原创光纤放大器

 2009-4-19 12:54  2434 9 7 分类: 通信

一.
光纤放大器的原理结构

掺铒光纤的放大原理

EDFA的放大作用是通过1550nm波段的信号光在掺铒光纤中传输与离子相互作用产生的。在光与物质相互作用时，光可以被看作由光子组成的粒子束，每个光子的能量为：

E=hv 其中：E为光子的能量，v为光的频率，h为普朗克常数。

掺铒光纤中的离子所出的能量状态是不能连续取值的，它只能处在一系列分立的能量状态成为能级上，这些能量状态成为能级。当在掺铒光纤中传输的光子能量与离子的某两个能级之间的能量差相等时，离子就会与光子发生相互作用，产生收激辐射和收激吸收效应。受激辐射是指离子与光子相互作用从高能级跃迁到低能级，发射出一个与激发光子完全相同的光子（激光子的频率、相位、传播方向、偏振态相同）；受激吸收是指离子与光子相互作用从低能集跃迁到高能级，并且吸收激发光子。为了详细说明EDFA放大原理，图1给出了离子与光放大作用有关的能级结构。

如图1所示，与离子产生光放大效应的能级由三个：高能态、亚稳态、基态。高能态与基态之间的能量差与泵浦光子能量相同，亚稳态与基态之间的能量与1550nm的光子能量相同。

在掺铒光纤中注入足够强的泵浦光，就可以将大部分处于基态的离子抽运到高能态上，处于高能态的离子又迅速无辐射地转移到亚稳态上。由于离子在亚稳态上能级寿命较长，因此，很容易在亚稳态与基态之间形成粒子数反转，即处于亚稳态的粒子数比处于基态的粒子数多。当信号光子通过掺耳光弦，与离子相互作用发生受激辐射效应，产生大量与自身完全相同的光子，这时通过掺耳光纤传输的信号光子迅速增多，产生信号放大作用；只有少数处于基态的离子队信号光子产生受激吸收效应，吸收光子。离子的亚稳态和基态具有一定的宽度，使EDFA的放大效应具有一定波长范围，其典型值维1530—1570nm。离子处于亚稳态时，除了发生受激辐射和受激吸收以外，还要产生自发辐射，即离子在亚稳态上暂短停留还没有机会与光子相互作用，就会自发地从亚稳态跃迁到基态并发射出1550nm波段的光子，这种光子与信号光不同，它构成EDFA的噪声。由于自发辐射光子在掺铒光纤中传输时也会得到放大，因此在EDFA的输入光功率较低时，会产生较大的噪声。

1.2光纤放大器的基本结构

光纤放大器一般由五个基本部分组成，它们是掺铒光纤（EDF）、
泵浦激光器（Pump—LD）、光无源器件、控制单元和监控接口（通信接口）。其中光无源器件包括：波分复用器（WDM）、光隔离器（ISO）、光纤连接
器（FC/APC）和光耦合其实防止光路中反向光对EDFA的影响与通信系统和光缆线路的连接变得容易，光耦合器丛输入和输出光中分路出一部分光（5%左
右）送到光探测器（PIN），由控制单元对光纤放大器的工作进行不间断的控制，监控借口向传输系统提供光纤放大器工作状态信息，确保光纤放大器作为传输系
统的一个部件，纳入到统一的网络监控之中。图2给出了三种典型惨铒光纤放大器结构原理图。

二. 光纤放大器的应用

光纤放大器与其他放大器比较，具有输出功率大、增益高、工作带宽宽、与偏振无关、噪声指数低、放大特性与系统比特率、数据格式无关等特点，它已成为新一代光通信系统的关键器件之一。

掺铒光纤放大器用在系统发射机输出短，提高发送功率，延长传输距离；用在光纤传输链路中，补偿光能量的损失，可增加传输距离；用在光接收机前，对信号进行预防大，可提高光接收机灵敏度。应用范围包括干线高速光通信系统、海缆系统、本地网、用户接入网、光纤CATV等工程。

2.1 功率放大器

掺铒光纤放大器作为功率放大器有许多特殊功能是电子线路放大器所不能比拟的，分述

如下：

2.1.1 掺铒光纤放大器可用作数字、模拟以及相干光通信的功率放大器。即如果线路上已采用掺铒光纤放大器做功率放大器，那么，不管它需要传输数字信号还是传输模拟信号，不必改变掺铒光纤放大器线路设备。

2.1.2 掺铒光纤放大器可传输不同的码率。如果需要扩容，由低码率改变为高码率时，不必改变掺铒光纤放大器线路设备。

2.1.3 掺铒光纤放大器做功率放大器，可在不改变原有噪声特性和误码率的前提下，直接放大数字、模拟活二者混合的数据格式，特别适合光纤传输网络升级。实现语音、图像、数据同网传输，不必改变掺铒光纤放大器线路设备。

