掺铒光纤放大器的原理及在密集波分复用系统中的应用

无锡市中兴光电子技术有限公司

前言 　　

在掺铒光纤放大器(Erbium-Doped Fiber Amplifier，EDFA)实用化以前，为了克服光纤传输中的损耗，每传输一段距离，都要进行“再生”，即把传输后的弱光信号转换成电信号，经过放大、整形后，再去调制激光器，生成一定强度的光信号。随着传输码率的提高，“再生”的难度也随之提高，成了信号传输容量扩大的“瓶颈”。

　  掺铒光纤放大器实用化，实现了直接光放大，节省了大量的再生中继器，使得传输中的光纤损耗不再成为主要问题，同时使传输链路“透明化”，简化了系统，成几倍或几十倍地扩大了传输容量，促进了真正意义上的密集波分复用技术的飞速发展，是光纤通讯领域上的一次革命。　　

 掺铒光纤放大器的优点 　　

1.掺铒光纤的放大区域恰好与单模光纤的最低损耗区域相重合。那么，被掺铒光纤放大器放大的光在光纤中的传输损耗小，能传输比较远的距离。　
2.对数字信号的格式及数据率“透明”。 　　
3.放大频带宽，能在同一根光纤中传输几十甚至上百个信道。 　　
4.噪声指数低，接近量子极限，意味着可级联多个放大器。 　　
5.增益饱和的恢复时间长，各个信道间的串扰极小。 　　

掺铒光纤放大器的基本工作原理 　　

掺铒光纤放大器是利用掺铒光纤中掺杂离子在泵浦光的作用下，形成粒子数反转，从而对入射光信号提供光增益，对于波长为980nm的泵浦源，掺铒光纤相当于一个三能级的系统。铒离子通过受激吸收入射波长为980nm的光子的能量，从N1能级跃迁到N3能级，由于N3能到N2能级的驰豫时间很短，N3能级上的粒子很快跃迁到N2能级，N3能级上的粒子数基本上可认为是零。 　　
N2能级到N1能级的驰豫时间比较长，为毫秒量级，是一个亚稳态。当有波长1550nm左右的信号光子输入时，N2能级的粒子受激辐射向N1能级跃迁，产生和入射光子同频、同相、同方向的光子，于是，入射光就得到放大。 N2能级没有受激辐射的粒子会以自发辐射的方式向N1能级跃迁，产生波长1550nm左右的光子，其频率、相位、方向时随机的。自发辐射产生的光子大部分在传输中逃逸出光纤，但有一小部分由于传输方向正好在光纤的轴线上而被光纤捕获，这一部分的光子在掺铒光纤中传输（正反两个方向）时同样也被放大，形成放大了的自发辐射(Amplified Spontaneous Emission，ASE)，这对于有用的信号来讲是噪声，是有害的，影响了放大器的性能。 　　 　
　图1 掺饵光纤放大器的基本物理结构
掺铒光纤放大器的基本物理结构 　　
掺铒光纤放大器基本结构如图1。在输入端和输出端各有一个隔离器，目的是使光信号单向传输。泵浦激器波长为980nm或1480nm，用于提供能量。耦合器的作用是把输入光信号和泵浦光耦合进掺铒光纤中，通过掺铒光纤作用把泵浦光的能量转移到输入光信号中，实现输入光信号的能量放大。

实际使用的掺铒光纤放大器为了获得较大的输出光功率，同时又具有较低的噪声指数等其他参数，采用两个或多个泵浦源的结构，中间加上隔离器进行相互隔离。为了获得较宽较平坦的增益曲线，还加入了增益平坦滤波器。 　　

