摻鉺光纖放大器EDFA原理特性以及級聯應用
一、EDFA的原理及結構
摻鉺光纖放大器（EDFA）具有增益高、噪聲低、頻帶寬、輸出功率高、連接損耗低和偏振不敏感等優點，直接對光信號進行放大，無需轉換成電信號，能夠保證光信號在最小失真情況下得到穩定的功率放大。
1.1、EDFA的原理
在摻鉺光纖中注入足夠強的泵浦光，就可以將大部分處于基態的Er3+離子抽運到激發態，處于激發態的Er3+離子又迅速地轉移到亞穩態。由于Er3+離子在亞穩態能級上壽命較長，因此很容易在亞穩態與基態之間形成粒子數反轉。當信號光子通過摻鉺光纖時，與處于亞穩態的Er3+離子相互作用發生受激輻射效應，產生大量與自身相同的光子，這時通過摻鉺光纖傳輸的信號光子迅速增多，產生信號放大作用。Er3+離子處于亞穩態時，除了發生受激輻射和受激吸收以外，還要產生自發輻射（ASE），它造成EDFA的噪聲。
1.2、EDFA的結構
典型的EDFA結構主要由摻鉺光纖（EDF）、泵浦光源、耦合器、隔離器等組成。摻鉺光纖是EDFA的核心部件。它以石英光纖作為基質，在纖芯中摻人固體激光工作物質鉺離子，在幾米至幾十米的摻鉺光纖內，光與物質相互作用而被放大、增強。光隔離器的作用是抑制光反射，以確保放大器工作穩定，它必須是插入損耗低，與偏振無關，隔離度優于40dB。
1.3、EDFA的特性及性能指標
增益特性表示了放大器的放大能力，其定義為輸出功率與輸入功率之比：
式中：Pout，Pin分別表示放大器輸出端與輸入端的連續信號功率。增益系數是指從泵浦光源輸入1mW泵浦光功率通過光纖放大器所獲得的增益，其單位為dB/mW：
式中：g0是由泵浦強度定的小信號增益系數，由于增益飽和現象，隨著信號功率的增加，增益系數下降;Is，Ps分別為飽和光強和飽和光功率，是表明增益物質特性的量，與摻雜系數、熒光時間和躍遷截面有關。
增益和增益系數的區別在于：增益主要是針對輸入信號而言的，而增益系數主要是針對輸入泵浦光而言的。另外，增益還與泵浦條件（包括泵浦功率和泵浦波長）有關，目前采用的主要泵浦波長是980nm和1480nm。由于各處的增益系數是不同的，而增益須在整個光纖上積分得到，故此特性可用以通過選擇光纖長度得到較為平坦的增益譜。
1.4、EDFA的帶寬
增益頻譜帶寬指信號光能獲得一定增益放大的波長區域。實際上的EDFA的增益頻率變化關系比理論的復雜得多，它還與基質光纖及其摻雜有關。在EDFA的增益譜寬已達到上百納米。而且增益譜較平坦。ED-FA的增益頻譜范圍在1525～1565nm之間。2EDFA的級聯應用2.1EDFA的級聯結構
EDFA對光信號功率的放大，特別在無線光通信大功率（瓦級）應用中，常常采用級聯的方式，比如兩級或者三級放大。之所以采用級聯的方式，是因為在EDFA的摻鉺光纖（EDF）中插入一個光隔離器，構成帶光隔離器的兩段級聯EDFA，由于光隔離器有效地抑制了第二段：EDF的反向自發輻射（ASE），使其不能進入段EDF，減少了泵浦功率在反向ASE上的消耗，使泵浦光子更有效地轉換成信號光能量，從而可以明顯改善EDFA的增益、噪聲系數和輸出功率等特性。本文采用麗級級聯放大，將1～2mW的1550nm光信號，經EDFA放大到1W左右。級聯結構如圖3所示。
光信號由LD激光器產生，是已調制的信號，級放大采用單包層摻鉺光纖放大器，980nm單模半導體激光器作為泵浦源，將光功率放大到50mW附近。級采用單模半導體激光器泵浦，先將光信號穩定可靠的放大到一定功率，保證了整個光信號的完整，又為下一級光放大提供了較高的光功率基礎。第二級采用雙包層光纖放大器，多模半導體激光器泵浦源將光功率放大到1W左右。雙包層光纖放大器纖芯比單包層纖芯大，泵浦功率可以有效地耦臺到纖芯中，使第二級光信號的輸出功率可達到瓦級。
