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一、摻鉺光纖的放大原理

EDFA的放大作用是通過1550nm波段的信號(hào)光在摻鉺光纖中傳輸與Er3+ 離子相互作用產(chǎn)生的。在光與物質(zhì)相互作用時(shí)，光可以被看作由光子組成的粒子束，每個(gè)光子的能量為：E=hv 其中E為光子的能量，v為光的頻率，h為普朗克常數(shù)。

摻鉺光纖中的Er3+離子所出的能量狀態(tài)是不能連續(xù)取值的，它只能處在一系列分立的能量狀態(tài)成為能級(jí)上，這些能量狀態(tài)成為能級(jí)。當(dāng)在摻鉺光纖中傳輸?shù)墓庾幽芰颗cEr3+離子的某兩個(gè)能級(jí)之間的能量差相等時(shí)，Er3+離子就會(huì)與光子發(fā)生相互作用，產(chǎn)生收激輻射和收激吸收效應(yīng)。受激輻射是指Er3+離子與光子相互作用從高能級(jí)躍遷到低能級(jí)，發(fā)射出一個(gè)與激發(fā)光子完全相同的光子（激光子的頻率、相位、傳播方向、偏振態(tài)相同）；受激吸收是指Er3+離子與光子相互作用從低能集躍遷到高能級(jí)，并且吸收激發(fā)光子。為了詳細(xì)說明EDFA放大原理，圖1給出了Er3+ 離子與光放大作用有關(guān)的能級(jí)結(jié)構(gòu)。

 如圖1所示，與Er3+離子產(chǎn)生光放大效應(yīng)的能級(jí)由三個(gè)：高能態(tài)、亞穩(wěn)態(tài)、基態(tài)。
高能態(tài)與基態(tài)之間的能量差與泵浦光子能量相同，亞穩(wěn)態(tài)與基態(tài)之間的能量與1550nm的光子能量相同。

在摻鉺光纖中注入足夠強(qiáng)的泵浦光，就可以將大部分處于基態(tài)的Er3+離子抽運(yùn)到高能態(tài)上，處于高能態(tài)的Er3+離子又迅速無輻射地轉(zhuǎn)移到亞穩(wěn)態(tài)上。由于 Er3+離子在亞穩(wěn)態(tài)上能級(jí)壽命較長(zhǎng)，因此，很容易在亞穩(wěn)態(tài)與基態(tài)之間形成粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，即處于亞穩(wěn)態(tài)的Er3+粒子數(shù)比處于基態(tài)的Er3+粒子數(shù)多。當(dāng)信號(hào)光子通過摻耳光弦，與Er3+離子相互作用發(fā)生受激輻射效應(yīng)，產(chǎn)生大量與自身完全相同的光子，這時(shí)通過摻耳光纖傳輸?shù)男盘?hào)光子迅速增多，產(chǎn)生信號(hào)放大作用；只有少數(shù)處于基態(tài)的Er3+離子隊(duì)信號(hào)光子產(chǎn)生受激吸收效應(yīng)，吸收光子。Er3+離子的亞穩(wěn)態(tài)和基態(tài)具有一定的寬度，使EDFA的放大效應(yīng)具有一定波長(zhǎng)范圍，其典型值維1530—1570nm。Er3+離子處于亞穩(wěn)態(tài)時(shí)，除了發(fā)生受激輻射和受激吸收以外，還要產(chǎn)生自發(fā)輻射，即Er3+離子在亞穩(wěn)態(tài)上暫短停留還沒有機(jī)會(huì)與光子相互作用，就會(huì)自發(fā)地從亞穩(wěn)態(tài)躍遷到基態(tài)并發(fā)射出1550nm波段的光子，這種光子與信號(hào)光不同，它構(gòu)成EDFA的噪聲。由于自發(fā)輻射光子在摻鉺光纖中傳輸時(shí)也會(huì)得到放大，因此在EDFA的輸入光功率較低時(shí)，會(huì)產(chǎn)生較大的噪聲。

二、光纖放大器的基本結(jié)構(gòu)

