光放大器和光中继器

第 6章
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在E2上，离子除了发生受激辐射外，还有少数
离子要产生自发辐射，即在上短暂停留还没有机
会与光子相互作用，就会自发地从亚稳态跃迁到
基态并发射出1550nm波段的光子，这种光子与信
号光不同，它是随机的，它构成了EDFA的噪声，
由于这种自发辐射的光子在掺铒光纤中传输，同
样也会得到放大，因此，在EDFA的输入光功率 较低时，会产生较大的噪声。
3°双向泵浦结构 同时具备1°和2°的泵浦光源（如图6.3）。
从输出功率看：单泵浦的输出功率可达14 dBm，
双泵浦达17 dBm。
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§6-3 EDFA的工作原理 在§3-2节，我们讨论了半导体激光器的工作原理，
它是在泵浦源（能使工作物质产生粒子数反转分布的
外界激励源）的作用下，使工作物质的粒子处于反转 分布状态，具有了光放大作用，对于EDFA，其基本原
5. 泵浦源(P中继器
WDM 光纖耦合器 輸入光
摻鉺光纖
輸出光
1480或980 nm 激勵光源
光隔離器 光帶通 濾波器
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二、作用 光耦合器：是将输入光信号和泵浦光源输出的光波混合起来， 它是无源光器件，一般采用波分复用器（WDM） 光隔离器：是防止反射光影响光放大器的工作稳定性，保证 光信号只能正向传输的器件。 掺铒光纤：是一段长度大约为10～100m的石英光纤，将稀土 元素铒离子注入到纤芯中，浓度约为25mg/kg。 泵浦光源：为半导体激光器，输出功率约为10～100mw（几 十mw），工作波长为0.98μm。 光滤波器：其作用是滤除光放大器的噪声，降低噪声对系统 的影响，提高系统的信噪比。
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EDFA（掺铒光纤放大器）
EDFA是英文“Erbium-doped Optical Fiber Amplifier”的缩写,意即掺铒光纤放大器,是一种对 信号光放大的一种有源光M系统中应用时必须采取特殊的技术使其增益平坦。
3) 光浪涌问题：采用EDFA可使输入光功率迅速增大，但由于EDFA的动态 增益变化较慢，在输入信号能量跳变的瞬间，将产生光浪涌，即输出
光功率出现尖峰，尤其是当EDFA级联时，光浪涌现象更为明显。峰
值光功率可以达到几瓦，有可能造成O/E变换器和光连接器端面的损 坏
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由于E2和E1有一定的宽度，使EDFA的放大效应具 有一定的波长范围，E＝hf（h：普朗克常数），其典
型值为1530～1570nm，在这个范围内，EDFA都能提
供有用的增益和相对平坦特性，表明它们能对波分多 路（WDM）信号的每一路都提供放大作用，而相对平
坦增益带宽意味着，WDM各路光纤信号需采用特殊手
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5) 增益特性稳定：EDFA对温度不敏感，增益与偏振相关
性小。
6)可实现透明传输：所谓透明，是指可同时传输模拟和数 字信号，高、低比特率信号，系统扩容时，可改动端 机面不改动线路。 7）连接损耗低，因为是光纤型放大器，所以与光纤连续
比较容易，连接损耗可低到0.1dB。
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3、ＥＤＦＡ的缺点
1) 增益波长范围固定：Er离子的能级之间的能级差决定了EDFA的工作 波长范围是固定的，只能在1550nm窗口。这也是掺稀土离子光纤放大 器的局限性，又例如，掺镨光纤放大器只能工作在1310nm窗口。 2) 2) 增益带宽不平坦：EDFA的增益带宽很宽，但EFDA本身的增益谱不
3) 能量转换效率高。掺铒光纤EDF的纤芯比传输光纤小，信号光和泵浦光
同时在掺铒光纤EDF 中传播，光能量非常集中。这使得光与增益介质
Er离子的作用非常充分，加之适当长度的掺铒光纤，因而光能量的转 换效率高。激励的泵浦功率低，仅需几十mW。
4) 增益高、噪声指数较低、输出功率大，信道间串扰很低。
它的增益可达40dB。噪声可低至3～4 dB，输出功率可达14～20 dBm。
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由前叙光纤的传输特性可知，影响光纤通信距离的两
大因素是光纤的损耗和色散。
光纤的损耗是指：光脉冲信号在光纤中传输，随着距离 的增加，脉冲幅度逐渐变小。 光纤的色散是指：光脉冲信号在光纤中传输，随着传输 距离的增加，脉冲宽度在时间上发生展宽，产生波形的畸
变。
为了保证光纤长距离传输的性能指标，就需在线路的适
由图6.1可见，EDFA的主体部件是泵浦光源和掺铒光纤。
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掺铒光纤(EDF)（一）
EDF 是放大器的主体，纤芯中掺有铒元素（Er）。掺 有Er3+的石英光纤具有激光增益特性，铒光纤的光谱性
质主要由铒离子和光纤基质决定，铒离子起主导作用，
掺Er3+浓度及在纤芯中的分布等对EDFA 的特性有很大影 响。
理相同。
简言之，在泵浦源的作用下，在掺铒光纤中出现 了粒子数反转分布，产生了受激辐射，从而使光信号 得到放大，由于EDFA具有细长的纤形结构，使得有源 区的能量密度很高，光与物质的作用区很长，这样， 可以降低对泵浦源功率的要求。
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由图6.4可见，铒离子有三个工作能级。 E1：最低，称为基态 E2：亚稳定 E3：最高，称为激发态 在未受任何光的情况下，处在最低能级E1上，当用泵 浦光源的激光不断地激发掺铒光纤时，处于基态的离子获得 了能量，就会向高能级跃迁。
当距离设立中继站，一种是光/电/光转换形式,另一种是直接
对光进行放大的光放大器.
