1、全光通信網 第六章光放大器和光中繼器EDFA實物圖 EDFA是英文“Erbium-doped Optical Fiber Amplifier”的縮寫,意即摻鉺光纖放大器,是一種對信號光放大的一種有源光器件。摘自百度圖片EDFA（摻鉺光纖放大器） 由前敘光纖的傳輸特性可知，影響光纖通信距離的兩大因素是光纖的損耗和色散。 光纖的損耗是指：光脈沖信號在光纖中傳輸，隨著距離的增加，脈沖幅度逐漸變小。 光纖的色散是指：光脈沖信號在光纖中傳輸，隨著傳輸距離的增加，脈沖寬度在時間上發生展寬，產生波形的畸變。 為了保證光纖長距離傳輸的性能指標，就需在線路的適當距離設立中繼站，一種是光/電/光轉換形式,另一種是

2、直接對光進行放大的光放大器.光放大器意義 我們知道光纖有一定的衰耗，光信號沿光纖傳播將會衰減，傳輸距離受衰減的制約。因此，為了使信號傳得更遠，我們必須增強光信號。傳統的增強光信號的方法是使用再生器。但是，這種方法存在許多缺點，首先，再生器只能工作在確定的信號比特率和信號格式下，不同的比特率和信號格式需要不同的再生器；其次，每一個信道需要一個再生器，網絡的成本很高。 隨著光通信技術的發展，現在人們已經有了一種不采用再生器也可以增強光信號的方法，即光放大技術。 有了光放大器后就可直接實現光信號放大，而不要像以前一樣進行/轉換。光放大器的開發成功及其產業化是光纖通信技術中的光放大器一個非常重要的成果

3、，它大大地促進了光復用技術、光孤子通信以及全光網絡的發展。光放大器主要有2種：1.半導體放大器（SOA）諧振式行波式2.光纖放大器 摻稀土元素光纖放大器 （如EDFA、PDFA）非線性光學放大器布里淵（SBA）光纖放大器取自 豆丁網6-1光放大器的分類一、半導體光放大器(SOA: Semiconductor Optical Amplifier) 它是由半導體材料制成，可看成是沒有反饋的半導體行波放大器。二、摻鉺光纖放大器1、摻鉺光纖放大器（EDFA: Erbium-Doped Fiber Amplifier），Er（鉺）是一種稀土元素，將它注入到纖芯中，即形成了一種特殊光纖，它在泵浦光的作用下

4、可直接對某一波長的光信號進行放大。因此，稱為摻鉺光纖放大器。2、的優點工作波長與單模光纖的最小衰減窗口一致，工作波長在1.531.56m范圍，與光纖最小損耗窗口一致。 耦合效率高。由于是光纖放大器，易與傳輸光纖耦合連接。 3) 能量轉換效率高。摻鉺光纖EDF的纖芯比傳輸光纖小，信號光和泵浦光同時在摻鉺光纖EDF 中傳播，光能量非常集中。這使得光與增益介質Er離子的作用非常充分，加之適當長度的摻鉺光纖，因而光能量的轉換效率高。激勵的泵浦功率低，僅需幾十mW。4) 增益高、噪聲指數較低、輸出功率大，信道間串擾很低。 它的增益可達40dB。噪聲可低至34 dB，輸出功率可達1420 dBm。5) 增

5、益特性穩定：EDFA對溫度不敏感，增益與偏振相關性小。 6)可實現透明傳輸：所謂透明，是指可同時傳輸模擬和數字信號，高、低比特率信號，系統擴容時，可改動端機面不改動線路。7）連接損耗低，因為是光纖型放大器，所以與光纖連續比較容易，連接損耗可低到0.1dB。3、的缺點增益波長范圍固定：Er離子的能級之間的能級差決定了EDFA的工作波長范圍是固定的，只能在1550nm窗口。這也是摻稀土離子光纖放大器的局限性，又例如，摻鐠光纖放大器只能工作在1310nm窗口。2) 增益帶寬不平坦：EDFA的增益帶寬很寬，但EFDA本身的增益譜不平坦。在WDM系統中應用時必須采取特殊的技術使其增益平坦。 3) 光浪涌

