摻鉺光纖放大器

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)通過的纖芯中摻入了鉺離子Er3 + 的光信號(hào)放大器)是英國南安普頓大學(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。

EDFA的基本結(jié)構(gòu)，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，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，摻鉺光纖放大器通常可得到15-40db的增益，中繼距離可以在原來的基礎(chǔ)上提高100km以上。那么，人們不禁要問: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)。長期以來，人們就一直利用在光學(xué)器件中摻雜稀土元素的方法，來改善光學(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選在980nm或1480nm呢?其實(shí)，泵浦光源的波長可以是520nm、650nm、980nm、和1480nm，但實(shí)踐證明波長1480nm的泵浦光源激光效率最高，次之是波長980nm的泵浦光源。

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)于長途光纜干線系統(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，在長距離通信中不能上下話路、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，隨著光纖通信技術(shù)的不斷進(jìn)步，這些問題將會(huì)得到完滿的解決。

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)輸出功率沒有太大的要求。

詞名:摻鉺光纖放大器

相關(guān)術(shù)語: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。

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路波長信道進(jìn)行放大。

l非線性效應(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。

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。

工作波長與光纖最小損耗窗口一致，可在光纖通信中獲得廣泛應(yīng)用;耦合效率高，易于光纖耦合連接，也可用熔接技術(shù)與傳輸光纖熔接在一起，損耗可降至0.1db，熔接反射損耗也很小，不易自激;增益高，輸出功率大，增益可達(dá)40db，輸出功率在單向泵浦時(shí)可達(dá)14dbm，雙向泵浦時(shí)可達(dá)17~20dbm，噪聲系數(shù)可低至 3~4db，串話也很小。edfa也有缺陷，如波長固定只能放大1.55mm左右的光波，光纖換用不同的介質(zhì)時(shí)，鉺離子能級(jí)也只能發(fā)生很小的變化，可調(diào)節(jié)的波長有限;增益帶寬不平坦，在wdm系統(tǒng)中需要采用特殊的手段來進(jìn)行增益譜補(bǔ)償。