光纖放大器分類

90年代初期，摻鉺光纖放大器（EDFA）的研制成功，打破了光纖通信傳輸距離受光纖損耗的限制，使全光通信距離延長至幾千公里，給光纖通信帶來了革命性的變化，被譽(yù)為光通信發(fā)展的一個(gè)“里程碑”。那么，究竟什么是光纖放大器呢？　根據(jù)放大機(jī)制不同，OFA可分為兩大類。

摻稀土OFA

制作光纖時(shí)，采用特殊工藝，在光纖芯層沉積中摻入極小濃度的稀土元素，如鉺、鐠或銣等離子，可制作出相應(yīng)的摻鉺、摻鐠或摻銣光纖。光纖中摻雜離子在受到泵浦光激勵(lì)后躍遷到亞穩(wěn)定的高激發(fā)態(tài)，在信號(hào)光誘導(dǎo)下，產(chǎn)生受激輻射，形成對(duì)信號(hào)光的相干放大。這種OFA實(shí)質(zhì)上是一種特殊的激光器，它的工作腔是一段摻稀土粒子光纖，泵浦光源一般采用半導(dǎo)體激光器。

當(dāng)前光纖通信系統(tǒng)工作在兩個(gè)低損耗窗口：1.55μm波段和1.31μm波段。選擇不同的摻雜元素，可使放大器工作在不同窗口。

（1）摻鉺光纖放大器（EDFA）

摻鉺光纖放大器由一段摻鉺光纖和泵浦光源組成，如圖1所示。摻鉺光纖是在石英光纖的纖芯中摻入適量濃度的鉺離子（Er3+），泵浦源的作用是給鉺離子提供能量，將它從低能級(jí)“抽運(yùn)”到高能級(jí)，使其具有光學(xué)

圖1 摻雜光纖放大器的組成示意圖

增益功能。沒有泵浦光作用時(shí)，Er3+離子的能量狀態(tài)稱為基態(tài)；吸收泵浦光能量后，Er3+便處于較高能量狀態(tài)，即由基態(tài)躍遷到激發(fā)態(tài)。由于處于該高能態(tài)的壽命很短，將迅速過渡到較低的激發(fā)態(tài)，Er3+處于激發(fā)態(tài)的壽命長得多，被稱為亞穩(wěn)態(tài)。當(dāng)Er3+從亞穩(wěn)激發(fā)態(tài)躍遷回到基態(tài)時(shí)，多出來的能量轉(zhuǎn)變?yōu)闊晒廨椛洌椛涔獾牟ㄩL由亞穩(wěn)態(tài)與基態(tài)的能級(jí)差決定。在1550nm波段上，在泵浦源不斷作用下，處于亞穩(wěn)激發(fā)態(tài)的Er3+不斷累積，其數(shù)量可超過仍處于基態(tài)的離子數(shù)。當(dāng)高能態(tài)上的粒子數(shù)超過低能態(tài)上的粒子數(shù)時(shí)，達(dá)到了粒子數(shù)反轉(zhuǎn)狀態(tài)。只有在這種狀態(tài)下才可能有光放大作用。如入射光信號(hào)的光子能量相當(dāng)于基態(tài)和亞穩(wěn)態(tài)之間的能量差，即其光波長與上述輻射光的波長相同，它將同時(shí)引發(fā)由基態(tài)→亞穩(wěn)態(tài)的吸收躍遷和由亞穩(wěn)態(tài)→基態(tài)的發(fā)射躍遷，吸收躍遷吸收光能，發(fā)射躍遷發(fā)射光能，吸收和發(fā)射光能的大小各與基態(tài)和亞穩(wěn)態(tài)的粒子密度成正比。由于粒子數(shù)反轉(zhuǎn)的緣故，總的效果是發(fā)射的光能超過吸收的光能，這就使入射光增強(qiáng)，而得到了光放大。

摻雜光纖放大器的一個(gè)重要問題是選擇合適的泵浦源。摻Er3+石英光纖在550、650、810、980和1480nm等處存在吸收光譜帶，原則上都可選為泵浦光波長。但由于980nm和l 480mn光波長的光泵浦效率最高，故多采用。980nm泵浦源選用InGaAs/AlGaAs半導(dǎo)體激光器，1 480nm泵浦源選用GalnAsP/Inp半導(dǎo)體激光器，它們的光功率一般為數(shù)十至上百亳瓦。采用980nm的泵浦源還有噪聲低的優(yōu)點(diǎn)，而1 480mn泵浦源由于與信號(hào)光波長相近，耦合方便。

