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無錫市中興光電子技術(shù)有限公司
前言
在摻鉺光纖放大器(Erbium-Doped Fiber Amplifier，EDFA)實(shí)用化以前，為了克服光纖傳輸中的損耗，每傳輸一段距離，都要進(jìn)行“再生”，即把傳輸后的弱光信號轉(zhuǎn)換成電信號，經(jīng)過放大、整形后，再去調(diào)制激光器，生成一定強(qiáng)度的光信號。隨著傳輸碼率的提高，“再生”的難度也隨之提高，成了信號傳輸容量擴(kuò)大的“瓶頸”。
摻鉺光纖放大器實(shí)用化，實(shí)現(xiàn)了直接光放大，節(jié)省了大量的再生中繼器，使得傳輸中的光纖損耗不再成為主要問題，同時(shí)使傳輸鏈路“透明化”，簡化了系統(tǒng)，成幾倍或幾十倍地?cái)U(kuò)大了傳輸容量，促進(jìn)了真正意義上的密集波分復(fù)用技術(shù)的飛速發(fā)展，是光纖通訊領(lǐng)域上的一次革命�！ �
摻鉺光纖放大器的優(yōu)點(diǎn)
1.摻鉺光纖的放大區(qū)域恰好與單模光纖的最低損耗區(qū)域相重合。那么，被摻鉺光纖放大器放大的光在光纖中的傳輸損耗小，能傳輸比較遠(yuǎn)的距離�！�
2.對數(shù)字信號的格式及數(shù)據(jù)率“透明”。
3.放大頻帶寬，能在同一根光纖中傳輸幾十甚至上百個信道。
4.噪聲指數(shù)低，接近量子極限，意味著可級聯(lián)多個放大器。
5.增益飽和的恢復(fù)時(shí)間長，各個信道間的串?dāng)_極小。
摻鉺光纖放大器的基本工作原理
摻鉺光纖放大器是利用摻鉺光纖中摻雜離子在泵浦光的作用下，形成粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，從而對入射光信號提供光增益，對于波長為980nm的泵浦源，摻鉺光纖相當(dāng)于一個三能級的系統(tǒng)。鉺離子通過受激吸收入射波長為980nm的光子的能量，從N1能級躍遷到N3能級，由于N3能到N2能級的馳豫時(shí)間很短，N3能級上的粒子很快躍遷到N2能級，N3能級上的粒子數(shù)基本上可認(rèn)為是零。
N2能級到N1能級的馳豫時(shí)間比較長，為毫秒量級，是一個亞穩(wěn)態(tài)。當(dāng)有波長1550nm左右的信號光子輸入時(shí)，N2能級的粒子受激輻射向N1能級躍遷，產(chǎn)生和入射光子同頻、同相、同方向的光子，于是，入射光就得到放大。 N2能級沒有受激輻射的粒子會以自發(fā)輻射的方式向N1能級躍遷，產(chǎn)生波長1550nm左右的光子，其頻率、相位、方向時(shí)隨機(jī)的。自發(fā)輻射產(chǎn)生的光子大部分在傳輸中逃逸出光纖，但有一小部分由于傳輸方向正好在光纖的軸線上而被光纖捕獲，這一部分的光子在摻鉺光纖中傳輸（正反兩個方向）時(shí)同樣也被放大，形成放大了的自發(fā)輻射(Amplified Spontaneous Emission，ASE)，這對于有用的信號來講是噪聲，是有害的，影響了放大器的性能。
圖1 摻餌光纖放大器的基本物理結(jié)構(gòu)
摻鉺光纖放大器的基本物理結(jié)構(gòu)
摻鉺光纖放大器基本結(jié)構(gòu)如圖1。在輸入端和輸出端各有一個隔離器，目的是使光信號單向傳輸。泵浦激器波長為980nm或1480nm，用于提供能量。耦合器的作用是把輸入光信號和泵浦光耦合進(jìn)摻鉺光纖中，通過摻鉺光纖作用把泵浦光的能量轉(zhuǎn)移到輸入光信號中，實(shí)現(xiàn)輸入光信號的能量放大。
實(shí)際使用的摻鉺光纖放大器為了獲得較大的輸出光功率，同時(shí)又具有較低的噪聲指數(shù)等其他參數(shù)，采用兩個或多個泵浦源的結(jié)構(gòu)，中間加上隔離器進(jìn)行相互隔離。為了獲得較寬較平坦的增益曲線，還加入了增益平坦濾波器。
摻鉺光纖放大器在密集波分復(fù)用系統(tǒng)中的應(yīng)用
摻鉺光纖放大器在密集波分復(fù)用系統(tǒng)中的應(yīng)用主要是補(bǔ)償傳輸中的光纖損耗，根據(jù)放大器在系統(tǒng)中的位置及作用，可以分成以下三種類型：
