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光纤放大器

本页面主要介绍光纤放大器的结构和特点

分类

掺稀土元素光纤放大器，如

  • 掺铒光纤放大器 EDFA，工作波长为 1550 纳米。
  • 掺镨光纤放大器 PDFA，工作波长为 1310 纳米。
  • 铒、镱共掺杂。

非线性光学放大器，常规光纤放大器。

  • 拉曼光纤放大器 SRA，
  • 布里渊光纤放大器 SBA。

EDFA

工作原理

在泵浦光的激励下，发光能级上的粒子数不断增加，由于其上的粒子不稳定，很快跃迁到亚稳态，从而实现了粒子数反转。当具有 1550 纳米波长的光信号通过这段掺铒光纤时，亚稳态的粒子以受激辐射的形式跃迁到基态，产生和入射光信号一模一样的光子，从而得到放大。

EDFA的增益谱，由于受激辐射发生在铒离子的亚稳态能带和基态能带之间，决定了EDFA的放大波长窗口在光纤通信的 1550 纳米窗口。一般增益波长范围，也称带宽，可达几十纳米，但在增益波长范围内增益并不是一样大小的。

结构

典型的 EDFA 由掺铒光纤、泵浦源、波分复用器、光隔离器、光滤波器等组成。

其中掺铒光纤提供放大，泵浦源提供足够强的泵浦功率，波分复用器将信号光与泵浦光合在一起输入到掺铒光纤中，光隔离器保证光单向传输，防止由于光反射形成光振荡以及反馈光引起信号激光器工作状态的紊乱。光滤波器的作用是滤除光放大器中的 ASE 噪声，提高 EDFA 信噪比。通常 EDFA 有三种泵浦模式：同向泵浦、反向泵浦和双向泵浦。

三种泵浦方式的性能比较：

  1. 信号输出功率与泵浦光功率，同样泵浦条件下，同向泵浦输出最低。
  2. 信号特征，同向泵浦噪声系数较小。
  3. 饱和输出特征，双向泵浦输出功率最大。

EDFA 还需要辅助电路对 EDFA 的泵浦光源的工作状态进行监测和控制，对 EDFA 输入和输出光信号强度进行监测，根据监测结果调节泵浦光源的工作参数，使 EDFA 工作在最佳状态。此外，辅助电路部分还包括自动温度控制和自动功率控制等保护功能的电路。

特性

EDFA主要有三个特性：增益、输出功率和噪声特性。

增益特性，增益特性表表明了光放大器的放大能力，定义为输出信号光功率与输入信号光功率之比。EDFA的增益大小与多种因素有关，增益一般为 15-40dB。

可以定义最大增益效率为放大器最高增益与其对应泵浦光功率的比值，它指出放大器的泵浦效率。例如通常，

  • 980 纳米泵浦的EDFA泵浦效率为 11dB/mW，
  • 1480 纳米泵浦的EDFA泵浦效率为 6.5dB/mW。

EDFA的最大输出功率通常用 3dB 饱和输出功率表示。当饱和增益下降 3dB 时所对应的输出功率，就是 3dB 饱和输出功率。

EDFA的噪声主要有四种： 1. 信号光的散粒噪声； 2. 被放大的自发辐射光等噪声； 3. 自发辐射ASE光谱与信号间的差拍噪声； 4. 自发辐射ASE光谱间的差拍噪声。

以上四种噪声中，后两者影响最大，尤其是第三种是决定EDFA性能的主要因素。

衡量 EDFA 的噪声特性可用噪声系数 NF 来度量，其定义为 EDFA 的输入信噪比与输出信噪比的比值，用 dB 表示。它与同向传输的自发辐射频谱密度和放大器增益密切相关，与输入信号功率、泵浦功率和泵浦方式有关，一般表现为三点。

