w 。由于1 4 8 0 n m 泵浦激光器只进行了大约7 0 的离子数反转9 8 0 n m 泵浦激光器进行的离子数反转是完 全的，因此就增益系数而言，1 4 8 0 n m 泵浦激光器仅仅是9 8 0 n m 泵浦激光器的6 0 ，它 的噪声和9 8 0 m n 泵浦激光器相比，大约要高i d b i ”】。 此外，增益系数还与掺铒光纤e d f f l 0 长度成正比，当e d f 的长度减少时，增益系数 也随着减小：相反当e d f 的长度增加时，增益系数也随之增大，但是因为光放大器 自身的自饱和效应，它不会一直增加，而是逐渐趋近于平坦。对于泵浦激光器，除了 要求输出功率还要求它能够产生受激辐射，从而与单模光纤进行更加有效的耦合。 2 32 泵浦激光器的构成及特r 性参数 e d f a 中选用的泵浦激光器它的内部集成了半导体激光二极管、半导体制冷器 ( t e c ) 、背光探测器和热敏电阻。用来实现对激光器的功率与温度控制。 热敏电阻是一种电阻值随着温度的变化而变化的热敏器件，它可以用来测量激光 器的温度。当热敏电阻由金属材料组成电阻值的变化与温度变化戍正比时，具有正 温度系数( p t c ) ：而当热敏电阻由半导体材料制成，并且电阻值的变化与温度变化成 反比时，具有负温度系数( x t c ) 。通常泵浦激光器中采用的是负温度系数的热敏电阻 阻值大概为几千欧。 半导体制冷器利用的原理是帕尔帖效应，它指的是当有直流电通过p 型和n 型半 导体组成的电耦时，产生的吸热和放热的现象。电流方向的不同，也会使热端和冷端 不同。正向通电时制冷器进行制冷，反向时则使其加热。 背光探测器主要用来检测l d 背向发出的光信号，通过对它的检测，可以得到激光 器输出光的大小，它们之间存在着一定的比例关系。进而调整激光器的驱动电流，改 变泵浦激光器的输出功率。 泵浦激光器的几项主要特性参数包括： ( 1 ) 闽值电流 半导体激光器只有当它的驱动电流不小于某一个限定值时，谐振腔才会产生激光 振荡，这时的电流值被称为闽值电流。它所对应的输出光功率比较小，从而使泵浦激 光器的消光比比较大。闽值电流越小，放大器的输出就越稳定。 ( 2 ) 输出光功率 泵浦激光器的输出光功率和它的注入电流问存在着一定的关系。当注入激光器的 电流小于闽值电流时，随着电流的逐渐增加，它的输出光功率也跟着缓慢的增加：当 激光器的注入电流大于其阈值电流时它的功率开始迅速增加l i “。但要注意的是，这 个注入激光器的电流不能一直增大，如果超过了额定值，将会导致激光器受到损坏。 通常，泵浦激光器的输出光功率要依据具体电路来控制。 ( 3 ) 峰值波长 在峰值波长处泵浦激光器拥有着最大的输出光功率通常e d f a 的泵浦激光器选 用9 8 0 n m 或者j 4 8 0 r i m 。 ( 4 ) 半导体制冷器的工作电流 通常情况下，制冷器工作时的电流在】一3 a 范围内。 ( 5j 光功率稳定度 光功率稳定度可以用来反映在一定的时间间隔内，泵浦激光器输出光功率的变化 情况，它的数值越低，就表明激光器的输出光功率越恒定。 ( 6j 斜率效率 它能够反映出泵浦激光器的输出光功率对其驱动电流变化的敏感程度。斜率效率 是指激光器的输出光功率的增量与其驱动电流增量的比值单位用w a 来表示。斜率 效率不宜过高或者过低，当它过高时，e d f a 的输出光信号容易失真，不容易对功率进 行控制：而当它过低时，则使e d f a 的功耗变大，因此，斜率效率选择要适中。 在使用泵浦激光器的时候，要注意到以下两个方面： 一方面是要防止浪涌击穿对其造成的影响。所谓浪涌，即在瞬时状态下产生的强 力电脉冲它是使泵浦激光器损坏的主要原因。很多因素可以造成浪涌击穿现象的产 生，由电源开关引起的干扰、管脚接触不好或者焊接方法不当、开启或者断开时产生 的冲击以及其他各种噪声都能够引起浪涌击穿现象。 另一方面是要防止静电对泵浦激光器造成的影响。当泵浦激光器周围静电场的场 强值要高于它的极限值时，雕结会产生静电击穿现象，可以通过将它的接地线引脚和 外面机箱相连接的方法来防止这种现象的产生。 