二、EDFA級聯應用的增益
2.1、增益計算
對EDFA級聯的整體光功率增益：
其中：Pout表示EDFA兩級放大后的輸出光功率，Pin表示需要放大的輸入光功率。在本文中，光放大采用了兩級級聯放大，級增益為G1：其中級的輸出為第二級的輸入，P‘out=P’in=P，所以：即，整體增益等于兩級增益之和，本文的整體光功率增益為：
級增益為17dB，第二級增益為13dB，1W的光功率經過準直聚焦，再有光學鏡頭發射到大氣信道，大大提高了光信號的有效傳輸距離。
2.2、影響增益的因素
EDFA的增益與諸多因素有關，如摻鉺光纖的長度，隨著摻鉺光纖長度的增加，增益經歷了從增加到減少的過程，這是因為隨著光纖長度的增加，光纖中的泵浦功率將下降，使得粒子反轉數降低，最終在低能級上的鉺離子數多于高能級上的鉺離子數，粒子數恢復到正常的數值。
由于摻鉺光纖本身的損耗，造成信號光中被吸收掉的光子多于受激輻射產生的光子，引起增益下降。由上述討論可知，對于某個確定的入射泵浦功率，存在著一個摻鉺光纖的長度，使得增益。增益與摻鉺光纖長度的關系如圖4所示。
EDFA的增益還跟輸入光的程度、泵浦光功率及光纖中鉺離子Er3+的濃度都有關系，如小信號輸入時的增益系數大于大信號輸入時的增益系數。當輸入光弱時，高能位電子的消耗減少并可從泵激得到充分的供應，因而，受激輻射就能維持達到相當的程度。當輸入光變強時，由于高能位的電子供應不充分，受激輻射光的增加變少，于是就出現飽和。泵浦光功率越大，摻鉺光纖越長，3dB飽和輸出功率也就越大。其次與當Er3+的濃度超過一定值時，增益反而會降低，因此要控制好摻鉺光纖的鉺離子濃度。
采用EDFA后，提高了注入光纖的功率，但當大到一定數值時，將產生光纖非線性效應和光泄漏效應，這影響了系統的傳輸距離和傳輸質量。另外色散問題變成了限制系統的突出問題，可以選用G653光纖（色散位移光纖DSF）或非零色散光纖（NZDF）來解決這一問題。
2.3、EDFA級聯的改進
之所以采用EDFA級聯的方式，一是插入兩級間的光隔離器有效地抑制了第二段EDF的反向自發輻射（ASE），使其不能進入段EDF，減少了泵浦功率在反向ASE上的消耗，使泵浦光子更有效地轉換成信號光能量;二是分為兩級后，各自的增益可以任意分配，可以根據不同的增益要求和應用環境改變相應的增益。但是，要在保證信號無失真的情況下得到的光功率增益，還需要解決一些問題：
（1）由于增益分為兩級，如何分配兩級問的增益才能在現有的EDF、泵浦源功率等條件下使得光放大的實現更容易，這與EDF的放大能力，泵浦遠功率大小、穩定性，泵浦光波長及其模式等均有密切相關。（2）在每一級各自一定的泵浦功率下，找到摻鉺光纖的長度。當EDF過短時，由于對泵浦吸收的不充分而導致增益降低;而當EDF過長時，由于泵浦光在EDF內被鉺離子吸收，泵浦功率逐漸下降，當功率降至泵浦閾值以下時，就不能形成粒子數反轉，此時，這部分EDF不僅對信號光無放大作用，反而吸收了已放大的部分信號，造成增益的下降，同時也會引起噪聲系數的增大。
（3）如果需要更高的光功率輸出，幾十瓦甚至上百瓦，可考慮更高級聯的方法，因為隨著增益的增大，泵浦源由于轉換效率的問題，功率需求會很高，所需的單級EDF長度也會大大增長，這樣的工作條件往往不易達到，且穩定性不強，采用更高級聯可以將增益劃分到多級，易于實現和控制，光模塊的整體增益特性也有較大提高。
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