光纤放大器/EDFA，光纤放大器/EDFA的原理和分类

光纤放大器分类

光放大器主要有三种类型：

(1)半导体光放大器；

(2)掺稀土元素(铒Er、铥Tm、镨Pr、铷Nd等)的光纤放大器，主要有掺铒光纤放大器(EDFA)、TDFA和掺镨光纤放大器(PDFA)等。

(3)非线性光纤放大器，主要是FRA，光纤拉曼放大器。这些光放大器的主要性能在表中进行了比较

掺铒光纤放大器

掺稀土元素(如Nd、Er、Pr、Tm等)的石英光纤可形成多级激光系统，在泵浦光的作用下可直接放大输入信号光。在提供适当的反馈后，构建光纤激光器。掺nd光纤放大器的工作波长分别为1060nm和1330nm。掺nd光纤放大器由于偏离光纤通信的最佳端口等原因，限制了其发展和应用。EDFA和PDFA的工作波长分别处于光纤通信的最低损耗(1550nm)和零色散波长(1300nm)窗口。TDFA工作在S波段，非常适合光纤通信系统的应用。特别是EDFA，发展最为迅速，并已付诸实施。

EDFA的原理

EDFA的基本结构见1(a)。它主要由有源介质(数十米长的掺杂石英光纤，芯径3-5微米，掺杂浓度(25-1000) 10-6)、泵浦光源(990或1480nm LD)、光耦合器、光隔离器等组成。信号光和泵浦光在铒光纤中可以同向(共泵浦光)、反向(反向泵浦光)或双向(双向泵浦光)传播。当信号光和泵浦光同时注入铒光纤时，铒离子在泵浦光的作用下被激发到高能级(图1 (b)，三能级系统)，并很快衰减到亚稳态能级。当它在入射信号光的作用下回到基态时，发射出与信号光相对应的光子，从而放大信号。图1 (c)为其放大后的自发发射(ASE)光谱，带宽较大(可达20-40nm)，有两个峰分别对应1530nm和1550nm。

EDFA的主要优点是高增益、大带宽、高输出功率、高泵浦效率、低插入损耗和对极化状态不敏感。

光学放大器的问题

虽然光放大器(特别是EDFA)有许多突出的优点，但它也不是一个理想的放大器。除了额外的噪声会降低信号的信噪比外，还有其他一些缺点，例如：

放大器带宽增益谱的不均匀性影响了多路放大的性能。

当光放大器级联时，ASE噪声、光纤色散和非线性效应的影响将会累积。

这些问题在应用和系统设计中必须加以考虑。

光放大器在光纤通信系统中的应用

在光纤通信系统中，光放大器可以作为发射机的功率放大器来提高发射功率，也可以作为接收机的前置放大器来提高接收机的敏感皮肤。它还可以代替传统的光-电-光中继器，延长传输距离，实现全光通信。

在光纤通信系统中，限制传输距离的主要因素是光纤的损耗和色散。当光源使用在窄谱线或接近零色散波长时，光纤色散的影响很小。本系统不需要每个中继站(3R继电器)完成信号定时再生，只要光放大器直接放大光信号就足够了(1R继电器)。光放大器不仅可以用于长途干线系统，也可以用于光纤分配网络，特别是波分复用系统，实现多通道同时放大。

1)光放大器在干线光纤通信系统中的应用

图2显示了光放大器在干线光纤通信系统中的应用。在图(a)中，使用光放大器作为发射机的功率提升放大器和接收机的前置放大器，使中继器距离呈指数级扩展。例如，使用EDFA, 1.8Gb/s系统将其传输距离从120公里增加到250公里甚至400公里。图2 (b)-(d)光放大器在多继电器系统中的应用；图(b)为传统的3R继电器模式；图(c)为3R中继器和光放大器的混合中继方式；全光中继方式如图(d)所示。在不含定时和再生电路的全光通信系统中，它是位透式的，不受“电子瓶”的限制。只要更换两端的收发设备，就很容易从低速率升级到高速率。不需要更换光放大器。

光放大器在光纤配电网中的应用

光放大器特别是EDFA的高功率输出在有线电视等宽带分配网络中非常有用。传统的有线电视网络使用同轴电缆，每几百米放大一次，服务半径约为7公里。采用光放大器的光纤有线电视网络，不仅可以大大增加分配的用户数，而且可以大大扩大网络的直径。最近的发展表明，混合光纤/在线电缆(HFCS)分布通过吸收两者的优势而具有很强的竞争力。

图3显示了AM-VSB调制的35通道电视光纤分配网络的示例。发射器的光源为DFB-LD，波长为1550nm，输出功率为3.3dBm。采用4级EDFA作为功率分配放大器，其输入功率约为-6dBm，输出功率约为13dBm。光接收机灵敏度-9.2dBm。经过四级分布，用户总数达到420万，网络直径超过几十公里。加权信噪比大于45dB, EDFA没有降低CSO。