掺铒光纤放大器的原理及在密集波分复用系统中的应用

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1、掺铒光纤放大器的原理及在密集波分复用系统中的应用～教育资源库　　前言　　　　在掺铒光纤放大器(Erbium-DopedFiberAmplifier，EDFA)实用化以前，为了克服光纤传输中的损耗，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。　　　　图1密集波分复用系统与时分复用系统相比较　　　　掺铒光纤放大器实用化，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

2、明化，简化了系统，成几倍或几十倍地扩大了传输容量，促进了真正意义上的密集波分复用技术的飞速发展，是光纤通讯领域上的一次革命。　　　　掺铒光纤放大器的优点　　　　1.掺铒光纤的放大区域恰好与单模光纤的最低损耗区域相重合。那么，被掺铒光纤放大器放大的光在光纤中的传输损耗小，能传输比较远的距离(图2)。　　　　　　2.对数字信号的格式及数据率透明。　　图2单模光纤损耗谱和掺饵光纤放大器的增益谱　　　　3.放大频带宽，能在同一根光纤中传输几十甚至上百个信道。　　　　4.噪声指数低，接近量子极限，意味着可级联多个放大器。　　　　5.增益饱和的恢复时间长，各个信道间

3、的串扰极小。　　　　掺铒光纤放大器的基本工作原理　　　　掺铒光纤放大器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，如图3，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。铒离子通过受激吸收入射波长为980nm的光子的能量，从N1能级跃迁到N3能级，由于N3能到N2能级的驰豫时间很短，N3能级上的粒子很快跃迁到N2能级，N3能级上的粒子数基本上可认为是零。　　　　图3掺饵光纤放大器的工作原理图　　　　N2能级到N1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

4、，N2能级的粒子受激辐射向N1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。N2能级没有受激辐射的粒子会以自发辐射的方式向N1能级跃迁，产生波长1550nm左右的光子，其频率、相位、方向时随机的（图4）。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，形成放大了的自发辐射(AmplifiedSpontaneousEmission，ASE)，这对于有用的信号来讲是噪声，是有害的，影响了放大器的性能。　　　　图4掺饵光

5、纤放大器的基本物理理结构　　　　　　掺铒光纤放大器的基本物理结构　　　　掺铒光纤放大器基本结构如图6。在输入端和输出端各有一个隔离器，目的是使光信号单向传输。泵浦激器波长为980nm或1480nm，用于提供能量。耦合器的作用是把输入光信号和泵浦光耦合进掺铒光纤中，通过掺铒光纤作用把泵浦光的能量转移到输入光信号中，实现输入光信号的能量放大。实际使用的掺铒光纤放大器为了获得较大的输出光功率，同时又具有较低的噪声指数等其他参数，采用两个或多个泵浦源的结构，中间加上隔离器进行相互隔离。为了获得较宽较平坦的增益曲线，还加入了增益平坦滤波器。　　　　掺铒光纤放大器在

6、密集波分复用系统中的应用　　　　图5有输入光信号时的输出光谱　　　　掺铒光纤放大器在密集波分复用系统中的应用主要是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，对一功率放大器的噪声指数、增益要求并不是很高，但要求放大后，有比较大的输出功率。　　　　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

7、比较小的噪声指数，较大的输出光功率。　　　　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），要求噪声指数很小，对输出功率没有太大的要求。　　　　图6掺饵光纤放大器的基本物理结构　　　　为了满足在密集波分复用系统中应用的要求，掺铒光纤放大器的性能和功能上有其特殊的要求，光信号传输后最重要的一个指标是光信噪比（OSNR）。　　　　掺铒光纤放大器除了放大输入的光信号之外，还产生ASE噪声，可以等效成一个

8、理想的增益为G的放大器，和一个功率为Pase的噪声源相叠加（图7）。对于一个N个