  1. 在输入小信号情况下，光放大器的噪声系数 NF 随着信号光功率的增大而略有减小，而 EDFA 处于饱和状态时的噪声系数随信号功率增大而增大。这是由于受激辐射转化为光信号光子的反转粒子数随信号光功率的增大而增多，与之对应，供自发辐射放大的反转粒子数相对减小。在小信号增益保持恒定时，ASE 功率的减小将导致噪声系数的减小。当 EDFA 进入饱和工作状态后，尽管放大过程 ASE 的抑制增强，但由于饱和增益下降较快，以致噪声系数反而随信号功率的增大而增大。
  2. 噪声系数随着泵浦功率的增大而减小。EDFA 的噪声功率由两部分组成，一部分是每一小段光纤产生的自发辐射，而大部分为该段光纤对前部光纤产生的自发辐射的放大，即放大的自发辐射。泵浦功率越大，前一部分所占的比重就越小。因为虽然输出噪声功率随泵浦功率的增大而增大，但信号同样获得增益，因而每一段光纤产生的自发辐射的比重较小。所以总的信噪比提高，即噪声系数 NF 降低。
  3. EDFA 的三种常见同向泵浦、反向泵浦和双向泵浦方式的小信号增益和噪声系数相差不多。但是由于这三种泵浦方式都能够使整个光纤的 Er 离子处于完全反转的状态，所以信噪比恶化基本相同。但是当掺 Er 光纤长度增大时，同向泵浦形式输出的 ASE 功率最小，因而噪声系数最低。双向泵浦形式噪声系数居中，反向泵浦形式噪声系数最高。不同泵浦方式存在不同的掺 Er 光纤长度，使 EDFA 的性能达到最佳。理论和实践已经证明，对于任何利用受激辐射进行放大的光放大器，其噪声系数的最小值为 3 dB，这一极限称为量子极限。对于 980 nm 的 EDFA，其噪声系数可以接近该极限，为 3.2 dB 到 3.4 dB，而 1480 nm 的泵浦最小噪声系数约为 4 dB。

总体来说三种泵浦结构的EDFA在性能上略有差异，采用同向泵浦可以获得较好的噪声性能，采用反向泵浦可以获得较高的输出功率，采用双向泵浦可以使EDFA的增益性能优于同向泵浦，但增加一个泵浦源使EDFA的成本增加。

EDFA向着复合结构发展，在掺铒光纤中插入合适的光学器件，可以平胆光大放大器的增益，抑制反向ASE和瑞利散射，还可以实现增益控制和输出限制放大器，充分利用泵浦光功率等。所有方法都是以增加放大器复杂程度来换取其性能的提高。EDFA的指标不断刷新，其小信号增益已达到 54 dB，噪声系数已接近量子极限。商用EDFA一般水平能达到小信号增益大于 30 dB，噪声系数小于 7 dB，最大饱和输出功率达到 20 dBm。

优点

EDFA的优点主要是： 1. 工作波长与光纤的低损耗波段一致，可以在光纤通信中获得广泛应用。 2. 耦合效率高，因为是光纤型放大器，易于光纤耦合连接，也可用熔接技术与传输光纤熔接在一起，损耗可降至 0.1 dB，这样熔接反射损耗很小，不易自激。 3. 能量转换效率高，激光工作物质集中在光纤纤芯，且集中在光纤纤芯中近轴部分，而信号光与泵浦光也是在近轴部分最强，这使得光与物质的作用很充分。 4. 增益高，噪声低，输出功率大，增益可达到 40 dB，输出功率在单向泵浦时可达到 14 dBm，双向泵浦可达 17 dBm，甚至可达 20 dBm。充分泵浦时，噪声系数可低至 3-4 dB，串话也很小。 5. 增益特性不敏感，首先是EDFA增益对温度不敏感，在一百摄氏度内增益特性保持稳定，另外增益也与偏振无关。 6. 可实现信号的透明传输，即在波分复用系统中同时传输模拟信号和数字信号。高速率信号与低速率信号，系统扩容时可只改动端机而不改动线路。

EDFA也有其固有的缺点，

  1. 波长固定，只能放大 1.55 微米左右的光波，换用不同机制的光纤时，铒离子能级也只能发生很小的变化，可调节的波长有限，只能换用其他元素。
  2. 增益带宽不平坦，在WDM系统中需要采取特殊手段来进行增益谱补偿。

应用

EDFA 有几种基本的应用形式。 1. 线路放大。线路放大也称在线放大，是将 EDFA 直接插入到光纤传输线路中，对信号进行中继放大的应用形式。这种形式广泛应用于长途通信、越洋通信等领域。 2. 功率放大。功率放大是指 EDFA 放在发射光源后对信号进行放大的应用形式，主要应用于光 CATV 系统中。 3. 前置放大。前置放大是指将 EDFA 放在光接收机前面，以提高光接收机接收灵敏度。四、LAN 放大。LAN 放大是指将 EDFA 放在总线中，以提高网络的稳定性。

