馮傳崗

人類在研究無線電波的短波長通訊時，發(fā)現(xiàn)了“電子運動需要借助于原子中被束縛的電子進行能級躍遷 —— 激光”。激光技術(shù)把無線電電子學(xué)的一些現(xiàn)象（特別是非線性現(xiàn)象）引入到光波范圍（如：差頻、混頻、和頻），加之激光所能達到的發(fā)光強度遠遠超過了普通光，其成億萬數(shù)量級的差別，產(chǎn)生了許多新的技術(shù)現(xiàn)象。在當(dāng)今CATV系統(tǒng)的光纖及光通訊傳輸領(lǐng)域中，激光技術(shù)展示出前所未有和不可代替的技術(shù)成就。

用光纖來傳輸光信號，其損耗是限制光纖通信距離的主要原因之一。在CATV系統(tǒng)的光通訊傳輸領(lǐng)域中，光放大器的應(yīng)用，避免了光-電-光的轉(zhuǎn)換，配以外調(diào)制光發(fā)射機，傳輸距離可超過100km。若用光放大器級連放大，傳送距離還可更遠。

至今為止，人類成功研制的光放大器主要有喇曼光纖放大器、半導(dǎo)體光放大器、PDFA（摻鐠光纖放大器）、EDFA（Erbium-Doped Amplifier：摻鉺光纖放大器）四種。

目前，在CATV系統(tǒng)中常采用PDFA和EDFA兩種放大器（見表一），喇曼光纖放大器和半導(dǎo)體光放大器，由于有些性能不能滿足CATV系統(tǒng)的光纖及光通訊傳輸要求，故不應(yīng)用。

EDFA是光纖傳輸技術(shù)近十年來最突出的成就之一，是激光通信技術(shù)和光纖制造技術(shù)巧妙結(jié)合的產(chǎn)物，在CATV系統(tǒng)的光纖和光通訊領(lǐng)域中得到了迅速而廣泛的應(yīng)用。如今，EDFA完全替換了PDFA，成為光纖傳輸系統(tǒng)的主要器件。

EDFA噪聲和失真特性也都較好，其優(yōu)越特性主要表現(xiàn)在以下幾個方面：

1、EDFA的工作波段為1550nm（1nm折合125GHz），與光纖的最低損耗波段一致，因而可以傳輸更長的距離。

2、EDFA有較高的飽和輸出功率，又可作為發(fā)射機之后的光功率放大器，以延長無中繼傳輸距離和用作全光連續(xù)中繼鏈路，分配更多的光節(jié)點數(shù)。

3、EDFA信號增益頻譜很寬，達30nm以上，可用于寬帶信號放大，尤其適用于WDM（波分復(fù)用）系統(tǒng)，是廣播、通訊、數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)網(wǎng)中理想的放大器件。

4、EDFA的噪聲特性好，典型的EDFA相對功率噪聲<-155.5dB/Hz（+5dBm輸入功率），系統(tǒng)光噪聲指數(shù)<4.5dB。

5、EDFA小信號增益高，達50dB以上，且穩(wěn)定性好。

6、EDFA便于與光纖連接，連接損耗小。

7、EDFA一般都內(nèi)置CPU（中央處理器），配有RS232端口，便于計算機進行控制和網(wǎng)絡(luò)管理。

EDFA的工作原理

EDFA的工作原理與半導(dǎo)體激光器的工作原理基本相似，只是沒有產(chǎn)生反饋及選頻作用的光諧振腔。

一般來講，光電子能級躍遷分為三種過程：

1、從高能級向低能級躍遷的自發(fā)輻射熒光過程；

2、在吸收光子能量剌激下從高能級向低能級的受激輻射過程；

3、吸收光子從低能級躍遷到高能級的受激吸收過程。

當(dāng)在光纖中摻入Er3+（鉺）和Nd3+（釹）離子，它的受激吸收和受激輻射過程則是影響光放大器的主要因素。

在980nm泵浦作用下，EDF（摻鉺光纖）的激光發(fā)射可用三能級系統(tǒng)描述，EDFA的工作原理如圖1所示。參與工作的有三個能級：E1、E2和E3。在E1和E3能級之間通過受激吸收進行光泵浦，泵浦波長由E3和E1的能級差決定：

