基于前置光放大器的空间光接收研究

摘 要：随着光放大器应用的越发广泛，本文主要根据前置EDFA，给出空间光耦合到单模光纤的设计方案。

关键词：光通信 光耦合 前置EDFA

中图分类号：TN91 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2012）12（c）-0060-02

传统的光-电-光再生中继器有许多缺点，首先，通信设备很复杂，系统的稳定性和可靠性不高。其次，传输容量受到一定的限制。空间光通信因其容量大、抗干扰能力强、保密性好等特点来越得到各国的重视，在多种通信平台上得到应用。然而在恶劣的天气情况，会对无线光通信系统的传播信号产生衰耗作用，光放大器的出现解决了光通信系统中的条件限制。本文将着重研究如何高容量高速率低噪声低功耗的传输信号，并且使接收端容易接收信号。

1 光放大器的选择

光放大器一共有3种，利用稀土掺杂的光纤放大器，利用半导体制作的半导体光放大器，利用光纤非线性效应制作的非线性光纤放大器，表1是3种光放大器的各种特点。

通过上表的观察我们可以发现半导体放大器SOA明显不符合我们的要求，与光耦合很差，偏振大，噪声大，而且稳定性也不好。图表中拉曼放大器和掺稀土放大器各项指标基本相同，但是光纤拉曼放大器的泵浦要求高能量输出（500 MW），拉曼散射增益具有偏振依赖性，而掺稀土放大器中的掺铒放大（EDFA）解决了系统容量提高的最大的限制光损耗补偿了光纤本身的损耗，使长距离传输成为可能，大大增加了功率预算的冗余，且工作频带正处于光纤损耗最低处（1525～1565 nm）；频带宽，可以对多路信号同时放大-波分复用；对数据率/格式透明，系统升级成本低；增益高（>40 dB）、输出功率大（>30 dBm）、噪声低（4～5 dB）；全光纤结构，与光纤系统兼容；增益与信号偏振态无关，故稳定性好；所需的泵浦功率低（数十毫瓦），而且EDFA其低噪声的特点，也适合作为前置放大器，使其灵敏提高10～20 dB，使光信号与光纤耦合之前得到放大，并降低噪声。

2 光放大器对灵敏度的影响

在OOK调制的数字光通信系统，灵敏度可用下式计算：

对于误码率为10-9，要求Q=6，对于误码率为10-7，要求Q=5.2。对于1.25Gbps的通信系统，若采用为0.5 nm的光滤波器，灵敏度就可以达到-46dB，而一般的APD接收机，灵敏度只能达到-38 dBm左右，光放大接收机灵敏度比APD接收机可提高8 dB。如再采用纠错编码，要求的Q值还可降低，灵敏度可达到-50 dBm。减小光滤波器的带宽，灵敏度会提高，最佳的光滤波器带宽B0为电滤波器带。

3 空间光与光纤耦合分析

光纤分为单模光纤和多模光纤，由于拟建立的实验平台所采用的为单模光纤，所以仅仅考虑空间光与单模光纤之间的耦合问题，不考虑多模光纤。由于单模光纤的纤芯直径很小，光纤只传输与光纤轴方向一致的光线通过，光波在光纤中传播要遵从麦克斯韦方程组，还要满足光纤的边界条件。因此根据波动方程、麦克斯韦方程组、边界条件可以推导出定义为归一化截止频率的表达其中r为光纤的纤芯半径；λ为光纤的工作波长；n1为光纤纤芯的折射率，n2为包层的折射率；k0为真空中的波数；Δ为光纤的相对折射率差。从式（2）中可以看出，对于给定光纤，存在一个临界波长λc，当λλc时，是单模传输，这个临界波长λc成为截止波长。由此可得：

空间光经过接收光学系统的汇聚后，在后焦面上形成艾里斑衍射图样，耦合的基本原理就是艾里斑模场与单模光纤模场之间的模式匹配。

耦合效率定义为耦合进单模光纤中的光功率Pc与聚焦平面上接收的光功率Pa之比：

根据Parseval定理，可得入射光瞳面上η为：

其中Ei为入瞳面入射光场，因为单模光纤模场可以近似为高斯分布，所以不Ef为单模光纤模场反向传输到入射光瞳面时的模场分布仍然具有高斯形式：

耦合效率与β的关系是，当β=1.1209时，式（9）取得极大值，得最大耦合效率ηmax=81.45%，耦合损耗约0.9dB，这是平面光波到单模光纤耦合所能得到的最大耦合效率，考虑光纤端面的菲涅耳反射损耗（3.66%），则最大耦合效率为77.79%。

4 实验及结果分析

按照搭建完系统，还得进一步精确它的位置，由于试验所需要的是1550 nm波段的光是不可见光，所以需要先用800 nm可见红激光源入射光学组件，进行粗调，安排好各光学组件之间的位置。然后换用1550波段的激光，进行精确调整，当有光信号进入光纤后，用光功率计测量耦合前的功率W1，再关掉激光，从光电转换器处获得耦合入光纤的背景光强W2。然后运用计算机进行光栅扫描，然后再进行跟踪，找到其中的最大值，并计算出耦合效率。再次进行一次光栅扫描，得到的耦合效率值对应光纤发生横向偏移时的值。当用单模光纤进行实验时，实验获得的最大耦合效率值为61.3%。

5 结语

本文介绍一种基于前置光放大器的空间光接收的设计方案，对空间光耦合到单模光纤的耦合率进行了分析，激光通信技术具有保密性好，组网方便，通信容量大，小巧轻便，功耗低等一系列优点，所以如何能够更好的提高光与光纤的耦合率，在未来的光纤通信中显得更加的重要，也是当今光纤通信的发展趋势。

参考文献

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