光纤放大器/EDFA,光纤放大器/EDFA的原理和分类

光纤放大器/EDFA,光纤放大器/EDFA的原理和分类

光纤放大器分类

光放大器主要有三类：

(1)半导体光放大器(SOA，Semiconductor Optical Amplifier)；

(2)掺稀土元素(铒Er、铥Tm、镨Pr、铷Nd等)的光纤放大器，主要是掺铒光纤放大器(EDFA)，还有掺铥光纤放大器〔TDFA)及掺镨光纤放大器(PDFA)等；

(3)非线性光纤放大器，主要是光纤喇曼放大器(FRA，Fiber Raman Amplifier)。这些光放大器的主要性能比较见表

EDFA(掺铒光纤放大器)

石英光纤掺稀土元素(如Nd、Er、Pr、Tm等)后可构成多能级的激光系统，在泵浦光作用下使输入信号光直接放大．提供合适的反馈后则构成光纤激光器。掺Nd光纤放大器的工作波长为1060nm及1330nm，由于偏离光纤通信最佳宿口及其他一些原因，其发展及应用受到限制。EDFA及PDFA的工作波长分别处于光纤通信的最低损耗(1550nm)及零色散波长(1300nm)窗口，TDFA工作在S波段，都非常适合于光纤通信系统应用。尤其是EDFA，发展最为迅速，已实用化。

EDFA的原理

EDFA的基本结构如图1(a)所示，它主要由有源媒质(几十米左右长的掺饵石英光纤，芯径3-5微米，掺杂浓度(25-1000)x10-6)、泵浦光源(990或1480nm LD)、光耦合器及光隔离器等组成。信号光与泵浦光在铒光纤内可以在同一方向(同向泵浦)、相反方向(反向泵浦)或两个方向(双向泵浦)传播。当信号光与泵光同时注入到铒光纤中时，铒离子在泵光作用下激发到高能级上(图1 (b)，三能级系统)，并很快衰变到亚稳态能级上，在入射信号光作用下回到基态时发射对应于信号光的光子，使信号得到放大。图1 (c)为其放大的自发发射(ASE)谱，带宽很大(达20-40nm)，且有两个峰值，分别对应于1530nm和1550nm。

EDFA的主要优点是增益高、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。

光放大器存在的问题

尽管光放大器(尤其是EDFA)有许多突出的优点，但它也不是一个理想的放大器。除了附加噪声使信号的SNR下降外，还有一些其他的不足，如：

•放大器带宽内增益谱不平坦影响多信道放大性能；

•光放大器级联应用时，ASE噪声、光纤色散及非线性效应的影响会累积。

这些问题在应用及系统设计中必须考虑。

光放大器在光纤通信系统中的应用

在光纤通信系统中，光放大器既可作为发送机的功率提升放大器以提高发送功率，也可作为接收机的前置放大器以提高接收灵敏皮，亦可代替传统的光—电—光中继器，延长传输距离，实现全光通信。

在光纤通信系统中，限制传输距离的主要因素是光纤的损耗和色散。采用窄谱线光源，或工作在零色散波长附近，光纤色散的影响就较小。这种系统不需要在每个中继站进行完全的信号定时再生(3R中继)，只要用光放大器把光信号直接放大就足够了(1R中继)。光放大器不但可用于长途干线系统中，也可用于光纤分配网，尤其是在WDM系统中，进行多信道的同时放大。

1)光放大器在干线光纤通信系统中的应用

图2为光放大器在干线光纤通信系统中的应用示意。图中(a)为用光放大器作为发送机功率提升放大器和接收机前置放大器，使无中继距离成倍延长。例如，采用EDFA，1.8Gb/s的系统传输距离从120km增大到250km甚至达到400km。图2 (b)-(d)为多中继系统中光放大器的应用；图(b)为传统的3R中继方式；图(c)为3R中继器与光放大器混合中继方式；图(d)为全光中继方式；在全光通信系统中，不包含定时和再生电路，因此是比特穿透式的，没有“电子瓶须”的限制，只要更换两端的发送接收设备，就很容易从低速率提升到高速率，光放大器不必更换。

2)光放大器在光纤分配网中的应用

光放大器(尤其是EDFA)的高功率输出优势，在宽带分配网(如CATV网)中非常有用。传统的CATV网采用同轴电缆、每隔几百米就要放大，网的服务半径约7km。采用光放大器的光纤CATV网，不但可大大增加分配用户数，网径亦可大大扩大。最近发展表明，光纤／同抽电缆混合式(HFC)的分配闷取两者的长处，具有很强的竞争力。

图3为AM-VSB调制35路TV的光纤分配网例子。发送机光源为DFB-LD，波长1550nm，输出功率3.3dBm。采用4级EDFA作为功率分配放大器，其输入功率为-6dBm左右，输出功率约13dBm。光接收机灵敏度-9.2dBm。经过4级分配，总的用户数达420万户，网径大于数十公里。测试的加权信噪比大于45dB，且EDFA没有引起CSO的降低。