光纖放大器/EDFA,光纖放大器/EDFA的原理和分類

光纖放大器分類

光放大器主要有三類：

(1)半導(dǎo)體光放大器(SOA，Semiconductor Optical Amplifier)；

(2)摻稀土元素(鉺Er、銩Tm、鐠Pr、銣Nd等)的光纖放大器，主要是摻鉺光纖放大器(EDFA)，還有摻銩光纖放大器〔TDFA)及摻鐠光纖放大器(PDFA)等；

(3)非線性光纖放大器，主要是光纖喇曼放大器(FRA，F(xiàn)iber Raman Amplifier)。這些光放大器的主要性能比較見表

EDFA(摻鉺光纖放大器)

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(yīng)用。尤其是EDFA，發(fā)展最為迅速，已實(shí)用化。

EDFA的原理

EDFA的基本結(jié)構(gòu)如圖1(a)所示，它主要由有源媒質(zhì)(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(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(圖1 (b)，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。圖1 (c)為其放大的自發(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。

光放大器存在的問題

盡管光放大器(尤其是EDFA)有許多突出的優(yōu)點(diǎn)，但它也不是一個(gè)理想的放大器。除了附加噪聲使信號(hào)的SNR下降外，還有一些其他的不足，如：

?放大器帶寬內(nèi)增益譜不平坦影響多信道放大性能；

?光放大器級(jí)聯(lián)應(yīng)用時(shí)，ASE噪聲、光纖色散及非線性效應(yīng)的影響會(huì)累積。

這些問題在應(yīng)用及系統(tǒng)設(shè)計(jì)中必須考慮。

光放大器在光纖通信系統(tǒng)中的應(yīng)用

在光纖通信系統(tǒng)中，光放大器既可作為發(fā)送機(jī)的功率提升放大器以提高發(fā)送功率，也可作為接收機(jī)的前置放大器以提高接收靈敏皮，亦可代替?zhèn)鹘y(tǒng)的光—電—光中繼器，延長傳輸距離，實(shí)現(xiàn)全光通信。

在光纖通信系統(tǒng)中，限制傳輸距離的主要因素是光纖的損耗和色散。采用窄譜線光源，或工作在零色散波長附近，光纖色散的影響就較小。這種系統(tǒng)不需要在每個(gè)中繼站進(jìn)行完全的信號(hào)定時(shí)再生(3R中繼)，只要用光放大器把光信號(hào)直接放大就足夠了(1R中繼)。光放大器不但可用于長途干線系統(tǒng)中，也可用于光纖分配網(wǎng)，尤其是在WDM系統(tǒng)中，進(jìn)行多信道的同時(shí)放大。

1)光放大器在干線光纖通信系統(tǒng)中的應(yīng)用

圖2為光放大器在干線光纖通信系統(tǒng)中的應(yīng)用示意。圖中(a)為用光放大器作為發(fā)送機(jī)功率提升放大器和接收機(jī)前置放大器，使無中繼距離成倍延長。例如，采用EDFA，1.8Gb/s的系統(tǒng)傳輸距離從120km增大到250km甚至達(dá)到400km。圖2 (b)-(d)為多中繼系統(tǒng)中光放大器的應(yīng)用；圖(b)為傳統(tǒng)的3R中繼方式；圖(c)為3R中繼器與光放大器混合中繼方式；圖(d)為全光中繼方式；在全光通信系統(tǒng)中，不包含定時(shí)和再生電路，因此是比特穿透式的，沒有“電子瓶須”的限制，只要更換兩端的發(fā)送接收設(shè)備，就很容易從低速率提升到高速率，光放大器不必更換。

2)光放大器在光纖分配網(wǎng)中的應(yīng)用

光放大器(尤其是EDFA)的高功率輸出優(yōu)勢，在寬帶分配網(wǎng)(如CATV網(wǎng))中非常有用。傳統(tǒng)的CATV網(wǎng)采用同軸電纜、每隔幾百米就要放大，網(wǎng)的服務(wù)半徑約7km。采用光放大器的光纖CATV網(wǎng)，不但可大大增加分配用戶數(shù)，網(wǎng)徑亦可大大擴(kuò)大。最近發(fā)展表明，光纖／同抽電纜混合式(HFC)的分配悶取兩者的長處，具有很強(qiáng)的競爭力。

圖3為AM-VSB調(diào)制35路TV的光纖分配網(wǎng)例子。發(fā)送機(jī)光源為DFB-LD，波長1550nm，輸出功率3.3dBm。采用4級(jí)EDFA作為功率分配放大器，其輸入功率為-6dBm左右，輸出功率約13dBm。光接收機(jī)靈敏度-9.2dBm。經(jīng)過4級(jí)分配，總的用戶數(shù)達(dá)420萬戶，網(wǎng)徑大于數(shù)十公里。測試的加權(quán)信噪比大于45dB，且EDFA沒有引起CSO的降低。