光纖放大器與其他放大器比較，具有輸出功率大、增益高、工作帶寬寬、與偏振無關(guān)、噪聲指數(shù)低、放大特性與系統(tǒng)比特率、數(shù)據(jù)格式無關(guān)等特點(diǎn)，它已成為新一代光通信系統(tǒng)的關(guān)鍵器件之一。

摻鉺光纖放大器用在系統(tǒng)發(fā)射機(jī)輸出短，提高發(fā)送功率，延長(zhǎng)傳輸距離；用在光纖傳輸鏈路中，補(bǔ)償光能量的損失，可增加傳輸距離；用在光接收機(jī)前，對(duì)信號(hào)進(jìn)行預(yù)防大，可提高光接收機(jī)靈敏度。應(yīng)用范圍包括干線高速光通信系統(tǒng)、海纜系統(tǒng)、本地網(wǎng)、用戶接入網(wǎng)、光纖CATV等工程。

2.1 功率放大器

摻鉺光纖放大器作為功率放大器有許多特殊功能是電子線路放大器所不能比擬的，分述如下：

2.1.1 摻鉺光纖放大器可用作數(shù)字、模擬以及相干光通信的功率放大器。即如果線路上已采用摻鉺光纖放大器做功率放大器，那么，不管它需要傳輸數(shù)字信號(hào)還是傳輸模擬信號(hào)，不必改變摻鉺光纖放大器線路設(shè)備。

2.1.2 摻鉺光纖放大器可傳輸不同的碼率。如果需要擴(kuò)容，由低碼率改變?yōu)楦叽a率時(shí)，不必改變摻鉺光纖放大器線路設(shè)備。

2.1.3 摻鉺光纖放大器做功率放大器，可在不改變?cè)性肼曁匦院驼`碼率的前提下，直接放大數(shù)字、模擬活二者混合的數(shù)據(jù)格式，特別適合光纖傳輸網(wǎng)絡(luò)升級(jí)。實(shí)現(xiàn)語音、圖像、數(shù)據(jù)同網(wǎng)傳輸，不必改變摻鉺光纖放大器線路設(shè)備。

2.1.4 一個(gè)摻鉺光纖放大器可同時(shí)傳輸若干波長(zhǎng)的光信號(hào)，即用光波復(fù)用擴(kuò)容時(shí)，不必改變摻鉺光纖放大器線路設(shè)備。

2.1.5 摻鉺光纖放大器做功率放大器，不必經(jīng)過光電轉(zhuǎn)換可以直接對(duì)光信號(hào)放大，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低，性能穩(wěn)定可靠。

實(shí)踐證明，使用摻鉺光纖放大器的光纖干線傳輸，經(jīng)過近千公里的傳輸后的誤碼率人能達(dá)到 。如果采用飽和功率為18dBm的放大器，可是實(shí)現(xiàn)160—200km無中繼通信。如果有必要，還可將中繼距離延長(zhǎng)更遠(yuǎn)。

2.2 前置放大器

把摻鉺光纖放大器置于光接收機(jī)關(guān)監(jiān)測(cè)器前面。來自光纖的光信號(hào)經(jīng)摻鉺光纖放大器放大后再由光檢測(cè)器檢測(cè)。由于摻鉺光纖放大器的信噪比由于電子放大器，所以用摻鉺光纖放大器作預(yù)放大器的光接收機(jī)具有較高的靈敏度，其靈敏度甚至不亞于相干光接收機(jī)的。各類接收機(jī)靈敏度示于圖3。

 
2.3 線路放大器

線路放大器的顯著優(yōu)點(diǎn)是增益高，通常大于30dB。由于可以級(jí)聯(lián)使用，特別適合海底遠(yuǎn)程通信和陸地超長(zhǎng)距離傳輸使用。

把摻鉺光纖放大器至于光纖傳輸線路中，將已被衰減了的小信號(hào)進(jìn)行放大，可以大大延長(zhǎng)傳輸距離，也成為中繼放大器。

使用線路放大器必須解決遠(yuǎn)程監(jiān)控問題，國際標(biāo)準(zhǔn)化組織已制定出多種監(jiān)控標(biāo)準(zhǔn)，可以按照標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控。