6、問題：采用EDFA可使輸入光功率迅速增大，但由于EDFA的動態增益變化較慢，在輸入信號能量跳變的瞬間，將產生光浪涌，即輸出光功率出現尖峰，尤其是當EDFA級聯時，光浪涌現象更為明顯。峰值光功率可以達到幾瓦，有可能造成O/E變換器和光連接器端面的損壞 6-2 EDFA的結構 一、構成 EDFA主要由摻鉺光纖（EDF），泵浦光源，光耦合器，光隔離器以及光波濾波器組成（如圖6.1）。EDFA結構圖1、摻鉺光纖(EDF)2. 光耦合器(WDM)3. 光隔離器(ISO)4. 光濾波器(Optical Filter)5. 泵浦源(PumPing Supply)摘自百度圖片1480或980 nm 激勵光源摻

7、鉺光纖WDM光纖耦合器光帶通濾波器光隔離器輸入光輸出光二、作用光耦合器：是將輸入光信號和泵浦光源輸出的光波混合起來，它是無源光器件，一般采用波分復用器（WDM）光隔離器：是防止反射光影響光放大器的工作穩定性，保證光信號只能正向傳輸的器件。摻鉺光纖：是一段長度大約為10100m的石英光纖，將稀土元素鉺離子注入到纖芯中，濃度約為25mg/kg。泵浦光源：為半導體激光器，輸出功率約為10100mw（幾十mw），工作波長為0.98m。光濾波器：其作用是濾除光放大器的噪聲，降低噪聲對系統的影響，提高系統的信噪比。 由圖6.1可見，EDFA的主體部件是泵浦光源和摻鉺光纖。摻鉺光纖(EDF)（一） EDF

8、是放大器的主體，纖芯中摻有鉺元素（Er）。摻有Er3+的石英光纖具有激光增益特性，鉺光纖的光譜性質主要由鉺離子和光纖基質決定，鉺離子起主導作用，摻Er3+濃度及在纖芯中的分布等對EDFA 的特性有很大影響。 為了在放大帶寬內的增益平坦，在EDF 中摻入適量的鋁元素，使鉺離子在EDF 中分布更均勻，從而獲得平坦的寬帶增益譜。摻鉺光纖(EDF)（二） 三能級系統：泵浦光 980 nm 躍遷 亞穩態信號光1550 nm受激放大光1550 nm基態基態 激發態光耦合器(WDM) 光耦合器有合波信號光與泵浦光的作用，也稱光合波器和波分復用器。是EDFA必不可少的組成部分，它將絕大多數的信號光與泵浦光合路

9、于EDF 中。主要有兩種形式：980nm/1550nm 或1480nm/1550nm，一般為光纖熔錐型。要求在上述波長附近插入損耗都小，耦合效率高，耦合頻帶具有一定的寬度且耦合效率平坦，對偏振不敏感穩定性好！光隔離器(ISO) 光隔離器是一種單向光傳輸器件，對EDFA 工作穩定性至關重要。通常光反射會干擾器件的正常輸出，產生諸如強度漲落、頻率漂移和噪聲增加等不利影響。提高EDFA 穩定性的最有效的方法是進行光隔離。在輸入端加光隔離器消除因放大的自發輻射反向傳播可能引起的干擾，輸出端保護器件免受來自下段可能的逆向反射。同時輸入和輸出端插入光隔離器也為了防止連接點上反射引起激光振蕩，抑制光路中的反

10、射光返回光源側，從而既保護了光源又使系統工作穩定。要求隔離度在40dB 以上，插入損耗低，與偏振無關。輸出端輸入端圖片 EDFA 原理及特性專題光濾波器(Optical Filter) 光濾波器消除被放大的自發輻射光以降低放大器的噪聲，提高系統的信噪比（SNR）。一般多采用多層介質膜型帶通濾波器，要求通帶窄，在1nm 以下。目前應用的光濾波器的帶寬為13nm。此外，濾波器的中心波長應與信號光波長一致，并且插入損耗要小。圖片 EDFA 原理及特性專題泵浦源(PumPing Supply) 11*泵浦源為信號放大提供能量，即實現粒子數反轉分布。根據摻鉺光纖(EDF)的吸收光譜特性，可以采用不同波長

