摻鉺光纖放大器

摻鉺光纖放大器(EDFA，即在信號通過的纖芯中摻入了鉺離子Er3 + 的光信號放大器)是1985年英國南安普頓大學首先研製成功的光放大器，它是光纖通信中最偉大的發明之一。摻鉺光纖是在石英光纖中摻入了少量的稀土元素鉺(Er)離子的光纖，它是摻鉺光纖放大器的核心。從20世紀80年代後期開始，摻鉺光纖放大器的研究工作不斷取得重大的突破。WDM技術、極大地增加了光纖通信的容量。成為當前光纖通信中套用最廣的光放大器件。

基本介紹

• 中文名：摻鉺光纖放大器
• 外文名：Erbium Doped Fiber Application Amplifier；Erbium Doped Fiber Amplifier
• 縮寫：EDFA
• 來歷：Er-Doped Fiber Amplifier

套用

光纖放大器是光纖通信系統對光信號直接進行放大的光放大器件。在使用光纖的通信系統中，不需將光信號轉換為電信號，直接對光信號進行放大的一種技術。摻鉺光纖放大器（EDFA，即在信號通過的纖芯中摻入了鉺離子Er3 + 的光信號放大器）是英國南安普頓大學和日本東北大學首先研製成功的光放大器，它是光纖通信中最偉大的發明之一。

摻鉺光纖是在石英光纖中摻入了少量的稀土元素鉺（Er）離子的光纖，它是摻鉺光纖放大器的核心。從20世紀80年代後期開始，摻鉺光纖放大器的研究工作不斷取得重大的突破。WDM技術、極大地增加了光纖通信的容量。成為當前光纖通信中套用最廣的光放大器件。

基本參數

詞名：摻鉺光纖放大器

相關術語：Optical Amplifier

石英光纖摻稀土元素（如Nd、Er、Pr、Tm等）後可構成多能級的雷射系統，在泵浦光作用下使輸入信號光直接放大。提供合適的反饋後則構成光纖雷射器。摻Nd光纖放大器的工作波長為1060nm及1330nm，由於偏離光纖通信最佳宿口及其他一些原因，其發展及套用受到限制。EDFA及PDFA的工作波長分別處於光纖通信的最低損耗（1550nm）及零色散波長（1300nm）視窗，TDFA工作在S波段，都非常適合於光纖通信系統套用。尤其是EDFA，發展最為迅速，已實用化。

在摻鉺光纖發展的基礎上，不斷出現許多新型光纖放大器，例如，以摻鉺光纖為基礎的雙帶光纖放大器（DBFA），是一種寬頻的光放大器，寬頻幾乎可以覆蓋整個波分復用（WDM）頻寬。類似的產品還有超寬頻光放大器（UWOA），它的覆蓋頻寬可對單根光纖中多達100路波長信道進行放大。

EDFA的原理

EDFA的基本結構，它主要由有源媒質（幾十米左右長的摻餌石英光纖，芯徑3-5微米，摻雜濃度（25-1000)x10-6）、泵浦光源（990或1480nm LD）、光耦合器及光隔離器等組成。信號光與泵浦光在鉺光纖內可以在同一方向（同向泵浦）、相反方向（反向泵浦）或兩個方向（雙向泵浦）傳播。當信號光與泵光同時注入到鉺光纖中時，鉺離子在泵光作用下激發到高能級上，三能級系統），並很快衰變到亞穩態能級上，在入射信號光作用下回到基態時發射對應於信號光的光子，使信號得到放大。其放大的自發發射（ASE）譜，頻寬很大（達20-40nm），且有兩個峰值，分別對應於1530nm和1550nm。

摻鉺光纖放大器

EDFA的主要優點是增益高、頻寬大、輸出功率高、泵浦效率高、插入損耗低、對偏振態不敏感等。

摻鉺光纖放大器的工作原理 摻鉺光纖放大器主要是由一段摻鉺光纖（長約10-30m）和泵浦光源組成。其工作原理是：摻鉺光纖在泵浦光源（波長980nm或1480nm）的作用下產生受激輻射，而且所輻射的光隨著輸入光信號的變化而變化，這就相當於對輸入光信號進行了放大。研究表明，摻鉺光纖放大器通常可得到15-40db的增益，中繼距離可以在原來的基礎上提高100km以上。那么，人們不禁要問：科學家們為什麼會想到在光纖放大器中利用摻雜鉺元素來提高光波的強度呢？我們知道，鉺是稀土元素的一種，而稀土元素又有其特殊的結構特點。長期以來，人們就一直利用在光學器件中摻雜稀土元素的方法，來改善光學器件的性能，所以這並不是一個偶然的因素。另外，為什麼泵浦光源的波長選在980nm或1480nm呢？其實，泵浦光源的波長可以是520nm、650nm、980nm、和1480nm，但實踐證明波長1480nm的泵浦光源雷射效率最高，次之是波長980nm的泵浦光源。

摻鉺光纖放大器

物理結構

摻鉺光纖放大器基本結構。在輸入端和輸出端各有一個隔離器，目的是使光信號單向傳輸。泵浦激器波長為980nm或1480nm，用於提供能量。耦合器的作用是把輸入光信號和泵浦光耦合進摻鉺光纖中，通過摻鉺光纖作用把泵浦光的能量轉移到輸入光信號中，實現輸入光信號的能量放大。實際使用的摻鉺光纖放大器為了獲得較大的輸出光功率，同時又具有較低的噪聲指數等其他參數，採用兩個或多個泵浦源的結構，中間加上隔離器進行相互隔離。為了獲得較寬較平坦的增益曲線，還加入了增益平坦濾波器。