1.功率放大器（booster-Amplifier），處于合波器之后，用于對合波以后的多個波長信號進(jìn)行功率提升，然后再進(jìn)行傳輸，由于合波后的信號功率一般都比較大，所以，對一功率放大器的噪聲指數(shù)、增益要求并不是很高，但要求放大后，有比較大的輸出功率�！ �
2.線路放大器（Line-Amplifier），處于功率放大器之后，用于周期性地補(bǔ)償線路傳輸損耗，一般要求比較小的噪聲指數(shù)，較大的輸出光功率。
3.前置放大器（Pre-Amplifier），處于分波器之前，線路放大器之后，用于信號放大，提高接收機(jī)的靈敏度（在光信噪比(OSNR)滿足要求情況下，較大的輸入功率可以壓制接收機(jī)本身的噪聲，提高接收靈敏度），要求噪聲指數(shù)很小，對輸出功率沒有太大的要求。
為了滿足在密集波分復(fù)用系統(tǒng)中應(yīng)用的要求，摻鉺光纖放大器的性能和功能上有其特殊的要求，光信號傳輸后最重要的一個指標(biāo)是光信噪比（OSNR）�！�
摻鉺光纖放大器除了放大輸入的光信號之外，還產(chǎn)生ASE噪聲，可以等效成一個理想的增益為G的放大器，和一個功率為Pase的噪聲源相疊加。對于一個N個放大器的級聯(lián)系統(tǒng)，每一級放大器將前一級的ASE噪聲放大G倍，同時(shí)疊加上本身產(chǎn)生的ASE噪聲，噪聲逐級積累，于是，光信噪比（OSNR）將逐級劣化。 光信噪比定義：OSNR = Psig / Pase可以看出，可以通過提高每個信道的光功率即提高摻鉺光纖放大器的總輸出功率來提高光信噪比，也可以通過降低放大了大自發(fā)輻射噪聲（ASE噪聲）來提高光信噪比 對于一個N段光纖的系統(tǒng)，有N+1個光放大器級聯(lián)，假設(shè)每一級放大器都一樣，每一段光纖損耗都等于放大器的增益，那么，終端的放大了的自發(fā)輻射噪聲 Pase = F（G-1）hvB0（N+1）可以看出Pase隨放大器的級數(shù)線性增長，而光纖的損耗是隨著光纖長度增長呈指數(shù)增長，根據(jù)假設(shè)，放大器的增益正好補(bǔ)償光纖損耗，可以得出以下結(jié)論：Pase不變時(shí)，降低中繼長度（即降低摻鉺光纖放大器增益），增加中繼個數(shù)（即增加摻鉺光纖放大器級聯(lián)個數(shù)），要比增加中繼長度，減少中繼個數(shù)傳輸更遠(yuǎn)的距離。換一個角度說，傳輸距離相同的情況下，降低中繼長度，增加中繼個數(shù)，要比增加中繼長度，減少中繼個數(shù)時(shí)有較小的Pase，即提高了接收端光信噪比（OSNR）。另外，在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，除了選擇中繼距離外，選用噪聲指數(shù)小的摻鉺光纖放大器也是提高光信噪比的一種有效的方法。在密集波分復(fù)用系統(tǒng)中為了容納更多的信道，提高系統(tǒng)容量，有兩種方法：一種是降低信道的間隔；另一種是拓展摻鉺光纖放大器的工作波長范圍。在拓展工作波長范圍的同時(shí)，還必須保證在工作波長范圍增益平坦，因?yàn)閾姐s光纖放大器是級聯(lián)使用的，每一級小的不平坦，在多級級聯(lián)后，就會變得很不平坦，造成在線路終端的各個信道功率差別太大。
摻鉺光纖放大器的增益特性是小輸入光信號增益大，大輸入光信號時(shí)增益小，在密集波分復(fù)用系統(tǒng)中，如果不對線路光纖放大器的增益進(jìn)行控制的話，那么，在輸入信道少時(shí)（小輸入光信號）的增益要比輸入信道多時(shí)（大輸入光信號）增益大，這會造成輸入信道少時(shí)，每個信道輸出功率大，在極端情況下，只有一個輸入信道，那么，就有可能造成輸出光信號足夠大，在光纖傳輸中產(chǎn)生非線性失真。因此，線路放大器必須具有增益鎖定功能，保證在輸入是大信號和小信號時(shí)，增益都是一樣的，即每個信道的輸出光功率在輸入信道增減時(shí)都保持恒定�！ �
結(jié)束語
隨著密集波分復(fù)用技術(shù)的發(fā)展，摻鉺光纖放大器也不停的向前發(fā)展,同時(shí),各種類型的光放大器發(fā)展和實(shí)用,將進(jìn)一步推動密集波分復(fù)用技術(shù)的發(fā)展,以滿足不斷增長的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的需要。
