一、摻鉺光纖結構和EDFA的構成

圖1a為一個實用光纖放大器的構成方框圖。光纖放大器的關鍵部件是摻鉺光纖和高功率泵浦源、作為訊號和泵浦光復用的波分複用器（WDM）、為了防止光反饋和減小系統噪聲在輸入和輸出端使用的光隔離器。

圖1 摻鉺光纖放大器

a）EDFA組成圖；b）980nm大功率輸出泵浦鐳射器

具有增益放大特性的摻鉺光纖是光纖放大器的重要組成部分。

EDFA的增益與許多引數有關，如鉺離子濃度、放大器長度、芯徑以及泵浦光功率等。

對泵浦源的基本要求是高功率和長壽命。可以在幾個波長上對摻鉺光纖進行有效的激勵。採用1480nm的InGaAs多量子阱（MQW）鐳射泵浦時，EDFA的輸出功率可達100mW，該波長的泵浦增益係數較高，而且EDFA的頻寬與現已實用化的銦鎵砷（InGaAs）鐳射器相匹配。也可以使用980nm波長光對EDFA泵浦，這種泵浦效率高，噪聲低，現已廣泛使用。

波分複用器把泵浦光與訊號光復合。

光隔離器被插入輸入端和輸出端，其目的是為了抑制光路中的反射，從而使系統工作穩定可靠、降低噪聲。對隔離器的基本要求是插入損耗低、反向隔離度大。

二、EDFA工作原理——泵浦光能量轉移到訊號光

現在具體說明泵浦光是如何將能量轉移給訊號光的。若摻鉺離子的能級圖用三能級表示，如圖2a所示，其中能級

E

1代表基態，能量最低；能級

E

2代表中間能級；能級

E

3代表激發態，能量最高。若泵浦光的光子能量等於能級

E

3與

E

1之差，摻雜離子吸收泵浦光後，從基態

E

1躍升至啟用態

E

3。但是啟用態是不穩定的，激發到啟用態能級

E

3的鉺離子很快返回到能級

E

2。若訊號光的光子能量等於能級

E

2和

E

1之差，則當處於能級

E

2的鉺離子返回基態

E

1時就產生訊號光子，這就是受激發射，使訊號光放大獲得增益。圖2b表示EDFA的吸收和增益光譜。為了提高放大器的增益，應儘可能使基態鉺離子激發到能級

E

3。從以上分析可知，能級

E

2和

E

1之差必須等於需要放大訊號光的光子能量，而泵浦光的光子能量也必須保證使鉺離子從基態

E

1躍遷到啟用態

E

3。

圖2 摻鉺光纖放大器的工作原理

a）摻雜離子吸收泵浦光後，從基態E1躍遷至E3，E2的鉺離子返回E1時就產生訊號光子；b）EDFA的吸收和增益頻譜

三、EDFA的特性

EDFA的增益頻譜曲線形狀取決於光纖芯內摻雜劑的濃度。圖2b為纖芯摻鍺的EDFA的增益頻譜和吸收頻譜。從圖中可知，摻鉺光纖放大器的頻寬（曲線半最大值頻寬）大於10nm。

1.

泵浦特性

圖3為輸出訊號功率與泵浦功率的關係，由圖可見，能量從泵浦光轉換成訊號光的效率很高，因此EDFA很適合作為功率放大器。泵浦光功率轉換為輸出訊號光功率的效率為92。6%，60mW功率泵浦時，吸收效率（（訊號輸出功率-訊號輸入功率）/泵浦功率）為88%。

圖3 輸出訊號功率與泵浦功率的關係

圖4表示小訊號增益與泵浦功率的關係，由圖可見，當泵浦功率增大到一定值後，小訊號增益將發生飽和。

圖4 小訊號增益與泵浦功率的關係

2.

增益頻譜

圖5和圖6分別表示將鋁與鍺同時摻入鉺光纖的小訊號增益頻譜和大訊號增益頻譜特性，與圖2b比較可見，將鋁與鍺同時摻入鉺光纖可獲得比純摻鍺更平坦的增益頻譜。

圖5 小訊號增益頻譜

圖6 大訊號增益頻譜

3.

小訊號增益

EDFA的增益與鉺離子濃度、摻鉺光纖長度、芯徑和泵浦功率有關。在圖2a所示的摻鉺離子能級圖中，存在著自發輻射和受激發射。當處於激發態

E

3能級的離子很快返回到

E

2能級時產生的輻射是自發輻射，它對訊號光的放大不起作用。只有鉺離子從

E

2能級返回

E

1能

級時發生的受激發射，才對訊號光的放大有貢獻。當忽略自發輻射和激發態吸收時，使用一個簡單兩能級模型，對EDFA的原理可得到更好的理解。該模型假定三能級系統的啟用態能級

E

3幾乎保持空位，因為泵浦到能級

E

3的離子數快速地轉移到能級

E

2上。

圖7 小訊號增益和泵浦功率與光纖長度的關係

a）小訊號增益和泵浦功率的關係；b）小訊號增益和光纖長度的關係

對於給定的放大器長度

L

，放大器增益最初隨泵浦功率按指數函式增加，如圖7a所示，但是當泵浦功率超過一定值後，增益增加就變得緩慢。對於給定的泵浦功率，放大器的最大增益對應一個最佳光纖長度，如圖7b所示，並且當