2.1.4 一个掺铒光纤放大器可同时传输若干波长的光信号，即用光波复用扩容时，不必改变掺铒光纤放大器线路设备。

2.1.5 掺铒光纤放大器做功率放大器，不必经过光电转换可以直接对光信号放大，结构简单，成本低，性能稳定可靠。

实践证明，使用掺铒光纤放大器的光纤干线传输，经过近千公里的传输后的误码率人能达到。如果采用饱和功率为18dBm的放大器，可是实现160—200km无中继通信。如果有必要，还可将中继距离延长更远。

2.2 前置放大器

把掺铒光纤放大器置于光接收机关监测器前面。来自光纤的光信号经掺铒光纤放大器放大后再由光检测器检测。由于掺铒光纤放大器的信噪比由于电子放大器，所以用掺铒光纤放大器作预放大器的光接收机具有较高的灵敏度，其灵敏度甚至不亚于相干光接收机的。各类接收机灵敏度示于图3。

2.3 线路放大器

把掺铒光纤放大器至于光纤传输线路中，将已被衰减了的小信号进行放大，可以大大延长传输距离，也成为中继放大器。

线路放大器的显著优点是增益高，通常大于30dB。由于可以级联使用，特别适合海底远程通信和陆地超长距离传输使用。

使用线路放大器必须解决远程监控问题，国际标准化组织已制定出多种监控标准，可以按照标准进行远程监控。

2.4 用户接入网中的光纤放大器

光
纤放大器在用户接入网中也占有重要地位。在光纤用户网中，虽然用户系统的距离较短，但是用户网的分子太多，光线干线中的光信号功率要进行众多的分配，甚至
是多级进行分配。这样一来被分配到每个分支获得光信号就相当的弱，不能保证用户的终端设备的接收质量。为此，需要将光信号进行放大，这就需要光纤放大器。

将光纤放大器置于光发射机后端，以提高入纤的光功率，使整个线路系统的光功率得到提高，以满足各级需要，这就要用到光纤功率放大器。

在用户网中，当用户系统距离过长时需要使用线路放大器；为了提高各支路的光功率分配数量，也要使用这类放大器。

总之，光线放大器在用户接入网中主要是提高光信号的功率，即可以补偿光耦合器灯光器件所造成的光损耗，又可以大大提高用户数量以及复用密度，对降低用户网建设成本也会起到很大作用。

2.5 光纤CATV中的放大器

对于光纤/同轴混合结构的多种系统并存的CATV网络，掺铒光纤放大器日益抽到重视，尤其是前端集中的系统，点对多点的光波式结构和长距离的干线传输系统更是如此。对于CATV设计者最常用的树形分配网络中，系统的效率是由每个用户成本所决定的。因此，采用掺铒光纤放大器提高光功率可以在原有发射设备基础上，为更多的用户服务，从而降低发射机单位毫瓦的造价。另外，在近几年来，包含有掺铒光纤放大器的1550nm光发射设备可以最廉价的实现光纤到路边和光纤到大楼。总而言之，在CATV光纤干线传输和功率分配系统以及逐步实现语音、图像、数据通路传输的“三网合一”，为最终实现宽带的综合服务数字网，掺铒光纤放大器将发挥不可估量的作用。

如上所述，掺铒光纤放大器在光纤CATV中的应用示于图4。在这三种用途中，当前主要作为功率放大器和线路放大器，其目的是补偿光纤传输损耗或用作补偿光分路器的分支损耗。

功率放大器是在CATV系统的前段将发射机的输出光放大后再进行分配，以供各方向的光纤干线传输用。功率放大器于功率分配器也可考虑做成两端重复使用。从原理前短处奖光纤干线分支时，可在分支前面接入掺铒光纤放大器，作为线路放大器，以补偿分支损耗。

在CATV系统中，EDFA功率放大器可以将发射机的输出功率从2—4 mW提高到60mW。一台CATV光接收机需要的接受光功率为1mW，那么不加EDFA一台发射机只能带2—4台接收机，极不合算。使用EDFA后，发射机光功率提高到60mW，一套发射机+EDFA系统可以带60个接收机，使昂贵的发射系统有更多的用户共享，使每用户成本降低。下面举一例说明：

设想有一CATV
网需要240个光接收机，1310nmCATV发射机输出光功率为16mW（价格为15万元），则需要15台发射机，发射设备总价格225万元（网络结构
如图5a）；用1550nmCATV系统需要：1550nmCATV发射机，发射光功率4mW（价格30万元）一台，输出光功率为50mW的EDFA5台（50nmWEDFA价格15万元，则发射设备总价格（网络结构如图5b）两者相差120万元，1550nm发射系统的成本仅为1310nm发射系统的47%。由于光缆在1550nm波段的衰耗只有1310波段的57%，因此在发射系统具有相同的发射总功率的情况下，1550nm波段的发射设备比1310nm的设备能传输更长的距离，带更多的光接收机。从以上实例可以看出，应用EDFA的1550nm波段的CATV系统具有明显的性能价格比优势，是目前CATV发展的主流。