(整理)掺铒光纤放大器电子版2

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光纤通信技术课程设计

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精品文档 掺铒光纤放大器(EDFA Erbium-Doped Fiber

Amplifier)的设计

0 概述

光线通信中采用光纤来传输光信号，一般它会受到两个方面的限制：损耗和色散。

就损耗而言，目前光纤的典型值在1.3um 波段为0.35dB/km ，在1.55um 波段为0.20dB/km ，由于光纤损耗的限制，所以在无中继传输距离一般为50—100km 。20世纪80年代末期，波长为1.55um 的摻铒光纤放大器（EDFA Erbium-Doped Fiber Amplifier ）的研制成功并投入使用，打破了光纤通信传输距离受光纤色散和损耗的制约，使全光通信距离延长至几千公里，给光纤通信带来了革命性变化，把光纤通信技术推向一个新的高度，成为光纤通信发展史上一个重要的里程碑。

1 摻铒光纤放大器的工作原理

铒是一种稀土元素，原子序数三68，原子量为167.3。铒的自由离子具有不连续的

能级，当Er 3+被结合到硅光纤时，它们的每个能级被分裂为许多紧密相关的能级---能带。而能带的作用是，第一：使EDFA 对光信号的放大不只是单个波长而是一组波长的能力，即在一段波长范围内的光波长都可以得到放大；第二：避免了细调泵浦激光波长。

下图1是掺铒光纤放大器的工作原理，说明了光信号被放大的原因。EDFA 采用掺

铒离子单模光纤为增益介质，在泵浦光作用下产生粒子数反转，信号光诱导实现受激辐射放大。从图1可以看出，在掺铒光纤放大器中，铒离子有三个能级：能级1代表基态，

能量是最低的；能级2是亚稳态，处在中间能级；能级3代表激发态，能量最高。 Er 3+在未任何光激励的情况下，处于最低能级基态上。在泵浦光的作用下，当泵浦光的光子能量等于能级3和能级1的能量差时， 电子不断从基态能级吸收泵浦光的能量跃迁到激发态，但是电子在激发态的生存期很短，而且激发态是很不稳定的，平均寿命为1us ，电子迅速以“非辐射方式跃迁至亚稳态，在亚稳态上电子有较长的寿命，在源源不断的泵浦下，亚稳态上的粒子数积累，从而实现粒子数反转分布；铒离子被泵浦光不断地泵浦到亚稳态上，此时电子在亚稳态上生存期较长（~10ms ），不断地积累实现粒子数反转分布。

图1

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如果输入信号光的光子能量等于能级2和能级1的能量差，则处于能级2的铒离子将跃迁至基态，产生受激辐射，并产生与输入光子完全一样（具有相同波长、相同方向和相同相位）的光子，从而实现信号光的放大。因此，简单地说，EDFA放大就是把泵浦能量转换为信号光的能量，而且它的效率很高。

2泵浦源选择980nm的泵浦光

如下图2是泵浦源为980nm时的摻铒光纤放大器光路结构方框图。图中WDM耦合器的是指波长敏感型光纤耦合器（WDM），将泵浦光和信号光复用耦合进EDF，作用是把输入的光信号耦合到光纤。隔离器的作用是阻止反射光保证光信号正向传输的器件、防止反射光影响EDFA的工作稳定性。光隔离器是一种只允许光沿一个方向通过而在相反方向阻挡光通过的光无源器件。它通过光纤回波反射的光能够被光隔离器很好的隔离，隔离度代表了光隔离器对回波隔离（阻挡）能力。

图2

下图3是泵浦源为980nm时的摻铒光纤放大器的电路图模块。

图3

3如何选择980nm和1480nm的泵浦光源

在980nm泵浦光的作用下，电子不断从基态能级吸收泵浦光的能量跃迁到激发态，但是电子在激发态的生存期很短，对于，平均寿命为1us，电子迅速以“非辐射方式跃迁至亚稳态，在亚稳态上电子有较长的寿命，在源源不断的泵浦下，亚稳态上的粒子数积累，从而实现粒子数反转分布；电子被1480nm的泵浦光不断地泵浦到亚稳态上，此时电子在亚稳态上生存期较长（~10ms），不断地积累实现粒子数反转分布，如图1所示。

泵浦效率等因素的影响，980nm、1480nm半导体激光器更适合于EDFA的泵浦光源，而且这两种半导体激光器已经得到很好的商用化。另外，980nm相对于1480nm而言，增

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精品文档 益高、噪声小，是目前EDFA 的首选泵浦光源。但是由于光纤对1480nm 的光损耗较小，所以1480nm 泵浦光常用于遥泵方式。

4 掺铒光纤放大器的性能特性

（1）增益G

增益是评价一个光放大器时的第一特性，是输出光功率与输入光功率之比。

即： G=P out /P in

以分贝表示：

◆增益饱和（饱和输出功率）：当P in 增大到一定值后，光放大器的增益G 开始下降。 如下图4.