光纖通信的另一重要的低損耗窗口是1 300nm波段。摻釹離子（Nd3+）的氯化物玻璃光纖可構(gòu)成工作于這一波段的摻釹光纖放大器。

光纖放大器要求增益高，工作頻帶寬、噪聲低。摻鉺光纖放大器已實(shí)用化，其典型值：小信號(hào)增益30dB，帶寬32nm，噪聲系數(shù)5dB。

摻鉺光纖放大器是光纖通信技術(shù)的一項(xiàng)重大突破，它可免除常規(guī)光纖通信技術(shù)在中繼站進(jìn)行光一電一光變換而延長中繼距離，使常規(guī)的光纖通信提高到一個(gè)新的水平。對(duì)推動(dòng)密集波分復(fù)用、頻分復(fù)用、光孤子光纖通信、光纖本地網(wǎng)和光纖寬帶綜合業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)網(wǎng)的發(fā)展起著舉足輕重的作用。

（2）摻鐠光纖放大器（PDFA）

PDFA工作在1.31μm波段，已敷設(shè)的光纖90%都工作在這一窗口。PDFA對(duì)現(xiàn)有光通信線路的升級(jí)和擴(kuò)容有重要的意義。目前已經(jīng)研制出低噪聲、高增益的PDFA，但是它的泵浦效率不高，工作性能不穩(wěn)定，增益對(duì)溫度敏感，離實(shí)用還有一段距離。

非線性O(shè)FA

非線性O(shè)FA是利用光纖的非線性效應(yīng)實(shí)現(xiàn)對(duì)信號(hào)光放大的一種激光放大器。當(dāng)光纖中光功率密度達(dá)到一定閾值時(shí)，將產(chǎn)生受激拉曼散射（SRS）或受激布里淵散射（SBS），形成對(duì)信號(hào)光的相干放大。非線性O(shè)FA可相應(yīng)分為拉曼光纖放大器（SRA）和布里淵光纖放大器（BRA）。目前研制出的SRA尚未商用化。

OFA的研制始于80年代，并在90年代初取得重大突破。在現(xiàn)代光通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，如何有效地提高光信號(hào)傳輸距離，減少中繼站數(shù)目，降低系統(tǒng)成本，一直是人們不斷探索的目標(biāo)。OFA是解決這一問題的關(guān)鍵器件，它的研制和改進(jìn)在全球范圍內(nèi)仍方興未艾。

隨著密集波分復(fù)用（DWDM）技術(shù)、光纖放大技術(shù)，包括摻鉺光纖放大器（EDFA）、分布喇曼光纖放大器（DRFA）、半導(dǎo)體放大器（SOA）和光時(shí)分復(fù)用（OTDM）技術(shù)的發(fā)展和廣泛應(yīng)用，光纖通信技術(shù)不斷向著更高速率、更大容量的通信系統(tǒng)發(fā)展，而先進(jìn)的光纖制造技術(shù)既能保持穩(wěn)定、可靠的傳輸以及足夠的富余度，又能滿足光通信對(duì)大寬帶的需求，并減少非線性損傷。

光纖放大器應(yīng)用市場(chǎng)

近年來，隨著信息和通信技術(shù)的飛速發(fā)展，光纖放大器的研究和發(fā)展又進(jìn)一步擴(kuò)大了增益帶寬，將光纖通信系統(tǒng)推向了高速率、大容量、長距離方向發(fā)展。由于光纖放大器的獨(dú)特性能，在DWDM傳輸系統(tǒng)、光纖CATV和光纖接入網(wǎng)中有著廣泛的應(yīng)用。密集波分復(fù)用系統(tǒng)在光纖傳輸系統(tǒng)中已成為技術(shù)主流，作為DWDM系統(tǒng)核心器件之一的光纖放大器在其應(yīng)用中將得到迅速發(fā)展，這主要是由于光纖放大器有足夠的增益帶寬，它和WDM技術(shù)相結(jié)合可迅速簡便地?cái)U(kuò)大現(xiàn)有光纜系統(tǒng)的通信容量，延長中繼距離。在光纖接入網(wǎng)中，盡管用戶系統(tǒng)的距離較短，但用戶網(wǎng)的分支太多，需要用光纖放大器來提高光信號(hào)的功率以補(bǔ)償光分配器造成的光損耗和提高用戶的數(shù)量，降低用戶網(wǎng)的建設(shè)成本。在光纖CATV系統(tǒng)中，隨著其規(guī)模的不斷擴(kuò)大，其鏈路的傳輸距離不斷增長，光路的傳輸損耗也不斷增加，將光纖放大器應(yīng)用在光纖CATV系統(tǒng)中不但可提高光功率，補(bǔ)償鏈路的損耗，增加光用戶終端，而且簡化了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，降低了系統(tǒng)成本，加快了光纖CATV的發(fā)展。最近，美國CIBC World Market 公司的相關(guān)人士對(duì)摻鉺光纖放大器（EDFA）、光纖拉曼放大器（FRA）、半導(dǎo)體光放大器（SOA）這三類光放大器的市場(chǎng)狀況分別進(jìn)行了分析：EDFA從1994年開始商用，現(xiàn)已成為DWDM系統(tǒng)的關(guān)鍵器件，且市場(chǎng)正在快速增長，其中Corning、Lucent和JDS Uniphase等許多公司都參和了這一市場(chǎng)的競(jìng)爭，預(yù)計(jì)全球EDFA市場(chǎng)將從1999年的13億美元增長到2004年的96億美元，銷售量將以年均43[%]的速度遞增；光纖拉曼放大器近年來備受人們關(guān)注，已成為開發(fā)的熱點(diǎn)，盡管預(yù)計(jì)最近一兩年內(nèi)光纖拉曼放大器還不會(huì)在陸地光纜系統(tǒng)中廣泛應(yīng)用，但其市場(chǎng)規(guī)模仍將從1999年的約330萬美元猛增到2004年的7.5億美元；而半導(dǎo)體光放大器（SOA）自應(yīng)變量子阱材料的SOA研制成功以來，其研制速度和應(yīng)用開發(fā)明顯加快，且SOA市場(chǎng)可望于2001年開始起動(dòng)，此后會(huì)迅速擴(kuò)大，2004年將達(dá)到2億美元的規(guī)模。

