摻鉺光纖放大器 又名：EDFA

　　應用

　　光纖放大器是光纖通信系統(tǒng)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(tǒng)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制成功的光放大器，它是光纖通信中最偉大的發(fā)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年代后期開始，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應用最廣的光放大器件。

　　基本參數(shù)

　　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）后可構成多能級的激光系統(tǒng)，在泵浦光作用下使輸入信號光直接放大。提供合適的反饋后則構成光纖激光器。摻Nd光纖放大器的工作波長為1060nm及1330nm，由于偏離光纖通信最佳宿口及其他一些原因，其發(fā)展及應用受到限制。EDFA及PDFA的工作波長分別處于光纖通信的最低損耗（1550nm）及零色散波長（1300nm）窗口，TDFA工作在S波段，都非常適合于光纖通信系統(tǒng)應用。尤其是EDFA，發(fā)展最為迅速，已實用化。

　　在摻鉺光纖發(fā)展的基礎上，不斷出現(xiàn)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），是一種寬帶的光放大器，寬帶幾乎可以覆蓋整個波分復用（WDM）帶寬。類似的產(chǎn)品還有超寬帶光放大器（UWOA），它的覆蓋帶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(nèi)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(fā)到高能級上，三能級系統(tǒng)），并很快衰變到亞穩(wěn)態(tài)能級上，在入射信號光作用下回到基態(tài)時發(fā)射對應于信號光的光子，使信號得到放大。其放大的自發(fā)發(fā)射（ASE）譜，帶寬很大（達20-40nm），且有兩個峰值，分別對應于1530nm和1550nm。

　　EDFA的主要優(yōu)點是增益高、帶寬大、輸出功率高、泵浦效率高、插入損耗低、對偏振態(tài)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(chǎn)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，這就相當于對輸入光信號進行了放大。研究表明，摻鉺光纖放大器通?？傻玫?5-40db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?yōu)槭裁磿氲皆诠饫w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，所以這并不是一個偶然的因素。另外，為什么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的泵浦光源激光效率最高，次之是波長980nm的泵浦光源。

　　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，用于提供能量。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(xiàn)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(shù)等其他參數(shù)，采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。

　　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）。

　　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的泵浦光源噪聲系數(shù)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(yōu)點

　　工作波長與單模光纖的最小衰減窗口一致。

　　耦合效率高。由于是光纖放大器，易與傳輸光纖耦合連接。

　　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(shù)較低、輸出功率大，信道間串擾很低。

　　增益特性穩(wěn)定：EDFA對溫度不敏感，增益與偏振相關性小。

　　增益特性與系統(tǒng)比特率和數(shù)據(jù)格式無關。

　　缺點

　　l非線性效應：

　　EDFA采用提高注入光纖中光功率的方式放大光功率，但并不是越大越好。當光功率增大到一定程度時，將產(chǎn)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(shù)值。

　　增益波長范圍固定： C波段EDFA的工作波長范圍為1530nm~1561nm；L波段EDFA的工作波長范圍為1565nm~1625nm。

　　增益帶寬不平坦：EDFA的增益帶寬很寬，但是EDF本身的增益譜不平坦。在WDM系統(tǒng)中應用時必須采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，由于亞穩(wěn)態(tài)的鉺離子仍不斷聚集，一旦恢復信號光輸入，將產(chǎn)生能量跳變，導致光浪涌。

　　解決光浪涌的方法是在EDFA中實現(xiàn)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，從而抑制浪涌現(xiàn)象的發(fā)生。

　　應用方式

　　1.功率放大器（booster-Amplifier），處于合波器之后，用于對合波以后的多個波長信號進行功率提升，然后再進行傳輸，由于合波后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(shù)、增益要求并不是很高，但要求放大后，有比較大的輸出功率。

　　2.線路放大器（Line-Amplifier），處于功率放大器之后，用于周期性地補償線路傳輸損耗，一般要求比較小的噪聲指數(shù)，較大的輸出光功率。

　　3.前置放大器（Pre-Amplifier），處于分波器之前，線路放大器之后，用于信號放大，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(shù)很小，對輸出功率沒有太大的要求。

　　實際應用

　　摻鉺光纖放大器在常規(guī)光纖數(shù)字通信系統(tǒng)中應用，可以省去大量的光中繼機，而且中繼距離也大為增加，這對于長途光纜干線系統(tǒng)具有重要意義。其主要應用包括：

　　1、可作光距離放大器。傳統(tǒng)的電子光纖中繼器有許多局限性。如，數(shù)字信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，且結構復雜、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，而且設備擴容或用于光波分復用時，也無需更換。

　　2、可作光發(fā)送機的后置放大器及光接收機的前置放大器。作光發(fā)送機的后置放大器時，可將激光器的發(fā)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，只需在線路上設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(yōu)越性已被世人所公認，并且得到越來越廣泛的應用。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(yè)務聯(lián)系比較困難、不便于查找故障、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。