L

超過這個最佳值後增益很快降低，其原因是鉺光纖的剩餘部分沒有被泵浦，反而吸收了已放大的訊號。既然最佳的

L

值取決於泵浦功率

P

p，那麼就有必要選擇適當的

L

和

P

p值，以便獲得最大的增益。由圖7b可知，當用1。48μm波長的鐳射泵浦時，如泵浦功率

P

p=5mW，放大器長度

L

=30m，則可獲得35dB的光增益。

四、EDFA噪聲

由於自發輻射噪聲在訊號被放大期間疊加到了訊號上，所以對於所有的放大器，訊號被放大後的信噪比（SNR）均有所下降。與電子放大器類似，用放大器噪聲指數

F

n

來衡量SNR下降的程度，並定義為

式中，SNR指的是由光探測器將光訊號轉變成電訊號的信噪比，

（SNR）in表示光放大前的光電流信噪比，（SNR）out表示光放大後的光電流信噪比。通常，

F

n與探測器的引數，如散粒噪聲和熱噪聲有關，對於效能僅受限於散粒噪聲的理想探測器，同時考慮到放大器增益G＞＞1，就可以得到

F

n的簡單表示式

式中，

n

sp為自發輻射係數或粒子數反轉系數。

該式表明，即使對於理想的放大器（

n

sp=1），放大後訊號的SNR也要比輸入訊號的SNR低3dB；對於大多數實際的放大器，

F

n超過3dB，可能降低到5~8dB。在光通訊系統中，光放大器應該具有儘可能低的

F

n。

五、摻鉺光纖放大器的優點

EDFA

的主要優點有：

1）EDFA工作波長1500nm恰好落在光纖通訊的最佳波長區。

2）因為EDFA的主體是一段光纖，它與線路光纖的耦合損耗很小，甚至可達到0。1dB。

3）噪聲指數低，一般為4~7dB。

4）增益高，為20~40dB；飽和輸出功率大，為8~15dBm。

5）頻頻寬，在1550nm視窗有20~40nm頻寬，可進行多通道傳輸，便於擴大傳輸容量，從而節省成本費用。

6）與半導體光放大器不同，光纖放大器的增益特性與光纖極化狀態無關，放大特性與光訊號的傳輸方向也無關，在光纖放大器內無隔離器時，可以實現雙向放大。

7）所需泵浦功率較低（數十毫瓦），泵浦效率卻相當高，用980nm光源泵浦時，增益效率為10dB/mW，用1480nm光源泵浦時為5。1dB/mW；泵浦功率轉換為輸出訊號功率的效率為92。6%，吸收效率為88%。

8）放大器中只有低速電子元件和幾個無源器件，結構簡單、可靠性高、體積小。

9）對不同傳輸速率的數字制式具有完全的透明度，即與準同步數字制式（PDH）和同步數字制式（SDH）的各種速率相容，也不受LD直接調製或外調變的影響。

10） EDFA需要的工作電流比光-電-光再生器的小，因此可大大減小遠供電流，從而可降低對海纜的電阻和絕緣效能的要求。

11） EDFA的增益壓縮特性，使它具有增益自調整能力，在放大器級聯使用中可自動補償線路上損耗的增加，使系統經久耐用。

六、EDFA的應用

在光纖通訊系統的設計中，光放大器有四種用途，如圖8所示。

圖8 光放大器在光纖通訊系統中的應用

a）線上放大器；b）光發射機功率增強器；c）接收機前置放大器；d）在區域網中用於補償分配損耗

在長距離通訊系統中，光放大器的一個重要應用就是取代電中繼器。只要系統性能沒被色散效應和自發輻射噪聲所限制，這種取代就是可行的。在多通道光波系統中，使用光放大器特別具有吸引力，因為光-電-光中繼器要求在每個通道上使用各自的接收機和發射機，對複用通道進行解複用，這是一個相當昂貴、麻煩的轉換過程。而光放大器可以同時放大所有的通道，可省去通道解複用過程。用光放大器取代光-電-光中繼器的放大器就稱為線上放大器。

光放大器的另一種應用是把它插在光發射機之後，來增強光發射機功率。稱這樣的放大器為功率放大器或功率增強器。使用功率放大器可使傳輸距離增加10~100km，其長短與放大器的增益和光纖損耗有關。為了提高接收機的靈敏度，也可以在接收機之前，插入一個光放大器，對微弱光訊號進行預放大，這樣的放大器稱為前置放大器，它也可以用來增加傳輸距離。光放大器的另一種應用是用來補償區域網（

LAN

）的分配損耗，分配損耗常常限制網路的節點數，特別是在匯流排拓撲結構的情況下。

另外，EDFA可在多通道系統中應用，因為EDFA的頻寬與半導體光放大器（SOA）的頻寬都很寬（1~5THz），使用光放大器可同時放大多個通道，只要多通道複合訊號頻寬比放大器頻寬小就行。

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