光纖放大器發(fā)展方向

由于超高速率、大容量、長距離光纖通信系統(tǒng)的發(fā)展，對(duì)作為光纖通信領(lǐng)域的關(guān)鍵器件――光纖放大器在功率、帶寬和增益平坦方面提出了新的要求，因此，在未來的光纖通信網(wǎng)絡(luò)中，光纖放大器的發(fā)展方向主要有以下幾個(gè)方面：

(1)EDFA從C-Band向L-Band發(fā)展；

(2)寬頻譜、大功率的光纖拉曼放大器；

(3)將局部平坦的EDFA和光纖拉曼放大器進(jìn)行串聯(lián)使用，獲得超寬帶的平坦增益放大器；

(4)發(fā)展應(yīng)變補(bǔ)償?shù)臒o偏振、單片集成、光橫向連接的半導(dǎo)體光放大器光開關(guān)；

(5)研發(fā)具有動(dòng)態(tài)增益平坦技術(shù)的光纖放大器；

光纖放大器故障解決

光纖放大器，面板顯示和實(shí)際輸出是同步的，如果面板顯示正常，則說明光放大器輸出正常，如果這種情況下測(cè)試光放大器時(shí)光功率下降或不夠，最大的可能性有以下幾種：

1.光功率計(jì)不準(zhǔn)，國產(chǎn)的光功率計(jì)只能測(cè)試光功率輸出較小的設(shè)備，不能測(cè)試大功率輸出的EDFA，測(cè)試光放大器的光功率計(jì)必須原裝進(jìn)口，不能把不準(zhǔn)確的儀器當(dāng)作標(biāo)準(zhǔn)來使用。

2.輸出口的法蘭損壞，這個(gè)可能性較小。

3.用戶使用不當(dāng)，在機(jī)器工作時(shí)插拔，燒傷光放大器輸出的尾纖頭，造成光放大器輸出功率下降，如發(fā)生這種情況，只要重新熔接光放大器的輸出接頭即可。

4.用戶使用的尾纖質(zhì)量太差，纖芯過長，在插入尾纖后擦傷光放大器的輸出接頭，這個(gè)現(xiàn)象是第一次測(cè)試是好的，第二次插入再次測(cè)試時(shí)就光功率下降了，解決這個(gè)問題也只要重新熔接光放大器的輸出接頭就可，

5.光源的波長不對(duì)，如果1550nm光發(fā)射機(jī)的波長有偏差，會(huì)造成光放大器的輸 出光功率不夠，也會(huì)造成面板顯示偏小。

6.輸入光放大器的光功率較小，如果低于標(biāo)準(zhǔn)值時(shí)可能會(huì)造成光功率變小，同時(shí)面板顯示也會(huì)變小。

注意事項(xiàng)

1.切勿將光纖輸出口指向人體，尤其是眼睛，以免造成損傷。

2.切勿在通電狀態(tài)下進(jìn)行路由的連接，以免因操作不當(dāng)造成輸出尾纖端面燒傷。

3.由于產(chǎn)品的輸出功率較大，使用時(shí)請(qǐng)關(guān)注本機(jī)的工作室溫，保持通風(fēng)良好。

光纖放大器專利技術(shù)

