摻鉺光纖放大器（EDFA）的原理及應(yīng)用

作者：Johnathon Jiang

公司：駿龍科技

前言

在摻鉺光纖放大器（Erbium-Doped Fiber Amplifier，EDFA）問世以前，為了克服光傳輸中的損耗，每傳輸一段距離都要進(jìn)行“再生”，即把傳輸后的弱光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，經(jīng)過放大、整形、定時(shí)后再去調(diào)制激光器，生成一定強(qiáng)度的光信號(hào)。隨著傳輸碼率的提高，“再生”的難度也隨之提高，成了信號(hào)傳輸容量擴(kuò)大的“瓶頸”。

EDFA的問世及實(shí)用化，實(shí)現(xiàn)了直接光放大，節(jié)省了大量的再生中繼器，使得傳輸中的光纖損耗不再成為主要問題，同時(shí)使傳輸鏈路“透明化”，簡(jiǎn)化了系統(tǒng)，成倍地?cái)U(kuò)大了傳輸容量，促進(jìn)了真正意義上的密集波分復(fù)用（DWDM）技術(shù)的飛速發(fā)展，是光通訊領(lǐng)域上的一次革命。

摻鉺光纖放大器的基本工作原理

1、摻鉺光纖中Er3+離子受激輻射和自發(fā)輻射

EDFA是利用摻鉺光纖中摻雜離子在泵浦光的作用下，形成粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，從而對(duì)入射光信號(hào)提供光增益，對(duì)于波長(zhǎng)為980nm的泵浦源，摻鉺光纖相當(dāng)于一個(gè)三能級(jí)的系統(tǒng)；對(duì)于波長(zhǎng)為1480nm的泵浦源，摻鉺光纖相當(dāng)于一個(gè)兩能級(jí)的系統(tǒng)，下圖（圖1）為Er3+離子能級(jí)圖：

圖1 Er3+離子能級(jí)圖

Er3+離子通過受激吸收入射波長(zhǎng)為980nm的光子的能量，從4I15/2能級(jí)躍遷到4I11/2能級(jí)，由于4I11/2能到4I13/2能級(jí)的馳豫時(shí)間很短，4I11/2能級(jí)上的粒子很快躍遷到4I13/2能級(jí)，4I11/2能級(jí)上的粒子數(shù)基本上可認(rèn)為是零。

4I13/2能級(jí)到4I15/2能級(jí)的馳豫時(shí)間比較長(zhǎng)，為毫秒量級(jí)，是一個(gè)亞穩(wěn)態(tài)。當(dāng)有波長(zhǎng)1550nm左右的信號(hào)光子輸入時(shí)，4I13/2能級(jí)的粒子受激輻射向4I15/2能級(jí)躍遷，產(chǎn)生和入射光子同頻、同相、同方向的光子，于是，入射光就得到放大。4I13/2能級(jí)沒有受激輻射的粒子會(huì)以自發(fā)輻射的方式向4I15/2能級(jí)躍遷，產(chǎn)生波長(zhǎng)1550nm左右的光子，其頻率、相位、方向是隨機(jī)的。自發(fā)輻射產(chǎn)生的光子大部分在傳輸中逃逸出光纖，但有一小部分由于傳輸方向正好在光纖的軸線上而被光纖捕獲，這一部分的光子在摻鉺光纖中傳輸（正反兩個(gè)方向）時(shí)同樣也被放大，形成放大的自發(fā)輻射（Amplified Spontaneous Emission，ASE），這對(duì)于信號(hào)光來說就是噪聲。因此，對(duì)于EDFA的基本原理可以總結(jié)出如下圖（圖2）框圖：

圖2 EDFA的基本原理圖

2、摻鉺光纖放大器的光路結(jié)構(gòu)

為了實(shí)現(xiàn)放大的目的，將一些無源光器件、泵浦光源和摻鉺光纖以特定的光學(xué)結(jié)構(gòu)組合在一起，就構(gòu)成了EDFA光放大器。根據(jù)EDFA泵浦源的布置位置，最基本的有三種光路配置，分別為前向泵浦、反向泵浦和雙向泵浦，具體下圖（圖3）所示：

圖 3 EDFA光放大器三種光路配置

不過往往由于通訊系統(tǒng)的復(fù)雜性以及功能指標(biāo)的多樣性等原因，實(shí)際光路圖要比基本的結(jié)構(gòu)更加的復(fù)雜。下圖（圖4）為一款實(shí)用化交付產(chǎn)品的泵浦配置和光路結(jié)構(gòu)圖：