2 4e d f a 的工作特性参数 ( 1 ) 速率和功率传输方程 可以根据要求的不同而采用不同的分析方法来对e d f a 进 亍理论分析。一般它的 分析涉及到两个方面的理论：一个是用来描述增益介质中的反转粒子数变化的速率方 程：另一个是用来描述信号光和泵浦光之间相互作用的光传输方程。 前面已经提到过，当e d f a 在9 8 0 r a n 波长泵浦时，它是一个典型的三能级结构， 而在1 4 8 0 n m 泵浦时却是一个准二能级结构。由于铒离子在亚稳态上的寿命很长，而在 泵浦态上的寿命很短，所以可以将e d f a 等效为一个二能级系统来进行分析。e ，+ 在基 态和亚稳态上的浓度变化可以由速率方程来给出，在不计较e ，+ 背景损耗的情况下， 速率方程为： 掣：竖兰立堡堡坠n 2 + 兰 盟盟受+ ! 盟益_ 二生监n 日 加。ar ， v l a h va 。 ( 2 1 ) n i + n ! = n ( 22 ) t 式中n 。和n ，分别表示基态和亚稳态上的粒子浓度n 为掺杂浓度，a 为纤芯 的面积：d ，。和口。分别为受激辐射截面和受激吸收截面，o - ，为泵浦吸收截面：k 和邯 表示信号光频率和泵浦光频率：只。、片和b 代表任一点出的a s e 功率、泵浦光功率 和信号光功率，其中的“+ ”代表正向传播，“一”代表反向传播：r ，。l o m s 为亚稳态 粒子寿命：q 。和孙代表信号光和泵浦光在纤芯中的面积与纤芯面积之比。 设白”光纤长度方向为z 轴方向，l 表示光纤长度，信号沿着+ z 轴的方向传播。 令z = 0 和z = l 分别是e d f a 的输入端和输出端，可以得到信号光、泵浦光和a s e 的传 播方程为： a p c ( z o ：玑 ( 口，+ q ，) n a z , ，) 一口。i ( ：，f ) b ( ：，) ( 23 ) o p _ ? , f z , o ：干一口，d ，l ( ：，) 巧( ：r ) ( 24 ) 竺蛊 耻：q s ( “+ ) ：( 2 1 ) 一n ，( = 州p 孟( ：，) + 2 _ 口州n ( “) ( 25 ) ( 2 j 噪声特性 由于放大器一般都利用受擞辐射来对信号光进行放大，囡此绝对的无噪声状态是 不可能存在的。在e d f a 自9 输出光中，信号光和自发辐射光一起被放大，从而导致了噪 声源的形成。e d f a i i j 噪声主要有来自信号光的散粒噪声、a s e 光谱间的拍频噪声( a s e 的二次项) 、被放大的自发辐射( a s e ) 的散粒噪声和a s e 光谱与信号光之间的差拍噪声 ”7 1 。在以上这四种噪声中，影响最大的是a s e 光谱间的拍频噪声 t j a s e 光谱与信号光之 司的差拍噪声，其中后者更是性能影响的主要因素。 e d f a 的噪声特性可以用噪声系数、f 来衡量，它根据信号光在传输的过程中插入光 放大器后所引起的信噪比劣化程度。被定义为放大器的输入端的信噪比与输出端信噪 比的比值，公式如下： 肌蛔蔷甓c 拈， 。博 ) 。，、 上式中，噪声系数n f 与泵浦光功率、泵浦方式和输入信号密切相关。在小信号输 入时当信号光功率增大，由于受激辐射产生的反转离子数也随着增多，导致相应的 供给自发辐射放大的离子数随之减少因此，、f 随输入光功率的增大而减小。当小信 号增益不变时，噪声系数随自发辐射功率的减小而减小。进入饱和状态后，由于饱和 增益下降速度很快，导致”随信号功率的增大而增大。噪声系数与泵浦功率的关系是， 随泵浦功率的增加而减小。 不同的泵浦波长所对应的噪声系数也各不相同。波长为9 8 0 n m 泵浦的e d f a ，它的噪 声系数要e l l 4 8 0 n m 泵浦的e d f a 提高l 一9 d b 。对于利用受激辐射原理进行放大的放大器来 说，噪声系数 1 时这时的反馈为深度负反馈，反馈网络能够决定电路的放大倍数。 幽r ：_ ( i + a f ) x 4 - a r f 一。d a ：_ ! 