λp= hc ÷（E2-E1）

式中，h = 6.625×10—34 J·s（普朗克常數(shù)）；c = 3×108 m/s（真空中光速）。

在E2、E1兩能級之間受激躍遷決定了對信號光的放大作用。信號光的工作波長λs由E2、E1間的能級差決定：

λs= hc ÷（E2-E1）

當(dāng)該波長的光通過放大器時，就會得到放大。信號光的放大依靠E2、E1兩能級之間的受激輻射躍遷和受激吸收躍遷。

所謂的受激輻射躍遷：是指在外來光（如：信號光）的作用下，使高能級E2的粒子躍遷到低能級E1，從而實現(xiàn)了以光子的形式放射出多余的能量。其放出的光子與激發(fā)它的光子完全相同，因而實現(xiàn)了光放大。

所謂的受激吸收躍遷：是指低能級上的粒子吸收光能而躍遷到高能級上，這一作用使外來的光得以衰減。

當(dāng)受激輻射大于受激吸收時，就可得到“凈”增益，實現(xiàn)放大λs波長光的作用。其光信號增益為：

G = B × [（ Pp-Pth ）÷（ Pp+Pth ）]

式中，Pp為泵浦功率；Pth為泵浦功率閾值；B為與摻雜濃度和吸收截面等參數(shù)有關(guān)的常數(shù)。

受激輻射產(chǎn)生的光能除了與外界光強有關(guān)外，還與高能級上的粒子密度N2成正比，受激吸收減少的光能除與外界光強有關(guān)外，還與低能級粒子N1成正比。

EDFA的組成

一臺實用EDFA是由光路和輔助電路兩大部分組成。其中光路是EDFA的核心部分，由EDF、Pump（泵浦光源）、合波器、光隔離器和光濾波器組成；輔助電路部分主要由開關(guān)電源、CPU微處理、自動監(jiān)控和保護電路等組成，以保證EDFA正常工作。典型的單泵浦EDFA的工作原理如圖2所示。

EDF在EDFA中是進行光放大的核心部件。它是以石英光纖為基質(zhì)，在其石英纖芯中摻入一定比例的稀土元素Er3+離子，當(dāng)一定功率的泵浦光注入到EDF中時，Er3+離子被泵浦光從低能級E1激發(fā)到高能級E3上。由于Er3+離子在高能級上的壽命很短，很快以無輻射躍遷的形式衰變到低能級E2上，并在該能級和E1能級間形成粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布。所謂反轉(zhuǎn)分布：是指由于外部給予的能量，使得能級E2的電子密度N2的狀態(tài)遠大于能級E1上的電子密度N1的狀態(tài)。當(dāng)輸入的1550nm光通過EDF時，產(chǎn)生受激躍遷，泵浦光能量就通過粒子躍遷轉(zhuǎn)到1550nm信號光上，從而將輸入的光信號放大。

Pump為EDFA提供足夠的能量，使物質(zhì)達到粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布，從而實現(xiàn)放大作用。我們可以將泵浦光源類比看成電信號放大器中的電源。目前，用于EDFA中的泵浦光源多為LD（Laser Diode：激光二極管或半導(dǎo)體激光器），LD具有體積小、效率高、性能穩(wěn)定、壽命長等特點。更大功率的泵浦可采用LD泵浦YAG（Yttrium Aluminium Garnet：釔鋁石榴石激光器）晶體產(chǎn)生大功率固體激光。根據(jù)Er3+的能級泵浦源波長有多種，如820nm、980nm、1480nm等。在實際中EDFA用得較多的是980nm和1480nm泵浦光源。

根據(jù)泵浦光源與輸入信號光的相對位置的不同，EDFA的結(jié)構(gòu)可分為三種方式，如圖3所示。圖中（a）為前向泵浦型，（b）為后向泵浦型，（c）為雙向泵浦型。前向泵浦是信號光與泵浦光從EDF的輸入端輸入。后向泵浦方式是信號光與泵浦光從EDF的不同方向輸入。雙向泵浦方式是采用兩個泵浦分別從EDF的頭尾兩個方向輸入。從功率性能上講，后向泵浦方式和雙向泵浦方式的EDFA輸出信號光功率大于前向泵浦方式的EDFA。從噪聲角度來講，前向泵浦方式和雙向泵浦方式的EDFA性能，優(yōu)于后向泵浦方式的EDFA。所以，從總體性能上來看，雙向泵浦方式的EDFA性能最好。但由于采用兩支泵浦光源，結(jié)構(gòu)也較復(fù)雜，價格也較高。在具體的工程設(shè)計中，應(yīng)根據(jù)實際情況來選定。