EDFA可以在DWDM系统中使用。在DWDM系统网络中做线路放大、功率放大和前置放大，这是EDFA的典型应用之一。采用EDFA对十几路甚至是几十路不同波长的光信号同时放大，省去了传统O-E-O中继方式所需的大量光中继器，使设备成本大幅下降，而且便于运行维护。

EDFA在光缆有线电视传输系统、HFC系统中也可以应用。在光纤有线电视传输系统或者说HFC系统中，由于光节点保证信噪比要求所需输入最小光功率、光接收机灵敏度比较大，一般前端设备至光节点的传输距离在几十公里。为提高传输距离、扩大服务范围，更重要的是扩大前端设备支持的光节点数，可以采用EDFA作为功率放大器，以提高发射端输出光功率。采用EDFA使前端设备能够支持的光节点数大大增加，而且节省了主干段光缆，从而降低了系统总体成本。

RFA和EDFA混合放大，RFA与EDFA构成混合放大结构具有很多优势。

问题

EDFA 在通信系统中存在一些问题。

  1. EDFA 的增益谱不平坦，EDFA 的增益与波长有关，增益谱具有不平坦的双峰特性，使它成为用于 WDM 系统的突出问题。在 WDM 系统中，要求对多路不同波长的信道同时放大，并获得相同或近似增益。增益不平坦将导致信号信道间功率弥散，恶化整个系统的性能。此外，在采用 EDFA 的模拟光纤传输系统中，如 CATV 系统中，增益谱的不平坦将引起系统失真指标劣化。解决增益不平坦的措施，一是在石英光纤掺铒的同时再掺入组合其他适合的其他杂质，如掺入氟或铝，掺铝的 EDFA 增益谱的平坦效果有明显改善。二是采用增益均衡技术，将一点五三二微米处的增益峰去掉。已提出了许多均衡 EDFA 增益不平坦的方法，其中接近实用的是预加重法和陷波滤波器法等。
  2. 预加重法，对输入各信道的功率进行有选择性的调整，使其输出功率基本相同。如果各信道输出功率不平衡，借助监控电路反馈到输入端，调控各输入端各信道功率，最终使各信道获得均匀的输出功率或信噪比。预加重技术用于点对点 WDM 系统是有效并很有前途的。
  3. 滤波法。滤波均衡方法有很多种，可以使用不同滤波器，如陷波或衰减滤波器来抑制增益峰，以达到带内增益平坦的目的。原则上只要滤波器的传递函数与 EDFA 的增益谱相反，滤波后的增益谱将变平坦。例如用吸收谱 1.532 微米附近的形状与 EDFA 增益谱反转相似的吸收光纤与 EDFA 组合，放大器在 1.532 微米附近能量被吸收介质吸收，使放大器在 1.529 到 1.559 微米范围内的增益谱波动小于 0.5 dB。
  4. 增益互补均衡法，采用此方法与上面的不同之处在于，不牺牲放大器部分功率的代价来换取增益均衡效果。它通过两段掺杂不同，因而增益谱不同的掺铒光纤的增益互补而实现增益平坦。由于掺铒光纤中掺杂铝制成的放大器，其长波长信号的增益高。而掺磷和铝的EDFA增益特性与之相反，其长波长信号增益低。这两种放大器组合形成复合放大器，合成的增益普遍平坦，而且不影响放大器的工作效率。
  5. 放大器的级联，每隔一定距离设计一个放大器。这种放大器的级联可以克服长距离光波系统的光纤损耗，实现无周期性光电转换的光信号长距离传输。一个级联在线放大器光纤通信系统的设计涉及众多因素，其中放大器的噪声、光纤的色散和非线性效应的累计尤其重要。由于级联的方式不同，系统的噪声性能将会有所不同，因此级联方式的选择很重要。根据每级增益不同，有三种不同的EDFA增益方式。
  6. 自愈方式，这种方式对每级的增益不进行专门控制，而是依靠放大器的饱和特性自己调整。
  7. 恒定每级输出总功率的方式。
  8. 恒定信号输出功率方式。

YEDFA

YEDFA 是基于铒/镱双掺光纤在一千零六十四纳米激光泵浦下的增益原理。

采用 YEDFA 可以增加泵浦光子的吸收和提高其增益系数，简化光器件结构，缩小尺寸，提高了稳定性和可靠性，还有其实用性。