掺铒光纤放大器（EDFA）的原理及应用

作者：Johnathon Jiang 
公司：骏龙科技

前言
        
在掺铒光纤放大器（Erbium-Doped Fiber Amplifier，EDFA）问世以前，为了克服光传输中的损耗，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、定时后再去调制激光器，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”。
        
EDFA的问世及实用化，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，成倍地扩大了传输容量，促进了真正意义上的密集波分复用（DWDM）技术的飞速发展，是光通讯领域上的一次革命。

掺铒光纤放大器的基本工作原理

1、掺铒光纤中Er3+离子受激辐射和自发辐射

EDFA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；对于波长为1480nm的泵浦源，掺铒光纤相当于一个两能级的系统，下图（图1）为Er3+离子能级图：

图1 Er3+离子能级图

Er3+离子通过受激吸收入射波长为980nm的光子的能量，从4I15/2能级跃迁到4I11/2能级，由于4I11/2能到4I13/2能级的驰豫时间很短，4I11/2能级上的粒子很快跃迁到4I13/2能级，4I11/2能级上的粒子数基本上可认为是零。

4I13/2能级到4I15/2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，4I13/2能级的粒子受激辐射向4I15/2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。4I13/2能级没有受激辐射的粒子会以自发辐射的方式向4I15/2能级跃迁，产生波长1550nm左右的光子，其频率、相位、方向是随机的。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，形成放大的自发辐射（Amplified Spontaneous Emission，ASE），这对于信号光来说就是噪声。因此，对于EDFA的基本原理可以总结出如下图（图2）框图：

图2 EDFA的基本原理图

2、掺铒光纤放大器的光路结构

为了实现放大的目的，将一些无源光器件、泵浦光源和掺铒光纤以特定的光学结构组合在一起，就构成了EDFA光放大器。根据EDFA泵浦源的布置位置，最基本的有三种光路配置，分别为前向泵浦、反向泵浦和双向泵浦，具体下图（图3）所示：

图 3 EDFA光放大器三种光路配置

不过往往由于通讯系统的复杂性以及功能指标的多样性等原因，实际光路图要比基本的结构更加的复杂。下图（图4）为一款实用化交付产品的泵浦配置和光路结构图：

图4 实用化交付产品的泵浦配置和光路结构图

• EDF：掺铒光纤，其工作机理前面已经详细介绍。

• WDM：耦合器，其作用是将信号光和泵浦光耦合，并一起送入掺铒光纤，通常使用光纤熔锥型耦合器。

• GFF：增益平坦滤波器，其作用是平坦EDF的光谱，使EDFA的输出光谱在全波段达到良好的平坦度。

• ISO：隔离器，其作用是阻挡前后级光路的ASE噪声信号。

• LD：泵浦激光器，泵浦激光器是EDFA的能量源泉，它的作用是为光信号的放大提供能量。通常是一种半导体激光器，输出波长为980nm或1480nm，泵浦光经过掺铒光纤时将铒离子从低能级泵浦到高能级，从而形成粒子数反转，而当信号光经过时，能量就会转移到光信号中，从而实现光放大的作用。

• Spliter：分光器，EDFA中所用的分光器为一分二器件，其作用是将主通道上的光信号分出一小部分光信号送入光探测器以实现对主通道中光功率的监测功能。

• PIN：光探测器，是一种光强检测器，它的作用是将接收的光功率通过光/电转换变成光电流，从而对EDFA模块的输入、输出光功率进行监测。

掺铒光纤放大器的应用

EDFA通常应用于DWDM系统中，主要功能在于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，对功率放大器的噪声指数（NF）、增益要求并不是很高，但要求放大后，有比较大的输出功率，如下图（图5）所示：

图5 功率放大器

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NF，较大的输出光功率，如下图（图6）所示：

图6 线路放大器

EDFA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DWDM系统中，如果不对Line-Amplifier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，Line-Amplifier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。

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）满足要求的情况下，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，所以，对前置放大器的输出功率没有太大的要求，但是要求NF很小，如下图（图7）所示：

图7 前置放大器

结束语

随着DWDM技术的发展，EDFA也在不停的向前发展以满足不断增长的数据业务需要。本文主要介绍掺铒光纤放大器（EDFA）的基本工作原理和三大类型应用。欲了解更多技术细节和 ADI 相关方案，请与骏龙科技当地的办事处联系，或发送邮件至inquiry.cytech@macnica.com，骏龙科技公司愿意为您提供更详细的技术解答。

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