1、CN00101089.1 增益平化的光纖放大器

2、CN00102134.6 含有增益控制電路的摻鉺光纖放大器

3、CN00118698.1 根據(jù)信道數(shù)穩(wěn)定光纖放大器輸出功率的設(shè)備和方法

4、CN00118701.5 使用種子光束的長帶光纖放大器

5、CN00125366.2 用于包層泵浦光纖放大器和激光器的多光束合波分波器

6、CN00803494.X 光纖放大器增益的平坦化

7、CN01101299.4 光纖放大器

8、CN01102975.7 波分復(fù)用系統(tǒng)中用于抑制光纖放大器暫態(tài)效應(yīng)的裝置

9、CN01110050.8 增益固定型光纖放大器

10、CN01111399.5 用于光放大器的光纖,光纖放大器和光纖激光器

11、CN01116610.X 長波段光纖放大器

12、CN01121851.7 光纖放大器、激勵(lì)光源模塊和光學(xué)系統(tǒng)

13、CN01126962.6 自適應(yīng)智能化光纖放大器

14、CN01141272.0 改進(jìn)的寬帶攙鉺光纖放大器

15、CN01143920.3 放大用光纖和包含它的光纖放大器

16、CN01145384.2 一種摻鉺光纖放大器增益控制裝置

17、CN01218161.7 光纖放大器

18、CN01244678.5 多模摻餌光纖放大器

19、CN01800418.0 利用雙端口波長選擇耦合器的光纖放大器

20、CN01810531.9 含有分布和分立式拉曼光纖放大器的放大器系統(tǒng)

21、CN02100850.7 光纖放大器和使用該光纖放大器的光通信系統(tǒng)

22、CN02103451.6 半導(dǎo)體激光組件、采用它的光纖放大器與光通信系統(tǒng)

23、CN02104782.0 利用泵浦光提高S－帶寬的轉(zhuǎn)換效率的摻雜銩的光纖放大器

24、CN02112491.4 一種用于摻鉺光纖放大器的模擬增益控制裝置及其方法

25、CN02124992.X 支持單纖雙向光傳輸?shù)墓饫w放大器連接方法及其裝置

26、CN02130396.7 偏振波保持型光纖放大器和光放大器

27、CN02131442.X 喇曼摻鉺光纖放大器的增益譜均衡的方法

28、CN02131443.8 增益譜可控的喇曼光纖放大器及其控制方法

29、CN02131553.1 色散減小的喇曼光纖放大器

30、CN02134904.5 智能化摻鉺光纖放大器

31、CN02136511.3 全波段拉曼光纖放大器

32、CN02136512.1 多波段稀土摻雜光纖放大器

33、CN02136672.1 多稀土摻雜超寬帶光纖放大器

34、CN02145135.4 低噪聲、高增益、高平坦的長波段摻鉺光纖放大器

35、CN02147092.8 與拉曼光纖放大器和半導(dǎo)體光放大器耦合的混合光放大器

36、CN02147746.9 喇曼增益實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)控制與補(bǔ)償?shù)姆椒捌淅饫w放大器

37、CN02152708.3 寬帶摻餌光纖放大器和波分復(fù)用光傳輸系統(tǒng)

38、CN02157822.2 增益平整光纖放大器

39、CN02237118.4 一種摻鉺光纖放大器

40、CN02261388.9 低噪聲、高增益、高平坦的長波段摻鉺光纖放大器

41、CN02279587.1 一種增益平坦的喇曼光纖放大器

42、CN02284355.8 喇曼增益實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)控制與補(bǔ)償?shù)睦饫w放大器

