一、摻鉺光纖的放大原理

EDFA的放大作用是通過1550nm波段的信號光在摻鉺光纖中傳輸與Er3+ 離子相互作用產生的。在光與物質相互作用時，光可以被看作由光子組成的粒子束，每個光子的能量為：E=hv 其中E為光子的能量，v為光的頻率，h為普朗克常數。

摻鉺光纖中的Er3+離子所出的能量狀態是不能連續取值的，它只能處在一系列分立的能量狀態成為能級上，這些能量狀態成為能級。當在摻鉺光纖中傳輸的光子能量與Er3+離子的某兩個能級之間的能量差相等時，Er3+離子就會與光子發生相互作用，產生收激輻射和收激吸收效應。受激輻射是指Er3+離子與光子相互作用從高能級躍遷到低能級，發射出一個與激發光子完全相同的光子(激光子的頻率、相位、傳播方向、偏振態相同);受激吸收是指Er3+離子與光子相互作用從低能集躍遷到高能級，并且吸收激發光子。

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+離子抽運到高能態上，處于高能態的Er3+離子又迅速無輻射地轉移到亞穩態上。由于 Er3+離子在亞穩態上能級壽命較長，因此，很容易在亞穩態與基態之間形成粒子數反轉，即處于亞穩態的Er3+粒子數比處于基態的Er3+粒子數多。當信號光子通過摻耳光弦，與Er3+離子相互作用發生受激輻射效應，產生大量與自身完全相同的光子，這時通過摻耳光纖傳輸的信號光子迅速增多，產生信號放大作用;只有少數處于基態的Er3+離子隊信號光子產生受激吸收效應，吸收光子。Er3+離子的亞穩態和基態具有一定的寬度，使EDFA的放大效應具有一定波長范圍，其典型值維1530—1570nm。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，即Er3+離子在亞穩態上暫短停留還沒有機會與光子相互作用，就會自發地從亞穩態躍遷到基態并發射出1550nm波段的光子，這種光子與信號光不同，它構成EDFA的噪聲。由于自發輻射光子在摻鉺光纖中傳輸時也會得到放大，因此在EDFA的輸入光功率較低時，會產生較大的噪聲。

二、光纖放大器的基本結構

光纖放大器與其他放大器比較，具有輸出功率大、增益高、工作帶寬寬、與偏振無關、噪聲指數低、放大特性與系統比特率、數據格式無關等特點，它已成為新一代光通信系統的關鍵器件之一。

摻鉺光纖放大器用在系統發射機輸出短，提高發送功率，延長傳輸距離;用在光纖傳輸鏈路中，補償光能量的損失，可增加傳輸距離;用在光接收機前，對信號進行預防大，可提高光接收機靈敏度。應用范圍包括干線高速光通信系統、海纜系統、本地網、用戶接入網、光纖CATV等工程。

2.1 功率放大器

摻鉺光纖放大器作為功率放大器有許多特殊功能是電子線路放大器所不能比擬的，分述如下：

2.1.1 摻鉺光纖放大器可用作數字、模擬以及相干光通信的功率放大器。即如果線路上已采用摻鉺光纖放大器做功率放大器，那么，不管它需要傳輸數字信號還是傳輸模擬信號，不必改變摻鉺光纖放大器線路設備。

2.1.2 摻鉺光纖放大器可傳輸不同的碼率。如果需要擴容，由低碼率改變為高碼率時，不必改變摻鉺光纖放大器線路設備。

2.1.3 摻鉺光纖放大器做功率放大器，可在不改變原有噪聲特性和誤碼率的前提下，直接放大數字、模擬活二者混合的數據格式，特別適合光纖傳輸網絡升級。實現語音、圖像、數據同網傳輸，不必改變摻鉺光纖放大器線路設備。