◆饱和输出功率：增益相对小信号增益减少3dB 时的输出信号的光功率称为饱和输出功

率。

图4

◆增益G 是激励光纤长度的函数。EDF 中泵浦租用是沿激励光纤长度提供的，对于一定的泵浦光功率，如果EDF 的长度超过了一定的范围，泵浦光功率沿光纤衰减，然后消耗到阈值功率以下，信号光将会受到越来越小的增益，并且最终经受损耗，EDF 有一最佳长度，它与光纤的特性有关，如：掺杂浓度、增益带宽等。

◆小信号增益随泵浦功率而变，对于给定的放大器长度（EDF 长度），增益随泵浦功率在开始时按指数增加，当泵浦功率超过一定值时，增益增加变缓，并趋于一恒定值。 ◆增益G 是输入波长的函数。

（2）噪声

EDFA 中，放大信号时产生其自身的噪声，把自发辐射或散射叠加到信号光上，并且占有整个放大带宽，光放大器改变了输入信号和输出信号的信噪比SNR ，导致被放大信号的信噪比下降。

如下图5所示。

)( log 1010

dB P P G in

out

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图5

主要噪声源：放大的自发辐射噪声ASE (Amplified Spontaneous Emission)，它源于放大器介质中电子空穴对的自发复合。自发复合导致了与光信号一起放大的光子的宽谱背景。一部分电子自发辐射到低能级的能带上，这些自发辐射产生的光子在信号光相同频率范围内，但它们在相位和方向上是随机的，那些与信号同方向的自发辐射光子被活性物质放大。这些自发辐射并经放大的光子放大的自发辐射噪声ASE 。它们在相位是随机的，对于信号光没有贡献而产生了信号带宽内的噪声。

5 EDFA 进行级联

EDFA 的级联，引入一方面使系统的中继距离加大，节省设备成本；另一方面也产生了一些新的问题，如非线性、高的输出功率（增益钳制）、噪声积累和增益均衡等，并且对高速线路系统构成影响。下文中将讨论EDFA 进行级联所产生的问题以及解决方法。

（1）噪声积累

第一级EDFA 对信号进行放大的同时，产生放大的自发辐射噪声ASE （前向与后向），此时ASE 与放大信号一同沿光纤传输，会被第二级、第三级· · · EDFA 放大，同时，第二级、第三级· · · EDFA 也将产生自己的ASE 噪声，并且不断积累。

◆放大累计的ASE 被接收机接收，影响系统的性能（误码率、灵敏度等）；

◆当ASE 幅度增加到一定程度时，它开始使光放大器饱和并减小信号增益。

解决方法：

◆滤波器滤除；

◆噪声积累到一定程度后，插入一个O/E/O 中继器，使含有累积噪声的输出信号由相关电路（经门限电路判决）去掉该噪声。如下图6所示。

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图6

（2）增益均衡（增益平坦化）

EDFA对不同波长光信号的放大增益不同，从而在EDFA多级串联后，使不同波长的光增益相差很大（贫富差距拉大），这就限制了WDM系统中使用的信道数量。

解决方法：

◆插入衰减器法；

◆单独放大法；

◆滤波器法；

◆增益互补法；

◆新型宽谱带掺杂光纤；

◆声光滤波调节法；

◆预失真补偿法。

滤波器法增益平坦化：在EDFA中插入损耗谱与EDFA增益谱相反的光纤光栅增益平坦滤波器是比较常用的一种增益平坦技术。所用的光纤光栅，可以是闪耀光栅或闪耀光栅的复合体，也可以是长周期光栅。对于通过光纤中闪耀光栅的信号，可从光纤芯区的导模耦合到后向传播的包层模或辐射模中逸出光纤，通过选择合适的光栅参数，如闪耀角、周期等，就可使光纤放大器的增益谱峰值减小，从而达到平坦化的目的。如下图7。

图7

6 结束语

掺铒光纤放大器( EDFA) 是一种十分重要的新型光通信器件,在通信网中得到了广泛应用。通信系统对EDFA 的特性有很高的要求,通常要求EDFA具有高增益、高输出功率、低噪声和宽带宽特性。在超大容量和更高速的光纤通信中，光放大器都起着举足轻重的作用，而光纤放大器的研制成功，使光纤通信逐步走向全光传输和全光通信阶段。特别是掺铒光纤放大器(EDFA) 的实用化，实现了直接光放大，节省了大量的再生中继器，简化了系统，扩大了传输容量，促进了真正意义上的密集波分复用(DWDM) 技术的飞速发展，引起了光纤通信领域的重大变革。在今后的通信系统中，掺铒光纤放大器的应用会更加广泛和普遍，因为掺铒光纤放大器拥有许多其他放大器无法比拟的优势，如增益高、噪声系数小、

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