43、CN03111442.3 應(yīng)用量子相干實(shí)現(xiàn)摻鉺光纖放大器增益平坦化的方法

44、CN03114820.4 圓柱形排布的脈沖雙包層光纖放大器

45、CN03116604.0 低噪聲指數(shù)增益鉗制摻鉺光纖放大器

46、CN03118554.1 具有對(duì)稱曲面反射鏡的包層泵浦光纖激光器和光纖放大器

47、CN03120173.3 寬帶光纖放大器

48、CN03122222.6 用于光纖放大器的集成雙泵浦組合器

49、CN03128223.7 適合于城域網(wǎng)智能型雙通道光纖放大器

50、CN03129580.0 具有動(dòng)態(tài)增益波動(dòng)控制的拉曼光纖放大器

51、CN03140894.X L波段摻鉺光纖放大器溫度相關(guān)增益譜特性的補(bǔ)償方法

52、CN03141899.6 帶狀微片自調(diào)Q雙包層光纖放大器

53、CN03142111.3 多波長刺猬量子點(diǎn)雙包層光纖放大器件

54、CN03145078.4 長波長光纖放大器

55、CN03145128.4 光纖放大器

56、CN03147376.8 一種摻餌光纖放大器EDFA增益控制方法

57、CN03153086.9 具有自動(dòng)功率控制功能的光纖放大器及自動(dòng)功率控制方法

58、CN03156729.0 寬帶光纖放大器

59、CN03159572.3 用遺傳算法設(shè)計(jì)摻鉺光纖及摻鉺光纖放大器

60、CN03228090.4 圓柱形排布的脈沖雙包層光纖放大器

61、CN03255275.0 一種混合型寬帶光纖放大器

62、CN03256077.X 帶狀微片自調(diào)Q雙包層光纖放大器

63、CN03277433.8 基于雙程雙向結(jié)構(gòu)的分立式拉曼光纖放大器

64、CN03805598.8 使用壓低型光纖放大器的通信系統(tǒng)和分波段放大裝置

65、CN03810246.3 抽運(yùn)光纖放大器中的方法和裝置

66、CN03815009.3 半導(dǎo)體激光器裝置、半導(dǎo)體激光器模塊及光纖放大器

67、CN03815394.7 光纖及采用了光纖的光纖耦合器、摻鉺光纖放大器、光導(dǎo)波路

68、CN89104084.6 光纖放大器

69、CN90106952.3 具有寬帶信號(hào)波長的雙芯有源光纖放大器

70、CN90109044.1 一種具有寬激勵(lì)頻帶的有源光纖放大器及相關(guān)的有源光纖

71、CN90108705.X 具有寬帶信號(hào)波長的有源光纖放大器

72、CN91100697.4 具有雙芯部分的寬信號(hào)波長帶有源光纖放大器

73、CN93114035.8 帶有雙光柵的光纖放大器

74、CN94116614.7 有效利用泵功率的光纖放大器

75、CN94191377.5 用于波長范圍約1300nm左右的光纖放大器的光波導(dǎo)

76、CN95108476.3 混合光纖放大器

77、CN95191692.0 增益控制光纖放大器

78、CN95214226.0 帶有前置耦合－隔離放大環(huán)的級(jí)聯(lián)光纖放大器

79、CN96191114.X 雙芯光導(dǎo)纖維及制造這種光導(dǎo)纖維、雙芯光纖激光器和雙芯光纖放大器的工藝方法

80、CN96197531.8 從光纖放大器發(fā)送監(jiān)測(cè)消息

81、CN96203208.5 分配泵浦級(jí)聯(lián)光纖放大器

82、CN97101816.2 光纖放大器

83、CN97115418.X 用雙向分劃和激發(fā)泵激功率放大傳輸光的摻鉺光纖放大器

84、CN97116141.0 自動(dòng)跟蹤和濾波發(fā)射光波長的鉺攙雜光纖放大器及其方法

85、CN97126130.X 增益平衡光纖放大器

86、CN97126135.0 采用混合抽運(yùn)光束的反饋型光纖放大器

87、CN97126139.3 光纖放大器

88、CN97180844.9 用于孤立子的分布式光纖放大器

89、CN97193928.4 用于波長復(fù)用的光纖放大器

90、CN98102559.5 低噪聲光纖放大器

91、CN98102664.8 帶吸收器的光纖放大器

92、CN98102749.0 實(shí)現(xiàn)小信號(hào)高增益的光纖放大器

93、CN98103086.6 光纖放大器的封裝裝置

94、CN98117158.3 多信道光纖放大器的增益測(cè)量裝置

95、CN98117378.0 多信道三級(jí)光纖放大器

96、CN98119908.9 光纖放大器中的雙模擬 數(shù)字式自動(dòng)功率控制裝置

97、CN98124939.6 光纖放大器

98、CN98126022.5 使用同步基準(zhǔn)濾光器的光纖放大器

99、CN98802107.2 具有平坦增益曲線的多級(jí)光纖放大器

100、CN98802424.1 具有減小的溫度相關(guān)增益平滑度失真的光纖放大器

101、CN98802520.5 增益可變的光纖放大器

102、CN99100673.9 高效帶寬加倍及增益整平石英光纖放大器

103、CN99109442.5 適合于長波光信號(hào)的鉺攙雜光纖放大器

104、CN99109617.7 使用殘余抽運(yùn)光的兩級(jí)摻鉺光纖放大器

105、CN99111242.3 長波長光纖放大器

106、CN99118405.X 提高功率轉(zhuǎn)換效率的長頻帶光纖放大器

107、CN99120853.6 具有高功率轉(zhuǎn)換效率的并行光纖放大器

108、CN99121614.8 每信道輸出定值功率的波分復(fù)用摻鉺光纖放大器及放大法

109、CN99125043.5 對(duì)于每條信道具有恒定輸出功率的光纖放大器及放大方法

110、CN99126104.6 光纖放大器及帶光纖放大器的傳輸系統(tǒng)