2.1.4 一個摻鉺光纖放大器可同時傳輸若干波長的光信號，即用光波復用擴容時，不必改變摻鉺光纖放大器線路設備。

2.1.5 摻鉺光纖放大器做功率放大器，不必經過光電轉換可以直接對光信號放大，結構簡單，成本低，性能穩定可靠。

實踐證明，使用摻鉺光纖放大器的光纖干線傳輸，經過近千公里的傳輸后的誤碼率人能達到 。如果采用飽和功率為18dBm的放大器，可是實現160—200km無中繼通信。如果有必要，還可將中繼距離延長更遠。

2.2 前置放大器

把摻鉺光纖放大器置于光接收機關監測器前面。來自光纖的光信號經摻鉺光纖放大器放大后再由光檢測器檢測。由于摻鉺光纖放大器的信噪比由于電子放大器，所以用摻鉺光纖放大器作預放大器的光接收機具有較高的靈敏度，其靈敏度甚至不亞于相干光接收機的。各類接收機靈敏度示于圖3。

2.3 線路放大器

線路放大器的顯著優點是增益高，通常大于30dB。由于可以級聯使用，特別適合海底遠程通信和陸地超長距離傳輸使用。

把摻鉺光纖放大器至于光纖傳輸線路中，將已被衰減了的小信號進行放大，可以大大延長傳輸距離，也成為中繼放大器。

使用線路放大器必須解決遠程監控問題，國際標準化組織已制定出多種監控標準，可以按照標準進行遠程監控。

2.4 用戶接入網中的光纖放大器

光纖放大器在用戶接入網中也占有重要地位。在光纖用戶網中，雖然用戶系統的距離較短，但是用戶網的分子太多，光線干線中的光信號功率要進行眾多的分配，甚至是多級進行分配。這樣一來被分配到每個分支獲得光信號就相當的弱，不能保證用戶的終端設備的接收質量。為此，需要將光信號進行放大，這就需要光纖放大器。

將光纖放大器置于光發射機后端，以提高入纖的光功率，使整個線路系統的光功率得到提高，以滿足各級需要，這就要用到光纖功率放大器。

在用戶網中，當用戶系統距離過長時需要使用線路放大器;為了提高各支路的光功率分配數量，也要使用這類放大器。

總之，光線放大器在用戶接入網中主要是提高光信號的功率，即可以補償光耦合器燈光器件所造成的光損耗，又可以大大提高用戶數量以及復用密度，對降低用戶網建設成本也會起到很大作用。

2.5 光纖CATV中的放大器

對于光纖/同軸混合結構的多種系統并存的CATV網絡，摻鉺光纖放大器日益抽到重視，尤其是前端集中的系統，點對多點的光波式結構和長距離的干線傳輸系統更是如此。對于CATV設計者最常用的樹形分配網絡中，系統的效率是由每個用戶成本所決定的。因此，采用摻鉺光纖放大器提高光功率可以在原有發射設備基礎上，為更多的用戶服務，從而降低發射機單位毫瓦的造價。另外，在近幾年來，包含有摻鉺光纖放大器的1550nm光發射設備可以最廉價的實現光纖到路邊和光纖到大樓。總而言之，在CATV光纖干線傳輸和功率分配系統以及逐步實現語音、圖像、數據通路傳輸的“三網合一”，為最終實現寬帶的綜合服務數字網，摻鉺光纖放大器將發揮不可估量的作用。

如上所述，摻鉺光纖放大器在光纖CATV中的應用示于圖4。在這三種用途中，當前主要作為功率放大器和線路放大器，其目的是補償光纖傳輸損耗或用作補償光分路器的分支損耗。

功率放大器是在CATV系統的前段將發射機的輸出光放大后再進行分配，以供各方向的光纖干線傳輸用。功率放大器于功率分配器也可考慮做成兩端重復使用。從原理前短處獎光纖干線分支時，可在分支前面接入摻鉺光纖放大器，作為線路放大器，以補償分支損耗。

2.6 在密集型波分復用(DWDM)系統中的應用

由于EDFA具有30nm的工作帶寬,它可以同時放大多個波長不同的光信號，因此它可以十分方便的應用于DWDM系統中，補償各種光衰耗。

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