摻鉺光纖放大器

　　應(yīng)用

　　光纖放大器是光纖通信系統(tǒng)對(duì)光信號(hào)直接進(jìn)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(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，直接對(duì)光信號(hào)進(jìn)行放大的一種技術(shù)。摻鉺光纖放大器（EDFA，即在信號(hào)通過(guò)的纖芯中摻入了鉺離子Er3 + 的光信號(hào)放大器）是英國(guó)南安普頓大學(xué)和日本東北大學(xué)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(jì)80年代后期開(kāi)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(shù)、極大地增加了光纖通信的容量。成為當(dāng)前光纖通信中應(yīng)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(guān)術(shù)語(yǔ)：Optical Amplifier

　　石英光纖摻稀土元素（如Nd、Er、Pr、Tm等）后可構(gòu)成多能級(jí)的激光系統(tǒng)，在泵浦光作用下使輸入信號(hào)光直接放大。提供合適的反饋后則構(gòu)成光纖激光器。摻Nd光纖放大器的工作波長(zhǎng)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(yīng)用受到限制。EDFA及PDFA的工作波長(zhǎng)分別處于光纖通信的最低損耗（1550nm）及零色散波長(zhǎng)（1300nm）窗口，TDFA工作在S波段，都非常適合于光纖通信系統(tǒng)應(yīng)用。尤其是EDFA，發(fā)展最為迅速，已實(shí)用化。

　　在摻鉺光纖發(fā)展的基礎(chǔ)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(chǔ)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(gè)波分復(fù)用（WDM）帶寬。類(lèi)似的產(chǎn)品還有超寬帶光放大器（UWOA），它的覆蓋帶寬可對(duì)單根光纖中多達(dá)100路波長(zhǎng)信道進(jìn)行放大。

　　EDFA的原理

　　EDFA的基本結(jié)構(gòu)，它主要由有源媒質(zhì)（幾十米左右長(zhǎng)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(hào)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(gè)方向（雙向泵浦）傳播。當(dāng)信號(hào)光與泵光同時(shí)注入到鉺光纖中時(shí)，鉺離子在泵光作用下激發(fā)到高能級(jí)上，三能級(jí)系統(tǒng)），并很快衰變到亞穩(wěn)態(tài)能級(jí)上，在入射信號(hào)光作用下回到基態(tài)時(shí)發(fā)射對(duì)應(yīng)于信號(hào)光的光子，使信號(hào)得到放大。其放大的自發(fā)發(fā)射（ASE）譜，帶寬很大（達(dá)20-40nm），且有兩個(gè)峰值，分別對(duì)應(yīng)于1530nm和1550nm。

　　EDFA的主要優(yōu)點(diǎn)是增益高、帶寬大、輸出功率高、泵浦效率高、插入損耗低、對(duì)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(zhǎng)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(zhǎng)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(hào)的變化而變化，這就相當(dāng)于對(duì)輸入光信號(hào)進(jìn)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(lái)的基礎(chǔ)上提高100km以上。那么，人們不禁要問(wèn)：科學(xué)家們?yōu)槭裁磿?huì)想到在光纖放大器中利用摻雜鉺元素來(lái)提高光波的強(qiáng)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(jié)構(gòu)特點(diǎn)。長(zhǎng)期以來(lái)，人們就一直利用在光學(xué)器件中摻雜稀土元素的方法，來(lái)改善光學(xué)器件的性能，所以這并不是一個(gè)偶然的因素。另外，為什么泵浦光源的波長(zhǎng)選在980nm或1480nm呢？其實(shí)，泵浦光源的波長(zhǎng)可以是520nm、650nm、980nm、和1480nm，但實(shí)踐證明波長(zhǎng)1480nm的泵浦光源激光效率最高，次之是波長(zhǎng)980nm的泵浦光源。

　　物理結(jié)構(gòu)

　　摻鉺光纖放大器基本結(jié)構(gòu)。在輸入端和輸出端各有一個(gè)隔離器，目的是使光信號(hào)單向傳輸。泵浦激器波長(zhǎng)為980nm或1480nm，用于提供能量。耦合器的作用是把輸入光信號(hào)和泵浦光耦合進(jìn)摻鉺光纖中，通過(guò)摻鉺光纖作用把泵浦光的能量轉(zhuǎn)移到輸入光信號(hào)中，實(shí)現(xiàn)輸入光信號(hào)的能量放大。實(shí)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(shí)又具有較低的噪聲指數(shù)等其他參數(shù)，采用兩個(gè)或多個(gè)泵浦源的結(jié)構(gòu)，中間加上隔離器進(jìn)行相互隔離。為了獲得較寬較平坦的增益曲線(xiàn)，還加入了增益平坦濾波器。

　　EDFA主要由5個(gè)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(diǎn)