111、CN99800964.4 摻鉺光纖放大器中有中間級(jí)衰減器的增益傾斜控制

112、CN99804148.3 光放大用光纖和光纖放大器

113、CN99804388.5 性能改進(jìn)的增益平坦的摻鉺光纖放大器

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光纖放大器在無線光通信的應(yīng)用

無線光通信是以激光作為信息載體，是一種不需要任何有線信道作為傳輸媒介的通信方式。與微波通信相比，無線光通信所使用的激光頻率高，方向性強(qiáng)(保密性好)，可用的頻譜寬，無需申請(qǐng)頻率使用許可；與光纖通信相比，無線光通信造價(jià)低，施工簡便、迅速。它結(jié)合了光纖通信和微波通信的優(yōu)勢(shì)，已成為一種新興的寬帶無線接人方式，受到了人們的廣泛關(guān)注。但是，惡劣的天氣情況，會(huì)對(duì)無線光通信系統(tǒng)的傳播信號(hào)產(chǎn)生衰耗作用?？諝庵械纳⑸淞Ｗ樱瑫?huì)使光線在空問、時(shí)間和角度上產(chǎn)生不同程度的偏差。大氣中的粒子還可能吸收激光的能量，使信號(hào)的功率衰減，在無線光通信系統(tǒng)中光纖通信系統(tǒng)低損耗的傳播路徑已不復(fù)存在。大氣環(huán)境多變的客觀性無法改變，要獲得更好更快的傳輸效果，對(duì)在大氣信道傳輸?shù)墓庑盘?hào)就提出了更高的要求，一般地，采用大功率的光信號(hào)可以得到更好的傳輸效果。隨著光纖放大器(EDFA)的迅速發(fā)展，穩(wěn)定可靠的大功率光源將在各種應(yīng)用中滿足無線光通信的要求。

1 EDFA的原理及結(jié)構(gòu)

摻鉺光纖放大器(EDFA)具有增益高、噪聲低、頻帶寬、輸出功率高、連接損耗低和偏振不敏感等優(yōu)點(diǎn)，直接對(duì)光信號(hào)進(jìn)行放大，無需轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，能夠保證光信號(hào)在最小失真情況下得到穩(wěn)定的功率放大。

1．1 EDFA的原理

EDFA的泵浦過程需要使用三能級(jí)系統(tǒng)，如圖1所示。

在摻鉺光纖中注入足夠強(qiáng)的泵浦光，就可以將大部分處于基態(tài)的Er3+離子抽運(yùn)到激發(fā)態(tài)，處于激發(fā)態(tài)的Er3+離子又迅速無輻射地轉(zhuǎn)移到亞穩(wěn)態(tài)。由于Er3+離子在亞穩(wěn)態(tài)能級(jí)上壽命較長，因此很容易在亞穩(wěn)態(tài)與基態(tài)之間形成粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。當(dāng)信號(hào)光子通過摻鉺光纖時(shí)，與處于亞穩(wěn)態(tài)的Er3+離子相互作用發(fā)生受激輻射效應(yīng)，產(chǎn)生大量與自身完全相同的光子，這時(shí)通過摻鉺光纖傳輸?shù)男盘?hào)光子迅速增多，產(chǎn)生信號(hào)放大作用。Er3+離子處于亞穩(wěn)態(tài)時(shí)，除了發(fā)生受激輻射和受激吸收以外，還要產(chǎn)生自發(fā)輻射(ASE)，它造成EDFA的噪聲。

1．2 EDFA的結(jié)構(gòu)

典型的EDFA結(jié)構(gòu)主要由摻鉺光纖(EDF)、泵浦光源、耦合器、隔離器等組成。

摻鉺光纖是EDFA的核心部件。它以石英光纖作為基質(zhì)，在纖芯中摻人固體激光工作物質(zhì)鉺離子，在幾米至幾十米的摻鉺光纖內(nèi)，光與物質(zhì)相互作用而被放大、增強(qiáng)。光隔離器的作用是抑制光反射，以確保放大器工作穩(wěn)定，它必須是插入損耗低，與偏振無關(guān)，隔離度優(yōu)于40 dB。

圖2為單向泵浦方式結(jié)構(gòu)，此外還有反向泵浦，雙向泵浦方式結(jié)構(gòu)。

1．3 EDFA的特性及性能指標(biāo)

增益特性表示了放大器的放大能力，其定義為輸出功率與輸入功率之比：

式中：Pout,Pin分別表示放大器輸出端與輸入端的連續(xù)信號(hào)功率。增益系數(shù)是指從泵浦光源輸入1 mW泵浦光功率通過光纖放大器所獲得的增益，其單位為dB／mW：