合波器（波分復(fù)用）的作用是將信號和泵浦光合路送入EDFA的EDF中，要求它在信號光和泵浦光波長處的插入損耗都很小，并對光的偏振不敏感。

光隔離器對光的傳輸具有單向性。對正向傳輸來的光損耗很小，而以很大的損耗抑制反射光，對反射光的抑制一般大于40dB，從而使EDFA不受反射光的影響，以保證EDFA能工作的穩(wěn)定。一般EDFA中的光隔離器有兩只，分別安置在信號光的輸入端和EDF的輸出端。

光濾波器位于EDFA的輸出端，其作用是濾除EDFA中的噪聲，以提高系統(tǒng)的S/N（Signal to Noise Ratio：信噪比）。

輔助電路部分的CPU微處理器，主要用于監(jiān)測EDFA中泵浦激光器的工作狀態(tài)，監(jiān)測輸入、輸出光信號的強度，以便調(diào)整其工作參數(shù)，使EDFA處于最佳工作狀態(tài)。同時，還具有自動溫度控制和自動功率控制等保護功能。還可以通過網(wǎng)絡(luò)中計算機管理系統(tǒng)，實現(xiàn)人機對話和對EDFA的網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控功能。

EDFA的主要技術(shù)參數(shù)

EDFA的主要技術(shù)參數(shù)包括增益G、飽和輸出功率、噪聲系數(shù)NF和非線性失真。

1、增益G

增益G是描述EDFA對信號光放大能力的參數(shù)，其定義為：

G = 10 lg（ Ps，out ÷ Ps，in ）

式中，Ps，in和Ps，out分別表示輸入和輸出信號光功率。增益G通常為15～40dB。實際工程應(yīng)用的EDFA，其增益一般大于10dB。增益G與EDFA的泵浦強度、輸入信號光功率Ps，in以及EDF的參數(shù)和摻鉺段長度有很復(fù)雜的關(guān)系。當(dāng)輸入功率為-3.9dBm，泵浦源波長為1480nm，EDF長度為50m，摻雜濃度為25×10-6時，增益G與泵浦強度的關(guān)系如圖4所示。

當(dāng)泵浦功率增加時，信號功率增益迅速增加，然后趨于飽和。EDFA的增益G與信號光輸入光功率的關(guān)系如圖5所示。

在輸入信號光功率Ps，in比較小時，增益G是一個常數(shù)。也就是說，輸出的光功率Ps，out與輸入的光功率Ps，in成正比，此時的增益G叫做光放大器的小信號增益。但是當(dāng)輸入光功率增加到一定值后，再增加輸入光功率Ps，in、EDFA增益G開始下降，這種現(xiàn)象稱為光放大器的飽和現(xiàn)象，是由于放大信號時消耗了高能級上的粒子的緣故。

EDFA的增益G與EDF長度的關(guān)系如圖6所示。

在EDF長度中，有一段可使功率最大的最佳范圍，但在噪聲特性要求較高的場合，使功率增益最大的長度不一定是最佳長度。另外，EDFA增益G值的大小還同信號光波長有關(guān)，由圖7所示，EDFA的增益譜是不平坦的，但對應(yīng)1550 nm左右的信號波長能獲得平坦的增益譜。通過調(diào)整光纖中摻雜可以改善EDFA的平坦度。

2、飽和輸出功率

所謂飽和輸出功率：是指一個輸實際輸出的功率閾值。這個閾值是光放大器從線性增益區(qū)變化到非線性增益區(qū)的轉(zhuǎn)折點，這個轉(zhuǎn)折點的增益為EDFA小信號增益的一半，如圖8所示。

AM光纖使用的EDFA應(yīng)當(dāng)工作于增益飽和狀態(tài)。光放大器飽和輸出功率的增大，說明其增益線性區(qū)域的增寬，對放大AM-VSB信號有利。一般采用加大輸入光功率的方法，通過提高泵浦光功率和采用雙泵浦光源，就能獲得較高輸出的光功率。