丢 ( 3 4 ) f 1 + a f ) 。f 1 + a f ) 。 出，i洲 了2 i 而。一a 3 5 公式( 35 ) 表明，负反馈的引用能够使系统的稳定性获得提高，此外还能减少一些 因外界因素而导致的放大倍数的变化，利用这种负反馈原理可以达到使输出电流恒定 的目的。 32 自动功率控制原理 自动功率控制方法( a p c ) ，这种方法的作用主要是使系统能够获得一个稳定的输 出光功率它主要是通过利用光电探测器来对输入端和输出端的光功率进行探测，并 且通过反馈回路来调整泵浦激光器驱动电路的电流值，从而使系统的光输出功率保持 恒定_ 。自动功率控制的原理示意图如下图34 所示，放大器被控制在一个恒定的输 出功率设定值，系统通过对光电二极管进行检测，调整泵浦激光器的电流，使系统维 持在一个不依赖于输入功率的叵定的输出光功率。 厂、1 广_ l 。一。 辅 功率 匿 输m 功率不取 抉于辅 功率 图34 自动功率控制示意图 下图35 反映了泵浦激光器的p i 曲线，由该曲线可以知道泵浦激光器的功率控 制和它自身的工作性能密切相关。当激光器的驱动电流超过其闻值电流时，输出功率 会随着驱动电流的增加而增加这种增加趋近于线性，因此可以采用通过调节l d 的驱 动电流的方法来实现其功率控制。 泵浦激光器使用的时间越长，它的输出光功率就也会随之降低。利用组件中的光 电二极管来对它的输出光功率进行监测，在泵清激光器工作时它内部组件中的p d 会 感应到激光器功率的变化，将对光信号的检测转化为对光电流的监测，然后再将电流 信号转化为电压信号，再经过算法控制通过反馈电路与设定的电压参考值进行比较， 形成稳定工作的反馈回路。其中的控制电路部分经过比较、放大过程来判断输出光功 率的大小，当输出功率低于所设定的参考值时，要使驱动电流增大：相反，当输出功 率要比所设定的参考值高时要使驱动电流减小。此外，为了防止由于驱动电流过大 而使泵浦激光器造成损坏，系统的设计还要包括保护电路部分。因此，当由于外界因 素而使输出功率发生变化时，通过这种闭环的负反馈控制能够获得一个稳定的输出光 厂。1 竺竺i 医习 i一 坠皇兰e 五习 f 上图38 是a p c 的原理框图其中的恒流源部分要具有较大的输出电流，控制电路 控制恒流源使其电流达到线性可调。放大比较电路既要要求温度稳定性好，还要有较 高的响应速度对噪声不敏感，它是控制环能否达到稳定的关键因素。保护电路是对 l d 进行的过压或者过流保护。 33 本童小结 本章主要介绍了自动电流控制技术( a c c ) 和自动功率控制技术( a p c ) 的原理及 比较。自动电流控$ q 方法通常甩在小功率的情况下，一般在1 m w 以下：而自动功率 控制方法则适用于相对大功率的系统中1 0 0 m v 2 w 。本文采用的是通过利用光电探 测器来对输入、输出功率进行检测，将检测出的电流信号转换为电压信号后送入微处 理器中进行处理，通过反馈处理后来调整泵浦激光器工作所需要的驱动电流，从而驱 动其工作，使系统获得一个恒定的光功率。 图37 反映了当有l5 5 0 n m 光输入时，随着泵浦功率的改变，e d f a 增益的变化情 况( 假定其他参数均不发生变化1 。 3 0 一 兰 善2 0 圣 暑】0 1 0 t 叶1 1，fc， 陲+ 上* 十l + “+ h 牟* 爿 泵浦功率( d b m w ) 图37e d f a 增盏与泵浦功率变化曲线 上文已经提到过，掺铒光纤放大器的增益的表达式为： d g = l o l o g ( ) ( 36 ) r m 叉因为泵浦激光器存在公式： p ：p 。+ r l h j ( 1 一。) ( 37 ) e 公式中r 和，。分别代表泵浦激光器输出光功率的闽值和其驱动电流的闽值：玑 代表激光器的电光转换效率：e 为电子电荷：h f 代表光子能量；p 则代表激光器的输 出功率，1 为激光器的驱动电流。 当输入功率尸。一定时( 本课题输入功率一般为l m w ) ，当己知输出功率只一就 可以通过上述公式求出e d f a