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1550nm光传输系统中的掺铒光纤放大器 文章类型：技术与应用 文章加入时间：2006年7月3日2:24 　　一、前言　　众所周知，光纤在1550nm窗口具有最低的损耗。光放大器的引入，特别是掺铒光纤放大器（EDFA）的应用使1550nm光纤系统远距离传输得以实现。光放大器根据增益介质的不同可分为两类：一类采用活性介质，如半导体材料和掺稀土元素（Nd，Sm，Ho，Er，Pr，Tm和Yb等）的光纤，利用受激辐射机理实现光的直接放大，如半导体激光放大器（SOA）和掺杂光纤放大器；另一类基于光纤的非线性效应实现光的放大，典型的为拉曼光纤激光放大器和布里渊光纤激光放大器。由于半导体激光放大器（SOA）与光纤耦合困难，对光的偏振特性敏感，噪声及串扰大，严重影响了它的应用；而非线性光纤放大器主要采用受激拉曼散射效应的拉曼光放大器，其缺点是需要的泵浦功率较高。约0.5~1W，实现比较困难；而掺铒光纤放大器（EDFA）由于工作窗口在1550nm，增益高、噪声低、输出功率大，增益特性稳定、增益与偏振无关等特点，可实现信号的“透明”传输，得以在系统中广泛应用。所谓“透明”传输是指可同时传输模拟信号和数字信号，高比特率和低比特率信号。　　二、EDFA的基本工作原理　　1、EDFA光放大器的基本结构　　?　　图1??EDFA光放大器原理性光路图　　图1给出了正向泵浦的EDFA光放大器的原理性光路，其主体是泵浦源与掺铒光纤。WDM为波分复用器，它的作用是将不同波长的泵浦光与信号光混合而送入掺铒光纤。光隔离器的作用是防止反射光对光放大器的影响，保证系统稳定工作。滤波器的作用是滤除放大器的噪声提高系统信噪比。?　　在泵浦光作用下的掺铒光纤中，通过光与工作物质的相互作用，泵浦光能量转移给信号光而将其放大。掺铒光纤放大器（EDFA）采用掺铒离子单模光纤作为增益介质，在泵浦光激发下铒离子由低能级跃迁到高能级得到粒子数反转分布，在信号光诱导下实现受激辐射放大。　　2、泵浦方式　　泵浦源为放大器源源不断的提供能量，在放大过程中将能量转换为信号光的能量。主要有以下几种泵浦方式，分别如图2（a）、（b）、（c）所示。这三种结构的EDFA分别称为前向泵、后向泵和双向泵掺铒光纤放大器。?　　?　　　　图2??掺饵光纤放大器的基本结构　　(a)前向或正向泵结构EDFA；(b)后向或反向泵结构EDFA；(c)双向泵结构EDFA。　　前向泵浦的噪声低，后向泵浦的输出功率高，双向泵浦结合了前两种的优点。随着器件制作水平的提高，单个980nm的泵浦激光器的输出功率可达到250mW。一般采用前向泵浦的单个980nm的泵浦激光器可制作出19dBm以内的光放大器，采用双980nm的泵浦激光器可制作出21dBm的光放大器，采用一只980nm的泵浦激光器和一只1480nm的泵浦激光器可制作出23dBm的光放大器。　　应当注意的是EDFA光放大器的输出光功率不是越高越好，因为EDFA光放大器在高功率输出情况下的噪声指标一般比低输出功率的高，且在1550nm光传输系统中光发射机的受激布里渊散射门限SBS值一般在17?dBm左右，高的输出功率只能在前端或在线分配输出。　　3、EDFA的主要特性与指标　　一个实用的?光放大器应具有优良的性能，并用各种技术参数来表征，其中增益、带宽、输出功率与噪声指数是评价放大器优劣的四个基本特性参数。光纤放大器的主要特性指标是增益和噪声。　　（1）小信号增益和饱和特性　　放大器的增益定义为G=Pout/Pin，式中：Pout、Pin分别为放大器输出端与输入端的连续信号功率。图3展示了典型参数计算所得1.55umEDFA的小信号增益随泵浦功率和放大器长度而变的曲线。在图3(a)中，对于给定的放大器长度L，放大器增益先随泵浦功率按指数函数增加，但是当泵浦功率超过一定值后，增益的增加就开始变得缓慢，甚至出现饱和。何时开始饱和取决于EDFA的设计，典型值为1~10?mW。　　图3（b）所示，对于给定的泵浦功率，放大器的最大增益对应一个最佳光纤长度，并且当L超过这个最佳值后很快降低，其原因是放大器的剩余部分没有被泵浦，反而吸收了已放大的信号。既然最佳的L值取决于泵浦功率Pp，那么就有必要选择适当的L值和Pp。从图4（?b）可知，当用980nm波长的激光泵浦时，如泵浦功率为80mW，放大器长度L=30m，则可获得35dB的光增益。?　　?　　图3??小信号增益和泵浦功率与光纤长度的关系　　(a)硅光纤中铒离子的能级图???(b)EDFA的吸收和增益频谱　　（泵浦波长为0.98um，工作波长为1.55um）　　在EDFA泵浦功率一定的情况下，输入功率较小时，放大器增益不随入射光信号的增加而变化，表现为恒定不变。当入射功率