11、的激光器作為泵源，如：Ar2+激光器（514nm）、倍頻YAG（532 nm）、染料激光（665nm）及半導體激光器（807nm、980nm、1480nm）。但由于在807 nm 及小于807 nm 波長處存在強烈的激發態吸收（ESA），泵浦效率較低。若用665nm、514nm 的染料和Ar+激光器泵浦得到25dB以上的增益，需要的入纖泵浦功率大于100mw，且Ar+激光器體積大難以實用化。目前980 nm 和1480 nm 的LD 已商品化，不存在激發態吸收，泵浦效率較高，所以一般采用980nm 和1480nm 的半導體激光器作泵源。圖片 EDFA 原理及特性專題三、按泵浦光源的泵浦方式不同

12、，EDFA分三種結構1同向泵浦結構輸入光信號與泵浦光源輸出的光波，以同一方向注入摻鉺光纖（如圖6.1）。2反向泵浦結構輸入光信號與泵浦光源輸出的光波，從相反方向注入摻鉺光纖（如圖6.2）。3雙向泵浦結構同時具備1和2的泵浦光源（如圖6.3）。 從輸出功率看：單泵浦的輸出功率可達14 dBm，雙泵浦達17 dBm。6-3 EDFA的工作原理 在3-2節，我們討論了半導體激光器的工作原理，它是在泵浦源（能使工作物質產生粒子數反轉分布的外界激勵源）的作用下，使工作物質的粒子處于反轉分布狀態，具有了光放大作用，對于EDFA，其基本原理相同。 簡言之，在泵浦源的作用下，在摻鉺光纖中出現了粒子數反轉分布，

13、產生了受激輻射，從而使光信號得到放大，由于EDFA具有細長的纖形結構，使得有源區的能量密度很高，光與物質的作用區很長，這樣，可以降低對泵浦源功率的要求。由圖6.4可見，鉺離子有三個工作能級。 E1：最低，稱為基態 E2：亞穩定 E3：最高，稱為激發態 在未受任何光的情況下，處在最低能級E1上，當用泵浦光源的激光不斷地激發摻鉺光纖時，處于基態的離子獲得了能量，就會向高能級躍遷。基態E1E2E3e-非輻射衰減受激輻射激勵光受激吸收激發態能量輸出放大光(1530-1570 nm)980 nm1460 nm(sp1s)亞穩態(sp10ms)1540 nm自發輻射 如果由E1躍遷E3到。由于粒子在E3這

14、個高能級上是不穩定，它將迅速以無輻射過程落到亞穩態上E2，在該能級上，粒子相對來講有較長的存活壽命，由于泵浦光源不斷地激發，則E2能級上的粒子就不斷地增加，而E1上的粒子數就少，這樣，在這段摻鉺光纖中，就實現了離子數反轉分布，就存在了實現光放大的條件。 當輸入光信號的光子能量Ehf，正好等于（E2 E1）能級差時，則亞穩態E2上的粒子將以受激輻射的形式躍遷到基態E1上，并輻射出和輸入光信號中的光子一樣的全同光子。從而大大增加了光子數量，使得輸入信號光在摻鉺光纖（EDF）中變為一個強的輸出光信號，實現了光的直接放大。 在E2上，離子除了發生受激輻射外，還有少數離子要產生自發輻射，即在上短暫停留還