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光放大器意义
我们知道光纤有一定的衰耗，光信号沿光纤传播将会
衰减，传输距离受衰减的制约。因此，为了使信号传得更 远，我们必须增强光信号。传统的增强光信号的方法是使 用再生器。但是，这种方法存在许多缺点，首先，再生器 只能工作在确定的信号比特率和信号格式下，不同的比特 率和信号格式需要不同的再生器；其次，每一个信道需要 一个再生器，网络的成本很高。 随着光通信技术的发展， 现在人们已经有了一种不采用再生器也可以增强光中继器
有了光放大器后就可直接实现光信号放大
，而不要像以前一样进行Ｏ/Ｅ/Ｏ转换。光放大
器的开发成功及其产业化是光纤通信技术中
的 光放大器一个非常重要的成果，它大大地促
进了光复用技术、光孤子通信以及全光网络的
发展。
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§6-1光放大器的分类
光放大器主要有2种：
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光隔离器(ISO)
光隔离器是一种单向光传输器件，对EDFA 工作稳定性至关重要 。通常光反射会干扰器件的正常输出，产生诸如强度涨落、频率漂 移和噪声增加等不利影响。提高EDFA 稳定性的最有效的方法是进行
光隔离。在输入端加光隔离器消除因放大的自发辐射反向传播可能
引起的干扰，输出端保护器件免受来自下段可能的逆向反射。同时 输入和输出端插入光隔离器也为了防止连接点上反射引起激光振荡 ，抑制光路中的反射光返回光源侧，从而既保护了光源又使系统工 作稳定。要求隔离度在40dB 以上，插入损耗低，与偏振无关。
图片 《 EDFA 原理及特性专题》
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泵浦源(PumPing Supply) 11*
泵浦源为信号放大提供能量，即实现粒子数反转分布。 根据掺铒光纤(EDF)的吸收光谱特性，可以采用不同波长的激光器作 为泵源，如：Ar2+激光器（514nm）、倍频YAG（532 nm）、染
料激光（665nm）及半导体激光器（807nm、980nm、1480nm）。 但由于在807 nm 及小于807 nm 波长处存在强烈的激发态吸收（ ESA），泵浦效率较低。若用665nm、514nm 的染料和Ar+激光器 泵浦得到25dB以上的增益，需要的入纤泵浦功率大于100mw，且 Ar+激光器体积大难以实用化。目前980 nm 和1480 nm 的LD 已商 品化，不存在激发态吸收，泵浦效率较高，所以一般采用980nm 和1480nm 的半导体激光器作泵源。
为了在放大带宽内的增益平坦，在EDF 中掺入适量
的铝元素，使铒离子在EDF 中分布更均匀，从而获得平 坦的宽带增益谱。
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掺铒光纤(EDF)（二）
三能级系统：
激发态 亚稳态
泵浦光 ： 980 nm
信号光 1550 nm
受激放大光 1550 nm
基态
基态
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光耦合器(WDM)
光耦合器有合波信号光与泵浦光的作用，也称光合
波器和波分复用器。是EDFA必不可少的组成部分，它将
绝大多数的信号光与泵浦光合路于EDF 中。主要有两种 形式：980nm/1550nm 或1480nm/1550nm，一般为光纤熔
锥型。要求在上述波长附近插入损耗都小，耦合效率高
，耦合频带具有一定的宽度且耦合效率平坦，对偏振不 敏感稳定性好！
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能量 E3 980 nm 非輻射衰減 E2
1460 nm 1540 nm
激發態 受 激 吸 收
(sp1s)
自 發 輻 射
受 激 輻 射
亞穩態 (sp10ms)
激勵光 E1
e-
輸出放大光 (1530-1570 nm) 基態
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如果由E1跃迁E3到。由于粒子在E3这个高能级上 是不稳定，它将迅速以无辐射过程落到亚稳态上E2，在 该能级上，粒子相对来讲有较长的存活寿命，由于泵 浦光源不断地激发，则E2能级上的粒子就不断地增加， 而E1上的粒子数就少，这样，在这段掺铒光纤中，就 实现了离子数反转分布，就存在了实现光放大的条件。 当输入光信号的光子能量E＝hf，正好等于（E2 － E1）能级差时，则亚稳态E2上的粒子将以受激辐射的形 式跃迁到基态E1上，并辐射出和输入光信号中的光子一 样的全同光子。从而大大增加了光子数量，使得输入 信号光在掺铒光纤（EDF）中变为一个强的输出光信号， 实现了光的直接放大。