3、噪聲系數(shù)NF

噪聲特性是評價光放大器質(zhì)量的一個重要參數(shù)。在光放大過程中，EDF中的自發(fā)輻射是其噪聲來源重要因素。光放大過程中處于E2能級的電子，有一部分并沒有產(chǎn)生感應(yīng)輻射但也移到了E1能級，這樣產(chǎn)生的自然輻射光是隨機產(chǎn)生的，其波長范圍寬，不是由相干光變成的噪聲。所以，EDFA的噪聲主要來自信號光的散粒噪聲和自發(fā)輻射以及自發(fā)輻射之間的差拍噪聲。通常，利用光帶通濾波器可以將大部分自發(fā)輻射之間的差拍噪聲濾除掉。

EDFA的噪聲特性由于其構(gòu)成及使用方法的不同而有變化，如：EDF纖芯的長度與摻入鉺離子的濃度；鉺離子在芯線斷面內(nèi)的分布狀況；放大光纖信號的設(shè)計參數(shù)及信號光電平；泵浦激光的波長與強度，注入方向等等，均影響EDFA的噪聲系數(shù)。

EDFA的噪聲系數(shù)可用NF來量度，它表示輸入S/N與輸出S/N之間的比值。當(dāng)EDFA的增益G足夠大（即G >> 1）時，可得到如下近似式：

NF = 2Nsp

式中Nsp稱為反轉(zhuǎn)分布參數(shù)的系數(shù)，有：

Nsp = N2 ÷（N2 -N1）

其中Nsp分別為能級E2、E1中分布的電子密度。

因為反轉(zhuǎn)分布在理想的情況下N2>>N 1，Nsp接近為1，由EDFA得到的最低噪聲系數(shù)值為2，即不會低于3dB。在實際的產(chǎn)品中對于980nm泵浦源理論極限值NF=3 dB，典型值可達3.2～3.4 dB。對于1480nm泵浦源極限值NFmin約為3.5dB，典型值NF可達4～6dB。由于實用EDFA的輸入端須插入作為泵浦光的光耦合器及光隔離器，所以EDFA噪聲系數(shù)的dB值還需加上插入損耗，所以實際的EDFA的噪聲系數(shù)≥4.5dB，并隨信號輸入光功率而變化。典型的EDFA的噪聲系數(shù)和輸入光功率的關(guān)系如圖9所示。

4、EDFA的非線性失真

EDFA的非線性失真主要由增益譜的不平坦所引起。因為光放大器一般工作在飽和區(qū)，當(dāng)輸入光變強時，由于感應(yīng)輻射，平均的高能位電子密度的減少，致使增益下降，但非線性失真并不增大。EDFA最大的失真是由光纖的非線性引起的。當(dāng)在光發(fā)射機后來用光放大器作功率放大時，光纖中注入的光功率很大，這在光纖中會產(chǎn)生非線性效應(yīng) —— SBS（Stimulated Brilliuin Scating：受激布里淵效應(yīng)），致使系統(tǒng)C/N（Carrier to Noise ratio：載噪比）指標下降。

CATV系統(tǒng)中EDFA的工作模式

在CATV系統(tǒng)中，EDFA的工作模式有前置放大，中繼放大，末級功率放大三種。

EDFA用做前置放大時，位于光探測器前端，可將微弱的光信號放大幾十個dB后再送到光探測器中進行檢測。因此，對它的要求是接收靈敏度高，噪聲系數(shù)小，并且有很高的小信號增益（一般都在20dB以上）。

EDFA用做中繼放大時，因為中繼放大是用以補償傳輸光纖的損耗，達到擴展傳輸距離為目的。因此，要求EDFA應(yīng)具有一定的小信號增益。當(dāng)使用EDFA在超長光傳輸鏈路中做級聯(lián)中繼時，隨著級聯(lián)中繼站數(shù)目的增加，噪聲也會像同軸電纜CATV系統(tǒng)傳輸一樣產(chǎn)生疊加和積累，但失真增加緩慢。

EDFA用做末級功率放大時，EDFA常放在光發(fā)射機的輸出端，用以得到更大的入纖功率，以驅(qū)動更多的光節(jié)點，用做長距離傳輸時，要求它具有很高的飽和輸出光功率，一般應(yīng)在十幾至幾十dBm以上。

EDFA在CATV中的應(yīng)用

1、由EDFA運作機理得悉，EDFA的工作波段是在1550nm上，所以CATV系統(tǒng)前端的光發(fā)射機應(yīng)工作在1550nm光波長上，EDFA才能起到光放大作用。