掺铒光纤放大器在密集波分复用系统中的应用 　　

掺铒光纤放大器在密集波分复用系统中的应用主要是补偿传输中的光纤损耗，根据放大器在系统中的位置及作用，可以分成以下三种类型： 　　
1.功率放大器（booster-Amplifier），处于合波器之后，用于对合波以后的多个波长信号进行功率提升，然后再进行传输，由于合波后的信号功率一般都比较大，所以，对一功率放大器的噪声指数、增益要求并不是很高，但要求放大后，有比较大的输出功率。　　
2.线路放大器（Line-Amplifier），处于功率放大器之后，用于周期性地补偿线路传输损耗，一般要求比较小的噪声指数，较大的输出光功率。 　　
3.前置放大器（Pre-Amplifier），处于分波器之前，线路放大器之后，用于信号放大，提高接收机的灵敏度（在光信噪比(OSNR)满足要求情况下，较大的输入功率可以压制接收机本身的噪声，提高接收灵敏度），要求噪声指数很小，对输出功率没有太大的要求。 　　

为了满足在密集波分复用系统中应用的要求，掺铒光纤放大器的性能和功能上有其特殊的要求，光信号传输后最重要的一个指标是光信噪比（OSNR）。　

掺铒光纤放大器除了放大输入的光信号之外，还产生ASE噪声，可以等效成一个理想的增益为G的放大器，和一个功率为Pase的噪声源相叠加。对于一个N个放大器的级联系统，每一级放大器将前一级的ASE噪声放大G倍，同时叠加上本身产生的ASE噪声，噪声逐级积累，于是，光信噪比（OSNR）将逐级劣化。 光信噪比定义：OSNR = Psig / Pase可以看出，可以通过提高每个信道的光功率即提高掺铒光纤放大器的总输出功率来提高光信噪比，也可以通过降低放大了大自发辐射噪声（ASE噪声）来提高光信噪比　　对于一个N段光纤的系统，有N+1个光放大器级联，假设每一级放大器都一样，每一段光纤损耗都等于放大器的增益，那么，终端的放大了的自发辐射噪声 　　Pase = F（G-1）hvB0（N+1）可以看出Pase随放大器的级数线性增长，而光纤的损耗是随着光纤长度增长呈指数增长，根据假设，放大器的增益正好补偿光纤损耗，可以得出以下结论：Pase不变时，降低中继长度（即降低掺铒光纤放大器增益），增加中继个数（即增加掺铒光纤放大器级联个数），要比增加中继长度，减少中继个数传输更远的距离。换一个角度说，传输距离相同的情况下，降低中继长度，增加中继个数，要比增加中继长度，减少中继个数时有较小的Pase，即提高了接收端光信噪比（OSNR）。另外，在系统设计中，除了选择中继距离外，选用噪声指数小的掺铒光纤放大器也是提高光信噪比的一种有效的方法。在密集波分复用系统中为了容纳更多的信道，提高系统容量，有两种方法：一种是降低信道的间隔；另一种是拓展掺铒光纤放大器的工作波长范围。在拓展工作波长范围的同时，还必须保证在工作波长范围增益平坦，因为掺铒光纤放大器是级联使用的，每一级小的不平坦，在多级级联后，就会变得很不平坦，造成在线路终端的各个信道功率差别太大。 　　

掺铒光纤放大器的增益特性是小输入光信号增益大，大输入光信号时增益小，在密集波分复用系统中，如果不对线路光纤放大器的增益进行控制的话，那么，在输入信道少时（小输入光信号）的增益要比输入信道多时（大输入光信号）增益大，这会造成输入信道少时，每个信道输出功率大，在极端情况下，只有一个输入信道，那么，就有可能造成输出光信号足够大，在光纤传输中产生非线性失真。因此，线路放大器必须具有增益锁定功能，保证在输入是大信号和小信号时，增益都是一样的，即每个信道的输出光功率在输入信道增减时都保持恒定。　　

结束语 　　
随着密集波分复用技术的发展，掺铒光纤放大器也不停的向前发展,同时,各种类型的光放大器发展和实用,将进一步推动密集波分复用技术的发展,以满足不断增长的数据业务的需要。