掺铒光纤放大器

1.掺铒光纤放大器的基本原理与组成

掺铒光纤放大器（EDFA）的基本工作原理与一般光放大器相同，其原理如图9.12.5所示，工作物质粒子经泵浦源作用，由低能级跃迁到高能级（一般通过另一辅助能级），在一定的泵浦强度下，得到粒子数反转分布而具有光放大作用，当工作频带范围内的信号光输入时便得到放大。EDFA细长的纤形结构使得有源区能量密度很高，光与物质的作用区很长，有利于降低对泵浦源功率的要求。图9.12.6是正向泵浦的EDFA基本组成示意图，其主体是泵浦源与掺铒光纤。WDM为波分复用器，它的作用是将不同波长的泵浦光和信号光混合送入掺铒光纤。对它的要求是能将两信号有效地混合而损耗最小。光隔离器的作用是防止反射光对光放大器的影响，保证系统稳定工作。滤波器的作用是滤除放大器的噪声提高系统的信噪比。在泵浦源作用下的掺铒光纤中，通过光与工作物质的相互作用，泵浦光将能量转移给信号光而将其放大。

图9.12.5　EDFA的基本原理示意图

图9.12.6　EDFA的基本组成

EDFA的作用就是放大信号光，如图9.12.7所示。

2.EDFA的分类

图9.12.7　光放大器放大信号光功率的示意图

图9.12.8　EDFA的三种泵浦方式

EDFA根据其组成结构可分类为前向泵浦方式、后向泵浦方式和双向泵浦方式，如图9.12.8所示。从性能上来讲，后向泵浦方式和双向泵浦方式的EDFA输出信号光功率要大于前向泵浦方式；从噪声特性来说，前向泵浦方式和双向泵浦方式的EDFA性能要优于后向泵浦方式。从总体上来讲，双向泵浦方式的EDFA性能最佳，因为采用1 480nm和980nm双泵浦源运用，1 480nm的泵浦源工作在EDFA的后端以优化噪声系数性能，980nm泵浦源工作在EDFA的前端，以便获得最大的功率转换效率，这样既获得高的输出功率，又能得到较好的噪声系数。如果要进一步提高EDFA的性能，如增大增益、提高输出功率、减小噪声系数，则须进一步优化EDFA的结构设计，例如，采用与拉曼放大器级联方式的EDFA结构。

EDFA根据其在WDM系统中的应用可分类为功率放大器（BA）、预放大器（PA）和线路放大器（LA）三种形式。在发送端，EDFA可用在光发送机的后面作为系统的功率放大器，用于提高系统的发送光功率。在接收端，EDFA可用在光接收机之前作为系统的预放大器，用于提高信号的接收灵敏度。EDFA作为线路放大器时可用在无源光纤段之间补偿光纤损耗，延长中继长度，称为线路放大器。

3.EDFA的主要参数

（1）增益

EDFA的增益定义为输出信号光功率与输入信号光功率的比值，即

G＝Psout／Psin

（2）噪声

EDFA的噪声主要来自放大的自发辐射噪声（ASE），它能引起EDFA的信噪比降低。放大器ASE带来的对信噪比的影响常用噪声系数NF来表示：

NF＝（Sin／Nin）／（Sout／Nout）

其中，Sin是输入信号光功率，Nin是输入光噪声功率，Sout是输出信号光功率，Nout是输出光噪声功率。

（3）饱和输出功率

一般就用大信号输入时的总输出功率来表示。

（4）增益平坦性

用增益差别不超过某一规定值的波长范围来表示，通常采用±1dB增益带宽来表征，如图9.12.9所示。

图9.12.9　EDFA的增益平坦性的示意图

4.EDFA的关键技术

EDFA的关键技术主要有增益钳制技术和增益均衡技术。

（1）增益钳制技术

EDFA的增益钳制技术可保证系统在增减波长时均无误码和保证系统在非满配置的情况下仍然具有优良的增益平坦特性。

①电增益钳制技术（如图9.12.10所示）

其方法是比较EDFA输入、输出光功率大小，根据其比值去控制泵电流大小，从而保证EDFA增益恒定。

②闲频光增益钳制技术（如图9.12.11所示）

其方法是在EDFA中引入选频激射机制，实现增益钳制。当输入通道数减少时，由于光纤光栅或光反馈存在的原因，会在内部产生一个新波长激光，它吸收部分光功率，从而保持剩余通道光功率基本恒定。

图9.12.10　EDFA的电增益钳制技术

图9.12.11　闲频光的EDFA增益钳制技术

（2）增益均衡技术

EDFA的增益均衡技术具有提高光放大器增益谱平坦性，减小系统输出端各波长功率差的特点。

方式如下。

①本征型：采用高铝掺杂光纤或氟化物光纤等宽增益谱光纤。

②滤波型：在EDFA中内插无源滤波器将1 530nm的增益峰降低，或专门设计其透射谱与掺铒光纤增益谱相反的光滤波器将增益谱削平。

图9.12.12是一个采用增益均衡滤波器而将±1dB增益带宽扩展至1 531～1 561nm的一个滤波型增益均衡的例子。

由于网络可重构需求的发展，EDFA增益钳制技术与增益均衡技术仍在不断发展推进。随着技术的进步，特别是以光纤光栅及滤波器为基础的新型光纤元器件的陆续面市，将为EDFA的增益钳制和动态平坦提供新的思路和对策，打开新的局面。增益钳制和增益平坦技术是新一代改善EDFA性能指标的重要技术，在光纤系统向多通道、长距离、智能化、高比特率发展的进程中占重要地位，如何做到有效结合及优化仍是值得探索的重要课题之一。

图9.12.12　EDFA中采用Etalon滤波器做均衡器的滤波型增益均衡的例子