2、采用EDFA做光放大的系統(tǒng)中，其光發(fā)射機應(yīng)采用外調(diào)制方式的光發(fā)射機，這是因為在1550nm波段上普通單模光纖色散較大，直接調(diào)制下光發(fā)射機的激光器會產(chǎn)生Chirp效應(yīng)，使色散影響造成CSO（Composite Second Order Beat：復(fù)合二次差拍）急劇下降。加之EDFA的增益譜不平坦的影響，將使二階失真CSO指標進一步惡化。

3、改善和提高受激布里淵閾值。減少SBS的影響，充分發(fā)揮EDFA的工作效率。當(dāng)注入光纖中的光功率達到SBS的閾值以后，將產(chǎn)生SBS。外調(diào)制發(fā)射機光源譜線很窄，SBS更容易產(chǎn)生。SBS將增加光纖的非線性失真，并使注入到光纖中的光轉(zhuǎn)化為背向散射光，使激光器的相對強度噪聲RIN指標下降，從而降低系統(tǒng)的C/N指標。同時，因背向散射的影響，使光鏈損耗增加，導(dǎo)致接收端接收光功率下降。

在激光器光譜線遠窄于飽和SBS線寬（SBS線寬約為30～200MHz）時，可以用如下公式估算SBS的閾值

PSBSth = 21Aeff ÷ go Leff

式中，go為布里淵系數(shù)，是光纖材料決定的一個參數(shù)，近似值為go= 2×10-12cm/mW；Leff為光纖等效作用長度。當(dāng)光纖實際長度L>10km時，

Leff = 1 ÷ Ln（10α/10）（km）

式中，α為光纖的衰減系數(shù)；Aeff為光纖等效載面積（μm2），一般為89.9μm2。

減少SBS的影響的辦法是在發(fā)射機中用高頻對激光器進行淺調(diào)制，將其光譜展寬，提高SBS的閾值。而對CATV系統(tǒng)的CSO、CTB（Composite Triple Beat：復(fù)合三次差拍）指標沒有明顯的影響。另一種方法是在外調(diào)制器中進行附加相位調(diào)制。當(dāng)采用CATV系統(tǒng)信號最高載波頻率兩倍以上單頻正弦波信號對光載波進行附加相位調(diào)制時，可提高SBS閾值5dB左右。若將兩項技術(shù)同時應(yīng)用可將SBS閾值提高至17dBm（50mW）甚至更高。

4、當(dāng)將EDFA用于多級串聯(lián)時，光纖中的ASE（自發(fā)輻射）將逐級增大，從而引起噪聲增大，C/N降低。為此，需要在兩臺EDFA之間插入光濾波器或光隔離器，可有效防止自發(fā)輻射對降低C/N指標的影響。

5、由于在CATV分配系統(tǒng)中，對模擬信號的C/N要求很高（>50dB），為保證傳輸質(zhì)量，一般在光鏈中使用的EDFA的輸入光功率必須大于1mW。和RF（Radio Frequency：射頻）放大器相似，EDFA輸入光功率增大時，該級的C/N提高，對系統(tǒng)的C/N劣化減小。

6、EDFA有一定的溫度特性，其增益隨溫度的升高而下降。實驗表明，下降的速率為0.07dB/℃左右。因此，當(dāng)EDFA放置在室外作中繼器應(yīng)用時，必須考慮其溫度特性所帶來的不穩(wěn)定的影響，應(yīng)配置完整的監(jiān)控設(shè)備及合適的工作環(huán)境。

7、EDFA中的EDF對其放大特性起作重要的作用，若在EDF中再摻入少量的其他元素可以改善光放大器的一些技術(shù)參數(shù)，例如在EDF中摻入少量的鋁元素后，其增益特性變得較為平坦，所以在選型EDFA時對其光特性中增益介質(zhì)多加考慮，以滿足工程設(shè)計要求。

EDFA產(chǎn)品性能簡介

目前，國內(nèi)外的EDFA設(shè)計用來與1550nm光發(fā)射機配合使用，適用于多路分配的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，能有效地降低每毫瓦及每個光結(jié)點的成本；亦可用于遠距離中繼傳輸?shù)木W(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，配合高性能、SBS可調(diào)的1550nm光發(fā)射機，可對系統(tǒng)指標進行遠距離優(yōu)化，性能將更為出色。其主要性能見表2所示。