　　工作波長(zhǎng)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(zhuǎn)換效率高。摻鉺光纖EDF的纖芯比傳輸光纖小，信號(hào)光和泵浦光同時(shí)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(zhì)Er離子的作用非常充分，加之適當(dāng)長(zhǎng)度的摻鉺光纖，因而光能量的轉(zhuǎn)換效率高。

　　增益高、噪聲指數(shù)較低、輸出功率大，信道間串?dāng)_很低。

　　增益特性穩(wěn)定：EDFA對(duì)溫度不敏感，增益與偏振相關(guān)性小。

　　增益特性與系統(tǒng)比特率和數(shù)據(jù)格式無(wú)關(guān)。

　　缺點(diǎn)

　　l非線(xiàn)性效應(yīng)：

　　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(dāng)光功率增大到一定程度時(shí)，將產(chǎn)生光纖非線(xiàn)性效應(yīng)。所以，在使用光纖放大器時(shí)，要注意控制單信道入纖光功率的數(shù)值。

　　增益波長(zhǎng)范圍固定： C波段EDFA的工作波長(zhǎng)范圍為1530nm~1561nm；L波段EDFA的工作波長(zhǎng)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(yīng)用時(shí)必須采取增益平坦濾波器使其增益平坦。

　　光浪涌問(wèn)題：

　　當(dāng)光路正常時(shí)，由泵浦光激勵(lì)的鉺離子被信號(hào)光帶走，從而完成信號(hào)光的放大。如果截?cái)噍斎牍?，由于亞穩(wěn)態(tài)的鉺離子仍不斷聚集，一旦恢復(fù)信號(hào)光輸入，將產(chǎn)生能量跳變，導(dǎo)致光浪涌。

　　解決光浪涌的方法是在EDFA中實(shí)現(xiàn)自動(dòng)光功率減弱（APR）或自動(dòng)光功率關(guān)斷（APSD）功能，即EDFA在無(wú)輸入光時(shí)自動(dòng)降低功率或自動(dòng)關(guān)斷功率，從而抑制浪涌現(xiàn)象的發(fā)生。

　　應(yīng)用方式

　　1.功率放大器（booster-Amplifier），處于合波器之后，用于對(duì)合波以后的多個(gè)波長(zhǎng)信號(hào)進(jìn)行功率提升，然后再進(jìn)行傳輸，由于合波后的信號(hào)功率一般都比較大，所以，對(duì)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(xiàn)路放大器（Line-Amplifier），處于功率放大器之后，用于周期性地補(bǔ)償線(xiàn)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(xiàn)路放大器之后，用于信號(hào)放大，提高接收機(jī)的靈敏度（在光信噪比（OSNR）滿(mǎn)足要求情況下，較大的輸入功率可以壓制接收機(jī)本身的噪聲，提高接收靈敏度），要求噪聲指數(shù)很小，對(duì)輸出功率沒(méi)有太大的要求。

　　實(shí)際應(yīng)用

　　摻鉺光纖放大器在常規(guī)光纖數(shù)字通信系統(tǒng)中應(yīng)用，可以省去大量的光中繼機(jī)，而且中繼距離也大為增加，這對(duì)于長(zhǎng)途光纜干線(xiàn)系統(tǒng)具有重要意義。其主要應(yīng)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(hào)和模擬信號(hào)相互轉(zhuǎn)換時(shí)，中繼器要作相應(yīng)的改變；設(shè)備由低速率改變成高速率時(shí)，中繼器要隨之更換；只有傳輸同一波長(zhǎng)的光信號(hào)，且結(jié)構(gòu)復(fù)雜、價(jià)格昂貴，等等。摻鉺光纖放大器則克服了這些缺點(diǎn)，不僅不必隨信號(hào)方式的改變而改變，而且設(shè)備擴(kuò)容或用于光波分復(fù)用時(shí)，也無(wú)需更換。

　　2、可作光發(fā)送機(jī)的后置放大器及光接收機(jī)的前置放大器。作光發(fā)送機(jī)的后置放大器時(shí)，可將激光器的發(fā)送功率從0db提高到+10db。作光接收機(jī)的前置放大器時(shí)，其靈敏度也可大大提高。因此，只需在線(xiàn)路上設(shè)1-2個(gè)摻鉺放大器，其信號(hào)傳輸距離即可提高100-200km。

　　此外，摻鉺光纖放大器待解決的問(wèn)題。摻鉺光纖放大器的獨(dú)特優(yōu)越性已被世人所公認(rèn)，并且得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。但是，摻鉺光纖放大器也存在著一定的局限性。比如，在長(zhǎng)距離通信中不能上下話(huà)路、各站業(yè)務(wù)聯(lián)系比較困難、不便于查找故障、泵浦光源壽命不長(zhǎng)，隨著光纖通信技術(shù)的不斷進(jìn)步，這些問(wèn)題將會(huì)得到完滿(mǎn)的解決。