EDFA摻鉺光纖放大器是什么？

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。
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。

EDFA的原理

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。
 

物理結(jié)構(gòu)

摻 鉺光纖放大器基本結(jié)構(gòu)。在輸入端和輸出端各有一個(gè)隔離器，目的是使光信號(hào)單向傳輸。泵浦激器波長為980nm或1480nm，用于提供能量。耦合器的 作用是把輸入光信號(hào)和泵浦光耦合進(jìn)摻鉺光纖中，通過摻鉺光纖作用把泵浦光的能量轉(zhuǎn)移到輸入光信號(hào)中，實(shí)現(xiàn)輸入光信號(hào)的能量放大。實(shí)際使用的摻鉺光纖放大器 為了獲得較大的輸出光功率，同時(shí)又具有較低的噪聲指數(shù)等其他參數(shù)，采用兩個(gè)或多個(gè)泵浦源的結(jié)構(gòu)，中間加上隔離器進(jìn)行相互隔離。為了獲得較寬較平坦的增益曲 線，還加入了增益平坦濾波器。

優(yōu)點(diǎn)
1.摻鉺光纖的放大區(qū)域恰好與單模光纖的最低損耗區(qū)域相重合。那么，被摻鉺光纖放大器放大的光在光纖中的傳輸損耗小，能傳輸比較遠(yuǎn)的距離。
2.對(duì)數(shù)字信號(hào)的格式及數(shù)據(jù)率“透明”。
3.放大頻帶寬，能在同一根光纖中傳輸幾十甚至上百個(gè)信道。
4.噪聲指數(shù)低，接近量子極限，意味著可級(jí)聯(lián)多個(gè)放大器。
5.增益飽和的恢復(fù)時(shí)間長，各個(gè)信道間的串?dāng)_極小。
 

分類

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。
 

實(shí)際應(yīng)用

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。