圖4 實(shí)用化交付產(chǎn)品的泵浦配置和光路結(jié)構(gòu)圖

• EDF：摻鉺光纖，其工作機(jī)理前面已經(jīng)詳細(xì)介紹。
• WDM：耦合器，其作用是將信號(hào)光和泵浦光耦合，并一起送入摻鉺光纖，通常使用光纖熔錐型耦合器。
• GFF：增益平坦濾波器，其作用是平坦EDF的光譜，使EDFA的輸出光譜在全波段達(dá)到良好的平坦度。
• ISO：隔離器，其作用是阻擋前后級(jí)光路的ASE噪聲信號(hào)。
• LD：泵浦激光器，泵浦激光器是EDFA的能量源泉，它的作用是為光信號(hào)的放大提供能量。通常是一種半導(dǎo)體激光器，輸出波長(zhǎng)為980nm或1480nm，泵浦光經(jīng)過摻鉺光纖時(shí)將鉺離子從低能級(jí)泵浦到高能級(jí)，從而形成粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，而當(dāng)信號(hào)光經(jīng)過時(shí)，能量就會(huì)轉(zhuǎn)移到光信號(hào)中，從而實(shí)現(xiàn)光放大的作用。
• Spliter：分光器，EDFA中所用的分光器為一分二器件，其作用是將主通道上的光信號(hào)分出一小部分光信號(hào)送入光探測(cè)器以實(shí)現(xiàn)對(duì)主通道中光功率的監(jiān)測(cè)功能。
• PIN：光探測(cè)器，是一種光強(qiáng)檢測(cè)器，它的作用是將接收的光功率通過光/電轉(zhuǎn)換變成光電流，從而對(duì)EDFA模塊的輸入、輸出光功率進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

摻鉺光纖放大器的應(yīng)用

EDFA通常應(yīng)用于DWDM系統(tǒng)中，主要功能在于補(bǔ)償傳輸中的光纖損耗。根據(jù)放大器在系統(tǒng)中的位置及作用，可以分成以下三種類型：

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)功率放大器的噪聲指數(shù)（NF）、增益要求并不是很高，但要求放大后，有比較大的輸出功率，如下圖（圖5）所示：

圖5 功率放大器

2：線路放大器（Line-Amplifier），處于功率放大器之后，用于周期性地補(bǔ)償線路傳輸損耗，一般要求比較小的NF，較大的輸出光功率，如下圖（圖6）所示：

圖6 線路放大器

EDFA的增益特性是小輸入光信號(hào)增益大，大輸入光信號(hào)時(shí)增益小，在DWDM系統(tǒng)中，如果不對(duì)Line-Amplifier的增益進(jìn)行控制的話，那么，在輸入信道少時(shí)（小輸入光信號(hào)）的增益要比輸入信道多時(shí)（大輸入光信號(hào)）增益大，這會(huì)造成輸入信道少時(shí)，每個(gè)信道輸出功率大，在極端情況下，只有一個(gè)輸入信道，那么，就有可能造成輸出光信號(hào)足夠大，在光纖傳輸中產(chǎn)生非線性失真。因此，Line-Amplifier必須具有增益鎖定功能，保證在輸入是大信號(hào)和小信號(hào)時(shí)，增益都是一樣的，即每個(gè)信道的輸出光功率在輸入信道增減時(shí)都保持恒定。

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(hào)放大，提高接收機(jī)的靈敏度。在光信噪比（OSNR）滿足要求的情況下，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，所以，對(duì)前置放大器的輸出功率沒有太大的要求，但是要求NF很小，如下圖（圖7）所示：

圖7 前置放大器

結(jié)束語

隨著DWDM技術(shù)的發(fā)展，EDFA也在不停的向前發(fā)展以滿足不斷增長(zhǎng)的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)需要。本文主要介紹摻鉺光纖放大器（EDFA）的基本工作原理和三大類型應(yīng)用。欲了解更多技術(shù)細(xì)節(jié)和 ADI 相關(guān)方案，請(qǐng)與駿龍科技當(dāng)?shù)氐霓k事處聯(lián)系，或發(fā)送郵件至inquiry.cytech@macnica.com，駿龍科技公司愿意為您提供更詳細(xì)的技術(shù)解答。

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