15、沒有機會與光子相互作用，就會自發地從亞穩態躍遷到基態并發射出1550nm波段的光子，這種光子與信號光不同，它是隨機的，它構成了EDFA的噪聲，由于這種自發輻射的光子在摻鉺光纖中傳輸，同樣也會得到放大，因此，在EDFA的輸入光功率較低時，會產生較大的噪聲。 由于E2和E1有一定的寬度，使EDFA的放大效應具有一定的波長范圍，Ehf（h：普朗克常數），其典型值為15301570nm，在這個范圍內，EDFA都能提供有用的增益和相對平坦特性，表明它們能對波分多路（WDM）信號的每一路都提供放大作用，而相對平坦增益帶寬意味著，WDM各路光纖信號需采用特殊手段進行增益譜補償，這樣不會相互產生路標串擾。 E

16、DFA能提供大功率輸出，就可能使WDM信號沿線路傳輸較長距離才需再次放大，從而減少了中間放大級數。 EDFA具有較小的噪聲系數，就容許長距離傳輸時可設置較多的放大器（級數），而整個線路噪聲積累不致太嚴重。 改進的EDFA內部光路結構為一種二級橋式結構，結構圖如圖6-4a所示：圖6-4a雙級橋式結構 圖中輸入即為波長為1550nm的輸入信號光；隔離器1為1550nm光隔離器，用于防止1550nm反射光對信號源造成損害；此EDFA使用的是980nm單模泵浦光源，一般將泵浦功率調至幾十毫瓦。如圖中所示增益介質EDF分成前后兩段摻鉺光纖1和摻鉺光纖2，1550nm輸入信號光通過隔離器與980nm泵浦光

17、經過波分復用器1合并后進入摻鉺光纖EDF1，從而實現信號光的第一級放大。 波分復用器2將經過摻鉺光纖1放大的1550nm信號光與剩余的980nm泵浦光分離開來，1550nm信號光經過隔離器2到達波分復用3，與經過第一級摻鉺光纖后剩余的980nm泵浦光合并后進入摻鉺光纖2，在該段摻鉺光纖中，980nm泵浦光會對信號光實現第二級放大。放大后的信號經隔離器隔離器3輸出，隔離器3的作用是隔離掉可能來自輸出端接點的光反射。不難看出，通過這種結構，既保證了增益在光纖中的均勻分布，又充分提高了泵浦效率。6-4 EDFA的特性指標一、功率增益G G10lg Pi / P0 （dB） P0：輸出光功率Pi：輸入

18、光功率 由圖6.5可見，在給定的摻鉺光纖情況下，應選擇合適的泵浦功率和光纖長度，才能達到最大功率增益。通常光纖長度是實驗數據，圖6.6給出了光纖長度與功率增益的關系曲線。目前采用的主要泵浦波長：0.98m和1.48m。 據報導：當波長為1.48m，泵浦功率為5mw時，EDF長30m時，可35dB獲得的增益。二、輸出飽和功率表征輸入信號功率與輸出信號功率之間關系的參數（如圖6.7）。飽和增益下降3dB所對應的輸出功率，稱3dB飽和輸出功率。三、噪聲系數EDFA噪聲來源：信號光的散彈噪聲信號光波與放大器自發輻射光波間的差拍噪聲被放大的自發輻射和散彈噪聲光放大器自發輻射的不同頻率光波間差拍噪聲用F表

19、示： 6-5 EDFA的應用一、作前置放大器使用（如圖6.8） 前置放大器（PA）：放在光接收機之前，放大微弱的光信號，以改善光接收靈敏度，對噪聲要求苛刻。 用于前置，要求噪聲低，而EDFA的低噪聲特性，正好可大大提高光接收機的靈敏度。二、作發射機功率放大器使用（如圖6.9）。后置放大器（BA）：放在光發射機后，以提高發射光功率，對其噪聲要求不高，飽和輸出功率是主要參數。用于提高輸出光功率，增加入纖功率，延長傳輸距離。 三、作光中繼器使用（如圖6.10） 中繼放大器（LA）：在光纖線路中每隔一段距離設置一個光纖放大器，以延長干線網的傳輸距離。 這是重要應用，可替代光/電/光中繼器，對光直接放大，使全光通信得以實現。（EDFA雖補充了損耗,但來解決色散問題，解決辦法：用色散頻移光纖，使