摻鉺光纖放大器

EDFA主要由5個部分組成：摻鉺光纖（EDF）、光耦合器（WDM）、光隔離器（ISO）、光濾波器（Optical Filter）、泵浦源（Pumping Supply）。如下圖所示。

常用的泵浦源包括980nm和1480nm，這兩種泵浦源的泵浦效率較高，從而使用也較多。

980nm的泵浦光源噪聲係數較低；1480nm的泵浦光源泵浦效率更高，可以獲得較大的輸出功率（與980nm泵浦光源高3dB左右）。

優點

• 工作波長與單模光纖的最小衰減視窗一致。
• 耦合效率高。由於是光纖放大器，易與傳輸光纖耦合連線。
• 能量轉換效率高。摻鉺光纖EDF的纖芯比傳輸光纖小，信號光和泵浦光同時在摻鉺光纖EDF中傳輸，光能力非常集中。這使得光與增益介質Er離子的作用非常充分，加之適當長度的摻鉺光纖，因而光能量的轉換效率高。
• 增益高、噪聲指數較低、輸出功率大，信道間串擾很低。
• 增益特性穩定：EDFA對溫度不敏感，增益與偏振相關性小。
• 增益特性與系統比特率和數據格式無關。

缺點

l非線性效應：

EDFA採用提高注入光纖中光功率的方式放大光功率，但並不是越大越好。當光功率增大到一定程度時，將產生光纖非線性效應。所以，在使用光纖放大器時，要注意控制單信道入纖光功率的數值。

• 增益波長範圍固定： C波段EDFA的工作波長範圍為1530nm~1561nm；L波段EDFA的工作波長範圍為1565nm~1625nm。
• 增益頻寬不平坦：EDFA的增益頻寬很寬，但是EDF本身的增益譜不平坦。在WDM系統中套用時必須採取增益平坦濾波器使其增益平坦。
• 光浪涌問題：

當光路正常時，由泵浦光激勵的鉺離子被信號光帶走，從而完成信號光的放大。如果截斷輸入光，由於亞穩態的鉺離子仍不斷聚集，一旦恢覆信號光輸入，將產生能量跳變，導致光浪涌。

解決光浪涌的方法是在EDFA中實現自動光功率減弱（APR）或自動光功率關斷（APSD）功能，即EDFA在無輸入光時自動降低功率或自動關斷功率，從而抑制浪湧現象的發生。

套用方式

1.功率放大器（booster-Amplifier），處於合波器之後，用於對合波以後的多個波長信號進行功率提升，然後再進行傳輸，由於合波後的信號功率一般都比較大，所以，對一功率放大器的噪聲指數、增益要求並不是很高，但要求放大後，有比較大的輸出功率。

2.線路放大器（Line-Amplifier），處於功率放大器之後，用於周期性地補償線路傳輸損耗，一般要求比較小的噪聲指數，較大的輸出光功率。

3.前置放大器（Pre-Amplifier），處於分波器之前，線路放大器之後，用於信號放大，提高接收機的靈敏度（在光信噪比（OSNR）滿足要求情況下，較大的輸入功率可以壓制接收機本身的噪聲，提高接收靈敏度），要求噪聲指數很小，對輸出功率沒有太大的要求。

摻鉺光纖放大器

實際套用

摻鉺光纖放大器在常規光纖數字通信系統中套用，可以省去大量的光中繼機，而且中繼距離也大為增加，這對於長途光纜幹線系統具有重要意義。其主要套用包括：

1、可作光距離放大器。傳統的電子光纖中繼器有許多局限性。如，數位訊號和模擬信號相互轉換時，中繼器要作相應的改變；設備由低速率改變成高速率時，中繼器要隨之更換；只有傳輸同一波長的光信號，且結構複雜、價格昂貴，等等。摻鉺光纖放大器則克服了這些缺點，不僅不必隨信號方式的改變而改變，而且設備擴容或用於光波分復用時，也無需更換。

2、可作光傳送機的後置放大器及光接收機的前置放大器。作光傳送機的後置放大器時，可將雷射器的傳送功率從0db提高到+10db。作光接收機的前置放大器時，其靈敏度也可大大提高。因此，只需線上路上設1-2個摻鉺放大器，其信號傳輸距離即可提高100-200km。

此外，摻鉺光纖放大器待解決的問題

摻鉺光纖放大器的獨特優越性已被世人所公認，並且得到越來越廣泛的套用。但是，摻鉺光纖放大器也存在著一定的局限性。比如，在長距離通信中不能上下話路、各站業務聯繫比較困難、不便於查找故障、泵浦光源壽命不長，隨著光纖通信技術的不斷進步，這些問題將會得到完滿的解決。

噪聲係數

噪聲係數的基本定義：F = total output noise power/output noise power due to input source,其中F稱為Noise Factor，如果用dB表示，稱為Noise Figure或NF。 輸出噪聲功率包含兩部分：噪聲源輸入噪聲引起的噪聲功率輸出和系統本身產生的噪聲功率輸出。