2.4 用戶接入網(wǎng)中的光纖放大器

光纖放大器在用戶接入網(wǎng)中也占有重要地位。在光纖用戶網(wǎng)中，雖然用戶系統(tǒng)的距離較短，但是用戶網(wǎng)的分子太多，光線干線中的光信號(hào)功率要進(jìn)行眾多的分配，甚至是多級(jí)進(jìn)行分配。這樣一來被分配到每個(gè)分支獲得光信號(hào)就相當(dāng)?shù)娜?，不能保證用戶的終端設(shè)備的接收質(zhì)量。為此，需要將光信號(hào)進(jìn)行放大，這就需要光纖放大器。

將光纖放大器置于光發(fā)射機(jī)后端，以提高入纖的光功率，使整個(gè)線路系統(tǒng)的光功率得到提高，以滿足各級(jí)需要，這就要用到光纖功率放大器。

在用戶網(wǎng)中，當(dāng)用戶系統(tǒng)距離過長(zhǎng)時(shí)需要使用線路放大器；為了提高各支路的光功率分配數(shù)量，也要使用這類放大器。

總之，光線放大器在用戶接入網(wǎng)中主要是提高光信號(hào)的功率，即可以補(bǔ)償光耦合器燈光器件所造成的光損耗，又可以大大提高用戶數(shù)量以及復(fù)用密度，對(duì)降低用戶網(wǎng)建設(shè)成本也會(huì)起到很大作用。

2.5 光纖CATV中的放大器

對(duì)于光纖/同軸混合結(jié)構(gòu)的多種系統(tǒng)并存的CATV網(wǎng)絡(luò)，摻鉺光纖放大器日益抽到重視，尤其是前端集中的系統(tǒng)，點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)的光波式結(jié)構(gòu)和長(zhǎng)距離的干線傳輸系統(tǒng)更是如此。對(duì)于CATV設(shè)計(jì)者最常用的樹形分配網(wǎng)絡(luò)中，系統(tǒng)的效率是由每個(gè)用戶成本所決定的。因此，采用摻鉺光纖放大器提高光功率可以在原有發(fā)射設(shè)備基礎(chǔ)上，為更多的用戶服務(wù)，從而降低發(fā)射機(jī)單位毫瓦的造價(jià)。另外，在近幾年來，包含有摻鉺光纖放大器的1550nm光發(fā)射設(shè)備可以最廉價(jià)的實(shí)現(xiàn)光纖到路邊和光纖到大樓。總而言之，在CATV光纖干線傳輸和功率分配系統(tǒng)以及逐步實(shí)現(xiàn)語音、圖像、數(shù)據(jù)通路傳輸?shù)?ldquo;三網(wǎng)合一”，為最終實(shí)現(xiàn)寬帶的綜合服務(wù)數(shù)字網(wǎng)，摻鉺光纖放大器將發(fā)揮不可估量的作用。

如上所述，摻鉺光纖放大器在光纖CATV中的應(yīng)用示于圖4。在這三種用途中，當(dāng)前主要作為功率放大器和線路放大器，其目的是補(bǔ)償光纖傳輸損耗或用作補(bǔ)償光分路器的分支損耗。

 
功率放大器是在CATV系統(tǒng)的前段將發(fā)射機(jī)的輸出光放大后再進(jìn)行分配，以供各方向的光纖干線傳輸用。功率放大器于功率分配器也可考慮做成兩端重復(fù)使用。從原理前短處獎(jiǎng)光纖干線分支時(shí)，可在分支前面接入摻鉺光纖放大器，作為線路放大器，以補(bǔ)償分支損耗。#p#分頁標(biāo)題#e#

2.6 在密集型波分復(fù)用（DWDM）系統(tǒng)中的應(yīng)用

由于EDFA具有30nm的工作帶寬,它可以同時(shí)放大多個(gè)波長(zhǎng)不同的光信號(hào)，因此它可以十分方便的應(yīng)用于DWDM系統(tǒng)中，補(bǔ)償各種光衰耗。