式中：g0是由泵浦強(qiáng)度定的小信號(hào)增益系數(shù)，由于增益飽和現(xiàn)象，隨著信號(hào)功率的增加，增益系數(shù)下降；Is，Ps分別為飽和光強(qiáng)和飽和光功率，是表明增益物質(zhì)特性的量，與摻雜系數(shù)、熒光時(shí)間和躍遷截面有關(guān)。

增益和增益系數(shù)的區(qū)別在于：增益主要是針對(duì)輸入信號(hào)而言的，而增益系數(shù)主要是針對(duì)輸入泵浦光而言的。另外，增益還與泵浦條件(包括泵浦功率和泵浦波長)有關(guān)，目前采用的主要泵浦波長是980 nm和1 480 nm。由于各處的增益系數(shù)是不同的，而增益須在整個(gè)光纖上積分得到，故此特性可用以通過選擇光纖長度得到較為平坦的增益譜。

1．4 EDFA的帶寬

增益頻譜帶寬指信號(hào)光能獲得一定增益放大的波長區(qū)域。實(shí)際上的EDFA的增益頻率變化關(guān)系比理論的復(fù)雜得多，它還與基質(zhì)光纖及其摻雜有關(guān)。在EDFA的增益譜寬已達(dá)到上百納米．而且增益譜較平坦。ED-FA的增益頻譜范圍在1 525～1 565 nm之間。

2 EDFA的級(jí)聯(lián)應(yīng)用

2．1 EDFA的級(jí)聯(lián)結(jié)構(gòu)

EDFA對(duì)光信號(hào)功率的放大，特別在無線光通信大功率(瓦級(jí))應(yīng)用中，常常采用級(jí)聯(lián)的方式，比如兩級(jí)或者三級(jí)放大。之所以采用級(jí)聯(lián)的方式，是因?yàn)樵贓DFA的摻鉺光纖(EDF)中插入一個(gè)光隔離器，構(gòu)成帶光隔離器的兩段級(jí)聯(lián)EDFA，由于光隔離器有效地抑制了第二段：EDF的反向自發(fā)輻射(ASE)，使其不能進(jìn)入第一段EDF，減少了泵浦功率在反向ASE上的消耗，使泵浦光子更有效地轉(zhuǎn)換成信號(hào)光能量，從而可以明顯改善EDFA的增益、噪聲系數(shù)和輸出功率等特性。本文采用麗級(jí)級(jí)聯(lián)放大，將1～2 mW的1 550 nm光信號(hào)，經(jīng)EDFA放大到1 W左右。級(jí)聯(lián)結(jié)構(gòu)如圖3所示。

光信號(hào)由LD激光器產(chǎn)生，是已調(diào)制的信號(hào)，第一級(jí)放大采用單包層摻鉺光纖放大器，980 nm單模半導(dǎo)體激光器作為泵浦源，將光功率放大到50 mW附近。第一級(jí)采用單模半導(dǎo)體激光器泵浦，先將光信號(hào)穩(wěn)定可靠的放大到一定功率，保證了整個(gè)光信號(hào)的完整，又為下一級(jí)光放大提供了較高的光功率基礎(chǔ)。第二級(jí)采用雙包層光纖放大器，多模半導(dǎo)體激光器泵浦源將光功率放大到1 W左右。雙包層光纖放大器纖芯比單包層纖芯大，泵浦功率可以有效地耦臺(tái)到纖芯中，使第二級(jí)光信號(hào)的輸出功率可達(dá)到瓦級(jí)。

2．2 EDFA級(jí)聯(lián)應(yīng)用的增益

2．2．1 增益計(jì)算

對(duì)EDFA級(jí)聯(lián)的整體光功率增益：

其中：Pout表示EDFA兩級(jí)放大后的輸出光功率，Pin表示需要放大的輸入光功率。

在本文中，光放大采用了兩級(jí)級(jí)聯(lián)放大，第一級(jí)增益為G1：

其中第一級(jí)的輸出為第二級(jí)的輸入，P'out=P'in=P，所以：

即，整體增益等于兩級(jí)增益之和，本文的整體光功率增益為：

第一級(jí)增益為17 dB，第二級(jí)增益為13 dB，1 W的光功率經(jīng)過準(zhǔn)直聚焦，再有光學(xué)鏡頭發(fā)射到大氣信道，大大提高了光信號(hào)的有效傳輸距離。

2．2．2 影響增益的因素

EDFA的增益與諸多因素有關(guān)，如摻鉺光纖的長度，隨著摻鉺光纖長度的增加，增益經(jīng)歷了從增加到減少的過程，這是因?yàn)殡S著光纖長度的增加，光纖中的泵浦功率將下降，使得粒子反轉(zhuǎn)數(shù)降低，最終在低能級(jí)上的鉺離子數(shù)多于高能級(jí)上的鉺離子數(shù)，粒子數(shù)恢復(fù)到正常的數(shù)值。

由于摻鉺光纖本身的損耗，造成信號(hào)光中被吸收掉的光子多于受激輻射產(chǎn)生的光子，引起增益下降。由上述討論可知，對(duì)于某個(gè)確定的入射泵浦功率，存在著一個(gè)摻鉺光纖的最佳長度，使得增益最大。增益與摻鉺光纖長度的關(guān)系如圖4所示。

EDFA的增益還跟輸入光的程度、泵浦光功率及光纖中鉺離子Er3+的濃度都有關(guān)系，如小信號(hào)輸入時(shí)的增益系數(shù)大于大信號(hào)輸入時(shí)的增益系數(shù)。當(dāng)輸入光弱時(shí)，高能位電子的消耗減少并可從泵激得到充分的供應(yīng)，因而，受激輻射就能維持達(dá)到相當(dāng)?shù)某潭?。?dāng)輸入光變強(qiáng)時(shí)，由于高能位的電子供應(yīng)不充分，受激輻射光的增加變少，于是就出現(xiàn)飽和。泵浦光功率越大，摻鉺光纖越長，3 dB飽和輸出功率也就越大。其次與當(dāng)Er3+的濃度超過一定值時(shí)，增益反而會(huì)降低，因此要控制好摻鉺光纖的鉺離子濃度。

采用EDFA后，提高了注入光纖的功率，但當(dāng)大到一定數(shù)值時(shí)，將產(chǎn)生光纖非線性效應(yīng)和光泄漏效應(yīng)，這影響了系統(tǒng)的傳輸距離和傳輸質(zhì)量。另外色散問題變成了限制系統(tǒng)的突出問題，可以選用G653光纖(色散位移光纖DSF)或非零色散光纖(NZDF)來解決這一問題。

2．3 EDFA級(jí)聯(lián)的改進(jìn)

之所以采用EDFA級(jí)聯(lián)的方式，一是插入兩級(jí)間的光隔離器有效地抑制了第二段EDF的反向自發(fā)輻射(ASE)，使其不能進(jìn)入第一段EDF，減少了泵浦功率在反向ASE上的消耗，使泵浦光子更有效地轉(zhuǎn)換成信號(hào)光能量；二是分為兩級(jí)后，各自的增益可以任意分配，可以根據(jù)不同的增益要求和應(yīng)用環(huán)境改變相應(yīng)的增益。但是，要在保證信號(hào)無失真的情況下得到最佳的光功率增益，還需要解決一些問題：

(1)由于增益分為兩級(jí)，如何分配兩級(jí)問的增益才能在現(xiàn)有的EDF、泵浦源功率等條件下使得光放大的實(shí)現(xiàn)更容易，這與EDF的放大能力，泵浦遠(yuǎn)功率大小、穩(wěn)定性，泵浦光波長及其模式等均有密切相關(guān)。

(2)在每一級(jí)各自一定的泵浦功率下，找到摻鉺光纖的最佳長度。當(dāng)EDF過短時(shí)，由于對(duì)泵浦吸收的不充分而導(dǎo)致增益降低；而當(dāng)EDF過長時(shí)，由于泵浦光在EDF內(nèi)被鉺離子吸收，泵浦功率逐漸下降，當(dāng)功率降至泵浦閾值以下時(shí)，就不能形成粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，此時(shí)，這部分EDF不僅對(duì)信號(hào)光無放大作用，反而吸收了已放大的部分信號(hào)，造成增益的下降，同時(shí)也會(huì)引起噪聲系數(shù)的增大。

(3)如果需要更高的光功率輸出，幾十瓦甚至上百瓦，可考慮更高級(jí)聯(lián)的方法，因?yàn)殡S著增益的增大，泵浦源由于轉(zhuǎn)換效率的問題，功率需求會(huì)很高，所需的單級(jí)EDF長度也會(huì)大大增長，這樣的工作條件往往不易達(dá)到，且穩(wěn)定性不強(qiáng)，采用更高級(jí)聯(lián)可以將增益劃分到多級(jí)，易于實(shí)現(xiàn)和控制，光模塊的整體增益特性也有較大提高。

3 結(jié)語

本文提出了采用EDFA級(jí)聯(lián)的方法，實(shí)現(xiàn)了光信號(hào)30dB的增益，滿足無線光通信光功率傳播的要求，使得光信號(hào)能在大氣信道進(jìn)行遠(yuǎn)距離，高穩(wěn)定性傳輸。同時(shí)在現(xiàn)有的基礎(chǔ)上，提出了需改進(jìn)的問題，為今后研究的進(jìn)一步開展指出了方向。

光纖放大器主要技術(shù)指標(biāo)